基于RFID最近鄰居算法的圖書定位系統設計

(武漢商學院信息工程學院 湖北 武漢 430056)

引言

目前，在圖書館書籍管理工作中，普遍使用RFID技術實現對館藏書籍的管理[1]。但隨著館藏資源的不斷豐富，在圖書查找、圖書歸架的工作中，經常會出現系統顯示書籍未借出而找不到圖書的問題，這種情況主要是因為書籍在歸還書架的過程中未能準確放回原位造成的。針對圖書館經常出現圖書被放錯架導致的圖書管理困難問題，設計了一種基于RFID技術的智能書架和書籍定位系統。該系統可以準確定位書籍，方便書籍借閱和管理，圖書的位置信息可自動更新，圖書位置信息實現可視化。

一、RFID技術及原理

RFID(Radio Frequency Identification)即射頻識別，是一種自動識別技術。RFID通過射頻信號獲取存儲物體標簽內的相關數據并識別物體[1]。RFID技術可以在不直接接觸識別對象的情況下完成對象信息的輸入和處理，并且可以實時、準確地快速收集和處理對象信息[2]。RFID系統基本上由三部分組成：電子標簽，讀寫器和收發天線。電子標簽通過天線發射射頻無線電波與讀寫器交換數據。如圖1為RFID系統的基本組成。

圖1 RFID系統的基本組成

將此技術應用于智能書架的設計中，其中RFID使用電子標簽標記每本圖書[3]。電子標簽的組成包括天線和電子芯片，其中電子芯片儲存圖書的相關數據信息。電子標簽中的天線發射無線電波將圖書的數據信息傳輸給RFID讀寫器,讀寫器隨后接收數據信息，并對數據進行處理，再將關于圖書的數據信息傳輸給系統應用層。

二、系統框架設計

(一)系統工作原理與整體架構

1.系統工作原理

首先，當用戶對圖書進行檢索時，用戶通過系統訪問圖書管理系統數據庫和圖書位置信息數據庫。位于書架上的每本圖書都粘貼有儲存圖書信息的電子，智能書架中的讀寫器，將讀取的圖書位置信息數據發送給系統。在系統檢索界面顯示圖書的基本信息和位置信息。多路天線群組能夠有效降低漏檢、誤檢率，實現對圖書的精準定位[4]。在智能書架設置的讀寫器會對書架上的書實時讀取，所以對于被放錯架的圖書，系統管理員只需在后臺系統進行直接檢索即可查找被放錯架的圖書。

圖書定位系統以智能書架為主體，在書架上設置天線和讀寫器。該系統中，讀寫器處于一直工作的狀態，書架讀寫器可以對書架上每本圖書的電子標簽進行讀取，設定每30秒讀寫器檢測一次書架，即遍歷每層的圖書信息數據，將位置信息實時更新在后臺系統。一旦發生圖書被放錯書架的情況，即時對其定位，將定位計算結果發送給數據庫，達到對圖書的實時清點和實時定位的目的[5]。系統工作原理如圖2所示。

圖2 系統工作原理

該系統不同于傳統圖書館管理，傳統圖書館對書籍上架管理時，第一次信息輸入就不再變化，而該系統提高了圖書上架的容錯率，圖書的位置信息實時更新輸入在系統數據庫，檢索系統可以詳細顯示被查詢圖書位于館藏地某書架某一層。因此，該設計不僅提高了圖書管理員的工作效率，而且提高了借書人員查找書籍的便捷性。

2.系統整體架構

對智能書架分別從硬件系統和軟件系統兩個模塊分析設計。圖書定位系統根據物聯網三層基礎體系：感知層、網絡層、應用層，將系統劃分為三個模塊：數據采集模塊、數據服務模塊和應用服務器模塊[6]。圖3為圖書定位系統總體架構。

圖3 圖書定位系統總體架構

(1)數據采集模塊

圖書定位系統使用書架上的標簽和讀寫器作為硬件基礎單元，每本圖書都粘貼電子標簽。標簽中儲存圖書信息和位置信息，位置信息以某書架某層某單元欄的方式顯示。天線陣列可以采用多路復用器選擇數字信號路徑。使多路數據信息共享一路信道，通過天線群組切換開關對天線和電子讀寫器的連接進行控制，便于對每個電子標簽的信息進行準確讀取。

(2)數據服務模塊

數據服務模塊主要包括圖書管理系統數據庫和圖書定位數據庫。書架上設置的讀寫器將讀取標簽的數據信息通過天線傳輸給數據庫，數據庫中的信息有：圖書基本信息介紹、圖書的初始位置信息和當前圖書被錯放的書架所在位置。數據服務器對信息進行挖掘和分析后傳輸給應用程序層。

(3)應用服務器模塊

應用服務器模塊以客戶端應用程序為表現形式，如圖書檢索系統，通過檢索系統可直觀的查詢圖書當前所在位置。管理員可以通過后臺系統控制書架天線的輻射區域，對圖書標簽的檢測達到精準控制。

(二)硬件系統設計

硬件系統主要包括讀寫器、電子標簽、天線[7]。讀寫器作為每個智能書架的主要硬件設施，實現對圖書電子標簽的識別、通信與書架控制工作，通信支持TCP/IP協議。電子標簽儲存每本圖書信息。天線群組作為對圖書標簽的檢測單元，能夠與電子標簽建立連接，對于不同書架的天線均可讀取圖書的標簽信息，實現對圖書位置的實時檢測。智能書架的讀寫器與天線群組射頻切換開關連接，實現對數字信號的輸入和輸出。圖4為硬件系統設計架構。

