基于RFID 的智慧图书馆建设与应用

文／罗焕军 胡磊 孙旭

智慧图书馆建设是智慧校园建设的重要内容之一。一直以来，图书馆管理主要存在图书获取困难、乱架图书管理繁杂和图书盘点低效等问题。首先，读者在寻找所需图书时往往面临书架上图书错乱的情况，虽然可以查询到图书的位置，但实际找到图书却十分费劲。其次，开架模式使得读者可以自由摆放图书，这导致图书管理员需要耗费大量精力来整理书架，犹如大海捞针一般费时费力。最后，传统的图书盘点方式采用扫描图书条码的方法，虽然能确认图书的实际存在，但工作量庞大且效率低下。馆藏书目数量与实际库存之间存在较大差异。

为了解决这些问题，有必要寻求更有效的图书管理和盘点方法，以提高图书馆的服务质量和读者满意度。本文认为，利用RFID 系统在书架间布设RFID 阅读器，开发出更多的实际应用，使读者有更好的借阅体验，图书管理员管理图书更加简单快捷，成为构建智慧图书馆的关键一环。

RFID 技术

RFID(radio frequency identification）射频识别，又称无线射频识别，是一种通信技术，无需接触即可通过无线电讯号识别特定目标并获取相关数据。

一个完整的RFID 系统，通常包括RFID 标签，RFID 阅读器和天线。RFID 标签由集成电路和芯片组成，用来存储信息并且每个标签都具有唯一性。

RFID 系统工作的原理是：RFID 阅读器首先通过天线发射无线电讯号，RFID 标签如果在RFID 阅读器的范围内，则在RFID 标签内会产生感应电流，凭借感应电流能量RFID 标签会将自身信息发送出去，这时RFID 阅读器会接收RFID 标签发过来的信息并进行解调解码，最后把信息传输给计算机的信息处理系统。RFID 系统工作原理如图1 所示。

图1 RFID 系统工作原理

智慧图书馆技术基础

RFID 定位技术是智慧图书馆的技术基础。由RFID 系统工作原理可知，RFID 阅读器和RFID 标签之间会进行无线通信。利用无线电的传播时间、方向、强度等，可对RFID 标签进行定位。

LANDMARC 定位算法。LANDMARC 定位的原理是通过RFID 参考标签来定位的，比较RFID 阅读器接收到RFID 参考标签和需要定位的RFID 标签的信号强度，信号强度相近说明需要定位的标签和参考标签距离近。选几个距离待定位标签近的参考标签，然后根据参考标签的位置及权重计算出待定位标签的位置。

VIRE 定位算法。VIRE 定位是在LANDMARC 的基础上，增加一些虚拟标签，这些虚拟标签的信号强度介于定位场景已经知道的值，用这些虚拟标签构建类似一个网格状的平面。然后利用公式计算得出待定位RFID 标签的位置。

三维VLM 定位算法。在RFID 标签三维定位中，本文选择定位精度高、建设成本低的VLM（Virtual LandMarks）算法，VLM 算法是在LANDMARC 和VIRE 这两种算法的基础上，在三维空间中按一定距离布设RFID 阅读器，在RFID 阅读器之间设立虚拟标签，然后通过RFID 阅读器和虚拟标签的约束性和排他性进行处理，得到符合条件的虚拟标签集合，根据该虚拟标签集合确定需要定位RFID 标签的位置。

VLM 算法中，每个RFID 阅读器工作的范围是一个球状。当RFID 阅读器能够读取需要定位的RFID 标签的信号，说明待定位RFID 标签在这个球内，反之，RFID 标签就不在这个RFID 阅读器的球内。当有多个RFID 阅读器都能读到需要定位的RFID标签信号时，必然有一个交集，通过处于交集中虚拟标签的坐标位置，计算出需要定位的RFID 标签的位置。

在计算待定位的RFID 标签的位置时，先要做到每个待定位标签都能被至少一个RFID 阅读器读取到，设计好每一个虚拟标签的三维坐标位置。假设所有能读到待定位标签的RFID 阅读器的集合为Qyes（T），不能读到待定位标签的RFID 阅读器的集合为Qno（T），T 为待定位标签。设能让阅读器集合Qyes（T）读取到的所有虚拟标签集合为Vyes（T），能让阅读器集合Qno（T）读取到的所有虚拟标签集合为Vno（T）。

