发布时间：2023-10-07
RFID技术，是支持万物互联的物联网能够快速普及的支撑技术。RFID标签，通过存放被标识物体的信息，在各种物联网应用中实现了物与物的信息交流，是物联网中主要的信息获取方式。近年来，随着物联网技术的社会接受度越来越高，以RFID为代表的智能系统已经在零售，物流，制造，医疗，安防，汽车，航空，军事等诸多领域广泛应用，为提升人们的生活便利，实现智慧物联起到了关键作用。本文主要探讨RFID在智慧图书馆中的应用，为实现图书馆的智能化提供了一条切实可行的技术路径。
图书馆是收集了海量的图书资源供读者借阅的公共文化机构，担负了知识传播和文化传承的重要职责。截至2021年底，全国公共图书馆总藏量为126178万册(件)，全国公共图书馆总流通人次74614万；书刊外借册次58730万。对于如此海量的图书资源，传统图书馆使用索书号来对图书进行分类管理，这样根据自己要寻找的图书类别，去对应类别的图书书架寻找。虽然图书馆员已经将图书按照索书号顺序进行摆放，但是频繁地图书取阅与上架会造成图书的错架问题 ： 即读者在图书馆系统中能查询到图书在架，但是在索书号排序的地方却无法找到图书。国内外图书错架率都超过了5%，巨大的馆藏总量，使得大量的书籍因为错架等同于丢失，如果仅依靠传统图书馆条形码技术的情况下，图书馆需要消耗大量人力物力才能对全馆图书进行一次完整盘点，这对于图书馆的资源利用造成了极大的阻碍。因此，图书定位的实现是非常重要的，它不仅是解决图书错架问题、提高图书馆服务质量的关键，而且为实现未来机器人自动取书铺平了道路。
近年来，随着RFID的普及，图书馆越来越多地使用RFID技术进行图书盘点和管理。RFID使用射频作为通信媒介来进行数据访问实现双向通信，不需要进行机械和光学上的接触，所以它是一种非接触或者非视距范围的识别技术，拥有十分广阔的应用前景。现在大多数公共图书馆和高校图书馆都在打造新一代智慧图书馆 ，RFID技术已经提升了许多图书馆的智能水平，目前的主要应用主要有：
1.自动识别功能。RFID标签具有唯一标识的电子产品EPC/UID代码，在阅读器查询时，会返回自己的EPC/UID代码来识别。RFID标签相较于条形码而言，一次读取可识别大量RFID标签，极大地提高了识别速度。RFID标签与条形码之间的比较如图1所示。
图1：RFID标签与条形码的特性比较
摘自边星宇的“基于RFID移动扫描的细粒度图书定位”
2.防盗功能。现在很多传统图书馆一般采用条形码和磁条进行图书管理。条形码用来识别图书，而磁条则担负着防盗功能。RFID标签不仅具有自动识别功能，还具备天然的防盗功能。一种简单的防盗实现是图书馆通过对RFID标签内EPC指定一位作为图书的借出标志位，当图书借出时，改变其状态。这样在图书馆门口，我们可以通过检测RFID标签内EPC中借出标志位的状态来实现防盗功能。
3.自助借还。对于传统图书馆的条码技术而言，自助借还也可以实现。但是RFID智慧图书馆的自助借还服务借助了RFID技术的两个特性，大大提升了便利程度。一是非视距识别。传统自助借还需要用户翻开图书找到图书的条形码，并且使得其正对条码扫描装置，而RFID自助借还则完全不需要做额外操作，只需放在借还机器上即可完成借还操作。二是读写速率快。传统自助借还需要一本本操作借还书步骤，而RFID自助借还机则可以实现批量借还。
4.自动分拣。通过RFID的非视距识别的特性，还可以实现图书的自动分拣系统。图书馆通过还书箱、馆员工作站等收集需要重新上架的图书，然后依靠自动分拣系统来分辨一本书是哪一个楼层哪一个区域，分拣完成后再去该区域进行上架。这样很大程度上提高了图书的上架效率和减少了上架时间，降低了读者需要的图书在上架流程中的可能性。
5.图书定位。RFID技术除了提高了图书馆图书管理的效率之外，还可以用于图书定位。一般来说，我们有下面3种方法来实现用RFID对图书的定位：
1).手持阅读器盘点定位。该方法需要图书馆馆员手持RFID阅读器对图书馆书架进行一架一架扫描，每扫描一架，需要扫描层架标标签将图书和层架标进行绑定来进行定位。该方法对馆员的要求较高，需要馆员将阅读器尽可能的贴近书架，且扫完还需要确认是否扫描完全，过程繁琐，消耗人力巨大，而且是十分费时的。手持阅读器的示意图如图2所示。
图2：手持RFID阅读器
摘自边星宇的“基于RFID移动扫描的细粒度图书定位”
2).智能书架。智能书架一般是通过将普通书架改造区放置很多阅读器天线来实现的。对于每一个天线来说，只能读到部分图书，那么通过天线的位置，我们就可以确定图书位置。智能书架虽然实现了图书定位的自动化，但是其缺点也是显而易见的。智能书架需要对现有的图书馆书架进行大幅度的改造来部署大量的RFID阅读器和天线，这需要高成本的基础设施和复杂的系统部署，这使得智能RFID书架想要大规模商业应用变得困难。智能书架的示意图如图3所示。
