RFID图书精确定位技术的分析与探讨

王静 张育递 周聘麟

摘 要：书架凌乱是长期困扰图书馆的一大问题。那些存在于图书馆却不能被人们找到并阅读的书，称为死书。死书不仅是对图书的浪费，更容易让学生失去走进图书馆的乐趣，增加管理的工作量。因此，对无序图书进行自动跟踪是非常必要的，无线射频识别即射频识别技术（RadioFrequencyIdentification，RFID），通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而可以对图书进行定位。

关键词：RFID技术;定位;图书

一.绪论

（一）研究目的和意义

书架凌乱是长期困扰图书馆的一大问题。目前，圖书馆通常是按分类或按特定编号摆放的。一旦一本书从原来的位置移走（尤其是在一个遥远的架子上），当它被需要的人搜索时，它会变得非常麻烦，除非我们在书架上按顺序查找书籍。死书不仅是对图书的浪费，更容易让学生失去走进图书馆的乐趣，增加管理的工作量。从长远来看，学生可能会失去对图书馆的兴趣和信心。

二.RFID技术简介

（一）RFID技术概述

无线射频识别即射频识别技术（RadioFrequencyIdentification，RFID）[1]，是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的，其被认为是21世纪最具发展潜力的信息技术之一。

无线射频识别技术通过无线电波不接触快速信息交换和存储技术，通过无线通信结合数据访问技术，然后连接数据库系统，加以实现非接触式的双向通信，从而达到了识别的目的，用于数据交换，串联起一个极其复杂的系统[2]。在识别系统中，通过电磁波实现电子标签的读写与通信。根据通信距离，可分为近场和远场，为此读/写设备和电子标签之间的数据交换方式也对应地被分为负载调制和反向散射调制[3]。

（二）RFID工作原理

RFID（射频识别）技术作为一种非接触式的自动识别技术，自20世纪90年代以来在许多行业得到了广泛的应用。它利用射频信号和空间耦合传输特性，实现被识别对象的自动识别。基本的rfid系统由标签、阅读器、数据传输和处理系统三部分组成。电子标签（electronictag，简称transonder）是rfid系统的载体[4]。它主要由天线和专用芯片组成。每个标签都有一个唯一的电子代码附加到目标对象上，以存储需要识别和传输的信息，相当于条形码技术中的条形码符号。读写器负责读写标签信息，实现数据显示和处理。典型的读写器包括射频模块、控制模块、接口模块和读写器天线[5]。系统通过读卡器将标签信息传送给数据管理系统进行处理，数据管理系统完成对数据信息的存储、管理和管理。电子标签的读写控制。读取器通过天线发送一定频率的射频信号。当附着在标签上的目标物进入天线的工作区域时，它产生感应电流。电子标签通过感应电流获取芯片中存储的数据信息。读取器对接收到的信号进行解调和解码，并将其发送到数据管理系统[6]。数据管理系统按逻辑运行。判断电子标签的合法性，并针对不同的设置进行相应的处理和控制。

（三）RFID系统组成部分

完整的RFID系统由读写器（Reader）、电子标签（Tag）和数据管理系统三部分组成。

（1）关于阅读器

阅读器是将标签中的信息读出，或将标签所需要存储的信息写入标签的装置。根据使用的结构和技术不同，阅读器可以是读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心[7]。在RFID系统工作时，由阅读器在一个区域内发送射频能量形成电磁场，区域的大小取决于发射功率。在阅读器覆盖区域内的标签被触发，发送存储在其中的数据，或根据阅读器的指令修改存储在其中的数据，并能通过接口与计算机网络进行通信。阅读器的基本构成通常包括：收发天线，频率产生器，锁相环，调制电路，微处理器，存储器，解调电路和外设接口组成[8]。

●收发天线：发送射频信号给标签，并接收标签返回的响应信号及标签信息。

●频率产生器：产生系统的工作频率。

●锁相环：产生所需的载波信号。

●调制电路：把发送至标签的信号加载到载波并由射频电路送出。

●微处理器：产生要发送往标签的信号，同时对标签返回的信号进行译码，并把译码所得的数据回传给应用程序，若是加密的系统还需要进行解密操作。

●存储器：存储用户程序和数据。

●解调电路：解调标签返回的信号，并交给微处理器处理。

●外设接口：与计算机进行通信。

（2）关于电子标签

电子标签由收发天线、AC/DC电路、解调电路、逻辑控制电路、存储器和调制电路组成[9]。

●收发天线：接收来自阅读器的信号，并把所要求的数据送回给阅读器。

●AC/DC电路：利用阅读器发射的电磁场能量，经稳压电路输出为其它电路提供稳定的电源。

●解调电路：从接收的信号中去除载波，解调出原信号。

●逻辑控制电路：对来自阅读器的信号进行译码，并依阅读器的要求回发信号。

●存储器：作为系统运作及存放识别数据的位置。

●调制电路：逻辑控制电路所送出的数据经调制电路后加载到天线送给阅读器。

（四）RFID分类

（1）无源RFID

在三类RFID产品中，无源RFID出现时间最早，最成熟，其应用也最为广泛。在无源RFID中，电子标签通过接受射频识别阅读器传输来的微波信号[10]，以及通过电磁感应线圈获取能量来对自身短暂供电，从而完成此次信息交换。因为省去了供电系统，所以无源RFID产品的体积可以达到厘米量级甚至更小，而且自身结构简单，成本低，故障率低，使用寿命较长。但作为代价，无源RFID的有效识别距离通常较短，一般用于近距离的接触式识别。无源RFID主要工作在较低频段125KHz、13.56MKHz等，其典型应用包括：公交卡、二代身份证、食堂餐卡等。

