薛蕊 曾实现

摘要：传统学校图书管理仍使用条码识别系统。当标签破损或脱落，扫描仪就无法辨认目标，而且辨识及使用具有一定的局限性。设计了一种基于无源超高频RFID技术的图书馆智能书柜管理系统。将最大化地读取在智能书架上摆放物品的标签，减少溢出的物品并将其转移到附近的货架上去，采用多天线单元对近场天线以及远场天线进行回波损耗和阻抗带宽等参数的测试，并对天线进行设计和仿真，最后尝试在实际环境中运行。利用HFSS软件和SEMCAD-X软件对辐射参数进行估算，阐明在货架和用户中间存在的近场天线和远场天线的辐射效应。通过环境数据分析对象所处状态，并进行最合理的处理，优化后的图书管理系统实用性强，市场前景广阔。

关键词：系统优化;UHF_RFID无源标签;多天线单元;辐射参数

Optimization and Design of Portable Passive Intelligent Book Management System

XUE Rui，ZENG Shixian

（Qingdao Huanghai College，Qingdao266427，China）

Abstract：Bar code recognition systems are still used in traditional school library management.When the label is damaged or detached，the scanner cannot recognize the target，and identification and use have certain limitations.A library intelligent bookcase management system is designed based on passive UHF RFID technology.It will maximize the reading of the tags placed on the smart bookshelf，reduce spilled items and transfer them to nearby shelves.The multi-antenna unit is used to test the return loss and impedance bandwidth of the near-field antenna and the far-field antenna，and the antenna is designed and simulated.Finally，the antenna is tried to run in the actual environment.HFSS and SEMCAD-X are used to estimate the radiation parameters，and the radiation effects of near-field antennas and far-field antennas existing between shelves and users are clarified.By analyzing the state of the objects in the environmental data and performing the most reasonable processing，the opti-mized book management system has strong practicability and broad market prospects.

Key words：system optimization;UHF_RFID passive tags;multiple antenna units;radiation parameters

无线射频识别（RFID）是一种不断发展的技术[1]，在许多行业中，这种技术主要用于运输和物流部门[2]。该系统主要是设计一种大学图书馆里的RFID管理系统，其主要思想是开发出一种智能低成本的图书馆书柜，能够降低劳动成本和运行成本，提高工作效率[3]。该管理系统达到的目标是代替传统较费时的进出图书馆的书籍检查过程、代替劳动密集且耗时的盘点过程、消除传统盘点过程中的繁琐、改善工作场所的生产力、降低图书馆运行成本、减少丢失或错放的频率等等。利用计算机接口技术，将智能RFID书架管理系统做成人性化和通用性的用户界面（GUI）进行统一管理和控制。在结账柜台里，用户完全可以通过使用RFID系统，调用图书馆数据库，查找到借阅的书籍状态并完成借书，在无需管理员的帮助下也可以独立完成还书。当RFID系统启用后，被激活的用户出现非正常签出书籍时，系统将自动退出库的入口。本文研究的重点主要是智能柜的设计和评估，利用笔记本电脑、平板电脑或智能手机，通过用户界面GUI和便携式无源超高频RFID系统设计，实现对智能柜的研究和开发。可以任选远场或近场天线，并将天线安装在机柜允许的内阁里的某个地方，使RFID标签最大限度的提高数据的可读性[4]。其中，使用远场天线将具有更大的标签读取范围，天线输入功率和环境距离（4-7米）相对较大。使用近场天线则具有较短的标签读取范围（几十厘米），从而也增加了标签的可读性。

1     RFID模拟系统中启用LMS

1.1  安装问题

我们选用了几种类型的货架天线，主要研究智能柜的輻射特性。图1 所示为一个典型的机柜CAD模型，由六个贴片天线并安装在智能柜货架的侧壁上。每个天线可以安装在货架的底部，货架的后面或货架的侧壁上进行定位。这种天线可以是近场天线也可以是远场天线。我们的目标是让在特定书架上的书的可读性达到100%。其中，图1（a）所示为无书籍货架的CAD模型，图1（b）所示为有书籍货架的CAD模型。

为了避免因溢出的能量太多，导致对用户的辐射超标，我们要先对两种类型的天线进行检验：（1）匹配负载端的单纯微带线的设计检验;（2）超高频RFID频带下的直线偏振远场贴片天线的设计检验。

1.2  数字人体模型

模拟中使用虚拟入口中的三个人体模型，型号分别为不同年龄和身体质量指数（BMI）的男性和女性，该模型的分辨率设置为1mm×1mm×1mm。假设使用的模型是张三（男，30多岁），李四（女，20多岁）和王五（男，儿童）。此外，根据由加布里埃尔等人提出的参数模型对人体组织的导电特性进行了计算。通过两种不同的模拟方案进行了研究。在第一个方案的人体模型朝向柜在10厘米的距离，而在第二种情况下的人体模型与其侧壁几乎触碰（5mm处），然后对有或没有的书籍的存在下进行模拟仿真。

2     仿真计算

本文提出的图书馆智能书柜里安装的两种天线的评估主要基于一个因素，就是附近货架上的能量溢出情况。首先，我们考察附近的货架上的能量溢出，其次，验证哪一种天线可以最大的暴露人体模型。

2.1  外溢电场

为了评估电场的溢出情况，我们要对货架扫描空间的最大E-场的分贝和附近货架上的最大E-场的分贝相比较。表1 所示为每个天线的比较情况。在微带天线的情况下，在智能柜货架的背部和底部分别呈现的溢出情况如图2（a）和2（b）所示。此外，图3 所示为“张三”人体模型站在书柜附近所得到的电场分布情況。

3结论

计算结果表明，将天线置于货架内阁的背面，便可以在无扫描的货架空间里降低溢出电场。综合了图书馆用户本身吸收的能量来看，这种方案得到的参数配置也是最佳的，而贴片天线引发的曝光也是最低的，psSAR10g的值也比正常情况显著降低，从而选择给智能柜配置垂直微带天线是比较合理和实用的。

参考文献：

[1] Avery Dennison Retail Information Services LLC;Patent Application Titled"Dual Passive Technology Rfid Temperature Activated Media"Published Online（USPTO20190205724）[J].Food Weekly News，2019.

[2] Rahma Benfraj，Vincent Beroulle，Nicolas Fourty，Aref Meddeb.An Optimized NS2Module for UHF Passive RFID Systems[J].，2019，35（1）.

[3] Lee Young Ho，Marsic Ivan.Object motion detection based on passive UHF RFID tags using a hidden Markov model-based classifier.[J].Sensing and Bio-Sensing Research，2018，21.