| 标题 | 基于UHF RFID的图书馆定位服务系统 |
| 范文 | 刘洋 何胜韬 摘 要 论文通过对当前图书馆现有的图书定位方式进行比较，以通用化和结构简洁化为设计原则，提出采用UHF RFID（超高频射频识别）技术实现图书的实时定位，以及对图书错架、乱架进行检测，以实现图书的智能化管理和高效的图书检索服务。 关键词 UHF RFID技术 图书定位 定位算法 Book Positioning System of Library Based on UHF RFID Technology Liu Yang， He Shengtao Abstract This paper compares the existing book location methods of the current libraries. Taking generalization and structural simplification as the design principles， this paper presents real-time location system of books based on UHF RFID technology and the detection method of the errors in book shelving， in order to realize the intelligent management of books and efficient book retrieval services. Keywords UHF RFID technology. Book location. Positioning algorithm. 0 引言 随着移动通讯、互联网和云计算技术的发展，图书馆管理也逐渐向着智能化、人性化的方向迈进，图书馆的功能重心也由传统的“文献中心模式”转向“读者中心模式”，全方位开架借阅模式和计算机检索，为读者带来更舒适的阅读体验，提高了图书馆的利用率。然而，读者面对大规模的开架借阅，单纯的依靠计算机检索查找图书，存在效率低、精确性低等问题。对此，国内外图书馆都在积极探索解决之道，如：2003年Ekahau公司和芬兰奥卢大学图书馆共同开发了一款无限个人数字助理系统SmartLibrary[1]，利用馆内WIFI网络对读者进行定位，读者查询书目系统来确定图书位置，通过馆内地图来引导读者到所查图书的目标书架。又如：2014年，印度国家设计学院研究生P.Siddappa自主研发了找书应用librARi[2]。与SmartLibrary不同在于，该应用并非为用户提供找书路径，而是在视野范围内大面积扫描书架，若目标书籍存放在该范围内的书架，则会在屏幕上出现位置提示。 近年来，国内部分高校图书馆也开始为读者提供图书位置查询服务。重庆大学图书馆利用手机的GPS定位功能进行图书定位，通过交互式地图指引读者找到所需图书的位置。南京大学和RFID公司研发的巡检机器人[3]，利用超高频RFID和激光导引等技术，检查是否存在错架图书、藏书和丢失等现象，实时更新图书位置信息。武汉大学的张倬胜学者设计的室内定位系统[4]，采用苹果公司研发的iBeacon技术对图书进行定位，用户可以通过装有Android系统的手机或移动终端在图书检索界面中输入所需要查找的图书，系统便会显示图书所在的位置3D图形，并通过导航将读者引导至相应位置，提高了查找图书的效率。 1 图书定位的两种方式——静态定位和动态定位 1.1 静态定位 静态定位是对图书馆所有书架层进行位置编号，然后通过采集每本图书在书架上的实际位置，将图书的位置信息和书架编号进行数据关联，实现对馆藏图书的定位。图书馆采用多种方法将图书与架位关联起来，例如，大连理工大学盘锦校区图书馆采用RFID技术进行图书定位，利用手持RFID阅读器或盘点车对图书的RFID标签和书架RFID标签进行扫描，将每册图书与对应的层架信息录入到后台数据库中。孙伟在《位置映射技术在图书定位与导航中的应用》一文中对图书的位置确定则是通过建立图书索书号与所在书架的多对一映射关系，无需额外铺设新的设备，降低了使用成本[5]。由于静态定位技术已非常成熟，目前很多高校图书馆采用静态定位来对图书进行定位。