基于超高频RFID的智慧图书馆的研究与实践

　　1 引言

　　随着信息技术的发展，RFID技术已经在各行各业广泛应用。在图书馆的发展中，让管理员和读者都能轻松享受技术带来的便捷始终是图书馆行业的追求，传统上图书管理系统多采用“条形码+磁条”相结合的技术来管理书刊，以安全磁条作为图书的安全保证，以条形码作为图书的身份标识。然而条形码技术固有的缺陷使得图书管理不方便且容易出错，为防止条形码的损毁，条形码一般都被粘贴在图书的内部，并且每个条形码需要单独扫描。因此，在图书的盘点、定位、排架及借还时，必须打开每本书来进行扫描条形码的工作，这样就使得图书管理变得繁琐从而大大降低了工作效率。RFID技术的出现给图书馆的图书管理和人员管理带来了智能化服务的契机，本文即是利用超高频RFID技术来研究和实践具有一定智能服务的智慧图书馆。

　　2 超高频RFID智慧图书馆需求分析及技术思路

　　2.1 图书馆应用RFID技术的现状

　　RFID在图书馆的应用有十几年的时间了，很多学者和图书馆工作人员从各个角度研究和实践了RFID在图书馆的应用。在CNKI以“图书馆 RFID”检索题名，得到相关文献近900篇，可见图书馆应用RFID的话题还是非常热门和引人注意的。在全球范围内，目前已经有5000多所图书馆使用RFID技术，并且每年的速率呈现激增趋势，RFID在国内外图书馆已有很多成功应用的案例。而到2015年底，全国已有近500家图书馆在实施或测试RFID技术，RFID技术在图书馆中的应用发展十分迅猛[1]。

　　宁璐[2]介绍RFID技术在图书馆应用实施方案，为其在高校图书馆的推广和应用提供借鉴和参考。陈嘉懿等人[3]阐述高频及超高频标签的不同特点及各自的特性，剖析RFID的频率选择，指出目前国内图书馆在RFID应用中存在的一些问题与不足之处，并提出一些建议。吴一平[4]构建了南开大学图书馆RFID系统的规划，包括功能规划以及网络拓扑结构设计。欧朝静[5]根据新/老图书馆的RFID管理系统和非RFID管理系统同时并存的现状，新/老馆混合大流通的管理模式的要求，同时考虑减少成本开支和开发复杂度，设计了符合实际需要的RFID图书馆智能管理系统的技术方案。刘绍荣等人[6]对国内外图书馆实施RFID技术情况的调研，指出使用中存在的问题，提出解决问题的建议，为关注者和准备实施RFID的图书馆提供参考。陈嘉懿[7]等人以高校图书馆的实际应用与需求作为切入点，提出了适用于高校图书馆的UHF-RFID数据模型建设方案。舒远仲等人[8]对基于RFID技术的图书馆智能书架系统进行了研究和设计，改进了智能书架的定位方法，对图书的定位原理和定位算法流程进行了研究，设计了智能书架结构，建立了图书馆智能书架架位标识体系。杨明华等人[9]对RFID在图书馆中应用时必须决策的几个问题：RFID 频率选择、RFID技术的相关标准及图书馆应用中的数据模型、馆藏图书定位排架方案等进行了分析和研究。

　　从相关文献分析，结合各使用RFID的图书馆的技术文档和公告等资料中，可以看出，目前RFID相关的研究和应用涉及以下几个方面：1)RFID在图书馆应用的理论研究、可行性分析。2)高频和超高频RFID的区分、标准制定等方面。3)RFID在图书馆某个方面的应用实践。4)RFID在图书馆的实践总结和经验总结等。5)RFID自身的技术研究。6)有关RFID综述类文献。

　　2.2 目前图书馆应用RFID技术存在的不足

　　RFID虽然在很多图书馆得到了应用，但是在研究和应用上都有不足之处：1)RFID的标准还不统一，国内很多技术受制于国外。2)RFID自身传输数据的安全性研究不足，这方面的突破技术还比较少。3)RFID在图书馆应用的研究多为模式、实现方式等理论性探讨。4)RFID在图书馆的应用多为局部应用，没有一个整体实现智慧图书馆的模式和实践。5)RFID在图书馆的应用受制于RFID厂商的实现模式，对图书馆的个性化需求考虑不足。6)在图书馆应用RFID的实践中，出现了很多问题，比如对多本图书的漏读、误读，图书不能精细定位，图书的盘点没有减少工作人员的劳动强度。

