手机图书馆利用射频识别技术实现图书定位功能

许萍华

（南京师范大学图书馆 江苏 南京 210046）

近年来，射频识别（Radio Frequency Identification，简称RFID）技术的成熟及其价格的下降使图书馆使用RFID技术成为可能，如新加坡国立图书馆、深圳图书馆等都开始使用RFID技术。RFID技术可以大大提高图书借还效率，减少馆员的工作量和读者的等待时间，为图书馆的发展带来新的机遇。

RFID技术还可以为读者快速查找到图书带来新的便利。例如，传统的索书过程通常是读者先在图书馆管理系统上查询到所需图书，并记录下该图书的索书号和馆藏地，再根据索书号到对应馆藏地的书架上查找。这种传统的图书借阅过程要求读者不仅要查询并记住索书号，同时还要对书架比较熟悉，才能快捷有效地找到所需图书。这种方法通常效率较低，如果所需图书不在对应的书架上，读者往往很难找到所需图书。利用RFID技术，读者不仅可以检索书目信息和借阅信息，更可以追寻所需图书在图书馆中的准确位置，借还书的手续也会变得相对简单，同时加快了流通作业的速度。

随着手机的普及及其功能的日益强大，手机图书馆应运而生。无论读者身在何处，只要拥有一部能上网的手机，就能尽享手机图书馆的服务，如到书提醒、检索书目、续借申请、讲座预订、参考咨询、文献请求等服务，从桌面终端转换到了移动终端，真正地实现了读者“坐拥”图书馆的梦想。因此，本文将手机图书馆与RFID技术结合以实现手机图书馆的图书定位功能。

1 手机图书馆定位图书系统方案综述

通过手机定位图书，首先利用手机通过网络访问图书馆OPAC（Online Public Access Catalog，联机公共检索目录）系统，进而由图书馆OPAC系统向图书定位系统发起图书定位请求，图书定位系统结合RFID系统来定位图书，并把定位后的空间信息转换为地理位置信息，再通过手机反馈给读者。

通过手机定位图书需要具备以下3个条件：（1）手机具有上网功能，可以通过网络访问图书馆的OPAC系统查询图书并发起图书定位请求。（2）图书馆具有RFID系统，图书中带有携带便利的无源RFID电子标签，这样才能通过读写器向图书中的RFID系统提交定位请求，进而定位图书。（3）图书定位系统可将定位后的空间信息转换为地理位置信息，并将其以图形化的方式呈现给读者，清楚地揭示读者所需图书所在位置的区域，进而使读者快速地获取所需图书。

2 RFID系统介绍

2.1 RFID系统基本组成

RFID系统包括读写器、天线、电子标签及控制终端。

读写器：用于读取或写入标签信息的设备。

天线：用于在标签和读写器间传递射频信号。由读写器控制天线的输入功率并发射问讯信号和接受电子标签的响应信号。

电子标签：每一个标签具有唯一的电子编码附着在物体上，用以标识目标对象并向读写器发送标识物的身份信息和内置数据信息。RFID电子标签通常分为无源标签和有源标签两种。有源标签因为自身具有电源，体形大，难以嵌入图书中，因此本系统主要使用无源标签。

控制终端：用于接收读写器收到的电子标签的位置信号，判定电子标签所在的位置。在本系统中，控制终端的一个作用是通过读写器向空间中不同位置的天线发送不同的射频功率信号，改变不同位置的天线的射频工作区域，判定电子标签标识的图书所在的具体位置。

2.2 RFID系统的工作原理

读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当无源RFID标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，无源RFID标签获得能量后被激活，将自身编码等信息（载波信号）通过标签内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从无源RFID标签发送来的载波信号后，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收到的信号进行解调和解码后送到后台主系统进行相关处理；图书定位系统根据标签发送的信息（如图书的题名、索书号等）进行匹配，如果匹配到所需图书，系统就开始进行定位处理，如果标签中的信息在定位系统中找不到匹配信息，则认为该标签信息无效，系统就不进行处理（见图1）。

3 手机图书馆定位图书系统方案实现

3.1 优先局部搜索定位方法的提出

传统的室内定位方法通常为基于TOA（Time of Arrival，到达时间）的定位方法，这种方法通常依据读写器与安装在图书上的标签之间的信号到达时间来估计标签与读写器之间的距离，进而确定图书位置。但在室内，读写器和标签之间的信号传输往往会因一定的反射、散射等环境影响有一定的延迟，造成定位精度及实际定位效果不佳。另外还有一种室内定位方法，即每本图书带有的无源RFID标签都将接收到读写器天线发送的触发脉冲，并将收到的标识符与自己的标识符进行比较，如果匹配，无源RFID标签响应读写器表示已匹配到目标，从而定位图书。但因为图书馆图书数量众多，要对书架上每本图书进行一一比较，往往会导致效率过低。因此，这两种室内定位方法在实际运用过程中都比较耗时。

