王 雪

(齊魯工業(yè)大學(xué)，山東 濟(jì)南 250300)

采用無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)提升圖書(shū)館圖書(shū)管理服務(wù)質(zhì)量

王 雪

(齊魯工業(yè)大學(xué)，山東 濟(jì)南 250300)

當(dāng)前，許多圖書(shū)館仍然采用基于光學(xué)識(shí)別的圖書(shū)館管理系統(tǒng)，不能為讀者提供高質(zhì)量服務(wù)，因此，為了提高圖書(shū)館圖書(shū)管理的服務(wù)質(zhì)量，提出了一種基于射頻識(shí)別技術(shù)的圖書(shū)館管理系統(tǒng)。這種圖書(shū)館管理系統(tǒng)以射頻識(shí)別技術(shù)為核心，能夠?qū)崿F(xiàn)圖書(shū)館的自動(dòng)化、智能化管理。而且系統(tǒng)具有較高的開(kāi)放性和兼容性，便于后期維護(hù)和升級(jí)。同時(shí)提出了一種基于ALOHA和Binary Tree的復(fù)合防碰撞算法，提高了標(biāo)簽識(shí)別的速度和準(zhǔn)確度。

圖書(shū)館管理服務(wù)；RFID；圖書(shū)定位跟蹤

一、引 言

射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification,RFID)，又稱為無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)，是一種無(wú)線通信技術(shù)，它的工作原理通過(guò)射頻近場(chǎng)通信實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無(wú)線通信，以射頻近場(chǎng)通信實(shí)現(xiàn)設(shè)備識(shí)別和數(shù)據(jù)交換，通過(guò)PC端上位機(jī)或手持終端對(duì)標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[1-3]。射頻識(shí)別系統(tǒng)通常由讀寫器(Reader & Writer)、射頻標(biāo)簽(Radio Tag)和天線(ANT)三部分組成，其中，讀寫器是對(duì)射頻標(biāo)簽進(jìn)行讀取和寫入操作的設(shè)備，射頻標(biāo)簽一般由主控電路和耦合電路組成，且具備獨(dú)一無(wú)二的識(shí)別碼，天線用于接收和發(fā)射射頻信號(hào)。與傳統(tǒng)的接觸式識(shí)別和二維碼識(shí)別技術(shù)比較，射頻識(shí)別技術(shù)具有很大優(yōu)勢(shì)，讀寫器和標(biāo)簽在進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)交換時(shí)不依賴任何介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，同時(shí)支持多任務(wù)和動(dòng)態(tài)識(shí)別[4]。

射頻識(shí)別系統(tǒng)可以將圖書(shū)館的書(shū)目數(shù)據(jù)及借閱記錄等信息全部存儲(chǔ)到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，作為識(shí)別查詢庫(kù)[5-7]?；诖?，就可以通過(guò)射頻標(biāo)簽查詢圖書(shū)的館藏信息和借閱狀態(tài)，并能夠通過(guò)圖書(shū)的定位碼找到圖書(shū)的位置，使得圖書(shū)借閱流程簡(jiǎn)單快速。在圖書(shū)管理系統(tǒng)中應(yīng)用射頻識(shí)別技術(shù)，具有圖書(shū)借閱和返還方便快速、提供自助服務(wù)、智能圖書(shū)排架和智能防盜等優(yōu)點(diǎn)。

二、基于RFID圖書(shū)館管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)系統(tǒng)架構(gòu)

基于射頻識(shí)別技術(shù)的圖書(shū)館圖書(shū)管理系統(tǒng)采用了分層模型架構(gòu)，將邏輯業(yè)務(wù)和系統(tǒng)用戶界面(UI)層分離開(kāi)來(lái)。降低了各個(gè)層次關(guān)系的關(guān)聯(lián)度，使各個(gè)層次之間相對(duì)獨(dú)立，不存在相互影響。層次結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰，便于對(duì)其進(jìn)行升級(jí)和維護(hù)。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示，各個(gè)層次結(jié)構(gòu)的作用如下：