（2）有源RFID

有源RFID兴起的时间不长，但已在各个领域，尤其是在高速公路电子不停车收费系统中发挥着不可或缺的作用。有源RFID通过外接电源供电，主动向射频识别阅读器发送信号。其体积相对较大。但也因此拥有了较长的传输距离与较高的传输速度。一个典型的有源RFID标签能在百米之外与射频识别阅读器建立联系，读取率可达1，700read/sec。有源RFID主要工作在900MHz、2.45GHz、5.8GHz等较高频段，且具有可以同时识别多个标签的功能[11]。有源RFID的远距性、高效性，使得它在一些需要高性能、大范围的射频识别应用场合里必不可少。

（3）半有源RFID

无源RFID自身不供电，但有效识别距离太短。有源RFID识别距离足够长，但需外接电源，体积较大。而半有源RFID就是为这一矛盾而妥协的产物。半有源RFID又叫做低频激活触发技术。在通常情况下，半有源RFID产品处于休眠状态，仅对标签中保持数据的部分进行供电，因此耗电量较小，可维持较长时间。当标签进入射频识别阅读器识别范围后，阅读器先现以125KHz低频信号在小范围内精确激活标签使之进入工作状态，再通过2.4GHz微波与其进行信息传递。也即是说，先利用低频信号精确定位，再利用高频信号快速传输数据[12]。其通常应用场景为：在一个高频信号所能所覆盖的大范围中，在不同位置安置多个低频阅读器用于激活半有源RFID产品。这样既完成了定位，又实现了数据传输。

三.图书定位对RFID标签的选择

由上表可知，我们需要对图书定位有两种频率可以选择，高频和超高频[13]。经调查和查阅资料将两种频率的标签从成本、体积、速率等将超高频（UHF）与高频（HF）对比：

（一）实施成本低

超高频RFID系统整体设备成本低，性价比高。小到一支电子标签-----电子标签内含有接收、发射信号的天线，而天线的物理尺寸和电磁波的波长成正比，频率越高，波长越短，天线的物理尺寸就越小，工艺越复杂;所以高频的电子标签不得不生产那么大，这是由它的物理特性决定的，因而成本就更高。

（二）电子标签体积小、隐蔽性好，使用寿命长

前面提到超高频电子标签体积小，高频标签体积大，这是由其技术的物理特性决定的。超高频的电子标签由于体积小，所以成本低、隐蔽性好，相应的使用寿命更长，而且目前国内已有超高频电子标签的生产线，年生产能力1.5亿只，能很好的保证供货。高频标签体积大，只能贴在书的扉页或底页，读书时容易被弯曲，或被撕毁、损坏，使用寿命一般2-3年，而且目前国内没有高频标签生产线，供货量不一定能保证。

（三）超高频的标签能够快速读取

高频Reader读取速度慢，同时读取10支不同的HFRFID电子标签，已经比较困难了。超高频Reader每秒可同时读取多达60支电子标签，反应迅速，对于图书馆来说，工作效率会大大提高，特别是盘点和图书查找工作以及图书借还，更是可领略高科技给我们工作和生活带来的乐趣。

（四）超高频门禁距离远近可调，可全方位识别

高频门禁之间的距离受限，而且由于读取速度慢，容易产生漏读现象;且在进行防盗识别时具有明显的方向性，盲区较大，不能实现全方位识别。超高频门禁距离可调，最远距离可达2m，电子标签在门禁读取范围内可以任意角度识别。防盗效果是高频的两倍。

四.RFID的电子标签的特点

●数据可改。传统的条码印刷是独立存在并且无法更改数据，而电子标签则不受其限制，可无限制次数的变更里面的数据。

●数据便捷阅读。传统的条码阅读器要在近距离且没有阻碍物的情况下，扫描条码方可读取信息;但RFID电子标签只要在无线电波范围内，即可阅读信息。

●数据储存量大。传统条码储存量大约50字节，二维码大约2000～3000字节，但是RFID电子标签的存储量最大容量是达数兆字节。

●可重复使用。传统条码使用是一次性的，而RFID电子标签是可以重复无限次利用。

●扫描速度快。传统条码只能读取单一条码的资料，而RFID电子标签可同时读取数个标签的资料。

●安全性高。RFID电子标签可以使用密码保护，高度安全性的保护措施不易仿造。

●耐久性。传统的条码使用时间长或者条码有磨损导致难以识别。RFID电子标签因有重复使用数十万甚至数百万次以上的特性，其材质也能够被放置于较为恶劣的环境中，因此RFID电子标签在使用者方面更有耐久性。

