基于RFID 的智慧圖書館建設與應用

文／羅煥軍 胡磊 孫旭

智慧圖書館建設是智慧校園建設的重要內容之一。一直以來，圖書館管理主要存在圖書獲取困難、亂架圖書管理繁雜和圖書盤點低效等問題。首先，讀者在尋找所需圖書時往往面臨書架上圖書錯亂的情況，雖然可以查詢到圖書的位置，但實際找到圖書卻十分費勁。其次，開架模式使得讀者可以自由擺放圖書，這導致圖書管理員需要耗費大量精力來整理書架，猶如大海撈針一般費時費力。最后，傳統的圖書盤點方式采用掃描圖書條碼的方法，雖然能確認圖書的實際存在，但工作量龐大且效率低下。館藏書目數量與實際庫存之間存在較大差異。

為了解決這些問題，有必要尋求更有效的圖書管理和盤點方法，以提高圖書館的服務質量和讀者滿意度。本文認為，利用RFID 系統在書架間布設RFID 閱讀器，開發出更多的實際應用，使讀者有更好的借閱體驗，圖書管理員管理圖書更加簡單快捷，成為構建智慧圖書館的關鍵一環。

RFID 技術

RFID(radio frequency identification）射頻識別，又稱無線射頻識別，是一種通信技術，無需接觸即可通過無線電訊號識別特定目標并獲取相關數據。

一個完整的RFID 系統，通常包括RFID 標簽，RFID 閱讀器和天線。RFID 標簽由集成電路和芯片組成，用來存儲信息并且每個標簽都具有唯一性。

RFID 系統工作的原理是：RFID 閱讀器首先通過天線發射無線電訊號，RFID 標簽如果在RFID 閱讀器的范圍內，則在RFID 標簽內會產生感應電流，憑借感應電流能量RFID 標簽會將自身信息發送出去，這時RFID 閱讀器會接收RFID 標簽發過來的信息并進行解調解碼，最后把信息傳輸給計算機的信息處理系統。RFID 系統工作原理如圖1 所示。

圖1 RFID 系統工作原理

智慧圖書館技術基礎

RFID 定位技術是智慧圖書館的技術基礎。由RFID 系統工作原理可知，RFID 閱讀器和RFID 標簽之間會進行無線通信。利用無線電的傳播時間、方向、強度等，可對RFID 標簽進行定位。

LANDMARC 定位算法。LANDMARC 定位的原理是通過RFID 參考標簽來定位的，比較RFID 閱讀器接收到RFID 參考標簽和需要定位的RFID 標簽的信號強度，信號強度相近說明需要定位的標簽和參考標簽距離近。選幾個距離待定位標簽近的參考標簽，然后根據參考標簽的位置及權重計算出待定位標簽的位置。

VIRE 定位算法。VIRE 定位是在LANDMARC 的基礎上，增加一些虛擬標簽，這些虛擬標簽的信號強度介于定位場景已經知道的值，用這些虛擬標簽構建類似一個網格狀的平面。然后利用公式計算得出待定位RFID 標簽的位置。

三維VLM 定位算法。在RFID 標簽三維定位中，本文選擇定位精度高、建設成本低的VLM（Virtual LandMarks）算法，VLM 算法是在LANDMARC 和VIRE 這兩種算法的基礎上，在三維空間中按一定距離布設RFID 閱讀器，在RFID 閱讀器之間設立虛擬標簽，然后通過RFID 閱讀器和虛擬標簽的約束性和排他性進行處理，得到符合條件的虛擬標簽集合，根據該虛擬標簽集合確定需要定位RFID 標簽的位置。

VLM 算法中，每個RFID 閱讀器工作的范圍是一個球狀。當RFID 閱讀器能夠讀取需要定位的RFID 標簽的信號，說明待定位RFID 標簽在這個球內，反之，RFID 標簽就不在這個RFID 閱讀器的球內。當有多個RFID 閱讀器都能讀到需要定位的RFID標簽信號時，必然有一個交集，通過處于交集中虛擬標簽的坐標位置，計算出需要定位的RFID 標簽的位置。

在計算待定位的RFID 標簽的位置時，先要做到每個待定位標簽都能被至少一個RFID 閱讀器讀取到，設計好每一個虛擬標簽的三維坐標位置。假設所有能讀到待定位標簽的RFID 閱讀器的集合為Qyes（T），不能讀到待定位標簽的RFID 閱讀器的集合為Qno（T），T 為待定位標簽。設能讓閱讀器集合Qyes（T）讀取到的所有虛擬標簽集合為Vyes（T），能讓閱讀器集合Qno（T）讀取到的所有虛擬標簽集合為Vno（T）。