　　3 超高频RFID智慧图书馆实现思路

　　RFID射频识别技术的出现，有效解决了条码管理图书的不足，RFID被认为是近30年来十大最具生命力的技术之一。RFID适用于图书馆的核心特点[10]：1)非接触阅读：RFID标签可以透过非金属材料阅读，无需人工干预地完成识别工作，实现自动化。2)数据存储容量大：RFID标签的数据存储容量大，标签上的数据可以加密、随时更新及可读可写，特别适合于存储大量数据或物品上所需存储的数据经常改变请情况。3)读写速度快。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。4)数据安全性高。标签除了密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理，如DES、RSA、DSA、MD5等，读写器与电子标签之间也可相互认证，实现安全通信和存储。5)体积小，易封装。射频电子标签可隐藏在大多数材料或产品内，超薄及多种大小不一的外形是只能很容易的封装在产品上，使用非常方便。6)识别距离远。数据载体与读写器之间的距离可达数十米。7)无磨损，使用寿命长。设备没有直接对终端用户开放的物理接口，能更好地保证设备安全性，使用寿命长达10年以上，读写可达10万次。8)环境适应性高。RFID读写器能透过泥浆、污垢、油漆涂料、油污、木材、水泥、塑料、水和蒸汽阅读标签，这使得它成为多种恶劣环境下的理想选择，其工作温度可以介于-25~+70℃之间。

　　RFID射频技术可以用来提高图书馆的信息化程度，实现图书自动盘点、图书自助借还、图书区域定位、图书自动分拣等功能成为图书馆及读者普遍关心的问题。

　　图书馆技术部门联合陈立军教授团队共同建设超高频RFID智慧图书馆，主要依据的是陈立军申请的几个专利，最主要的几个是：《一种基于RFID技术的龙门式自动扫描识别装置》[11]、《一种基于超高频技术的图书馆典藏方法》[12] 、《一种超高频推车式图书智能上架盘点设备》[13]。利用对超高频RFID深入的研究，设计和制作智慧图书馆的功能和个性化服务，主要实现了图书自助借还、图书智能上架、图书智能盘点、图书信息管理等功能，同时完成了相关硬件系统的样机研制，包括标签转换装置、馆员工作站、室内自助借还机、RFID手持盘点系统、智能盘点推车系统、安全门禁系统等。

　　4 基于超高频RFID智慧图书馆的实现

　　4.1 前期准备

　　南京大学仙林校区图书馆占地面积比较大，一下子全部铺开实行RFID的成本和代价太大，所以以相对比较独立的外文阅览区为试点进行超高频RFID智慧图书馆的建设。前期主要设计RFID智慧图书馆的工作模式，工作设备的定制，盘点机器人的设计和定制等工作。

　　目前做好的有标签转换装置、馆员工作站、室内自助借还机、RFID手持盘点系统、智能盘点推车系统、安全门禁系统、体感走廊模拟区、智能发布和读卡终端等。

　　4.2 RFID智慧图书馆功能设计

　　根据图书馆传统业务(图1所示)、以及图书馆个性化服务的需求，设计基于RFID智慧图书馆的功能如图2所示。

　　图1 图书馆管理业务

　　图2 基于超高频RFID智慧图书馆基本功能

　　在这些功能中，最有特色的就是智能盘点机器人、感知走廊、个性化服务的显示终端。

　　4.3 超高频RFID智慧图书馆的各部分设计

　　本次设计，使用RFID标签实现对图书的智能管理，系统以两类用户(图书馆工作人员与读者)为基础分类两个平台如图3所示。其中图书馆RFID管理平台面向图书馆工作人员，实现标签转换、盘点、顺架、上架、倒架、剔旧、查询统计、数据维护以及RFID设备监控等日常管理工作;图书馆RFID应用平台则面向读者，实现图书自助借还、图书查询、定位、图书网上查询预约等功能。

　　图3 系统架构图

　　4.3.1 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。

　　4.3.2 图书定位

　　在南京大学杜厦图书馆试点区的书架上，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，如图4所示。图书与书架之间的强关联性天然地削弱了图书索引号之间的关系，可以按照图书的借阅热度形成一个热门借阅区。

　　图4 图书定位示意图

　　4.3.3 图书盘点

　　图书盘点是图书馆排架整理图书的重要环节。管理员可以使用智能图书盘点车或者手持终端在书架上进行扫描，扫描过程中遇到不应在本书架即错架现象时，盘点设备会自动提示该错误。帮助工作人员将图书进行正确的归架。在盘点结束后还会对图书馆的藏书情况进行统计，对遗失图书进行显示。实际应用中手持盘点仪等设备弊端很多。在南京大学杜厦图书馆中，我们采用了具有知识产权的国际首例图书馆盘点机器人，它精度高，弊端少，已经成功使用。在《基于超高频RFID的图书盘点机器人的设计和实现》[14]中有详述。

　　4.3.4 智能书架应用

　　除了在图书上架时利用盘点车或手持终端将图书与书架关联之外，我们还可以使用智能书架来实现图书的实时定位。每个智能书架中有多个RFID天线，每隔指定时间，书架上的天线都会对整个书架中的图书进行扫描，该扫描可以得到当前在书架上的图书的所有信息。如在阅读区使用，这种书架可以对不在书架上的图书进行记录，并分析出每本图书的受欢迎程度。如在整个图书馆中进行大规模的使用，图书馆可以实时的获取当前每一本图书所处的书架，实现图书的实时定位，对图书遗失的时间判断也更为精确。

