本文摘要：摘要：為了有效解決各大圖書館管理過程中存在的圖書亂架嚴重、圖書位置不準確、查找圖書困難等問題，設計一種基于超高頻射頻識別技術的智能書架圖書管理系統。對信號強度值進行高斯濾波處理，改進LANDMARC室內定位算法，采用閱讀器驅動和管理員驅動兩種定位策略相結合
摘要：為了有效解決各大圖書館管理過程中存在的圖書亂架嚴重、圖書位置不準確、查找圖書困難等問題，設計一種基于超高頻射頻識別技術的智能書架圖書管理系統。對信號強度值進行高斯濾波處理，改進LANDMARC室內定位算法，采用閱讀器驅動和管理員驅動兩種定位策略相結合的方式，實現了圖書的實時精確定位。在LabVIEW環境下設計了上位機管理系統，利用MySQL數據庫建立數據表，對用戶和圖書信息進行聯合管理，實現了用戶管理、圖書檢索、圖書定位、錯架整理等功能。系統測試表明，智能書架可以準確定位在架圖書，并生成錯架圖書列表，為管理員的盤點工作提供了方便。與手持式和推車式盤點設備相比，該系統大大提高了圖書盤點效率，實現了無人參與式管理模式，并及時更新錯架圖書的館藏位置，有效提升了圖書館服務水平。
關鍵詞：智能書架;RFID技術;圖書定位;高斯濾波;數據表;錯架整理
0引言
近年來我國各大圖書館都在引進RFID技術，改變了圖書的流通模式，實現了圖書的智能分揀、自助借還、圖書防盜、圖書館門禁等全方位的無人式管理模式[1⁃2]。但是隨著圖書館全方位開架借閱模式的轉變，讀者在翻閱圖書時可能會將圖書放在其他架層，導致圖書位置發生變化，造成了其他讀者查找圖書困難;其次這種亂架現象也給圖書館工作人員在圖書盤點和亂架整理過程中增加了工作量。傳統的圖書盤點方式往往使用手持式或推車式設備近距離掃描在架圖書，工作量繁重，不能及時發現圖書位置發生變化[3⁃5]。
為了能夠使當前圖書管理系統中存在的諸多問題得到有效解決，本文提出一種基于UHFRFID技術的智能書架管理系統，通過UHFRFID閱讀器將所有粘貼有電子標簽的在架圖書進行批量掃描，利用基于RSSI的室內定位算法通過上位機編程對圖書進行定位，讀者在檢索圖書時獲得圖書的實時準確位置;其次該系統可以高效地完成錯架圖書的整理，大幅度簡化圖書盤點流程，提高圖書管理工作效率。
1智能書架工作原理及系統組成
1.1智能書架工作原理
智能書架系統由閱讀器、天線群、電子標簽和上位機程序組成[6]。為了保證閱讀器能夠識別到所有圖書，書架每層兩側均安裝UHFRFID天線，各天線輪詢工作。系統共包含兩類電子標簽：參考標簽和圖書標簽。參考標簽的設置是為了實現圖書的定位。將各書架的每一層定義為一個定位單元，參考標簽設置在定位單元的兩側，與天線平行，同層相鄰的定位單元共用參考標簽。圖書標簽用于標識每一本圖書的信息。標簽EPC碼由24位十六進制數組成，本文自定義了標簽編碼結構。
首位標志位用于區別兩類標簽，首位為1代表圖書標簽，為0代表參考標簽。13位圖書編號作為圖書的唯一ID，根據編號在數據庫內查詢對應圖書的ISBN號、圖書名稱、索引號、作者、出版社等信息。位置信息采用“樓層號+圖書分類號+書架號+層號+單元號”的編碼格式，將圖書位置定義在最小定位單元內。為了降低建設成本，減少閱讀器的數量，本系統選用16通道閱讀器，一臺閱讀器可以控制16路射頻天線，形成了一個多天線定位系統[7]，利用分時處理機制控制各天線的工作狀態，同時讀取區域內的全部圖書標簽。上位機對閱讀器接收到的標簽信息進行數據過濾和算法運算，滿足用戶在人機交互界面的操作需求。圖書信息和用戶信息存儲在數據庫服務器中，上位機對數據庫信息進行寫入和讀取，實現雙向數據傳輸。
1.2智能書架硬件組成
1)閱讀器。閱讀器是智能書架的核心設備，負責圖書標簽的讀寫和數據傳輸。系統選用捷通科技的JT⁃9016十六通道讀寫模塊所示。該模塊采用ATMEL推出的AT91SAM7S256為主控芯片，射頻處理選用ImpinjR2000為核心，工作頻段為902～928MHz，通過對射頻芯片指定寄存器的訪問實現芯片的初始化、讀寫操作、獲取標簽反饋數據等操作。該模塊設計了二級功率放大電路，通過軟件發送指定指令，實現0~33dBm功率可調。另外，該模塊包含16個SMA射頻接口，可連接16路射頻天線，各天線獨立工作，在demo軟件可以設置天線的工作時間、工作狀態、功率大小等。
2)RFID電子標簽。本文選用Alien公司的Higgs⁃3系列電子標簽，所示。該標簽支持ISO18000⁃6C和EPCGEN2協議[8]，以及EPC容量擴展，數據讀寫次數可達100000次，具有良好的綜合性能。
3)RFID天線。為了將天線讀取范圍限定在所在層空間內，系統采用RFID限定空間方案，在書架的層兩側設置所示的定向陶瓷天線。其優點是通信距離遠、覆蓋范圍小、射頻信號只能向前傳遞、讀取指定層的圖書標簽、可以有效解決書架上下層之間的誤讀問題。
