基于RFID图书馆智能书架设计实例

　　随着图书馆向“藏借阅一体”全开架管理模式转变，原本一直困扰图书馆工作的乱架问题变得愈发严重。无论是配发书位牌、还是专设临时书架等方法，都无法很好地解决乱架问题，从而造成馆内死书不断产生，带来了文献资源的大量浪费。在RFID(Radio Frequency Identification)引入图书馆后，为解决图书乱架问题提供了一种全新的技术手段。现通行的主流方式是由管理员手持RFID读取器，沿书架依次扫描，根据报警提示，及时发现乱架图书。相比传统方法，在效率上有了极大提高，但仍需要管理员进行走动管理，逐架检查，要花费不少人力。本文基于RFID技术，构建了智能书架设计实例一则，以期实现对乱架图书的自动检查。

　　智能书架的主要设计目的是采用RFID技术，来改进图书馆现有在架、外借图书的统计工作，是以即时书库检查和乱架图书检查为主要功能的系统。它通过对书库的扫描，检查并找出乱架图书，并提供与之对应的正确架位。此外，系统还将根据图书的最新状态显示细节，即哪些在架、哪些已外借以及正在馆内使用的图书。

　　1 硬件需求

　　智能书架所应用的硬件主要包括：UHF(Ultra High Frequency)电子标签、RFID读取器以及天线。系统采用C/S架构，硬件需求以馆内现有服务器为准。

　　1.1 UHF电子标签

　　尽管绝大多数应用RFID技术的图书馆都采用了HF(High Frequency)方案，但在本案中通过对HF与UHF进行对比后(表1、表2[1])，选择了后者。

　　从以上对比可以看出，UHF相对于HF具有标签较小，读取距离远，读取速度快，适用于远场数据传输，天线尺寸合适，电磁噪声小等优点，因此本案选择的是频率为920MHz的UHF电子标签。由于实验选择用书厚度不均，仅保证每层书架存放30册图书，因此标签一律置于图书的第二页。

　　1.2 读取器及天线

　　与手持式RFID读取器不同，智能书架采用的是固定读取器，安装于书架顶部及底部。书架每层各有2根天线，分别置于两侧。具体读取器和天线的安装数量，取决于书架的层数。如果一个书架有4层，每层安装2根天线，就需要用到2个读取器和8根天线。在本案中仅设计了2层书架，只需要1个读取器和4根天线。采用成本较低的钢制天线盒，将天线盒安装于每层书架的两侧(见图1)。

　　在电源方面，通过测试最终确定最适用于读取器的功率为29.50dBm。

　　2 系统设计

　　管理员登入：在进入系统工作界面之前，设置了管理员登陆窗口，用以限制用户。有权限的管理员键入ID及相应的密码后即可登陆系统主页。

　　系统主要有两部分组成：书库检查和乱架检查部分。书库检查部分的功能是进行及时书目校对，并根据图书的状态显示在架、外借、使用中等细节。乱架检测部分被分为人工生成和自动生成两个小部分，其功能是显示所有乱架图书、乱架位置及其正确位置。其中自动检查会根据设定的检查时间，自动生成并弹出乱架图书页面，管理员需根据页面信息将乱架图书归位，否则该页面会一直停留，直至全部乱架图书归位。

　　书库检查部分，系统设有启动、暂停两个按钮，用于启动、暂停、重新启动书库检查工作进程。此处需调取馆内现有书目数据库的相关数据，用于更新已外借图书状态。当按下启动键，系统自动读取电子标签，并将读取结果与书目数据库进行比对，如数据状态发生改变，则更新数据库，如果没有改动则继续读取、比对进程直至结束。最终将书目数据按在架、已外借、使用中3个状态分别列表在页面上显示。在架表示图书可外借，已外借表示图示已被借出，使用中表示图书正在馆内使用或放于馆内某处。

　　系统还设置有启动和终止人工乱架检查和自动乱架检查的按钮，用于启动或终止人工或自动乱架检查进程。但不管哪种运行方式，最终结果均按照乱架图书、乱架位置、正确架位分类显示不同之处在于，人工操作可以在任意时间选择任意架次执行，而自动操作则是书库检查结束后，按照设定时间，每隔一定时间进行自动检查(本案设为1小时)，并弹出检查结果，直至管理员将乱架图书归位后才能再次激活书库检查系统。

　　3 数据库开发

　　本案数据库系统采用C#和SQL Sever2008开发，此处重点介绍数据库SOL Sever2008的使用。

　　首先，创建一个名为Library的数据库，在该库中初始创建了3个永久表：Librarian、Antennalocation、Book。当书架上的天线检查到某本图书，参照天线位置图，就可以知道该书在哪个书架的第几层。

　　系统运行后，会创建4个新的临时表：Reader、Inventorylatest、Misplace、Correctplace。这4个表中所记录的内容都需要及时更新，因此可以随机写入和清除。系统每运行1次，这4个表都会被重新创建1次。

　　数据库内所有图书的初始状态均被置为使用中，当图书被借出时，其状态更新为已外借，当图书通过借还书系统归还后又将恢复使用状态，当图书被置于书架上时，状态则被更新为在架。以上状态的更改变化均通过读取器读取电子标签自动完成。

　　3.1 书库检查

　　当系统启动书库检查后，读取器按照定时器设定的时间间隔，定时读取电子标签(本案设为10秒读取1次)。读取到的信息被存入数据库的Reader表中。以下是用于显示图书状态的查询语句：

　　查询语句1

　　Update Book

　　set Status=’Using’

　　from Book.Reader

　　where Reader.BookID<>Book.BookID and Book.Status<>’Borrowed’