图3：手持RFID阅读器
摘自边星宇的“基于RFID移动扫描的细粒度图书定位”
3).智能盘点机器人定位。手持阅读器和智能书架一般都是用高频的RFID，而智能盘点机器人既有高频也有超高频。目前超高频图书定位是一个趋势，原因是超高频相较于高频在门禁防盗、图书借还等方面具有明显优势。超高频智能盘点机器人由于超高频RFID的读写距离较大（可达10米），所以图书定位需要复杂算法支持。智能盘点机器人通过结合RFID技术和智能机器人技术，使用机器人来代替馆员，既减少了人力劳动，又极大地节省了时间开销，实现了图书定位的自动化。但是智能盘点机器人的部署需要大量的投资和环境改造，在大量的现存图书馆的应用中受到限制。南京大学计算机系开发的图书馆智能盘点机器人如图4所示。
图4：基于UHF RFID的图书智能盘点机器人
摘自刘建峰的“基于RFID图书盘点机器人结构设计与仿真”
在上述5个应用中， 尤其以图书定位最为困难，图书定位的主要困难在于1.图书馆环境标签数量大，噪声较多2.RFID阅读器由于接收端的热噪声始终存在，细粒度定位难度大。3.不同RFID标签带来不同的相位偏转也限制了定位精准度。4.动态背景环境容易造成干扰。但图书定位确实为提升图书馆的书籍利用率起到了关键的作用，所以RFID在图书馆图书盘点定位的应用也越来越受到重视，多种定位方法相继被提出和应用。常见的例如下面两种方法：
基于参考标签和目标标签之间的RSSI相似度来定位
通过移动天线测量目标标签的多径剖面，所谓多径剖面就是阅读器在各个角度收到标签反向散射的功率序列。并将目标标签的剖面与事先布置好的参考标签进行比较，可以得到约几十厘米到几米的定位误差。
基于相位差的方法来定位
采用不同天线的相位差来定位标签，定位误差约为几十厘米到几米。使用多个天线来收集相位值，并利用这些收集到的数据来构建差分增强全息图，来实现较为精确的定位。
上述方法的定位精度都在几十厘米到几米左右，对于图书寻找已经满足了大部分的需求，但是如果需要更加细粒度的定位，那么就需要更加复杂的算法。对于硬件系统来说，读卡器功率的精确控制是实现精确定位成功应用的关键。UHF 超高频 RFID标签是通过电磁反向散射耦合的方式获取能量和传输信息，其标签读取距离由弗林斯传输方程决定：
从方程可知，UHF标签最大可读距离R由四个因素决定： Pr为标签的接收功率（最低开启功率）； Pt为阅读器天线发射功率； Gt为阅读器
发送天线增益； Gr为标签接收天线增益； 这四个因素决定了UHF标签最大可读距离R。在标签的接受功率Pr 和标签接收天线增益Gr无法改变的情况下，就需要精准的控制读卡器发射功率Pt 和设计合适的读卡器发送天线增益Gt。读卡器天线发射功率的调节是最有效的精准调节UHF标签读取距离的手段。而其关键就在于读卡器中UHF 超高频 RFID 模组的选择，Jadak 公司的ThingMagic 品牌的UHF（超高频）模组系列，独立的读取和写入功率控制，可在 -5 dBm 至 +33 dBm (2W) 范围内以 0.5 dB 的步进进行调节。尺寸最小的Nano 模组甚至可以以步长为 0.01 dB的步进进行调节，这就为精准控制读卡器天线发射功率提供了坚实的基础，为系统的精确定位提供了可能。
最新上市的M7e模组继承了ThingMagic模组的一贯的优良特性，包括：
支持宽范围的射频传输功率（读取和写入功率可独立设置）
射频传输功率精度高（在不同的频率不同的温度情况下精度保持稳定）
射频传输功率调节步长小（可以满足精细调节）
经过优化的标签读取和写入算法，使得读写速度达到协议的最高速度；
支持全球的大部分地区的频率范围；
拥有大多数国家和地区的无线射频认证，可以协助客户获取指定地区的认证。
支持定制化标签（例如温度标签，湿度标签等）存储扩展区域的读取和写入；
不同模组使用统一的API（应用程序接口）可以大大方便客户的持续研发。
图：M7e-PICO模组
JADAK在亚太区域有当地的技术支持团队，能及时响应当地客户的需求。
欢迎光临Jadak中文官网来查询我们的最新产品和应用：
https://www.jadak.com.cn/
如有任何技术及销售问题，请与我们及时联系。
亚太区总部 (APAC)：
中国江苏苏州工业园区港田路港田工业坊8 号楼，邮编 215024
亚太区北京办事处：
北京市朝阳区光华路4号东方梅地亚C座2302室
亚太区深圳办事处：
深圳市宝安区留芳路6号庭威产业园庭威大厦3座5楼C单元
亚太区印度海得拉巴办事处
亚太区日本东京办事处
