張永彩?王雪松?凌征強(qiáng)

摘 要 論文根據(jù)RFID技術(shù)工作流程，采用基于頻域相位差的感知方法，應(yīng)用標(biāo)簽閱讀器發(fā)射不同頻率載波信號，信號經(jīng)過一定距離后被標(biāo)簽接收并反射，閱讀器獲取反射信號，基于信號相位差確定二維空間中文獻(xiàn)目標(biāo)與標(biāo)簽閱讀器間距離?；诙S空間距離感知結(jié)果，構(gòu)建三維空間中標(biāo)簽與閱讀器間的距離方程組，利用梯度下降法迭代求解方程組，實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)標(biāo)簽三維坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)感知。研究結(jié)果顯示，該方法的位置感知誤差控制在2cm以內(nèi)，感知過程收斂速度較快，且具有較強(qiáng)抗噪性。

關(guān)鍵詞 RFID 圖書館 文獻(xiàn)位置

分類號 G250.78;TP391

DOI 10.16810/j.cnki.1672-514X.2021.10.010

Big Data Sensing Method of Document Location Based on RFID Technology

Zhang Yongcai， Wang Xuesong， Ling Zhenqiang

Abstract According to the working process of RFID technology， the sensing method based on frequency domain phase difference is adopted. The tag reader transmits carrier signals with different frequencies. After a certain distance， the signal is received and reflected by the tag. The reader obtains the reflected signal， and determines the distance between the object and the tag reader in two-dimensional space based on the signal phase difference. Based on the results of two-dimensional spatial distance perception， the distance equations between tags and readers in three-dimensional space are constructed， and the gradient descent method is used to solve the equations iteratively， so as to realize the three-dimensional coordinate position data perception of literature labels. The results show that the position sensing error of this method is controlled within 2cm， the convergence speed of the sensing process is fast， and it has strong noise resistance.

Keywords RFID. Library. Document location.

0 引言

圖書館內(nèi)文獻(xiàn)數(shù)量大幅提升，以往人工記錄文獻(xiàn)位置信息的方式無法滿足當(dāng)前文獻(xiàn)查閱者高效獲取文獻(xiàn)的需求[1]，尤其是在以文獻(xiàn)數(shù)量大、訪問頻率高為特點(diǎn)的高校圖書館內(nèi)，文獻(xiàn)位置記錄信息與文獻(xiàn)實(shí)際位置差距顯著[2-3]。為滿足文獻(xiàn)查閱者需求，使其快速獲取所需文獻(xiàn)的位置數(shù)據(jù)，研究一種高效率、高精度、高穩(wěn)定性的文獻(xiàn)位置數(shù)據(jù)感知方法十分必要。

許磊、夏翠娟[4]從用戶信息活動情境和科學(xué)合理的應(yīng)用模式出發(fā)，探索情境感知技術(shù)融合云計(jì)算等其他高新技術(shù)在智慧圖書館服務(wù)創(chuàng)新中的潛力，構(gòu)建了情境感知智慧服務(wù)系統(tǒng)，提出了第三代圖書館服務(wù)平臺的元數(shù)據(jù)管理方法，預(yù)測了情境感知服務(wù)未來發(fā)展的主流趨勢，推動情境感知服務(wù)繼續(xù)向個(gè)性化、智慧化發(fā)展（下文稱“文獻(xiàn)[4]”）。程時(shí)偉等[5]提出基于注視點(diǎn)回憶的眼動數(shù)據(jù)感知計(jì)算方法，通過建立注視點(diǎn)數(shù)據(jù)誤差補(bǔ)償模型，對用戶回憶和提交的注視點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，設(shè)計(jì)并開展了用戶實(shí)驗(yàn)，提高移動設(shè)備上眼動跟蹤的精度和效率，滿足資源的統(tǒng)一管理與業(yè)務(wù)整合，實(shí)現(xiàn)跨類型的數(shù)據(jù)流通和知識的組織與融合（下文稱“文獻(xiàn)[5]”）。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]所運(yùn)用的數(shù)據(jù)感知方法對本研究具有借鑒作用，但二者的抗噪性能與感知精度受到應(yīng)用環(huán)境干擾，存在較大局限性，下文將進(jìn)一步對比分析。

