許艷丹，張前進

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院，安徽 六安 237011)

基于RFID技術(shù)的智能書架系統(tǒng)設(shè)計

許艷丹，張前進

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院，安徽 六安 237011)

對智能書架系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)三層技術(shù)體系架構(gòu)(感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層)進行了分層設(shè)計研究。完成了智能書架系統(tǒng)硬件與軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了降低系統(tǒng)升級維護成本和提高系統(tǒng)的通用性與可移植性，采用了中間件技術(shù)。最后，分析了智能書架系統(tǒng)圖書定位、圖書清點、借閱統(tǒng)計的核心功能和目前智能書架系統(tǒng)面臨的主要問題。設(shè)計的智能書架系統(tǒng)為智慧圖書館的實現(xiàn)提供了參考。

RFID技術(shù)；智能書架；系統(tǒng)架構(gòu)；中間件

一、RFID射頻識別技術(shù)

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)，是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)。使用RFID閱讀器通過射頻電磁場將存儲在RFID標簽內(nèi)的數(shù)據(jù)讀取出來，達到自動識別、追蹤的目的。最小的RFID系統(tǒng)由RFID標簽、RFID讀寫器、RFID天線組成[1]。

(1)RFID標簽：RFID標簽具有體積小、容量大、可重復(fù)擦寫、識別距離遠、壽命長等特點。其內(nèi)部由應(yīng)答器、存儲器組成。存儲器用來存儲標簽數(shù)據(jù)，應(yīng)答器用于實現(xiàn)與RFID天線進行通信。本文選取的RFID標簽為超高頻無源標簽。超高頻無源標簽與有源標簽相比具有體積小、價格低、便于布置的優(yōu)點。

(2)RFID讀寫器：RFID讀寫器是一個用來讀寫RFID電子標簽的設(shè)備。通過控制射頻天線向電子標簽發(fā)射射頻信號，并接收電子標簽的應(yīng)答信號完成電子標簽的讀寫。

(3)RFID天線：用于RFID讀寫器和電子標簽之間數(shù)據(jù)發(fā)射、接收的裝置。

RFID射頻技術(shù)基本工作原理如圖1所示。

圖1 RFID射頻技術(shù)基本工作原理

二、智能書架系統(tǒng)工作原理與架構(gòu)設(shè)計

(一)智能書架系統(tǒng)工作原理

感知層在每本書和所對應(yīng)的書架均粘貼上存儲書籍和書架相關(guān)信息的超高頻RFID電子標簽，然后通過書架對應(yīng)的RFID讀寫器感知書籍信息。智能書架信息系統(tǒng)通過業(yè)務(wù)邏輯信息處理，將通過RFID讀寫器感知到的書架與書籍實現(xiàn)關(guān)聯(lián)定位。用戶使用終端設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)層即可檢索到書籍的存放位置。如，管理員在對書籍進行清點時，首先在書籍理應(yīng)存放的書架上進行檢索，如果沒有檢索到，然后再控制其他RFID閱讀器去其他書架檢索即可。書籍清點是一個自動的過程，通過書籍清點可以判斷書籍是否在架，是否被錯放?；赗FID射頻技術(shù)的智能書架一方面降低了圖書清點與管理的人力成本，提高了工作效率；另一方面，也使圖書館有更多精力關(guān)注如何為讀者提供更加人性化的服務(wù)上。

(二)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

智能書架系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)三層技術(shù)體系(感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層)架構(gòu)。本文從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個方面進行智能書架系統(tǒng)架構(gòu)詳細設(shè)計。在感知層和網(wǎng)絡(luò)層引入中間件層，提高了系統(tǒng)的通用性。其整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能書架整體架構(gòu)設(shè)計

1.智能書架硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能書架由控制終端、天線組矩陣、RFID讀寫器、天線組矩陣開關(guān)組、書籍標簽組、參考標簽組、書架標簽、層標簽、網(wǎng)絡(luò)通信模塊組成，如圖3所示。

控制終端負責(zé)命令的發(fā)送和信息采集，可以通過網(wǎng)絡(luò)直接與信息系統(tǒng)連接。當有多個控制終端需要建立分布式系統(tǒng)。天線組矩陣是智能書架讀取書籍標簽的關(guān)鍵元件，負責(zé)射頻信號的發(fā)射，決定了電子標簽讀取的性能、速度和檢測范圍。RFID讀寫器負責(zé)圖書電子標簽讀寫、識別與書架控制。天線組矩陣開關(guān)由若干個射頻開關(guān)器組成，負責(zé)對采集到的數(shù)字信號進行接收和發(fā)送及控制信號的輸入輸出。書籍標簽用于存儲書籍信息。參考標簽用于基于RSSI圖書定位時的參考量。書架、層標簽用于存儲書架和相關(guān)層的信息。網(wǎng)絡(luò)通信模塊可以是有線網(wǎng)絡(luò)也可以是無線網(wǎng)絡(luò)。

圖3 智能書架硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.智能書架軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由此，我們從《我從事革命斗爭的略述》中所敘述的方志敏的革命歷程和人生道路中可以得出一個明確的結(jié)論，這就是：方志敏對人生目的和意義認識的人生價值觀，就是“黨要我做什么事，雖死不辭!”[1](P95)