让Vno（T）的补集和Vyes（T）做相交运算，即可确定这部分虚拟标签集合Q（T），既能让读取待定位的T 标签的RFID阅读器也读取，又让读取不了待定位的T 标签的RFID 阅读器也读取不了。参考标签范围越限越小，T 标签的定位精度就越来越高。

T 标签的位置就是虚拟标签集合Q（T）的坐标平均值。即公式（1）。

其中n 为虚拟标签的数量。

技术可行性分析

RFID 系统中用于图书馆中RFID 标签和RFID 阅读器都是已经非常成熟的技术，使用广泛。本文智慧图书馆建设应用的关键就在于三维定位技术，利用Matlab 软件可以模拟仿真图书三维定位技术是否可行。为此用Matlab 建立一个宽10 米，长50 米，高3 米的三维仿真模型来验证VLM 算法。设置每个RFID 阅读器接收信号半径是5 米，在地板和天花板布设3*15 个RFID 阅读器，假设RSSI 值能从环境精确测出，每2 米设置一个虚拟标签，随机放置6 个待定位RFID 标签在模型中。利用VLM 算法中三维定位公式（1）。

计算出各个待定位RFID 标签的三维位置和实际位置后，统计定位误差如图2 所示。从仿真结果来看，由于4 号标签更靠近区域边上，所以误差有点大，中心区域误差小些，可以适当增加RFID 虚拟标签和RFID 阅读器，提高定位精度。对于一般书架间隔0.8 米左右的图书馆来说，引入VLM 算法能有效地定位有RFID 标签的图书，可以满足图书三维精确定位的要求。

图2 RFID 标签定位误差

智慧图书馆建设与应用理论

从上可知，可以利用RFID 标签和RFID 阅读器之间无线通信的特点，在图书馆按照一定间隔距离布设RFID 阅读器，每个阅读器的读取范围都是一个球形区域，多个阅读器读取范围必然有交集。通过采用虚拟标签的VLM（Virtual LandMarks）算法，能计算出RFID 标签所处的三维位置，从而实现贴有RFID 标签图书的三维定位。

当读者检索图书后，点击需要定位的图书，系统会根据读到该书RFID 标签的多个RFID 阅读器和虚拟标签，计算出RFID标签所处的三维位置，然后翻译成以“楼层+书架号+A/B 面+列数+层数”这样的位置编码和三维地图。读者根据三维地图的指示，方便快捷地直接去找书，可以很好地解决找书难这个问题。

从上可知，我们可以计算出每册图书的三维位置，然后翻译成以“楼层+书架号+A/B 面+列数+层数”这样的位置编码。再根据图书都是按《中国图书分类法》分类图书，索书号线性排列图书，索书号相邻图书位置也应该相邻。比对图书索书号和该书的三维位置。如果相邻索书号图书的定位不相邻，则该图书乱架。汇总所有乱架图书书名和三维位置以供图书管理员处理，从而解决图书乱架管理难的问题。

从上可知，我们可以计算出每册图书的三维位置。如果图书没有三维位置，甚至没有读取到图书中RFID 标签信号则判定该图书实物不存在，智慧图书馆系统自动比对馆藏图书信息，无需人工参与，系统会自动完成盘点。盘点完成后汇总盘点数据以供图书管理员处理，从而解决图书馆盘点图书难的问题。

智慧图书馆功能设计

图书查询三维定位功能设计。当读者需要借阅图书时，首先要在图书馆馆藏图书查询界面输入查询条件，如果查询到图书信息，则可以对贴有RFID标签的图书进行三维定位，方便读者找书。

乱架图书管理功能设计。当图书管理员处理乱架图书时，图书管理员要在管理员登录界面输入用户名和密码，系统核对正确才能登录成功。然后在乱架图书管理界面，通过图书三维定位系统，找出乱架图书。

图书盘点功能设计。当图书管理员盘点图书时，图书管理员要在管理员登录界面输入用户名和密码，系统核对正确才能登录成功。然后在图书盘点界面，通过图书三维定位系统，盘点实物图书。

本文利用现有的RFID 图书管理系统，只增加一部分RFID阅读器，大量采用虚拟RFID 标签替代参考标签，进一步降低智慧图书馆建设费用。一次性投入，长期使用，平摊到使用年限。相对读者找书成本和图书管理员管理图书成本来说，智慧图书馆能带来不错的效益。