读者在进行OPAC检索时，系统界面以三维图形的方式显示所查询图书的具体位置。但静态定位本质上是一种“理论上”，而非“事实上”的定位，其定位的准确性极大地依赖于书库图书的排架质量。当遇到图书倒架、移库或有错架乱架时，系统显示的图书架位信息就会出现偏差。 1.2 动态定位 动态定位是利用RFID读写器读取图书中的RFID标签，通过短距离无线网络如UWB、蓝牙、Zigbee、WIFI等，实现对馆藏图书的实时定位。实时地将图书信息和位置信息传送到后台数据库，从而实现对馆藏图书的实时定位。目前动态定位还处于先导试验阶段，一些厂商研发的整体式智能书架仍存在安装程序繁琐，天线隐蔽性差，安装成本高等问题。目前国内首家应用动态定位技术的图书馆是杭州市图书馆[6]。杭州市图书馆与上海阿法迪公司应用RFID技术开发了国内首个智能书架系统，在每层书架上安装RFID阅读器天线，通过天线接收图书中RFID电子标签的信号来确定图书的位置，实现对图书的实时定位。 2 方案设计 本系统是以现有的书架为基础而进行的改进型设计，主要利用UHF RFID技术对图书进行跟踪定位，采用隐蔽性好的微带天线来接收图书的实际位置信号，并将位置信息传递给安装在书架上的UHF RFID定位器，这些定位器中内嵌WIFI无线通讯模块，可以将阅览室内分布眾多的UHF RFID定位器组成无线网络，定位器将读取到的图书位置信息通过WIFI网络传送到各阅览室主站计算机进行处理，从而方便管理员和读者查询图书的实际位置。 2.1 图书定位系统网络架构 定位系统支持全天24小时在线监控，图书定位系统的整体网络结构如图1所示。定位系统网络采用分层结构：定位服务系统上层网络、各阅览室主站层、各阅览室书架网络层。 书架网络层。每个书架上安装有定位器，隔一段时间就读取一遍书架上的图书标签，以获得图书的实际位置信息，并将位置信息通过基于WIFI协议的无线局域网络发送到所在阅览室的无线路由器，通过无线方式实现它们之间数据传输，无需重新布线，便于安装。整个无线网络采用Infrastructure组网模式，即以接入点AP（路由器）为中心，所有的基站（书架节点）通信要通过AP转接，最终接入点AP（路由器）将无线信号转换为有线网络连接至阅览室主站。阅览室主站也可通过路由器直接向书架定位器发送命令。 阅览室主站。每个阅览室都有一台微型计算机，负责接收阅览室各书架定位器节点采集的图书位置信息，并对所采集的阅览室书架、书架的AB面和层编号进行储存，形成图书实时架位信息表，保存在主站数据库中。管理员可以登录主站的定位管理系统对该阅览室的图书进行盘点。 定位服务系统上层网络。定位服务器与各阅览室主站采用100BaseTX双绞线连接。服务器以轮询方式从各阅览室主站收集各阅览室图书的实际存放位置信息，形成馆藏图书位置动态数据库并与图书规定位置信息表进行比对，并结合图书借阅信息，若与规定位置信息表不一致则系统显示该书处于错架状态。中心主站定位服务器的数据库主要用来存储图书信息、图书规定位置信息表、图书实时架位信息、读者信息和借阅信息，并对这些数据进行管理，使读者在应用图书查询系统时能够准确、迅速地检索到图书的位置信息。 2.2 UHF RFID技术 UHF RFID（Ultra High Frequency）采用ISO/IEC 18000-C国际标准，工作频率为860MHz～960MHz，UHF RFID标簽含有内置天线，可分为有源标签和无源标签，图书馆大部分使用的是无源标签。目前图书馆应用的RFID芯片主要为高频和超高频两种，由于高频RFID和超高频RFID工作原理不同，因此二者在读写距离以及读写速度上都有很大差别。高频RFID采用电磁耦合方式，因此无源标签需工作在阅读天线辐射的近场区内，标签的读写距离一般小于1米，而超高频RFID采用电磁发射方式，因此标签的读写距离更大，可以达到4～6米（如表1所示）。与高频RFID相比UHF RFID阅读器还具有数据传输速率快、体积小隐蔽性强、不易受金属物体的干扰等特点。就智能书架而言，图书馆大部分使用钢木混合书架，且图书存放量大，符合UHF RFID应用场景特征。 2.3 UHF RFID定位书架设计 本文设计的书架定位器可直接在图书馆现有的书架上进行安装，如图2所示。