作為非接觸式自動識別技術(shù)，RFID（Radio Frequency Identification，無線射頻識別）技術(shù)通過無線射頻信號完成數(shù)據(jù)傳輸、目標(biāo)定位與識別，該技術(shù)主要應(yīng)用于產(chǎn)品標(biāo)志與目標(biāo)定位等領(lǐng)域，主要優(yōu)勢體現(xiàn)在非視距、精度高、抗干擾、效率快等方面。將其應(yīng)用在圖書館文獻(xiàn)位置感知中，研究RFID技術(shù)下文獻(xiàn)位置大數(shù)據(jù)感知方法，提升圖書館文獻(xiàn)位置感知精度與效率，可以應(yīng)對以往研究中的局限性。

1 圖書館文獻(xiàn)位置大數(shù)據(jù)感知

1.1 RFID技術(shù)工作流程

RFID技術(shù)由兩部分組成，分別是標(biāo)簽閱讀器與標(biāo)簽[6]。將RFID技術(shù)應(yīng)用于圖書館文獻(xiàn)位置大數(shù)據(jù)感知中，即將標(biāo)簽置于文獻(xiàn)本體上，利用標(biāo)簽閱讀器讀取標(biāo)簽信息，基于標(biāo)簽信息完成圖書館文獻(xiàn)位置大數(shù)據(jù)感知。圖1所示為RFID技術(shù)工作流程。

圖1內(nèi)，V和I分別表示標(biāo)簽天線感應(yīng)電壓和電流。用Sa和St表示標(biāo)簽天線阻抗和標(biāo)簽負(fù)載阻抗，兩者計(jì)算過程如下：

（1）

（2）

RFID技術(shù)通信鏈路由前向鏈路（標(biāo)簽閱讀器至標(biāo)簽）與反向鏈路（標(biāo)簽至標(biāo)簽閱讀器）兩部分組成[7]。

（1）前向鏈路。? ? ? ? ? ? ? ?、Yr-t和d分別表示RFID技術(shù)前向鏈路內(nèi)閱讀器增益、發(fā)射功率和閱讀器天線與標(biāo)簽天線間距，兼顧圖書館文獻(xiàn)位置大數(shù)據(jù)感知中的多徑效應(yīng)，用式（3）表示標(biāo)簽天線接收功率：

（3）

式中，? ?、? ? 和Mp分別表示閱讀器工作波長、極化失配系數(shù)和多徑損耗。

利用式（4）表示標(biāo)簽反射系數(shù)：

（4）

式中，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

式（5）表示標(biāo)簽芯片接收功率：

（5）

式中，? ? ? ? ? ? ? 和? ? ?分別表示標(biāo)簽芯片增益和功率傳輸系數(shù)，? ? ?計(jì)算過程如下：

（6）

根據(jù)式（6），對式（5）進(jìn)行如下轉(zhuǎn)變：

（7）

用Ytic-sen表示標(biāo)簽芯片靈敏度，若Ytic-r≥Ytic-sen，則標(biāo)簽被激活[8]，相反標(biāo)簽未被激活。

（2）反向鏈路。標(biāo)簽天線反向散射功率如下所示：

（8）

標(biāo)簽利用負(fù)載阻抗（St=St1或St=St2）修正確保標(biāo)簽天線反向散射功率有所差異的電磁波，由此實(shí)現(xiàn)信息調(diào)制。

式（9）和式（10）分別表示閱讀器天線和閱讀器接收功率：

（9）

（10）

1.2 位置感知算法

根據(jù)RFID技術(shù)工作流程，基于頻域相位差感知二維空間中標(biāo)簽閱讀器與標(biāo)簽間的距離;基于二維空間距離感知結(jié)果，選取三邊測量法感知待感知文獻(xiàn)標(biāo)簽三維坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)。

1.2.1 二維距離感知

根據(jù)FRID技術(shù)工作流程，利用閱讀器發(fā)射不同頻率載波信號，信號經(jīng)過一定距離后被標(biāo)簽接收并反射[9]，閱讀器獲取反射信號，基于信號相位差確定文獻(xiàn)目標(biāo)（待感知標(biāo)簽）與標(biāo)簽閱讀器（位置坐標(biāo)已知）間距離[10]，具體過程如下。

忽略標(biāo)簽接收至發(fā)射載波信號過程所需時(shí)間，△t和c分別表示閱讀器發(fā)射載波信號至接收反射信號過程所需的時(shí)間和射頻信號在空氣中的傳播速度，由此得到速度距離表達(dá)式：

