(武汉商学院信息工程学院 湖北 武汉 430056)

引言

目前，在图书馆书籍管理工作中，普遍使用RFID技术实现对馆藏书籍的管理[1]。但随着馆藏资源的不断丰富，在图书查找、图书归架的工作中，经常会出现系统显示书籍未借出而找不到图书的问题，这种情况主要是因为书籍在归还书架的过程中未能准确放回原位造成的。针对图书馆经常出现图书被放错架导致的图书管理困难问题，设计了一种基于RFID技术的智能书架和书籍定位系统。该系统可以准确定位书籍，方便书籍借阅和管理，图书的位置信息可自动更新，图书位置信息实现可视化。

一、RFID技术及原理

RFID(Radio Frequency Identification)即射频识别，是一种自动识别技术。RFID通过射频信号获取存储物体标签内的相关数据并识别物体[1]。RFID技术可以在不直接接触识别对象的情况下完成对象信息的输入和处理，并且可以实时、准确地快速收集和处理对象信息[2]。RFID系统基本上由三部分组成：电子标签，读写器和收发天线。电子标签通过天线发射射频无线电波与读写器交换数据。如图1为RFID系统的基本组成。

图1 RFID系统的基本组成

将此技术应用于智能书架的设计中，其中RFID使用电子标签标记每本图书[3]。电子标签的组成包括天线和电子芯片，其中电子芯片储存图书的相关数据信息。电子标签中的天线发射无线电波将图书的数据信息传输给RFID读写器,读写器随后接收数据信息，并对数据进行处理，再将关于图书的数据信息传输给系统应用层。

二、系统框架设计

(一)系统工作原理与整体架构

1.系统工作原理

首先，当用户对图书进行检索时，用户通过系统访问图书管理系统数据库和图书位置信息数据库。位于书架上的每本图书都粘贴有储存图书信息的电子，智能书架中的读写器，将读取的图书位置信息数据发送给系统。在系统检索界面显示图书的基本信息和位置信息。多路天线群组能够有效降低漏检、误检率，实现对图书的精准定位[4]。在智能书架设置的读写器会对书架上的书实时读取，所以对于被放错架的图书，系统管理员只需在后台系统进行直接检索即可查找被放错架的图书。

图书定位系统以智能书架为主体，在书架上设置天线和读写器。该系统中，读写器处于一直工作的状态，书架读写器可以对书架上每本图书的电子标签进行读取，设定每30秒读写器检测一次书架，即遍历每层的图书信息数据，将位置信息实时更新在后台系统。一旦发生图书被放错书架的情况，即时对其定位，将定位计算结果发送给数据库，达到对图书的实时清点和实时定位的目的[5]。系统工作原理如图2所示。

图2 系统工作原理

该系统不同于传统图书馆管理，传统图书馆对书籍上架管理时，第一次信息输入就不再变化，而该系统提高了图书上架的容错率，图书的位置信息实时更新输入在系统数据库，检索系统可以详细显示被查询图书位于馆藏地某书架某一层。因此，该设计不仅提高了图书管理员的工作效率，而且提高了借书人员查找书籍的便捷性。

2.系统整体架构

对智能书架分别从硬件系统和软件系统两个模块分析设计。图书定位系统根据物联网三层基础体系：感知层、网络层、应用层，将系统划分为三个模块：数据采集模块、数据服务模块和应用服务器模块[6]。图3为图书定位系统总体架构。

图3 图书定位系统总体架构

(1)数据采集模块

图书定位系统使用书架上的标签和读写器作为硬件基础单元，每本图书都粘贴电子标签。标签中储存图书信息和位置信息，位置信息以某书架某层某单元栏的方式显示。天线阵列可以采用多路复用器选择数字信号路径。使多路数据信息共享一路信道，通过天线群组切换开关对天线和电子读写器的连接进行控制，便于对每个电子标签的信息进行准确读取。

(2)数据服务模块

数据服务模块主要包括图书管理系统数据库和图书定位数据库。书架上设置的读写器将读取标签的数据信息通过天线传输给数据库，数据库中的信息有：图书基本信息介绍、图书的初始位置信息和当前图书被错放的书架所在位置。数据服务器对信息进行挖掘和分析后传输给应用程序层。

(3)应用服务器模块

应用服务器模块以客户端应用程序为表现形式，如图书检索系统，通过检索系统可直观的查询图书当前所在位置。管理员可以通过后台系统控制书架天线的辐射区域，对图书标签的检测达到精准控制。

(二)硬件系统设计

硬件系统主要包括读写器、电子标签、天线[7]。读写器作为每个智能书架的主要硬件设施，实现对图书电子标签的识别、通信与书架控制工作，通信支持TCP/IP协议。电子标签储存每本图书信息。天线群组作为对图书标签的检测单元，能够与电子标签建立连接，对于不同书架的天线均可读取图书的标签信息，实现对图书位置的实时检测。智能书架的读写器与天线群组射频切换开关连接，实现对数字信号的输入和输出。图4为硬件系统设计架构。

图4 硬件系统设计架构

(三)软件系统设计

软件架构主要包括硬件设备层、逻辑处理层和应用程序层。硬件设备层包括硬件系统中所有器件单元，逻辑处理层接收由硬件设备层发来的数字信号，将信号进行数模转换后确保数据安全无差错，使用封装好的定位算法对图书的位置进行计算，将计算得出的位置信息传输给应用程序层，供用户进行访问。在应用程序层可提供图书检索平台，用户可在应用程序层中对图书进行图书检索，查询图书位置详细位置信息，系统管理员可在后台对数据库进行后台维护和管理。如图5为图书定位系统软件架构。