　　该查询语句用于更新那些非已外借和使用中的图书状态，当读取器没有读取到图书的ID，并且图书的状态也不是已外借，则该书的状态被更新为使用中(Reader表中的图书ID与Book表不同，并且图书状态为非已外借)。其功能主要是清除之前读取到的状态。

　　查询语句2

　　update Book

　　set Status=’Available’

　　from Book，Reader

　　where Book.BookID=Reader.BookID

　　该查询语句用于更新可外借图书的状态为在架，当读取器读取到图书ID并且该ID存在于Book表中，该书的状态即被更新为在架(Reader表中的图书ID与Book表中的ID一致)。

　　3.2 乱架检查

　　当系统启动人工乱架检查后，系统会自行判断乱架检查进程是否是初次运行。如果是初次运行，程序将通过查询语句3，继续将书库检查中的最新数据保存至Inventorylatest表，然后执行查询语句4，将最新的数据表(Inventorylatest)与原始数据表(Book)进行比对，同时将乱架图书信息保存至Misplace表中。

　　如果曾经运行过乱架检查，系统将首先清除原有Inventorylatest、Misplace、Correctplace表中内容，然后再将书库检查中的最新数据保存至Inventorylatest表，并将最新的数据表(Inventorylatest)与原始数据表(Book)进行比对，同时将乱架图书信息保存至Misplace表中。

　　比对结束后，如果有乱架图书，程序将通过查询语句5创建Correctplace表，以获取乱架图书的正确位置。然后通过查询语句6，以乱架图书的乱架位置、正确位置为题头，显示人工乱架检查结果。如果没有乱架图书，系统将会显示没有乱架图书的检查结果。如果要终止人工乱架检查，只需要点击页面上的退出按钮即可。

　　该部分用到的查询语句：

　　查询语句3

　　select R.BookID，B.Title，A.Shelf，A.Levell into inventorylatest from Reader R，Book B，Antennalocation A where R.BookID=B.BookID and R.Antenna=A.Antenna

　　查询语句4

　　select Title，Shelf，Levell into misplace from inventorylatest WHERE NOT EXISTS (SELECT Title，Shelf，Levell FROM Book WHERE Book.BookID=inventorylatest.BookID and Book.Shelf=inventorylatest.Shelf and Book.Levell=inventorylatest.Levell)

　　查询语句5

　　select A.Title，B.Shelf，B.Levell into from misplace A，Book B where B.Title=A.Title

　　查询语句6

　　Select A.Title，A.Shelf，A.Levell，B.Shelf，B.Levell FROM misplace A LEFT JOIN correctplace B ON A.Title=B.Title

　　自动乱架检查与人工检查程序大致相同，不同之处在于需要设置一个定时器，确保自动乱架检查结果每隔一定的时间弹出1次(本案设为1小时)。此外，自动乱架检查结果页面将会保持停留状态，直至管理员将图书归位，并且点击核实按钮，系统将会再次进行乱架检查，确保是否还有乱架图书。如果没有，则关闭页面返回主页。如果有，页面将会停留，管理员此时无法进行其他操作。

　　4 系统测试

　　4.1 读取器读取能力测试

　　在本案所设的两层书架上，每层各安置30册图书，共计60册。为了验证读取器的读取能力，本案在10分钟内，每隔2分钟进行1次读取测试，一共进行了5轮测试，结果如表3。

　　由以上数据可以看出，读取器的读取能力还是非常可靠，总共25次测试当中24次成功读取全部图书，1次读取到59册图书，准确率达96%。

　　4.2 书库检查准确率测试

　　从书架上随机取出1本图书，然后启动书库检查程序，验证其准确率。测试重复进行了10次，结果如表4。表4 书库检查准确率测试

　　由以上数据可以看出，书库检查系统对于不在架图书的检测10全部成功，准确率达到100%。

　　4.3 乱架检查准确率测试

　　本案将书架分为6个分区(见图3)，每层3个分区，每个分区各放置一本乱架图书，然后分别运行人工检查和自动检查程序，测试各重复5次，结果如表5、表6。

　　由以上数据可以看出，人工检查在对6个分区的5次测试中，全部成功。自动检查在对6个分区的5次测试中，成功29次，失败1次，准确率达到97%。

　　4.4 乱架检查流程测试

　　将自动检查定时器设置为间隔1小时，然后运行自动乱架检查程序，结果如下：

　　第一次：正常运行自动乱架检查程序，1小时后，检查结果自动弹出。

　　第二次：启动人工乱架检查程序，并记录结果，1小时后，人工乱架检查结果自动关闭，自动乱架检查结果自动弹出。

　　第三次：连续点击两次书库检查按钮启动按钮，1小时后，自动乱架检查结果自动弹出，此后没有第二次弹出。

　　由以上结果可以看出，整个系统流程运行正常，没有出现意外卡死或报错。

　　5 结 语

　　以上智能书架系统设计，作为一个小型的实验模型来讲基本达到了最初的设计目的，能够实现对馆藏图书的自动检查、比对，以及对乱架图书的自动报错，这也证实了基于RFID设计智能书架是完全可行的。但本案仅仅是对局部进行了小范围实验，对于动辄数千个书架的整体馆藏规模尚没有充分的验证，因此扩大实验样本后的准确率究竟有多高，还无法做出明确的估计。而且本案在整个设计过程中对于成本问题没有过多的考虑，对于推广应用中的成本核算也没有明确的预估。从这些角度来看，本案仍有待于进一步改进提高。