（11）

用? ? 和f分別表示閱讀器載波信號從發(fā)射至接收過程中經(jīng)歷的相位和載波頻率，引入載波相位法時(shí)間頻率比對技術(shù)，即當(dāng)相位時(shí)間? ? ? ? ? ? ?時(shí)，得到：

（12）

由此得到：

（13）

式中，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，? ? ? 和? ? ? 分別表示載波頻率為f1和f2條件下的相位變化值。

1.2.2 三維位置感知

確定二維空間內(nèi)待感知文獻(xiàn)標(biāo)簽與標(biāo)簽閱讀器間的距離后，選取三邊測量法感知待感知文獻(xiàn)標(biāo)簽三維坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)。

表示三個(gè)閱讀器同標(biāo)簽間的距離，各閱讀器坐標(biāo)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 為已知[11]，由此得到：

（14）

在此基礎(chǔ)上構(gòu)建方程即可確定待感知文獻(xiàn)標(biāo)簽的位置坐標(biāo)? ? ? ? ? ? ? ? 。

三維空間內(nèi)閱讀器同待感知文獻(xiàn)標(biāo)簽的距離關(guān)系可利用下式描述：

（15）

由于標(biāo)簽為公共點(diǎn)[12]，依照幾何關(guān)系能夠得到需采用四個(gè)閱讀器確定位移的待感知文獻(xiàn)標(biāo)簽位置數(shù)據(jù)[13]，式（15）被定義為球面方程，由此獲取標(biāo)簽與閱讀器間的距離方程組：

（16）

至此，可準(zhǔn)確獲取二維空間中待感知文獻(xiàn)標(biāo)簽同標(biāo)簽閱讀器間的距離，即獲取文獻(xiàn)高精度三維位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。

若各標(biāo)簽閱讀器與文獻(xiàn)標(biāo)簽間的距離值均具有高準(zhǔn)確性，且標(biāo)簽閱讀器設(shè)定位置是在圖書館內(nèi)的不同角落，可避免多個(gè)標(biāo)簽閱讀器同文獻(xiàn)標(biāo)簽處于同一直線上，則式（15）必有唯一解[14]。但實(shí)際感知文獻(xiàn)位置過程中，標(biāo)簽閱讀器同文獻(xiàn)標(biāo)簽間的距離計(jì)算結(jié)果具有一定誤差，導(dǎo)致式（16）內(nèi)的四個(gè)球面方程并不一定相交，造成式（15）無解。為解決這一問題，需采用選取梯度下降法，計(jì)算使式（15）近似成立的解[15]，具體求解過程如圖2所示。

在圖書館環(huán)境內(nèi)選定一個(gè)待感知文獻(xiàn)標(biāo)簽坐標(biāo)位置，利用式（17）分別確定各閱讀器同待感知坐標(biāo)點(diǎn)間的距離：

（17）

將文獻(xiàn)標(biāo)簽同第j個(gè)閱讀器間的實(shí)際距離di和d0i相減，獲取誤差? ? ?，若? ? ? ?值較大，則對其實(shí)施調(diào)整，調(diào)整過程如下：

（18）

式中，? ? ? ? ? ? 、? ? ? ? ? ? ? 和? ? ? ? ? ?分別表示文獻(xiàn)標(biāo)簽坐標(biāo)修正值：

（19）

式中，βx表示x軸的調(diào)節(jié)速率、βy表示y軸的調(diào)節(jié)速率、βz表示z軸的調(diào)節(jié)速率;η0i表示i第個(gè)標(biāo)簽閱讀器的梯度，待感知標(biāo)簽同四個(gè)標(biāo)簽閱讀器間的均方根誤差可用下式描述：

（20）

迭代上述過程，調(diào)整誤差值，直至坐標(biāo)誤差滿足實(shí)際感知精度要求為止。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文所提RFID技術(shù)下文獻(xiàn)位置大數(shù)據(jù)感知方法的應(yīng)用性能，選取某高校圖書館為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，在其中選取歷史資料文獻(xiàn)、物理資料文獻(xiàn)、英語資料文獻(xiàn)和化學(xué)資料文獻(xiàn)為研究對象，每類資料文獻(xiàn)隨機(jī)選取3個(gè)樣本。將本文方法應(yīng)用于該圖書館中文獻(xiàn)樣本的位置感知中，設(shè)定文獻(xiàn)位置各方向感知誤差閾值為3.5cm（大約兩本書的厚度），即當(dāng)各方向感知誤差小于3.5cm時(shí)，可滿足圖書館文獻(xiàn)位置感知需求。本文方法對各類文獻(xiàn)樣本感知結(jié)果如下所示。

