許鍇

摘 ?要： 針對(duì)當(dāng)前圖書館智能管理系統(tǒng)存在圖書定位誤差高、安全性差等難題，設(shè)計(jì)基于RFID技術(shù)的圖書館智能管理系統(tǒng)。首先設(shè)計(jì)了圖書館智能管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)，主要包括：編目工作站、柜臺(tái)工作站、RFID智能檢索模塊、圖書整架庫、智能安全門等;然后設(shè)計(jì)了圖書館智能管理系統(tǒng)的核心模塊，該模塊使用最近鄰居的定位算法計(jì)算圖書最近鄰參考標(biāo)簽的位置，從而實(shí)現(xiàn)圖書快速定位。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)能夠完成圖書智能借還，對(duì)圖書位置進(jìn)行高精度的定位，而且能夠提高圖書館信息的安全性，有助于圖書館智能化管理，相對(duì)其他系統(tǒng)，具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞： RFID技術(shù); 圖書館; 智能管理; 射頻標(biāo)簽; 智能安全門; 圖書定位

中圖分類號(hào)： TN99?34; TP391.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）23?0006?05

Abstract： In view of the problems of high book positioning error and poor security in the current library intelligent management system， a library intelligent management system based on RFID technology is designed. The overall architecture of the library intelligent management system is designed， which mainly includes cataloging workstation， counter workstation， RFID intelligent retrieval module， bookshelf finishing library and intelligent security door. And then， the core module of the library intelligent management system is designed. The nearest neighbor positioning algorithm is used for the module to calculate the positioning of the nearest neighbor reference label of the book， so as to realize fast positioning of the book. The experimental results show that the system can realize the book intelligent borrowing and returning， position the book with high precision and improve the library information security， which are helpful to the library intelligent management. It has obvious advantages in comparison with other systems.

Keywords： RFID technology; library; intelligent management; RFID tag; intelligent security door; book positioning

0 ?引 ?言

高校圖書館管理階段分為人工管理、信息化管理、條形碼管理等[1]。以往很多高校圖書館使用人工形式管理圖書館信息，當(dāng)高校圖書館管理階段為信息化管理時(shí)，圖書信息管理效率遠(yuǎn)高于人工管理階段[2]，但是，此階段的信息輸入仍舊依靠人工輸入，致使信息化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)未能充分利用。條形碼管理階段中，圖書管理效率比信息化管理階段更具有優(yōu)勢(shì)，高校圖書館能夠使用條形碼技術(shù)，完成之前需要人工錄入的全部工作[3]。但是條形碼的抗損性較差，容易被磨損。RFID技術(shù)隱蔽性較高，危險(xiǎn)性較低，能夠反復(fù)使用，且讀取效率高，被大量使用在信息服務(wù)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域中，各個(gè)高校圖書館中也逐漸使用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖書館信息管理。該技術(shù)和條形碼相比，RFID技術(shù)的使用性能更具優(yōu)勢(shì)[4]。

根據(jù)以上所述圖書館管理存在的問題與RFID技術(shù)的使用優(yōu)勢(shì)，本文設(shè)計(jì)一種基于RFID技術(shù)的圖書館智能管理系統(tǒng)，優(yōu)化了圖書館館藏資料的管理模式。

1 ?基于RFID技術(shù)的圖書館智能管理系統(tǒng)

1.1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于RFID技術(shù)的圖書館智能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

根據(jù)圖1顯示，基于RFID技術(shù)的圖書館智能管理系統(tǒng)主要分為圖書借閱管理區(qū)、RFID圖書編目管理區(qū)、書庫館藏架位管理區(qū)、計(jì)算機(jī)機(jī)房區(qū)。各個(gè)區(qū)域功能各異，且通過圖書館計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理[5?6]。基于RFID技術(shù)的圖書館智能管理系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

由圖2可知，基于RFID技術(shù)的圖書館智能管理系統(tǒng)的功能模塊包含編目工作站、柜臺(tái)工作站、RFID智能檢索模塊、圖書整架庫、智能安全門。五大核心功能模塊共同協(xié)作實(shí)現(xiàn)圖書館智能管理。編輯工作站用來編輯圖書標(biāo)簽、征訂圖書;柜臺(tái)工作站可實(shí)現(xiàn)讀書卡（RFID射頻讀卡器）的發(fā)放，并能夠完成圖書自主借還程序，柜臺(tái)工作站的核心功能是為用戶提供RFID借書、RFID還書、辦理讀者RFID射頻讀卡器三類[6]。用戶按照要求填寫自己的基礎(chǔ)信息，柜臺(tái)工作站按照用戶信息為其制定讀書卡。用戶使用讀書卡可以實(shí)現(xiàn)借書、還書;圖書整架庫能夠管理圖書館書架圖書的擺放位置與收藏位置，核心任務(wù)是盤點(diǎn)存在標(biāo)簽的各類書籍;智能安全門屬于圖書館門禁設(shè)備，主要使用RFID技術(shù)驗(yàn)證用戶身份[7]。