●體积不限制。传统的条码受限于体积的大小，很难使用在体积较小的物品上。而RFID电子标签不受体积的限制，可以隐藏在较小的物品里面。

五.RFID 标签在图书馆中的应用

（一）图书自助借还

RFID标签可以远距离阅读，可以同时对多个标签进行阅读。在自助借还时读者可以一次将多本图书放在借书台上进行借还操作。将图书识别和防盗功能都集成在RFID标签中，可以实现同步将图书借还与否的写在标签里，方便了读者借还书操作。

（二）图书定位

●书架装阅读器天线：系统通过TCP/IP方式实现书架的集群部署，与图书馆管理软件系统需要实时的数据通信，并受图书馆管理系统的控制[14]。超高频RFID模块采集图书标签信息后，将大量的图书标签信息传送给图书馆管理系统。书架上装有超高频RFID阅读器天线，可以追踪图书馆书架上的图书，书架可以从图书馆图书中读取信息，这些图书标有高频RFID电子标签，可以提供图书的准确位置信息。

●书架分配标签：将每一个书架的每一层进行编号并分配一个RFID标签。在进行图书上架时先用阅读器扫描书架标签，然后再扫描需要放在该层的图书，这样就使书架与图书拥有了一个对应关系，再通过将书架位置与地图信息进行整理，读者可以在查询图书时得到该图书在图书馆中的具体位置。也可以识别放错书架的图书，以便快速的归位[15]。

六.结论

从国内外图书馆应用 RFID技术的实践和研究情况来看，RFID 技术不但在为图书馆解决业务瓶颈问题、提高工作效率、降低图书馆人力投入等很多方面发挥了巨大的作用， 而且其更深层的意义在于它的应用改善了图书馆的整体形象， 转变了图书馆的服务理念， 改革了图书馆沿袭多年的文献管理模式和文献服务方式。从发展的眼光看， 能够为图书馆行业创造出巨大的社会效益。随着技术的完善， RFID技术在图书馆的应用和创新将会扩展出更多的功能， 为图书馆由数字化、网络化向智能化方向的发展提供重要的技术基础， 终将会是未来现代化图书馆不可阻挡的发展趋势。

本文提出了利用射频识别技术来实现书籍追踪和定位， 其优点是系统自动触发完成， 基本上无需人的参与。目前射频识别技术已被图书馆学术界高度关注， 在国内一些大型 的公共图书馆如深圳市图书馆和国家图书馆二期工程中， 这项技术已得到全面应用。随着技术的进步，相信越来越多的图书馆也能够运用这项技术。

参考文献：

[1]郑晓琳.基于RFID技术的图书借阅系统的设计与实现[J].计算机产品与流通，2019（11）：161

[2]代一平.浅析RFID技术在图书馆中的应用[J].信息技术与信息化，2019（07）：176-178

[3]王秀云，曹霞.图书馆自助还书机的RFID技术应用[J].科技文献信息管理，2019，33（01）：35-37

[4]王月.RFID技術在图书馆中应用[J].劳动保障世界，2019（06）：77+81.

[5]张静雯.浅析AR技术在图书出版领域的应用——价值、现状与困境[J].传播与版权，2018（12）：70-72

[6]吕俊杰.基于RFID技术的图书高效定位方法研究——以西南政法大学图书馆为例[J].新世纪图书馆，2018（10）：61-64+73

[7]杜文艳.RFID技术在图书盘点和定位遇中的问题及对策研究——以内蒙古科技大学图书馆为例[J].信息记录材料，2018，19（10）：239-241

[8]洪志强.RFID技术在图书馆管理中的应用分析[J].农村经济与科技，2018，29（12）：227-228

[9]金志敏.基于超高频RFID技术的图书馆智能书架与图书定位系统[J].大学图书情报学刊，2013，31（02）：39-41+44

[10]马彦波.浅析RFID技术在图书馆应用的现状及存在的问题[J].科技情报开发与经济，2010，20（24）：47-48+50

[11]辛明涛，辛玲.射频识别技术（RFID）及其在图书馆领域的应用[J].电脑知识与技术，2009，5（30）：8507-8508+8513

[12]金志敏.基于超高频RFID技术的图书馆智能书架与图书定位系统[J].大学图书情报学刊，2013，31（02）：39-41+44

[13]张倩. RFID图书定位技术在图书馆的应用研究[D].郑州大学，2012

[14]马彦波.浅析RFID技术在图书馆应用的现状及存在的问题[J].科技情报开发与经济，2010，20（24）：47-48+50

[15]朱茂富. RFID技术在高校图书馆应用[N]. 科学导报，2017-05-12（C03）

作者简介：

王静（1997-3） 性别：女 民族：汉族  籍贯：四川  学历：本科  研究方向：RFID技术。