2.1 位置感知結(jié)果分析

采用本文方法感知各類文獻(xiàn)樣本位置數(shù)據(jù)，以物理資料文獻(xiàn)樣本為例，將其結(jié)果與文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]進(jìn)行對比，應(yīng)用感知過程均方根誤差收斂程度測試不同方法的感知效率。測試結(jié)果如圖3所示。

分析圖3可知，本文方法感知文獻(xiàn)位置數(shù)據(jù)過程中，均方根誤差以較快速度收斂值最小值，說明本文方法文獻(xiàn)位置數(shù)據(jù)感知效率較快。

將其待感知標(biāo)簽三維坐標(biāo)和迭代初始坐標(biāo)分別設(shè)定為（24，13，3.6）和（1，1，1），采用本文方法進(jìn)行位置數(shù)據(jù)感知，結(jié)果如圖4所示。圖4黑色圓點(diǎn)表示物理資料文獻(xiàn)樣本實(shí)際位置數(shù)據(jù)。

由圖4可知，本文方法感知結(jié)果與物理資料文獻(xiàn)樣本實(shí)際位置基本重疊，且重疊程度高于其他文獻(xiàn)方法，達(dá)到97%，說明本文方法可有效感知圖書館文獻(xiàn)位置數(shù)據(jù)。

2.2 位置感知誤差分析

采用本文方法對文獻(xiàn)樣本位置數(shù)據(jù)進(jìn)行感知，所得結(jié)果如表1所示。

由表1得到，本文方法針對各類文獻(xiàn)樣本不同方向位置感知誤差控制在2cm以內(nèi)，控制效果高于其他文獻(xiàn)方法，且顯著低于設(shè)定誤差感知閾值，由此說明本文方法針對各類文獻(xiàn)樣本具有較高的位置感知精度。

2.3 抗噪性測試分析

為測試本文方法在各類文獻(xiàn)樣本位置感知過程中的抗噪性，比較本文方法與對比方法在高斯噪聲環(huán)境下的峰信噪比，結(jié)果如圖5所示。

分析圖5可知，在各類文獻(xiàn)樣本位置數(shù)據(jù)感知過程存在高斯噪聲干擾條件下，本文方法與對比方法的峰值信噪比均與信噪比之間表現(xiàn)出線性相關(guān)性，也就是峰值信噪比隨信噪比的提升而提升。當(dāng)信噪比一致時(shí)，本文方法針對各類文獻(xiàn)樣本位置數(shù)據(jù)感知過程的峰值信噪比始終高于對比方法：當(dāng)信噪比為0dB時(shí)，本文方法的峰值信噪比約為12dB，與對比方法相比提升3.5dB以上;當(dāng)信噪比提升至20dB時(shí)，本文方法的峰值信噪比約為24dB，與對比方法相比提升3dB以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明相較于對比方法本文方法的抗噪性能更優(yōu)。

2.4 定性對比分析

通過整合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將本文方法與對比方法的性能實(shí)施效果進(jìn)行對比，對比結(jié)果以高、中、低三個(gè)級別表示，結(jié)果如表2所示。

由表2可得，影響文獻(xiàn)位置數(shù)據(jù)感知效果的各項(xiàng)指標(biāo)均顯著優(yōu)于其他兩種對比方法，由此說明本文方法整體性能更佳。

3 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速進(jìn)步，對位置感知服務(wù)精度提出更高要求，本文提出基于RFID技術(shù)的文獻(xiàn)位置大數(shù)據(jù)感知方法，利用標(biāo)簽閱讀器標(biāo)簽之間的距離可以準(zhǔn)確、快速感知圖書館海量文獻(xiàn)位置數(shù)據(jù)。在下一步工作過程中，以提升本文方法應(yīng)用范圍為主要目標(biāo)，主要研究本文方法的可擴(kuò)展性。

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張永彩 廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院圖書館助理研究員。 廣東廣州，511483。

王雪松 廣州市番禺區(qū)圖書館網(wǎng)絡(luò)工程師。 廣東廣州，511483。

凌征強(qiáng) 廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院圖書館副館長、研究館員。 廣東廣州，511483。

（收稿日期：2020-10-27 編校：謝艷秋，曹曉文）