基于RFID技术的智能书架系统设计

许艳丹，张前进

(安徽国防科技职业学院，安徽 六安 237011)

基于RFID技术的智能书架系统设计

许艳丹，张前进

(安徽国防科技职业学院，安徽 六安 237011)

对智能书架系统基于物联网三层技术体系架构(感知层、网络层、应用层)进行了分层设计研究。完成了智能书架系统硬件与软件体系结构设计。为了降低系统升级维护成本和提高系统的通用性与可移植性，采用了中间件技术。最后，分析了智能书架系统图书定位、图书清点、借阅统计的核心功能和目前智能书架系统面临的主要问题。设计的智能书架系统为智慧图书馆的实现提供了参考。

RFID技术；智能书架；系统架构；中间件

一、RFID射频识别技术

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。使用RFID阅读器通过射频电磁场将存储在RFID标签内的数据读取出来，达到自动识别、追踪的目的。最小的RFID系统由RFID标签、RFID读写器、RFID天线组成[1]。

(1)RFID标签：RFID标签具有体积小、容量大、可重复擦写、识别距离远、寿命长等特点。其内部由应答器、存储器组成。存储器用来存储标签数据，应答器用于实现与RFID天线进行通信。本文选取的RFID标签为超高频无源标签。超高频无源标签与有源标签相比具有体积小、价格低、便于布置的优点。

(2)RFID读写器：RFID读写器是一个用来读写RFID电子标签的设备。通过控制射频天线向电子标签发射射频信号，并接收电子标签的应答信号完成电子标签的读写。

(3)RFID天线：用于RFID读写器和电子标签之间数据发射、接收的装置。

RFID射频技术基本工作原理如图1所示。

图1 RFID射频技术基本工作原理

二、智能书架系统工作原理与架构设计

(一)智能书架系统工作原理

感知层在每本书和所对应的书架均粘贴上存储书籍和书架相关信息的超高频RFID电子标签，然后通过书架对应的RFID读写器感知书籍信息。智能书架信息系统通过业务逻辑信息处理，将通过RFID读写器感知到的书架与书籍实现关联定位。用户使用终端设备通过网络层即可检索到书籍的存放位置。如，管理员在对书籍进行清点时，首先在书籍理应存放的书架上进行检索，如果没有检索到，然后再控制其他RFID阅读器去其他书架检索即可。书籍清点是一个自动的过程，通过书籍清点可以判断书籍是否在架，是否被错放。基于RFID射频技术的智能书架一方面降低了图书清点与管理的人力成本，提高了工作效率；另一方面，也使图书馆有更多精力关注如何为读者提供更加人性化的服务上。

(二)系统架构设计

智能书架系统基于物联网三层技术体系(感知层、网络层、应用层)架构。本文从硬件系统和软件系统两个方面进行智能书架系统架构详细设计。在感知层和网络层引入中间件层，提高了系统的通用性。其整体架构如图2所示。

图2 智能书架整体架构设计

1.智能书架硬件系统结构设计

智能书架由控制终端、天线组矩阵、RFID读写器、天线组矩阵开关组、书籍标签组、参考标签组、书架标签、层标签、网络通信模块组成，如图3所示。

控制终端负责命令的发送和信息采集，可以通过网络直接与信息系统连接。当有多个控制终端需要建立分布式系统。天线组矩阵是智能书架读取书籍标签的关键元件，负责射频信号的发射，决定了电子标签读取的性能、速度和检测范围。RFID读写器负责图书电子标签读写、识别与书架控制。天线组矩阵开关由若干个射频开关器组成，负责对采集到的数字信号进行接收和发送及控制信号的输入输出。书籍标签用于存储书籍信息。参考标签用于基于RSSI图书定位时的参考量。书架、层标签用于存储书架和相关层的信息。网络通信模块可以是有线网络也可以是无线网络。

图3 智能书架硬件系统结构

2.智能书架软件系统结构设计

由此，我们从《我从事革命斗争的略述》中所叙述的方志敏的革命历程和人生道路中可以得出一个明确的结论，这就是：方志敏对人生目的和意义认识的人生价值观，就是“党要我做什么事，虽死不辞!”[1](P95)