RFID智能檢索模塊是該系統(tǒng)的核心，RFID智能檢索模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

RFID智能檢索模塊的功能是完成圖書館書籍自動(dòng)借還。圖書館中所有圖書都被RFID射頻標(biāo)簽標(biāo)識(shí)書名、出版社等信息[8?9]。RFID射頻讀卡器即為自動(dòng)借還器，若圖書館門禁識(shí)別身份后，讀卡器傳輸電磁波，使用基于最近鄰居的新型定位算法，獲取附近有效書籍射頻標(biāo)簽，分析標(biāo)有射頻標(biāo)簽的最近鄰圖書位置，在串口單元將數(shù)據(jù)使用RS 232串口傳輸至數(shù)據(jù)交換和圖書管理子模塊，此子模塊在存儲(chǔ)單元中按照用戶檢索條件，根據(jù)圖書標(biāo)簽信息實(shí)現(xiàn)圖書定位后將定位結(jié)果反饋至用戶[10]。其中，RFID射頻標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

射頻標(biāo)簽屬于智能標(biāo)簽的一種，由無線通信天線與IC芯片構(gòu)成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，標(biāo)簽?zāi)軌颢@取用戶的檢索信號(hào)。圖4中，天線可以接收用戶檢索信號(hào);電壓調(diào)節(jié)器將標(biāo)簽獲取的射頻信號(hào)變成直流電源后，使用穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電源的供應(yīng);調(diào)制器用于調(diào)節(jié)IC芯片傳輸?shù)男盘?hào);解調(diào)器能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)濾波;兩種存儲(chǔ)器可看作存儲(chǔ)單元，主要用于存儲(chǔ)圖書標(biāo)簽信息數(shù)據(jù)[11]。

1.2 ?基于最近鄰居的新型定位算法

1.2.1 ?目標(biāo)標(biāo)簽歷史軌跡算法

因?yàn)閳D書館圖書標(biāo)簽被設(shè)定完畢后變動(dòng)性較低，在固定時(shí)間中圖書標(biāo)簽的方位不會(huì)出現(xiàn)較大變動(dòng)，所以，能夠通過圖書標(biāo)簽的歷史位置加權(quán)估計(jì)其所在位置，以此能夠降低隨機(jī)誤差與隨機(jī)電磁干擾對(duì)圖書定位精度的不良干擾[12]。假定需要定位目前時(shí)刻圖書標(biāo)簽的方位，在[t0]時(shí)刻與[t0]時(shí)刻前和[t0]相近的[r]個(gè)時(shí)刻是[t1，t2，…，tr]，在此類時(shí)刻中依次定位圖書位置，每次定位都存在一種估計(jì)值，將目前時(shí)刻估計(jì)值設(shè)成[x1，y2]，若第[j]次定位獲取的圖書位置估計(jì)值是[xj，yj]，考慮到圖書歷史位置后獲取的圖書位置估計(jì)值是[x，y]。設(shè)圖書位置估計(jì)值殘差函數(shù)為：

1.2.2 ?參考標(biāo)簽可信度

圖書參考標(biāo)簽在某個(gè)讀卡器中的場(chǎng)強(qiáng)值，處于其附近4個(gè)標(biāo)簽在這個(gè)讀卡器中場(chǎng)強(qiáng)值的范圍內(nèi)。若存在[n]個(gè)讀卡器，則某個(gè)圖書參考標(biāo)簽與其上下左右4個(gè)標(biāo)簽，在[n]個(gè)讀卡器中存在[n]個(gè)場(chǎng)強(qiáng)值。某個(gè)圖書參考標(biāo)簽在第[i]個(gè)讀卡器中鄰近標(biāo)簽場(chǎng)強(qiáng)值[xi]的最低值與最高值依次設(shè)成[mini]，[maxi]，[xi]存在[N]個(gè)[i]值。則圖書參考標(biāo)簽可信度[X]為：

1.2.4 ?定位流程

1） 將讀卡器數(shù)量、圖書參考標(biāo)簽數(shù)量、圖書最近鄰標(biāo)簽數(shù)量、圖書歷史值讀取次數(shù)依次設(shè)成[n]，[m]，[h]，[r];

2） 設(shè)定每個(gè)圖書標(biāo)簽的場(chǎng)強(qiáng)值;

3） 設(shè)定圖書每個(gè)參考標(biāo)簽的最近鄰標(biāo)簽值;

4） 計(jì)算圖書每個(gè)參考標(biāo)簽的可信度[X];