1.用戶界面層：UI層又稱為人機(jī)界面層，是實(shí)現(xiàn)人和系統(tǒng)交互的橋梁，這些交互包括圖書(shū)借閱及歸還信息檢索、資源管理和圖形界面。用戶界面層僅僅與邏輯業(yè)務(wù)層相關(guān)聯(lián)。本設(shè)計(jì)用戶界面層由界面組件和標(biāo)簽讀寫組件組成。其中，標(biāo)簽讀寫組件指的是上位機(jī)和射頻識(shí)別終端的接口組件，主要實(shí)現(xiàn)通過(guò)射頻識(shí)別終端對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫，它封裝了射頻識(shí)別的讀寫操作。而界面組件主要包括用戶登錄管理、圖書(shū)資源管理、讀者信息管理、圖書(shū)借還管理、設(shè)備管理和系統(tǒng)設(shè)置等。

2.邏輯業(yè)務(wù)層：作用是為用戶界面層提供服務(wù)，能夠處理管理員和用戶的所有邏輯操作。

3.數(shù)據(jù)訪問(wèn)層：作用是為邏輯業(yè)務(wù)層提供服務(wù)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行了封裝，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的存取進(jìn)行管理。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

(二)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于射頻識(shí)別技術(shù)的圖書(shū)館圖書(shū)管理系統(tǒng)基于傳統(tǒng)圖書(shū)館的管理要求和存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)相對(duì)完整的信息管理系統(tǒng)，它包括終端、通信及信息管理相關(guān)硬件和對(duì)應(yīng)的軟件系統(tǒng)。圖書(shū)館在對(duì)管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)施時(shí)，首先要考慮的是保持圖書(shū)館原有功能和服務(wù)的完整性。因此，通過(guò)論證，將RFID圖書(shū)管理系統(tǒng)分為三層，它們是圖書(shū)館管理系統(tǒng)層、中間層、射頻識(shí)別終端系統(tǒng)層。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)框架如圖2所示：

圖2 圖書(shū)館管理軟件基本框架

射頻識(shí)別終端系統(tǒng)層由射頻識(shí)別終端設(shè)備和相關(guān)軟件組成。射頻識(shí)別終端設(shè)備包含標(biāo)簽讀寫終端、射頻標(biāo)簽、射頻門禁、自助借還機(jī)、標(biāo)簽轉(zhuǎn)換裝置、手持盤點(diǎn)終端、實(shí)時(shí)監(jiān)控、圖書(shū)分揀設(shè)備等，其核心是粘貼于圖書(shū)內(nèi)的射頻標(biāo)簽、射頻識(shí)別終端、圖書(shū)管理數(shù)據(jù)服務(wù)器和設(shè)備控制服務(wù)器。中間層介于射頻識(shí)別終端系統(tǒng)層和圖書(shū)館管理系統(tǒng)層之間，可以解決圖書(shū)館管理系統(tǒng)層和射頻識(shí)別終端系統(tǒng)層因差異化引起的兼容性問(wèn)題，完成不同數(shù)據(jù)格式和不同系統(tǒng)接口之間的轉(zhuǎn)換，由接口轉(zhuǎn)換組件和數(shù)據(jù)預(yù)處理組件組成。圖書(shū)館管理系統(tǒng)層也就是原有的基于二維碼或其他形式的圖書(shū)管理系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，將射頻識(shí)別技術(shù)與傳統(tǒng)圖書(shū)館管理系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)基于射頻識(shí)別技術(shù)的圖書(shū)館圖書(shū)管理系統(tǒng)。

三、系統(tǒng)主要算法設(shè)計(jì)

(一)圖書(shū)定位跟蹤算法設(shè)計(jì)

基于射頻識(shí)別技術(shù)的圖書(shū)館圖書(shū)管理系統(tǒng)中，圖書(shū)的檢索和自動(dòng)排架是系統(tǒng)的重要組成部分，其基本原理是圖書(shū)的定位與跟蹤，所以，研究圖書(shū)館室內(nèi)環(huán)境下射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)標(biāo)簽的精確定位和跟蹤是能否實(shí)現(xiàn)圖書(shū)檢索和自動(dòng)排架的關(guān)鍵所在。采用射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)小范圍圖書(shū)定位是實(shí)現(xiàn)圖書(shū)檢索和自動(dòng)排架的基礎(chǔ)，為了實(shí)現(xiàn)書(shū)庫(kù)內(nèi)圖書(shū)檢索和排架相關(guān)操作，設(shè)計(jì)了基于射頻識(shí)別技術(shù)的圖書(shū)定位跟蹤算法，并引入了卡爾曼濾波器，選取相對(duì)坐標(biāo)系中標(biāo)簽的速度和位置作為狀態(tài)變量，而射頻識(shí)別終端所讀取到的未知節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間的距離定為觀測(cè)量。