智能书架的软件系统由中间层和应用层组成，如图4所示。

图4 智能书架软件系统结构

物联网中间件技术是物联网的核心关键技术。物联网的目标是要实现任何时间、任何地点及任何物体的连接，这个特点就决定了屏蔽底层硬件的多样性和复杂性。屏蔽底层硬件及网络平台差异，是为了保证运行时共享，开放互联互通以及物联网相关系统的可靠部署与可靠管理，即物联网中间件技术保证了物联网平台开放性，使得不同厂家，不同型号，不同通信协议，不同数据格式的物联网设备实现兼容。这样就大大减少了系统升级和维护成本。逻辑处理层包含图书定位算法、各种应用程序API接口等。应用层完成图书清点、图书上架、系统维护、图书自助借还、用户查询、个性推荐等应用程序。

三、智能书架系统核心功能描述

(一)图书定位

目前常用的基于RFID的定位算法有方位测量定位(Angel of Arrival,AOA)、信号强度定位(Received Signal Strength Indicator,RSSI)、到达信息定位(Time of Arrival,TOA和Time Difference of Arrival,TDOA)等三大类[3]。本文采用的是基于信号强度的邻近法实现图书定位的。首先通过RFID阅读器读取参考标签的发射功率，然后与被测标签的功率相比较。如果得到的两个功率差值越小，说明被测标签与参考标签越靠近。该方法具有成本低、精度高、部署简单的特点。精确的图书定位结合WebGIS可以为用户提供三维的立体导航及智能路径提示功能。

(二)图书清点

图书清点功能是以图书精确定位为前提的。当用户在自助借还书或者上架时自动检测是否错架情况，对错架图书自动生成报警信息，并自动生成错架列表。当图书馆闭馆后可以设定闲时所有书架自动清点服务，自动生成错架图书列表及图书的实际位置信息，同时生成图书遗失列表。

(三)借阅统计

用户从智能书架上取图书阅览时可以记录所有用户浏览次数，某个用户单独的浏览路径(从一本书到另一本书的路径)的日志信息。结合数据挖掘技术从这些海量日志信息中可以分析出书籍的受欢迎程度，用户的个人爱好、浏览习惯等信息。可以为图书的采编提供重要参考。同时可以通过短信、邮件、微信公众号等向用户定向推送个性化推荐服务，如：热点图书排行、兴趣图书推荐、新书通告等。

四、智能书架系统面临的问题

由于物联网技术仍然处于发展的初级阶段，基于物联网技术的智能书架在实践方面虽然取得了一定成果，但还面临着诸如成本高、信息安全性不够、标准不统一等方面的问题。

(一)成本高

与传统的条码技术相比，电子标签的成本要高的多。电子标签贴到图书上后容易折损、撕损，电子标签的损耗成本也较高。系统部署的人力、财力成本也不及条码系统。随着物联网技术进一步发展，物联网产品的大规模应用，基于物联网技术的智能书架系统成本将会大幅降低。

(二)信息安全

RFID电子标签具有体积小，重量轻的特点，但其也存在安全问题。一方面，电子标签具有多次写入的功能，由于标签本身没有写保护的功能，对于存储在标签内的信息存在被认为篡改的安全风险。另一方面，用户隐私安全也面临泄密的风险。当读者使用RFID标签的借阅卡时，读取该标签即可显示用户爱好的隐私数据。为了应对RFID标签的信息安全问题，很多建议和技术规范已经开始出现。

(三)标准不统一

虽然物联网中间件技术理论上可以解决任何设备、任何时间连接任何物体，但，其无法从根本上解决系统维护、系统升级因硬件设备不兼容带来的高成本。目前物联网产业以闭环应用为主，企业在各自的应用领域独自为站。如智能家居领域，小米、华为等企业都在做，其支持的智能家居产品仅限于符合自己标准的产品接入。这就增加了用户的升级、维护成本，因用户只能采购特定的产品。随着物联网标准的统一，会进一步促进物联网产业的发展，智能书架系统的成本会进一步降低。

五、结语

基于RFID技术的智能书架系统可以有效的提高图书清点、图书上架、用户自助借还书环节的工作效率。有助于提高图书馆的个性化服务水平。智能书架系统目前还面临着成本高、信息安全性不够、标准不统一等问题。本文设计的基于RFID技术的智能书架系统是安徽国防科技职业学院大学生创客实验室孵化的智慧图书馆项目中关键的一环，为智能图书馆的建设提供了参考。

[1]董丽蓉.公共图书馆读者自助服务探析[J].图书馆论坛,2008,28(4):31.

[2]李璐.基于RFID图书馆系统的设计与实现[D].上海：上海海洋大学，2014(3).

[3]杨公建.RFID定位算法研究[D].洛阳：河南科技大学.2011(3):13～18.

2095-4654(2015)12-0016-03

2015-09-02

2015年院级质量工程项目“基于物联网的智慧图书馆设计与实现”(gf2015ck04)

TP391.3