2圖書定位實現原理及算法改進
本文選用的16通道閱讀器在連續尋卡過程中，天線識別到標簽時返回的標簽信息中包含天線通道號，智能書架系統中天線設置在每一層書架兩側，因此在系統響應定位驅動后，對閱讀器接收到的數據進行解碼，首先可以確定圖書所在的書架層號。其次，為了將圖書位置精確到書架的最小定位單元內，系統引入了參考標簽，采用基于RSSI值的LANDMARC定位算法對圖書進行定位[9⁃10]。
在圖書館定位環境中，頻繁的人員流動、周圍障礙物等造成的信號傳播多徑效應對信號強度的干擾較大，最終導致定位精度出現偏差[11]。因此，本文在LANDMARC算法的基礎上，采用高斯濾波法對讀取到的RSSI值進行預處理，這種濾波方式計算簡單，對定位速度影響較小。
3系統軟件設計
上位機軟件采用LabVIEW開發系統進行設計。LabVIEW是美國國家儀器公司研制開發的一種程序開發環境，采用圖形化的程序語言編寫程序，功能十分強大。智能書架系統上位機程序主要包括前面板程序、串口通信、圖書定位實現和數據庫設計等。前面板也是該系統的人機交互界面，前面板功能包括用戶登錄、新書上架、圖書檢索、亂架管理等功能。
3.1圖書定位的實現
系統采用閱讀器驅動定位和管理員驅動定位結合的方式對圖書進行定位[13]。閱讀器驅動定位是指在程序上對閱讀器設定工作周期，天線定時讀取標簽信息，其優點在于整個過程不需要人為參與，適用于在圖書館開放期間實時監測圖書的位置變化，但是射頻信號容易受人體移動、遮擋物以及可見光等環境因素的影響，定位精度有一定偏差。管理員驅動定位是指在上位機對閱讀器發送指定定位區域的讀標簽指令，這種驅動方式應用在圖書館閉館期間，可以有效減少周圍環境對射頻信號造成的干擾，測算誤差較小，定位精度較高。兩種驅動方式相互結合，形成優勢互補，前者側重于為讀者及時更新圖書的位置信息，后者在定位工作完成之后即時生成錯架圖書列表，從而簡化圖書盤點流程。
3.2數據庫設計
本文針對智能書架管理系統的需求，采用SQLServer數據庫建立3個數據表，分別滿足不同的功能需求。User表用于存儲系統的用戶名、密碼和權限信息;Book_Search表是用戶檢索圖書的數據源，程序中寫入SQL模糊查詢語句，在上位機選擇不同的檢索途徑，輸入關鍵詞即可檢索到包含該字段的所有相關圖書信息;Book_Location表用于存儲圖書上架時的初始位置信息。每一個圖書標簽均綁定了唯一的EPC碼，同一EPC碼下，利用SQL關聯操作語句得到錯架圖書列表，工作人員利用圖書列表實現對亂架圖書的整理。
4系統測試與分析
為了驗證本文設計的智能書架管理系統的可行性和實用性，通過實驗對系統各功能進行測試。測試結果表明，用戶登錄系統之后支持修改密碼，管理用戶可以增加、刪除、修改用戶信息，用戶忘記密碼時以郵箱驗證的方式重置密碼。此外，系統可以對圖書標簽寫入EPC碼，完成圖書上架。檢索圖書時自主選擇檢索途徑，輸入關鍵詞即可檢索到全部相關書目。
亂架管理模塊驅動系統硬件實現圖書定位功能，生成錯架圖書列表。亂架管理是智能書架管理系統的主要功能之一。以亂架管理界面為例。管理用戶登錄系統之后，點擊左側菜單欄中的“亂架管理”，設置正確的串口參數，點擊“打開串口”與閱讀器通信。可以在圖書類別、樓層和書架號之間按照“AND、OR、NOT”的關系選擇指定的定位區域，執行“圖書定位”功能，按照選定定位區域，閱讀器驅動對應的天線掃描圖書標簽和參考標簽，上位機程序對標簽信息進行處理，等待數秒之后系統提示定位完成，點擊“錯架整理”，生成錯架圖書列表。
5結語
針對傳統圖書館中圖書亂架嚴重、錯架整理難度大等問題，本文提出一種基于LabVIEW的超高頻智能書架管理系統。硬件方面以16通道UHFRFID閱讀器為核心，選用2dBi的定向陶瓷天線和Alien公司的Higgs⁃3系列電子標簽。軟件方面采用MySQL數據庫存儲數據，在LabVIEW環境下開發了上位機平臺，采用兩種定位驅動策略，對標簽信號強度值進行高斯濾波，基于RSSI改進定位算法實現了圖書位置的精確定位，此外系統還具有新書上架、圖書檢索和用戶管理等功能。測試結果表明，與傳統的手持式和推車式盤點設備相比，智能書架系統可以有效解決圖書亂架帶來的各種難題，實現圖書盤點的自動化和智能化，有助于提高圖書管理的工作效率，提升圖書館的整體服務水平。
參考文獻
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[6]戴瑩.RFID與WSN融合網絡下的智慧圖書館構建研究[J].大學圖書情報學刊，2019，37(1)：109⁃113.
作者：劉儒平，喬記平，劉龍波
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