每层书架都布置一定数量的RFID接收天线来读取书架上的图书信息以及参考标签信息，通过切换开关组连接到书架定位器，定位器经过内部运算来确定图书在书架的实际位置。图2简单描绘了书架定位器的硬件结构以及与书架的连接，而在实际应用中，一个书架定位器可以监测、定位多个书架上的图书，这时，只需通过外扩接口电路增加天线切换开关组的个数，并在程序中设置相应的参数即可。 2.3.1 定位书架硬件组成 （1）UHF RFID标签。每本图书内置UHF RFID标签，每个电子标签都有唯一的ID以此作为图书的编号。标签内依次写入图书的ISBN号、图书名称、索引号、作者、出版社、财产号等信息。 （2）天线部分。本系统采用低剖面，体积小的微带天线作为定位器天线。微带贴片天线是由介质基片、基片上的辐射贴片和基片另一面的接地板所构成，利用辐射贴片与接地金属板之间产生的辐射场辐射电磁波。如图3所示，天线的工作原理在文献[7]中有详尽描述。根据微带天线的辐射原理可知，在垂直于贴片表面的这个方向上产生的电磁波最强，满足智能书架对天线方向性的要求。为了保证定位的精确度，每个书架小格两侧各安装一个天线。 （3）天线切换开关组。天线群切换开关由射频模块，功分器和频率综合器组成。射频模块采用CC2530芯片对射频信号进行处理，CC2530芯片内集成了控制电路可以对天线进行编码，并按顺序依次接收天线采集的信号。频率综合器（即本振）选择ADI公司的ADF4360-7作为频率综合器的主芯片，芯片的电路原理图可参考文献。功分器负责为天线分配合适的功率。选择合适的天线发射功率也是定位的重要环节，过大的发射功率会造成信号越出限定空间；而发送功率太小又会造成漏检，因此需保证每个天线的输出功率在300mW左右。 （4）书架定位器。定位器由主控制器、WIFI传输模块、触摸屏显示器、电源模块组成。用于处理天线采集的图书位置信息和标签信息，并将射频信号转换成数字信号，进行图书位置运算。最后将位置信息通过WIFI模块传输到所在阅览室的主站计算机中。 ①主控制器是整个书架定位器的核心部分，系统选用基于ARM的嵌入式微处理器（Embedded Micro Processing Unit，EMPU）作为定位器的主控制器。ARM芯片除微处理器核之外还根据应用场合的不同相应的集成了LCD控制器、USB接口、RTC、DAC、ADC等功能模块，简化了外围电路的设计[8]。与传统单片机相比EMPU还具有高集成度、功耗低、扩展性强、运算能力高等优点。S3C2440A芯片是一款基于ARM920T 内核的 16/32 位 RISC 嵌入式微处理器，主频为400MHz，最高可达 533MHz，满足定位器所需的运算能力。S3C2440A内部具有触摸屏接口，可以直接连接触摸屏显示器。 ②WIFI传输模块选用VT6656型号WIFI芯片，支持802.11a、802.11b和802.11g标准，能与现有的WLAN网络进行无缝兼容，无需淘汰现有的基础设施。同时它还支持64/128/152位WEP加密，支持WPA/WPA2、WPA-PSK/WPA2-PSK等高级加密与安全机制[9]。 ③触摸屏显示器。触摸屏按其工作原理可分为：矢量压力传感式、电阻式、电容式、红外线式和表面声波式五类。其中电阻式触摸屏由于触摸的灵敏度高、成本低、环境适应性强等优点，在嵌入式系统中应用较多。电阻式触摸屏的工作原理在文献[10]中有详细介绍。S3C2440A内部具有触摸屏接口，通过外部晶体管连接触摸屏显示器。设置触摸屏接口为等待中断模式，当有触摸笔按下时，它将产生INT_TC中断，通过监测X/Y轴坐标值来读取输入的信息。另外触摸屏显示器还可显示每排书架的错架情况，统计错架图书数目，显示错架图书的实际位置和错架图书应放的正确位置。 ④电源模块。S3C2440A需要使用3.3V和1.8V的直流稳压电源。一般稳压电源器的输出电压为5V，可以通过DC-DC转换器将5V电压转换成3.3V和1.8V。系统采用AMS1117芯片完成5V到3.3V的电压转换，AMS117具有完善的过热保护与限流保护功能。采用MIC5207BM5线性稳压器为RTC（外部时钟电路）和后备电源提供低噪声稳定的1.8V直流电源。 