(二)ALOHA算法與Binary Tree算法的融合

根據(jù)對(duì)基于二進(jìn)制搜索的防碰撞算法和基于ALOHA的防碰撞算法的對(duì)比與分析，可知基于ALOHA的防碰撞算法的效率受識(shí)別范圍內(nèi)標(biāo)簽數(shù)量的影響較大，防碰撞效率不高；相對(duì)而言，基于二進(jìn)制搜索的防碰撞算法的防碰撞效率要比基于ALOHA的防碰撞算法的效率高。而將Binary Tree算法引入基于ALOHA的防碰撞算法，將二者進(jìn)行結(jié)合，提出一種高效的防碰撞算法，就能很好地解決這個(gè)問(wèn)題，使得防碰撞效率大大提高。

算法的工作原理是，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入射頻識(shí)別終端后，觸發(fā)標(biāo)簽識(shí)讀操作，開(kāi)始標(biāo)簽識(shí)讀，首先通過(guò)Binary Tree算法對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行清點(diǎn)，具體工作流程是先將區(qū)域內(nèi)全部標(biāo)簽分為許多個(gè)子集，并在這個(gè)過(guò)程中對(duì)標(biāo)簽的應(yīng)答狀態(tài)進(jìn)行記錄，標(biāo)簽的應(yīng)答狀態(tài)包括無(wú)應(yīng)答、正確應(yīng)答和碰撞；然后根據(jù)標(biāo)簽回復(fù)情況判斷子集是否滿足DRCTE公式，如果滿足該公式，則對(duì)該子集進(jìn)行幀長(zhǎng)為n的ALOHA防碰撞處理，如果不滿足，則對(duì)其進(jìn)行Binary Tree防碰撞處理。其中，參數(shù)n是ALOHA防碰撞算法的一個(gè)重要參數(shù)，它的取值由DRCTE公式中對(duì)標(biāo)簽數(shù)量的估計(jì)決定。如果標(biāo)簽估計(jì)數(shù)量為1，則n的取值為2，如果標(biāo)簽估計(jì)數(shù)量大于1，則n的取值為標(biāo)簽的估計(jì)數(shù)量值。算法的流程圖如圖3所示。

圖3 ALOHA與Binary Tree結(jié)合算法的程序流程圖

由此，基于ALOHA和Binary Tree的復(fù)合防碰撞算法將兩種算法進(jìn)行了有機(jī)融合，通過(guò)Binary Tree算法的標(biāo)簽清點(diǎn)過(guò)程估計(jì)標(biāo)簽數(shù)量，省去了ALOHA算法的標(biāo)簽數(shù)量估計(jì)過(guò)程，大大減小了算法的運(yùn)算時(shí)間；并且算法以子集為單位進(jìn)行標(biāo)簽數(shù)量估計(jì)，從而使得估計(jì)過(guò)程的時(shí)間間隙大大減小，并且不會(huì)降低估計(jì)的準(zhǔn)確性；同時(shí)，算法對(duì)后續(xù)子集標(biāo)簽數(shù)量的估計(jì)可以以先前子集的估計(jì)為依據(jù)，簡(jiǎn)化了估計(jì)過(guò)程，縮短了估計(jì)時(shí)間。

四、結(jié)論

文章介紹了射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)的基本概念以及其技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，RFID技術(shù)引入圖書(shū)館管理系統(tǒng)中，給圖書(shū)管理帶來(lái)了極大的便利；主要探討了RFID技術(shù)在學(xué)校圖書(shū)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，

主

要包括：系統(tǒng)的分類設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、圖書(shū)的跟蹤定位算法和關(guān)于碰撞問(wèn)題的分析；并給出詳細(xì)的架構(gòu)以及具體的實(shí)現(xiàn)辦法，通過(guò)分析和大量的實(shí)際應(yīng)用可知，本系統(tǒng)能夠有效的提高圖書(shū)管理的效率和服務(wù)質(zhì)量。

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2017-05-23

王雪(1982-)，齊魯工業(yè)大學(xué)中級(jí)講師，研究方向：無(wú)線射頻技術(shù)在高校教學(xué)管理中的應(yīng)用。

TN967.3

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