智能書架的軟件系統(tǒng)由中間層和應(yīng)用層組成，如圖4所示。

圖4 智能書架軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)中間件技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的核心關(guān)鍵技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的目標是要實現(xiàn)任何時間、任何地點及任何物體的連接，這個特點就決定了屏蔽底層硬件的多樣性和復(fù)雜性。屏蔽底層硬件及網(wǎng)絡(luò)平臺差異，是為了保證運行時共享，開放互聯(lián)互通以及物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)的可靠部署與可靠管理，即物聯(lián)網(wǎng)中間件技術(shù)保證了物聯(lián)網(wǎng)平臺開放性，使得不同廠家，不同型號，不同通信協(xié)議，不同數(shù)據(jù)格式的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實現(xiàn)兼容。這樣就大大減少了系統(tǒng)升級和維護成本。邏輯處理層包含圖書定位算法、各種應(yīng)用程序API接口等。應(yīng)用層完成圖書清點、圖書上架、系統(tǒng)維護、圖書自助借還、用戶查詢、個性推薦等應(yīng)用程序。

三、智能書架系統(tǒng)核心功能描述

(一)圖書定位

目前常用的基于RFID的定位算法有方位測量定位(Angel of Arrival,AOA)、信號強度定位(Received Signal Strength Indicator,RSSI)、到達信息定位(Time of Arrival,TOA和Time Difference of Arrival,TDOA)等三大類[3]。本文采用的是基于信號強度的鄰近法實現(xiàn)圖書定位的。首先通過RFID閱讀器讀取參考標簽的發(fā)射功率，然后與被測標簽的功率相比較。如果得到的兩個功率差值越小，說明被測標簽與參考標簽越靠近。該方法具有成本低、精度高、部署簡單的特點。精確的圖書定位結(jié)合WebGIS可以為用戶提供三維的立體導(dǎo)航及智能路徑提示功能。

(二)圖書清點

圖書清點功能是以圖書精確定位為前提的。當用戶在自助借還書或者上架時自動檢測是否錯架情況，對錯架圖書自動生成報警信息，并自動生成錯架列表。當圖書館閉館后可以設(shè)定閑時所有書架自動清點服務(wù)，自動生成錯架圖書列表及圖書的實際位置信息，同時生成圖書遺失列表。

(三)借閱統(tǒng)計

用戶從智能書架上取圖書閱覽時可以記錄所有用戶瀏覽次數(shù)，某個用戶單獨的瀏覽路徑(從一本書到另一本書的路徑)的日志信息。結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從這些海量日志信息中可以分析出書籍的受歡迎程度，用戶的個人愛好、瀏覽習(xí)慣等信息?？梢詾閳D書的采編提供重要參考。同時可以通過短信、郵件、微信公眾號等向用戶定向推送個性化推薦服務(wù)，如：熱點圖書排行、興趣圖書推薦、新書通告等。

四、智能書架系統(tǒng)面臨的問題

由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)仍然處于發(fā)展的初級階段，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能書架在實踐方面雖然取得了一定成果，但還面臨著諸如成本高、信息安全性不夠、標準不統(tǒng)一等方面的問題。

(一)成本高

與傳統(tǒng)的條碼技術(shù)相比，電子標簽的成本要高的多。電子標簽貼到圖書上后容易折損、撕損，電子標簽的損耗成本也較高。系統(tǒng)部署的人力、財力成本也不及條碼系統(tǒng)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進一步發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的大規(guī)模應(yīng)用，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能書架系統(tǒng)成本將會大幅降低。

(二)信息安全

RFID電子標簽具有體積小，重量輕的特點，但其也存在安全問題。一方面，電子標簽具有多次寫入的功能，由于標簽本身沒有寫保護的功能，對于存儲在標簽內(nèi)的信息存在被認為篡改的安全風(fēng)險。另一方面，用戶隱私安全也面臨泄密的風(fēng)險。當讀者使用RFID標簽的借閱卡時，讀取該標簽即可顯示用戶愛好的隱私數(shù)據(jù)。為了應(yīng)對RFID標簽的信息安全問題，很多建議和技術(shù)規(guī)范已經(jīng)開始出現(xiàn)。

(三)標準不統(tǒng)一

雖然物聯(lián)網(wǎng)中間件技術(shù)理論上可以解決任何設(shè)備、任何時間連接任何物體，但，其無法從根本上解決系統(tǒng)維護、系統(tǒng)升級因硬件設(shè)備不兼容帶來的高成本。目前物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)以閉環(huán)應(yīng)用為主，企業(yè)在各自的應(yīng)用領(lǐng)域獨自為站。如智能家居領(lǐng)域，小米、華為等企業(yè)都在做，其支持的智能家居產(chǎn)品僅限于符合自己標準的產(chǎn)品接入。這就增加了用戶的升級、維護成本，因用戶只能采購特定的產(chǎn)品。隨著物聯(lián)網(wǎng)標準的統(tǒng)一，會進一步促進物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，智能書架系統(tǒng)的成本會進一步降低。

五、結(jié)語

基于RFID技術(shù)的智能書架系統(tǒng)可以有效的提高圖書清點、圖書上架、用戶自助借還書環(huán)節(jié)的工作效率。有助于提高圖書館的個性化服務(wù)水平。智能書架系統(tǒng)目前還面臨著成本高、信息安全性不夠、標準不統(tǒng)一等問題。本文設(shè)計的基于RFID技術(shù)的智能書架系統(tǒng)是安徽國防科技職業(yè)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)客實驗室孵化的智慧圖書館項目中關(guān)鍵的一環(huán)，為智能圖書館的建設(shè)提供了參考。

[1]董麗蓉.公共圖書館讀者自助服務(wù)探析[J].圖書館論壇,2008,28(4):31.

[2]李璐.基于RFID圖書館系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海：上海海洋大學(xué)，2014(3).

[3]楊公建.RFID定位算法研究[D].洛陽：河南科技大學(xué).2011(3):13～18.

2095-4654(2015)12-0016-03

2015-09-02

2015年院級質(zhì)量工程項目“基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧圖書館設(shè)計與實現(xiàn)”(gf2015ck04)

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