2.3.2 书架定位器软件流程 本系统采用定位器驱动定位对错架图书位置信息进行实时更新，设置软件架构如图所示，主程序结构简单，清晰，完成系统配置与初始化后开中断，允许触摸屏端口中断和WIFI信号接收口中断。当有触笔点下触摸屏时或是接收端口接收到来自阅览室主站的查询信号时，中断控制器通过判断中断的优先级以及中断标志位的状态来确定响应哪种中断，进而调用相应的终端服务子程序进行处理，保证随机任务的实施。中断程序执行完成后，恢复现场，跳转到被中断的主程序继续执行下一个命令。主程序按顺序依次调用各子程序并置起相应的标志位（在位置寄存器中），各子程序通过监测标志位的状态来判断是否响应主程序的请求。子程序相应请求后又可以置起或清除特定的标志位，便于下次程序循环时调用。定位器每30秒循环一次，检测架位上的图书位置信息。系统主程序流程图如图4所示。 2.4 定位原理及算法改进 一般图书馆的专用书架为钢制双面书架，图书馆的大部分书架层与层之间采用钢板作为支撑，书架的A、B面之间也有金属隔断，都对电磁波有屏蔽作用，因此书架的层与层之间、书架两侧的天线不会产生信号干扰。书架的最小单元格的长度为900～1000mm，高度为350mm，因此每个单元格布置两个天线即可满足定位精确度的要求。本文设计的智能书架是在最小单元格的左右两侧和上方分别粘贴参考标签（写入书架层号、AB面和小格的编号等信息）。通过天线检测到的图书标签信号与参考标签的距离即可确定图书所在的小格的位置。 图书所在位置信息是靠天线接受标签后向散射信号强度RSSI确定的。在室内环境下电磁波的传输损耗符合对数正态阴影模型，RSSI值与传输距离d的关系式如下： RSSI= -（10nlgd+A） 其中，n为信号传播系数；d为与发送端的的距离；A为据发送端1m时的信号强度。由此可见，返回信号强度RSSI会随着距离的增加而递减，从而确定目标标签的距离[11]。 根据“最邻近距离”的思想，即待测标签与参考标签的距离相近，那么阅读天线接收到的相邻标签的RSSI值是相近的。因此，本文采用LARNDMARC定位算法[12]，通过比较阅读天线接收到的参考标签与待测标签返回的信号强度值来得到离待测标签最近的几个参考标签，然后根据已知的参考标签位置坐标，利用经验公式算出待测标签的位置，即图书标签的实际位置。 假设区域内有n个阅读天线，m个参考标签，u个待测标签，待测标签返回信号强度为：P=（P1，P2，…Pn），参考标签返回信号强度为Q=（Q1，Q2，…Qn），根据距离公式可得两种标签的距离关系表达式： Dj= 由此可见，D值越小表示参考标签位置离待测标签的位置越近。图5所示为参考标签分布图。每个书架小格的上方个设置三个参考标签，每个参考标签之间的间距相等。 定位器天线通过测量D值选出离待测标签最近的三个参考标签（参考标签的位置确定），并通过加权算法来求得待测标签的位置： 通过加权因子来体现参考标签对待测标签决定权的大小，离待测标签的距离越近权值越大。权重公式为： k——相邻参考节点个数，Wi——第i个临近标签的权重。结合公式 、可得 式中（x，y）——待测标签坐标；（x1，y1），（x2，y2）（x3，y3）——三个临近参考标签坐标，D1，D2，D3——由RSSI值获得的三个临近的参考标签到待测标签的距离； 3 总结 本文设计的书架定位系统除了可以实现对图书的实时定位，还解决了读者找书难的问题，并能满足图书馆馆藏管理的需要，完成新增文献上架、文献利用率统计、文献清点、整架等功能。但是，当前定位书架的铺设成本仍相对较高，难以得到广泛应用，随着物联网的不端发展，相信RFID系统整体建设成本也会逐渐降低。另外，伴随互联网、移动终端、云计算的快速迭代，人们对数据的管理质量要求也越来越高，图书馆通过智能书架的传感器网络，将采集的智能节点信息进行综合支配，跟踪读者的阅读习惯，应用大数据技术对读者的全部数据进行收集整理和深入分析，在为读者提供更加个性化服务的同时，也能为图书馆的智慧化管理提供有力的技术支持。 参考文献 [1] Oulo University Library.Smartlibrary-Langattomat verkko-ja mobiili-palvelut paakirjastosssa [EB/OL]. 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