現代圖書館的信息處理進程研究

周克娟

[摘 要]射頻識別（Radio Frequency Identification， RFID）設備作為歷史上最為普及的計算技術之一，以其具有成批存取、存儲海量數據的能力，支持再編輯等優勢而優于傳統的條形碼技術。RFID技術的應用有利于提高操作的精度和效率，因此成為圖書資料流通、跟蹤、盤點和安全管理的新方法。本文系統回顧了現有RFID技術的原理及其在圖書館系統中的應用，分析其歷史沿革與關鍵技術在實現圖書資料與檔案管理中的作用，并對其發展前景做出展望。

[關鍵詞]射頻識別；圖書館；信息處

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.08.084

[中圖分類號]G259.22 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2018）08-0-03

0 引 言

由于條形碼價格低廉，自動識別系統（Auto-IDsysytem）已廣泛應用于日常生活的方方面面，然而條形碼具有有限的信息存儲容量，采用IC芯片（如可以存儲和識別信息的記憶卡或智能卡等）是解決該問題的方案之一。這些種類的IC芯片必須接入電源且必須借助閱讀器才能傳輸數據，由此具有操作時間長和設備觸點問題等缺點。無觸點的IC卡技術能夠通過無線電波實現卡片與閱讀器之間的數據傳輸，能量也可由無線電波或卡片的內置電池提供。由于能量和信息的傳輸都由無線電波實現，所以這類無觸點的自動識別系統又稱為射頻識別系統（下文簡稱RFID）。

RFID并非新技術，Harry Stockman在1948年發表了名為“Communication by Means of Reflected Power”的論文，討論了RFID技術的理論與實現，成為RFID技術的開端。其后，有學者分別研究了微波零差與無源應答器的無線電傳輸系統。此后，RFID技術取得了長足進展，在1980-1990年，RFID系統逐漸成熟并得以應用（如在美國鐵路協會和集裝箱裝卸合作項目中的應用）。RFID在很大程度上簡化了商品運輸過程中的識別與追蹤程序。因此RFID逐漸廣泛應用于各行業中，包括圖書館系統。

1 RFID系統概述

RFID系統大致可分為3部分：RFID標簽、RFID閱讀器、接收和發送數據的應用系統。如圖1所示。一般而言，標簽由耦合元件（作用如天線）及電子芯片構成。閱讀器則由一個射頻模塊（用于接收和發送信號）、一個控制模塊和一個耦合元件構成，可通過一個輸入/輸出界面（如RS232或RS285）與應用系統相連接，此外一個非常重要的功能是能量供應。其中標簽又分為被動標簽（或稱為無源標簽）或主動標簽（或稱為有源標簽）。被動標簽不含有能源，處理過程所需的所有能量來自閱讀器發出的無限電波，而主動標簽則內置電池。表1給出了主動標簽與被動標簽各方面性能的對比，表2給出了不同類型的RFID標簽在圖書館中的應用示例及其典型供應商。無線電波的性質由其頻率決定，即電磁譜的頻率。RFID大致可分為3類：①30～300 Hz（低頻）；②3 M～30 MHz（高頻）；③300MHz～300 GHz（超高頻）。

除工業、科學和醫療頻段由國際電信聯盟無線電通信部門確定外，政府嚴格管理無線電發射機的使用許可。因此，RFID覆蓋滿足工業和科學需求的頻譜，其優點和缺點見表3。其中低于135 kHz的RFID產品技術最為成熟；13.56 MHz頻段應用較廣，此頻段的RFID產品常用于商品管理；2.45 GHz與UHF的RFID產品具有類似的特征，但UHF具有更長的誘導距離。

正如記憶卡或智能卡的結構取決于其記憶模式，RFID按此又可分為4大類。①只讀：即只能讀取數據，用于記錄對象的識別碼。②讀/寫：類似于記憶卡，可擦除和編輯。③內置進程芯片：類似于智能卡，包括操作系統和程序，安全程度高。④內置傳感器：如壓力和溫度傳感器。

一套RFID系統具有多種頻、發射模式和內部結構，不僅覆蓋了傳統自動識別系統的所有功能，如記憶卡的記憶功能、智能卡的安全管理功能和條形碼的探測識別號碼的功能。RFID的進程響應速度優于條形碼，并具有非接觸式的通訊功能。

2 RFID的信息處理方式

RFID的使用和條形碼類似。條形碼使信息粘貼和編碼于對象，利用具有紅外線的特殊掃描儀探測編碼信息，然后將這些信息從掃描儀傳送至電腦。RFID系統利用專門的閱讀器，通過射頻從標簽讀取或傳送信息至標簽。

一個比特是信息過程中的最小單位。最簡單的RFID只具有一個單比特控制狀態，功能類似于電磁線（用于圖書館電磁防盜系統）。復雜的RFID則與智能卡無異，標簽中的芯片可以存儲信息、進行操作或與閱讀器交換信息。

