周克娟

[摘 要]射頻識別（Radio Frequency Identification， RFID）設備作為歷史上最為普及的計算技術之一，以其具有成批存取、存儲海量數(shù)據(jù)的能力，支持再編輯等優(yōu)勢而優(yōu)于傳統(tǒng)的條形碼技術。RFID技術的應用有利于提高操作的精度和效率，因此成為圖書資料流通、跟蹤、盤點和安全管理的新方法。本文系統(tǒng)回顧了現(xiàn)有RFID技術的原理及其在圖書館系統(tǒng)中的應用，分析其歷史沿革與關鍵技術在實現(xiàn)圖書資料與檔案管理中的作用，并對其發(fā)展前景做出展望。

[關鍵詞]射頻識別；圖書館；信息處

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.08.084

[中圖分類號]G259.22 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2018）08-0-03

0 引 言

由于條形碼價格低廉，自動識別系統(tǒng)（Auto-IDsysytem）已廣泛應用于日常生活的方方面面，然而條形碼具有有限的信息存儲容量，采用IC芯片（如可以存儲和識別信息的記憶卡或智能卡等）是解決該問題的方案之一。這些種類的IC芯片必須接入電源且必須借助閱讀器才能傳輸數(shù)據(jù)，由此具有操作時間長和設備觸點問題等缺點。無觸點的IC卡技術能夠通過無線電波實現(xiàn)卡片與閱讀器之間的數(shù)據(jù)傳輸，能量也可由無線電波或卡片的內置電池提供。由于能量和信息的傳輸都由無線電波實現(xiàn)，所以這類無觸點的自動識別系統(tǒng)又稱為射頻識別系統(tǒng)（下文簡稱RFID）。

RFID并非新技術，Harry Stockman在1948年發(fā)表了名為“Communication by Means of Reflected Power”的論文，討論了RFID技術的理論與實現(xiàn)，成為RFID技術的開端。其后，有學者分別研究了微波零差與無源應答器的無線電傳輸系統(tǒng)。此后，RFID技術取得了長足進展，在1980-1990年，RFID系統(tǒng)逐漸成熟并得以應用（如在美國鐵路協(xié)會和集裝箱裝卸合作項目中的應用）。RFID在很大程度上簡化了商品運輸過程中的識別與追蹤程序。因此RFID逐漸廣泛應用于各行業(yè)中，包括圖書館系統(tǒng)。

1 RFID系統(tǒng)概述

RFID系統(tǒng)大致可分為3部分：RFID標簽、RFID閱讀器、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的應用系統(tǒng)。如圖1所示。一般而言，標簽由耦合元件（作用如天線）及電子芯片構成。閱讀器則由一個射頻模塊（用于接收和發(fā)送信號）、一個控制模塊和一個耦合元件構成，可通過一個輸入/輸出界面（如RS232或RS285）與應用系統(tǒng)相連接，此外一個非常重要的功能是能量供應。其中標簽又分為被動標簽（或稱為無源標簽）或主動標簽（或稱為有源標簽）。被動標簽不含有能源，處理過程所需的所有能量來自閱讀器發(fā)出的無限電波，而主動標簽則內置電池。表1給出了主動標簽與被動標簽各方面性能的對比，表2給出了不同類型的RFID標簽在圖書館中的應用示例及其典型供應商。無線電波的性質由其頻率決定，即電磁譜的頻率。RFID大致可分為3類：①30～300 Hz（低頻）；②3 M～30 MHz（高頻）；③300MHz～300 GHz（超高頻）。

除工業(yè)、科學和醫(yī)療頻段由國際電信聯(lián)盟無線電通信部門確定外，政府嚴格管理無線電發(fā)射機的使用許可。因此，RFID覆蓋滿足工業(yè)和科學需求的頻譜，其優(yōu)點和缺點見表3。其中低于135 kHz的RFID產(chǎn)品技術最為成熟；13.56 MHz頻段應用較廣，此頻段的RFID產(chǎn)品常用于商品管理；2.45 GHz與UHF的RFID產(chǎn)品具有類似的特征，但UHF具有更長的誘導距離。