本文针对图书馆图书的自有特点，提出了可实施的优先局部搜索定位方法。所谓优先局部搜索定位方法，即在定位图书时读写器并不对图书馆室内的无源RFID标签从头到尾按顺序一一搜索，而是优先从某一位置进行局部搜索。因为每本图书入库时其固定的架位信息会记录到读写器中，如果读写器优先从这个固定位置搜索，启动离这本图书的无源RFID标签最近的天线，则会使搜索时间缩短很多。如果在这个固定位置没有搜索到图书，则读写器会根据定位系统中保存的这本图书的历史定位记录进行再次搜索。如果仍然没有搜索到，再进行全室范围内的搜索。这种优先局部搜索定位方法比传统的全范围搜索定位方法在定位时间上有所缩短，在实际运用过程中较为可行。

3.2 优先局部搜索定位方案的实施过程

图2是简化的定位系统构架图。在室内按照顺序排列一定数量的天线，这些天线将覆盖室内所有图书。为了更好地定位，每本图书通常应在3根以上天线的覆盖范围内。

在优先局部搜索过程中，图2中的RFID读写器可以控制多个可按顺序激活的天线。定位系统命令读写器选择离目标RFID标签较近的第一根天线，并为其充电，读写器将触发脉冲发送给第一根天线，由调谐到同一频率的无源RFID标签内置天线 “收集”第一根天线产生的磁场，对接收的能量进行整流，存储在RFID标签内的小型电容器中。当触发脉冲结束时，电容器内存储的能量作为电源支持RFID标签的工作，RFID标签获得能量后立即将数据传回，该数据由接收天线接收并由读写器解码。一旦所有数据传输完毕，存储电容器将放电并重置RFID标签以使其为下一轮读取做好准备。

如果在所选择的天线的读取范围内没有检测到目标RFID标签，则读写器断开所选择天线的电源，并根据室内天线排列顺序依次激活第一根天线相邻的天线，直至遍历覆盖目标RFID标签的所有天线。如果读写器检测到目标无源RFID标签，则记录下接收到的信号强度，然后启动下一根天线，进行同样的检测。如果检测到，同样记录下当时的信号强度，直至遍历所有天线，并对检测到的所有信号强度进行比较，选择信号强度最好的3根天线运用TOA方法来进行精确定位（即用3个以上的读写器接收同一信号源发射的无线电信号，通过测量同一信号到达不同读写器的时间可以计算出控制器到信号源的距离，从而达到定位的目的）。由于读写器和标签之间的信号传输可能会受到一些障碍物的反射、衍射和散射等原因的影响，使得3个读写器往往不能满足精确定位的需要，因此需要更多的读写器来提高定位精度。当图书定位后，定位系统保存具体位置，以便下次局部搜索使用。

3.3 定位信息反馈给手机

定位系统查找到图书的空间信息后，需要将空间信息转换为简单的图形信息，以方便读者快速找到所需图书。因为每个书架上至少安装1根天线，所以通过对目标图书的坐标与3根信号最强天线的坐标的比较，可以推断出3根信号最强的天线中哪个与图书的位置比较靠近。又由于3根天线的书架号是已知的，图书的空间信息也已确定，因而通过天线基本可以推断出图书的书架号，再通过这个书架的位置、长度等信息进一步细化图书的大概位置，最后将确定的位置以图形化的形式标示出来（见图3）。图3是个简易图，在实际运用中图书馆可以根据需要美化图片。

当图书定位系统分析出图书位置信息后，通过网络反馈给手机，读者通过手机的即时查询即可获得所需图书的位置。

4 结 语

手机的普遍使用为通过手机网络查找、定位图书创造了非常便利的条件。本文结合RFID技术，提出了优先局部搜索定位方法来快速定位RFID图书。通过保存在图书定位系统中的书架信息并参考以前查找到该图书的历史架位信息来缩小查找范围，进而精确定位。在实际的图书定位过程中，因为信号在墙壁或书架的折射或衰落，会造成延迟时间有误差，从而影响到定位的精度，因此，本文选择3根信号强度最佳的天线进行定位以提高精度。

[1]王小辉,汪云甲,张 伟.基于RFID的室内定位技术评述[J].传感器与微系统,2009(2): 1-3.

[2]朱 娟,周尚伟,马启平.基于RFID 的室内定位算法[J].微计算机信息,2009(23):160-162.

[3]Pahlavan K,Li Xinrong. Indoor Geolocation Science and Technology[J].IEEE Communications Magazine,2002(2):112 -118.

[4]Jaegeol Y. Introducing a Decision Tree-based Indoor Positioning Technique [J].Expert Systems with Applications, 2008(2):1296-1302.

[5]袁正午,褚静静.移动终端定位技术发展现状与趋势[J].计算机应用研究,2007(11):1-6.

[6]杨天池,金 梁,程 娟.一种基于TOA 定位的CHAN改进算法[J].电子学报,2009(4): 819-822.