被動標簽的不同能量產生模式頻率不同。RFID被動標簽采用不大于13.56 MHz的頻率，能量來源于交變磁場，類似于通過磁力進行電磁能量交換，但RFID與此過程相反，是將磁力轉換為能量源。電流通過線圈產生交變磁場，再由標簽的天線轉換為能量。在實際操作中，雖然存在干擾，但RFID系統具有多路存取。閱讀器響應時，在閱讀器信號有效范圍內可能存在不止一個標簽。如果所有標簽在接收到信號后均產生反應，則會發生沖突。反沖突的通常方案有ALHO算法和二叉樹分割算法。

3 RFID系統在圖書館中的應用

3.1 目前圖書館的RFID體系結構

目前，圖書館利用書目數據庫追蹤書目的流通信息。每本書都分配了一個唯一的編號，通常稱為條形碼。作者、標題和條形碼之間沒有固定的關系。在今天的圖書館RFID部署中，標簽至少用條形碼編程。此外，一些供應商建議在標簽上放置額外的信息，如貨架位置、最后簽出日期、作者和標題。圖書借閱手續可在流通柜臺或通過一個特殊的自助檢查機完成。在這兩種情況下，自助檢查機讀取RFID標簽，并在書目數據庫中查找ID號和圖書之間的關聯，并將該書的狀態更改為借出。當圖書被歸還時，標簽再次被讀取，書目數據庫更新。RFID標簽也起到安全裝置的作用。特殊的RFID出口傳感器通常放在圖書館的出口，就像今天大多數圖書館都有磁條防盜裝置的出口傳感器一樣。當一個借閱者離開時，傳感器掃描那些沒有被檢查過的書。根據供應商的不同，安全檢查至少有兩種方式。第一種方法，由VTL和Libramation等公司采用，此方法用標簽存儲圖書狀態，一個特定的比特通常被稱為一個安全比特，表明了這本書是被借出還是歸還。需要注意的是，安全比特不一定影響標簽是否可以被讀，必須在每次借出和歸還時正確設置安全比特，否則可能錯誤地觸發警報。第二種方法，由Checkpoint公司使用，不將流通狀態存儲在標簽上。相反，由RFID閱讀器通過書目數據庫查詢圖書的流通狀態，但由于查詢耗時會導致延遲問題。同時，隱私問題主要集中在書目數據庫和RFID閱讀器的響應距離較短兩方面。如果不借助書目數據庫，則無法直接將條形碼映射到書名和作者，因此不會暴露借閱者的閱讀習慣。一些圖書館的RFID支持者認為，因為數據庫的保密和RFID閱讀器的響應距離限制，隱私暴露的風險很小。

3.2 RFID體系結構的隱私保護技術

本文介紹兩個基于標簽的提高隱私安全的方法，這兩個方法不需要單向函數、散列函數或其他需要多個密碼原語。

3.2.1 可重寫標簽的隨機事務ID

此方法類似于匿名ID方法，并在圖書館領域得到廣泛應用。在每次借出時，RFID閱讀器會選擇一個新的隨機數R和讀取標簽數據D，并將這對數據（R，D）存儲在后端數據庫中，然后RFID閱讀器會把數據D從標簽中刪除并將數據R寫入。因此，書籍在每次被借出時將擁有不同的標識符。在書籍被歸還時，RFID閱讀器讀取R，查找相應的D，并將D寫入標簽。如果數據庫在書籍被歸還后安全地刪除了數據R，那么將有利于保護隱私。

3.2.2 基于持續狀態的密碼改進

簡單的密碼可能會被竊取。在圖書館應用RFID的過程中，該問題尤為突出，因為出口傳感器必須掃描離開圖書館的每一本書。已有學者注意到，通過從標簽到閱讀器的通道竊取密碼比從閱讀器到標簽的通道更難，考慮到這一點，提出了用一個簡單的協議來保護RFID標簽中的密碼。主要思想是標簽發送一個隨機數給閱讀器，竊取者因為不能獲取這個隨機數而僅憑閱讀器到標簽的信息傳遞是不能破解密碼的。此協議需要一個隨機數生成器，并且需要在同一進程中保持不變，但僅用于防止讀寫器到標簽鏈接上的被動竊聽，不能攔截針對中間人攻擊或修改傳輸消息的攻擊。如果攻擊者不能獲取隨機數R，那么（假設標簽隨機均勻地選擇隨機數）秘密S在理論上是安全的。此外，竊取者不能回復協議消息，因為標簽所需的隨機數每次都會改變。最后，由于隨機數R獨立于標簽數據或序列號，所以不能用來區分不同的標簽。

4 結 語

隨著科技的快速發展，各行業都面臨著日益繁重的信息處理任務。現代信息技術的發展使海量信息和復雜進程的高效處理變成可能，從而在很大程度上不斷推進著各行業的發展。現代圖書館系統也從信息技術的高速發展中受益很多。圖書館雖然是單一的服務部門，卻涉及各個專業技術的支持，RFID技術便是一例。RFID技術提高了圖書館管理的效率，相比傳統技術也更能保障信息安全，使圖書館能夠更好地發揮社會功能，煥發出新的生機。可以預見，在不遠的未來，應用于圖書館的信息處理技術，如RFID技術將會朝著更高集成度、更高自動化、更高契合度的方向發展，為圖書館管理帶來新的技術革新。

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