　　在智能图书馆中提供基于位置的服务是非常重要的，将要上架的图书经过小推车上的RFID阅读器扫描之后，放在小推车上。然后系统会根据小推车上所有的图书所应上架的位置，寻找一个最优的上架次序，在地图上画出一条最优路径，显示在显示器上。管理员推着小推车沿着地图上指示的路径行走，在行走的过程中，利用小推车上的RFID阅读器以及书架上粘贴的RFID标签，可以实时地对小推车进行定位并显示在地图上。部署在书架上的锚标签一般都分布得比较稀疏，阅读器每次读到的标签个数会比较少。需要研究在每次读到的锚标签数目较少的情况下，如何对阅读器进行精确地定位。

　　4.3.5 读者自助查询终端

　　这个部分是实验和测试阶段，目的是给每个读者分配一个RFID标签，和读者信息关联，读者在阅读器前刷一下借书证或一卡通，屏幕上即可显示“我的图书馆”基本信息，还提供预约、续借等基本功能。这比上图书馆主页，登录我的图书馆模块要方便和快捷，当然这只限于在馆内的读者。

　　台湾淡江大学图书馆引进了RFID智慧自助预约取书系统，只要用学生证感应，就会显示书的所在位置，可以轻松取书。读者在预约书区可随意浏览架上图书，也可利用查询机找书与办理预约，智慧书架可接收读者传送的预约书信息，以不同颜色灯号显示并提示读者预约书所在的架位，而读者自书架上取书后，仅有预约者本人可将书借出，以免影响预约者权益[15]。这个功能在接下来的建设中会学习和跟进。

　　4.3.6 感知走廊

　　这个想法是受台湾大学图书馆RFID应用中体感走廊的启发，体感走廊是当读者走过一个通向图书馆的通道时，设置在通道两旁的RFID阅读器读取读者证上的RFID标签，在屏幕上或电子墙体上显示读者和图书馆之间的交互信息：比如超期提醒、预约到书、书目推荐等应用，利用数据挖掘技术给读者推荐图书馆新进的图书期刊或电子资源。在本次实践中，限于条件只能用两个屏幕相对，模拟这个应用。在以后有条件的情况下，再着重建设这个部分。

　　4.3.7 RFID安全考虑

　　图书馆采用超高频RFID技术，RFID标签片上资源有限，未授权或者非法阅读器会对图书标签进行识别和篡改，给图书馆带来安全问题。为了系统的安全性，首先设计轻量级安全加密算法，防止标签信息篡改，保护读者的隐私，降低图书馆的安全风险;然后利用手机或其他移动终端作为干扰器，识别并干扰非法阅读器，从而实现反跟踪的目标。

　　4.3.8 安全门禁的应用

　　现有门禁系统，通过设立门禁闸机来防盗检测逐个通过闸机的借阅人员，效率低下。因此，设计更加人性化的开放式门禁系统。主要分为三个步骤：1、实现射频信号的栅栏覆盖，从而实现隐蔽、无形和开放的门禁;2、精确定位，辨别在图书馆出口处，每个读者的位置;3、对读者借阅行为进行识别，区分读者的进入、离开与徘徊，从而只对离开读者进行防盗检测。为了降低安全门禁的漏读率，对门禁天线的数量和排列进行优化，并对阅读器的发射功率进行调整，获取最优的读取效果。

　　4.4 系统实现效果

　　本次的超高频RFID智慧图书馆建设，以南京大学杜厦图书馆外文阅览区为试点进行了实践。这个区相对独立，能够进行完整的试验。目前正在逐步将9万册外文图书全部替换为RFID标签。馆员工作站、读者终端、安全门禁、自助借还设备、标签转换设备、自动盘点机器人等已经上线。测试的过程中，得出一些应用效果：1)应用RFID自动辨识馆藏管理系统，以RFID卷标取代条形码及词条，把数据读取与防盗功能结合在一起，借还书可免除消磁与充磁的工作，简化借还书作业。2)RFID卷标依靠无线电波传递信号，不需要将书本从书架上取下，而且可一次读取数个RFID卷标数据，进而简化盘点工作，加速盘点作业。3)利用RFID标签的无线电波感应，让图书协助寻找工作变得较为容易、快速，可以轻易搜寻出不在架上或归错架位的图书。4)使用自助借还书机，读者可自行办理图书借阅与归还，节省排队等候的时间。此外自助借还书机还可节省人力管理的成本，延长图书馆开放时间，方便读者借阅书籍。5)提高了图书馆人性化服务水平。降低了图书馆管理人员的劳动强度。6)第二代自动盘点机器人能将工作人员从繁重的盘点工作中解放出来。

　　5 结语

　　应用RFID技术的图书馆越来越多，不管是选择高频RFID还是超高频RFID技术，这些图书馆在应用RFID构建智慧图书馆的过程中都出现了各种不足或者说是弊端。南京大学图书馆联合计算机科学系陈力军教授团队，依托他们研究团队对超高频RFID十多年的研究和专利技术，对应用RFID的图书馆进行统计和分析，找出这些馆应用RFID的不足之处，进行了研究，解决了绝大部分存在的问题。南京大学图书馆应用超高频RFID技术构建智慧图书馆，取得了一定的实践效果和社会效应，以期给同行的建设提供借鉴。