正如記憶卡或智能卡的結構取決于其記憶模式，RFID按此又可分為4大類。①只讀：即只能讀取數(shù)據(jù)，用于記錄對象的識別碼。②讀/寫：類似于記憶卡，可擦除和編輯。③內置進程芯片：類似于智能卡，包括操作系統(tǒng)和程序，安全程度高。④內置傳感器：如壓力和溫度傳感器。

一套RFID系統(tǒng)具有多種頻、發(fā)射模式和內部結構，不僅覆蓋了傳統(tǒng)自動識別系統(tǒng)的所有功能，如記憶卡的記憶功能、智能卡的安全管理功能和條形碼的探測識別號碼的功能。RFID的進程響應速度優(yōu)于條形碼，并具有非接觸式的通訊功能。

2 RFID的信息處理方式

RFID的使用和條形碼類似。條形碼使信息粘貼和編碼于對象，利用具有紅外線的特殊掃描儀探測編碼信息，然后將這些信息從掃描儀傳送至電腦。RFID系統(tǒng)利用專門的閱讀器，通過射頻從標簽讀取或傳送信息至標簽。

一個比特是信息過程中的最小單位。最簡單的RFID只具有一個單比特控制狀態(tài)，功能類似于電磁線（用于圖書館電磁防盜系統(tǒng)）。復雜的RFID則與智能卡無異，標簽中的芯片可以存儲信息、進行操作或與閱讀器交換信息。

被動標簽的不同能量產(chǎn)生模式頻率不同。RFID被動標簽采用不大于13.56 MHz的頻率，能量來源于交變磁場，類似于通過磁力進行電磁能量交換，但RFID與此過程相反，是將磁力轉換為能量源。電流通過線圈產(chǎn)生交變磁場，再由標簽的天線轉換為能量。在實際操作中，雖然存在干擾，但RFID系統(tǒng)具有多路存取。閱讀器響應時，在閱讀器信號有效范圍內可能存在不止一個標簽。如果所有標簽在接收到信號后均產(chǎn)生反應，則會發(fā)生沖突。反沖突的通常方案有ALHO算法和二叉樹分割算法。

3 RFID系統(tǒng)在圖書館中的應用

3.1 目前圖書館的RFID體系結構

目前，圖書館利用書目數(shù)據(jù)庫追蹤書目的流通信息。每本書都分配了一個唯一的編號，通常稱為條形碼。作者、標題和條形碼之間沒有固定的關系。在今天的圖書館RFID部署中，標簽至少用條形碼編程。此外，一些供應商建議在標簽上放置額外的信息，如貨架位置、最后簽出日期、作者和標題。圖書借閱手續(xù)可在流通柜臺或通過一個特殊的自助檢查機完成。在這兩種情況下，自助檢查機讀取RFID標簽，并在書目數(shù)據(jù)庫中查找ID號和圖書之間的關聯(lián)，并將該書的狀態(tài)更改為借出。當圖書被歸還時，標簽再次被讀取，書目數(shù)據(jù)庫更新。RFID標簽也起到安全裝置的作用。特殊的RFID出口傳感器通常放在圖書館的出口，就像今天大多數(shù)圖書館都有磁條防盜裝置的出口傳感器一樣。當一個借閱者離開時，傳感器掃描那些沒有被檢查過的書。根據(jù)供應商的不同，安全檢查至少有兩種方式。第一種方法，由VTL和Libramation等公司采用，此方法用標簽存儲圖書狀態(tài)，一個特定的比特通常被稱為一個安全比特，表明了這本書是被借出還是歸還。需要注意的是，安全比特不一定影響標簽是否可以被讀，必須在每次借出和歸還時正確設置安全比特，否則可能錯誤地觸發(fā)警報。第二種方法，由Checkpoint公司使用，不將流通狀態(tài)存儲在標簽上。相反，由RFID閱讀器通過書目數(shù)據(jù)庫查詢圖書的流通狀態(tài)，但由于查詢耗時會導致延遲問題。同時，隱私問題主要集中在書目數(shù)據(jù)庫和RFID閱讀器的響應距離較短兩方面。如果不借助書目數(shù)據(jù)庫，則無法直接將條形碼映射到書名和作者，因此不會暴露借閱者的閱讀習慣。一些圖書館的RFID支持者認為，因為數(shù)據(jù)庫的保密和RFID閱讀器的響應距離限制，隱私暴露的風險很小。