讓Vno（T）的補集和Vyes（T）做相交運算，即可確定這部分虛擬標簽集合Q（T），既能讓讀取待定位的T 標簽的RFID閱讀器也讀取，又讓讀取不了待定位的T 標簽的RFID 閱讀器也讀取不了。參考標簽范圍越限越小，T 標簽的定位精度就越來越高。

T 標簽的位置就是虛擬標簽集合Q（T）的坐標平均值。即公式（1）。

其中n 為虛擬標簽的數量。

技術可行性分析

RFID 系統中用于圖書館中RFID 標簽和RFID 閱讀器都是已經非常成熟的技術，使用廣泛。本文智慧圖書館建設應用的關鍵就在于三維定位技術，利用Matlab 軟件可以模擬仿真圖書三維定位技術是否可行。為此用Matlab 建立一個寬10 米，長50 米，高3 米的三維仿真模型來驗證VLM 算法。設置每個RFID 閱讀器接收信號半徑是5 米，在地板和天花板布設3*15 個RFID 閱讀器，假設RSSI 值能從環境精確測出，每2 米設置一個虛擬標簽，隨機放置6 個待定位RFID 標簽在模型中。利用VLM 算法中三維定位公式（1）。

計算出各個待定位RFID 標簽的三維位置和實際位置后，統計定位誤差如圖2 所示。從仿真結果來看，由于4 號標簽更靠近區域邊上，所以誤差有點大，中心區域誤差小些，可以適當增加RFID 虛擬標簽和RFID 閱讀器，提高定位精度。對于一般書架間隔0.8 米左右的圖書館來說，引入VLM 算法能有效地定位有RFID 標簽的圖書，可以滿足圖書三維精確定位的要求。

圖2 RFID 標簽定位誤差

智慧圖書館建設與應用理論

從上可知，可以利用RFID 標簽和RFID 閱讀器之間無線通信的特點，在圖書館按照一定間隔距離布設RFID 閱讀器，每個閱讀器的讀取范圍都是一個球形區域，多個閱讀器讀取范圍必然有交集。通過采用虛擬標簽的VLM（Virtual LandMarks）算法，能計算出RFID 標簽所處的三維位置，從而實現貼有RFID 標簽圖書的三維定位。

當讀者檢索圖書后，點擊需要定位的圖書，系統會根據讀到該書RFID 標簽的多個RFID 閱讀器和虛擬標簽，計算出RFID標簽所處的三維位置，然后翻譯成以“樓層+書架號+A/B 面+列數+層數”這樣的位置編碼和三維地圖。讀者根據三維地圖的指示，方便快捷地直接去找書，可以很好地解決找書難這個問題。

從上可知，我們可以計算出每冊圖書的三維位置，然后翻譯成以“樓層+書架號+A/B 面+列數+層數”這樣的位置編碼。再根據圖書都是按《中國圖書分類法》分類圖書，索書號線性排列圖書，索書號相鄰圖書位置也應該相鄰。比對圖書索書號和該書的三維位置。如果相鄰索書號圖書的定位不相鄰，則該圖書亂架。匯總所有亂架圖書書名和三維位置以供圖書管理員處理，從而解決圖書亂架管理難的問題。

從上可知，我們可以計算出每冊圖書的三維位置。如果圖書沒有三維位置，甚至沒有讀取到圖書中RFID 標簽信號則判定該圖書實物不存在，智慧圖書館系統自動比對館藏圖書信息，無需人工參與，系統會自動完成盤點。盤點完成后匯總盤點數據以供圖書管理員處理，從而解決圖書館盤點圖書難的問題。

智慧圖書館功能設計

圖書查詢三維定位功能設計。當讀者需要借閱圖書時，首先要在圖書館館藏圖書查詢界面輸入查詢條件，如果查詢到圖書信息，則可以對貼有RFID標簽的圖書進行三維定位，方便讀者找書。

亂架圖書管理功能設計。當圖書管理員處理亂架圖書時，圖書管理員要在管理員登錄界面輸入用戶名和密碼，系統核對正確才能登錄成功。然后在亂架圖書管理界面，通過圖書三維定位系統，找出亂架圖書。

圖書盤點功能設計。當圖書管理員盤點圖書時，圖書管理員要在管理員登錄界面輸入用戶名和密碼，系統核對正確才能登錄成功。然后在圖書盤點界面，通過圖書三維定位系統，盤點實物圖書。

本文利用現有的RFID 圖書管理系統，只增加一部分RFID閱讀器，大量采用虛擬RFID 標簽替代參考標簽，進一步降低智慧圖書館建設費用。一次性投入，長期使用，平攤到使用年限。相對讀者找書成本和圖書管理員管理圖書成本來說，智慧圖書館能帶來不錯的效益。