5） 選取圖書[h]個(gè)最近鄰標(biāo)簽;

6） 計(jì)算每個(gè)最近鄰標(biāo)簽權(quán)重;

7） 對(duì)圖書最近鄰標(biāo)簽位置加權(quán)，獲取圖書位置估計(jì)值;

8） 把各個(gè)最近鄰標(biāo)簽設(shè)成目標(biāo)標(biāo)簽，剩余[m-1]個(gè)標(biāo)簽設(shè)成參考標(biāo)簽，計(jì)算目標(biāo)標(biāo)簽與參考標(biāo)簽的偏差;

9） 根據(jù)偏差值矯正目標(biāo)標(biāo)簽的估計(jì)值，獲取新的估計(jì)值;

10） 多次執(zhí)行上述步驟[r+1]次，最后一次的估計(jì)值即為目前值，前[r]次估計(jì)值代表歷史值;

11） 計(jì)算每個(gè)歷史位置的權(quán)重;

12） 加權(quán)獲取最終圖書位置估計(jì)值。

2 ?仿真測(cè)試

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)對(duì)圖書館管理的適用性，通過Matlab仿真軟件對(duì)本文系統(tǒng)實(shí)施仿真測(cè)試。圖5是本文系統(tǒng)在北京郵電大學(xué)圖書館應(yīng)用后，對(duì)用戶提供的讀書卡，此用戶編碼是00002815，用戶可以使用該讀書卡在圖書館智能安全門（見圖6）中通過RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別進(jìn)入圖書館。

本文系統(tǒng)RFID智能檢索模塊的界面截圖如圖7所示。

本文系統(tǒng)RFID智能檢索模塊的圖書查詢程序界面示意圖如圖8所示。

分析圖5～圖8可知，本文系統(tǒng)中RFID技術(shù)的應(yīng)用分類較為明確，且貫穿系統(tǒng)各個(gè)核心應(yīng)用中。

為此在圖8中，測(cè)試本文系統(tǒng)的安全門保護(hù)功能、圖書借還功能、單本書籍定位檢測(cè)功能、多本書籍定位檢測(cè)功能，結(jié)果見表1。由表1可知，本文系統(tǒng)可完成圖書自主借還，高精度定位單本、多本圖書位置，保證圖書館安全，也歸功于RFID技術(shù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、無接觸的射頻通信。

將本文系統(tǒng)中，定位算法的權(quán)值依次設(shè)成2，4，6，分析本文系統(tǒng)對(duì)圖書定位精度的影響。結(jié)果如圖9所示。結(jié)果顯示，權(quán)重值為4時(shí)，本文系統(tǒng)對(duì)圖書定位精度最高。

測(cè)試不同標(biāo)簽數(shù)量下，系統(tǒng)吞吐率（單位時(shí)間內(nèi)本文系統(tǒng)成功傳輸數(shù)據(jù)的平均速率）變化情況，結(jié)果如圖10所示。伴隨射頻標(biāo)簽數(shù)量的增多，本文系統(tǒng)的吞吐率出現(xiàn)小幅度變動(dòng)，但整體不低于0.95，符合圖書館智能管理需求。

將本文系統(tǒng)中用戶數(shù)量依次設(shè)成100，200，300，在不同用戶數(shù)量的前提下，對(duì)本文系統(tǒng)圖書自主借還、門禁身份識(shí)別、圖書標(biāo)簽識(shí)別3種功能的響應(yīng)延遲進(jìn)行計(jì)時(shí)，結(jié)果如圖11所示。分析圖11可知，用戶數(shù)量增多，對(duì)本文系統(tǒng)的響應(yīng)延遲存在輕微影響，但是影響不大，本文系統(tǒng)在不同用戶數(shù)量的影響下，圖書自主借還、門禁身份識(shí)別、圖書標(biāo)簽識(shí)別3種功能的響應(yīng)延遲均低于600 ms。

3 ?結(jié) ?論

雖然本文系統(tǒng)中RFID技術(shù)對(duì)圖書館管理存在積極作用，但是有的圖書館建立時(shí)間較短，構(gòu)建圖書館的過程中，未曾顧及到RFID技術(shù)的使用，所以，想要使用RFID技術(shù)，可能需要改建圖書館。在設(shè)置RFID技術(shù)應(yīng)用設(shè)備安裝區(qū)域時(shí)，需要以降低已有裝修破損率為宗旨，以免出現(xiàn)投資成本過多的情況。RFID技術(shù)的使用，對(duì)圖書館工作人員的工作模式將存在較大改變，所以，在使用RFID技術(shù)時(shí)，需要全面培訓(xùn)圖書館工作人員的工作技能，降低其工作量的同時(shí)，需要優(yōu)化工作人員的工作能力。

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