3.2 RFID體系結構的隱私保護技術

本文介紹兩個基于標簽的提高隱私安全的方法，這兩個方法不需要單向函數(shù)、散列函數(shù)或其他需要多個密碼原語。

3.2.1 可重寫標簽的隨機事務ID

此方法類似于匿名ID方法，并在圖書館領域得到廣泛應用。在每次借出時，RFID閱讀器會選擇一個新的隨機數(shù)R和讀取標簽數(shù)據(jù)D，并將這對數(shù)據(jù)（R，D）存儲在后端數(shù)據(jù)庫中，然后RFID閱讀器會把數(shù)據(jù)D從標簽中刪除并將數(shù)據(jù)R寫入。因此，書籍在每次被借出時將擁有不同的標識符。在書籍被歸還時，RFID閱讀器讀取R，查找相應的D，并將D寫入標簽。如果數(shù)據(jù)庫在書籍被歸還后安全地刪除了數(shù)據(jù)R，那么將有利于保護隱私。

3.2.2 基于持續(xù)狀態(tài)的密碼改進

簡單的密碼可能會被竊取。在圖書館應用RFID的過程中，該問題尤為突出，因為出口傳感器必須掃描離開圖書館的每一本書。已有學者注意到，通過從標簽到閱讀器的通道竊取密碼比從閱讀器到標簽的通道更難，考慮到這一點，提出了用一個簡單的協(xié)議來保護RFID標簽中的密碼。主要思想是標簽發(fā)送一個隨機數(shù)給閱讀器，竊取者因為不能獲取這個隨機數(shù)而僅憑閱讀器到標簽的信息傳遞是不能破解密碼的。此協(xié)議需要一個隨機數(shù)生成器，并且需要在同一進程中保持不變，但僅用于防止讀寫器到標簽鏈接上的被動竊聽，不能攔截針對中間人攻擊或修改傳輸消息的攻擊。如果攻擊者不能獲取隨機數(shù)R，那么（假設標簽隨機均勻地選擇隨機數(shù)）秘密S在理論上是安全的。此外，竊取者不能回復協(xié)議消息，因為標簽所需的隨機數(shù)每次都會改變。最后，由于隨機數(shù)R獨立于標簽數(shù)據(jù)或序列號，所以不能用來區(qū)分不同的標簽。

4 結 語

隨著科技的快速發(fā)展，各行業(yè)都面臨著日益繁重的信息處理任務?，F(xiàn)代信息技術的發(fā)展使海量信息和復雜進程的高效處理變成可能，從而在很大程度上不斷推進著各行業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)代圖書館系統(tǒng)也從信息技術的高速發(fā)展中受益很多。圖書館雖然是單一的服務部門，卻涉及各個專業(yè)技術的支持，RFID技術便是一例。RFID技術提高了圖書館管理的效率，相比傳統(tǒng)技術也更能保障信息安全，使圖書館能夠更好地發(fā)揮社會功能，煥發(fā)出新的生機?？梢灶A見，在不遠的未來，應用于圖書館的信息處理技術，如RFID技術將會朝著更高集成度、更高自動化、更高契合度的方向發(fā)展，為圖書館管理帶來新的技術革新。

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