图5 图书定位系统软件架构

(四)数据库设计

图书馆管理系统数据库储存图书基本信息，图书定位数据库主要储存书籍的位置信息[7]。根据图书馆应用需求，使用MySQL 5.7为后台数据库，数据库中表的数据项经查询显示，图书信息字段设计表如图6，图书位置信息字段设计表如图7。读写器检测错架的图书时，修改的图书信息同样参照此表。

图6 数据库图书信息字段设计表

图7 数据库图书位置信息字段设计表

三、图书定位系统与最近邻居算法

(一)图书定位系统原理

图书定位系统设置一定数量的读写器和标签、规定参考标签的布局、精简算法流程等方式增加对图书定位的精准度。用户在应用程序层访问数据库，系统通过读写器发射额定的射频信号检测电子标签，将检测到的电子标签的信号强度和存储信息返回给读写器。此时采集接收的标签信号强度，使用基于信号强度的模式匹配法对图书实现定位，也就是采用邻居算法对图书进行位置估计。如图8为图书定位原理。

图8 图书定位原理

(二)图书定位系统的实现

图9 读写器查询错架图书位置流程图

对图书定位的操作分为两种情况：一种是用户查询未错架的图书所在位置。二是读写器自行检测被放错架的图书位置信息。若是用户查询未错架图书，首先是用户发送图书查询请求，读写器发送一定的射频信号对图书电子标签进行定位，再将预测位置传回数据库，在检索界面显示图书的定位信息。在读写器查询错架图书信息时，读写器被设定为每间隔30秒即对辐射范围内的标签进行检测，对错架乱架标签使用定位算法进行位置估计，将计算结果发送给数据库，实行数据库更新。如图9为读写器查询错架图书位置流程图[7]。

(三)最近邻居算法原理

最近邻居算法的算法原理如下：设定位范围内有u个读写器，同时设置m个参考电子标签和n个待测电子标签[8]。此时读写器发射检测电子标签的射频信号，接收参考标签和待测标签的信号功率。设接收到的参考电子标签的信号强度矢量设为P，接收的待测电子标签的信号强度矢量设为Q。此时根据矢量距离公式可得两个标签的距离表达式为：

(1)

式(1)中的Pi，Qi分别代表第i个参考电子标签和第i个待测电子标签的信号强度。提前设定读写器每30秒进行检测，在书架的最小图书栏的8个拐角都设置参考标签，图书所带标签视为待测标签。由式(1)可得：

Ej=|P-Q|,j∈(1,m),P∈(1,n)

(2)

Ej表示参考标签与待测标签的距离，Ej越小则说明两种标签的距离越近。将未知位置信息的待测定标签坐标表示为式(3)：

(3)

式(3)中(xi,yi)表示参考标签的坐标，k表示设定的邻居标签个数。Wi表示第i个邻居标签的权重，权重的值越大，表示参考标签与待测标签之间的距离越近[9]。权重的表达公式为式(4)：

(4)

本文在进行研究过程中将邻居标签分别设置在书架最小栏的8处拐角，所以设定k值为8，通过这种方式限定了检测的最小范围，提高了定位的精准度。假设书架最小栏为一个长方体，图10表示参考标签和待测标签位置分布图。

图10 参考标签和待测标签位置分布图

(四) 算法流程设计

当读写器查询错架图书时，将最近邻居算法作为对图书的定位算法封装到图书定位系统中，定位信息显示书架的最小栏位置，这种方式可以提高定位的精确度，并且能够减小定位系统的复杂度[10]。如图11为定位算法流程。

图11 定位算法流程

四、图书定位实验仿真与结果分析

(一)实验测试仿真

以同一层AB的四个相邻边的最小单元栏为研究对象[7]，最小单元的规格为长1.0m，宽为0.5m，高为1.0m。在实验过程中，将设置在8处拐角的标签视为参考标签，AB两面相邻的两个书栏共用上下4个标签，具体最小单元栏参考图10。为了将实验结果更直观的表示出来，将该模型做俯视平面处理，不计垂直坐标情况。将要测试的标签的实际坐标和待测标签的估计坐标位置输入到Matlab中以进行图形处理。待测标签的实际坐标与预测坐标如图12所示，为待测标签实际坐标，(x2，y2)为待测标签预测坐标。实验仿真结果如图13所示。

图12 标签实际坐标与预测坐标

图13 实验仿真结果

(二)实验结果分析

由实验仿真测试结果可以看出对图书的定位有良好的效果，为了评定这种误差的大小，引入计算定位误差参数值的公式(5)：

(5)

其中N表示实验的次数，x、y分别为待测标签实际位置横坐标和纵坐标，x0和y0分别为待测标签预测位置横纵坐标和纵坐标。将实验结果代入式(5)中得X的值为0.034，即定位的误差在3cm左右，在实际中可满足对图书快速查找的需求。

五、结束语

在图书资源管理工作中，合理使用RFID技术实现对图书的智能管理具有重大意义。本文在RFID室内定位方法-最近邻居算法的基础上，设计了智能书架和书籍定位系统。将被检索的图书定位到最小单元栏，经仿真模拟可实现对图书的精准定位，提高读者借书的效率，降低图书管理员的工作难度。该系统不仅可以为智能图书馆提供图书智能管理提供解决方案，可以为智能货架、实验器材管理等类似问题提供参考方案。