圖4 硬件系統設計架構

(三)軟件系統設計

軟件架構主要包括硬件設備層、邏輯處理層和應用程序層。硬件設備層包括硬件系統中所有器件單元，邏輯處理層接收由硬件設備層發來的數字信號，將信號進行數模轉換后確保數據安全無差錯，使用封裝好的定位算法對圖書的位置進行計算，將計算得出的位置信息傳輸給應用程序層，供用戶進行訪問。在應用程序層可提供圖書檢索平臺，用戶可在應用程序層中對圖書進行圖書檢索，查詢圖書位置詳細位置信息，系統管理員可在后臺對數據庫進行后臺維護和管理。如圖5為圖書定位系統軟件架構。

圖5 圖書定位系統軟件架構

(四)數據庫設計

圖書館管理系統數據庫儲存圖書基本信息，圖書定位數據庫主要儲存書籍的位置信息[7]。根據圖書館應用需求，使用MySQL 5.7為后臺數據庫，數據庫中表的數據項經查詢顯示，圖書信息字段設計表如圖6，圖書位置信息字段設計表如圖7。讀寫器檢測錯架的圖書時，修改的圖書信息同樣參照此表。

圖6 數據庫圖書信息字段設計表

圖7 數據庫圖書位置信息字段設計表

三、圖書定位系統與最近鄰居算法

(一)圖書定位系統原理

圖書定位系統設置一定數量的讀寫器和標簽、規定參考標簽的布局、精簡算法流程等方式增加對圖書定位的精準度。用戶在應用程序層訪問數據庫，系統通過讀寫器發射額定的射頻信號檢測電子標簽，將檢測到的電子標簽的信號強度和存儲信息返回給讀寫器。此時采集接收的標簽信號強度，使用基于信號強度的模式匹配法對圖書實現定位，也就是采用鄰居算法對圖書進行位置估計。如圖8為圖書定位原理。

圖8 圖書定位原理

(二)圖書定位系統的實現

圖9 讀寫器查詢錯架圖書位置流程圖

對圖書定位的操作分為兩種情況：一種是用戶查詢未錯架的圖書所在位置。二是讀寫器自行檢測被放錯架的圖書位置信息。若是用戶查詢未錯架圖書，首先是用戶發送圖書查詢請求，讀寫器發送一定的射頻信號對圖書電子標簽進行定位，再將預測位置傳回數據庫，在檢索界面顯示圖書的定位信息。在讀寫器查詢錯架圖書信息時，讀寫器被設定為每間隔30秒即對輻射范圍內的標簽進行檢測，對錯架亂架標簽使用定位算法進行位置估計，將計算結果發送給數據庫，實行數據庫更新。如圖9為讀寫器查詢錯架圖書位置流程圖[7]。

(三)最近鄰居算法原理

最近鄰居算法的算法原理如下：設定位范圍內有u個讀寫器，同時設置m個參考電子標簽和n個待測電子標簽[8]。此時讀寫器發射檢測電子標簽的射頻信號，接收參考標簽和待測標簽的信號功率。設接收到的參考電子標簽的信號強度矢量設為P，接收的待測電子標簽的信號強度矢量設為Q。此時根據矢量距離公式可得兩個標簽的距離表達式為：

(1)

式(1)中的Pi，Qi分別代表第i個參考電子標簽和第i個待測電子標簽的信號強度。提前設定讀寫器每30秒進行檢測，在書架的最小圖書欄的8個拐角都設置參考標簽，圖書所帶標簽視為待測標簽。由式(1)可得：

Ej=|P-Q|,j∈(1,m),P∈(1,n)

(2)

Ej表示參考標簽與待測標簽的距離，Ej越小則說明兩種標簽的距離越近。將未知位置信息的待測定標簽坐標表示為式(3)：

(3)

式(3)中(xi,yi)表示參考標簽的坐標，k表示設定的鄰居標簽個數。Wi表示第i個鄰居標簽的權重，權重的值越大，表示參考標簽與待測標簽之間的距離越近[9]。權重的表達公式為式(4)：

(4)

本文在進行研究過程中將鄰居標簽分別設置在書架最小欄的8處拐角，所以設定k值為8，通過這種方式限定了檢測的最小范圍，提高了定位的精準度。假設書架最小欄為一個長方體，圖10表示參考標簽和待測標簽位置分布圖。

圖10 參考標簽和待測標簽位置分布圖

(四) 算法流程設計

當讀寫器查詢錯架圖書時，將最近鄰居算法作為對圖書的定位算法封裝到圖書定位系統中，定位信息顯示書架的最小欄位置，這種方式可以提高定位的精確度，并且能夠減小定位系統的復雜度[10]。如圖11為定位算法流程。

圖11 定位算法流程

四、圖書定位實驗仿真與結果分析

(一)實驗測試仿真

以同一層AB的四個相鄰邊的最小單元欄為研究對象[7]，最小單元的規格為長1.0m，寬為0.5m，高為1.0m。在實驗過程中，將設置在8處拐角的標簽視為參考標簽，AB兩面相鄰的兩個書欄共用上下4個標簽，具體最小單元欄參考圖10。為了將實驗結果更直觀的表示出來，將該模型做俯視平面處理，不計垂直坐標情況。將要測試的標簽的實際坐標和待測標簽的估計坐標位置輸入到Matlab中以進行圖形處理。待測標簽的實際坐標與預測坐標如圖12所示，為待測標簽實際坐標，(x2，y2)為待測標簽預測坐標。實驗仿真結果如圖13所示。

圖12 標簽實際坐標與預測坐標

圖13 實驗仿真結果

(二)實驗結果分析

由實驗仿真測試結果可以看出對圖書的定位有良好的效果，為了評定這種誤差的大小，引入計算定位誤差參數值的公式(5)：

(5)

其中N表示實驗的次數，x、y分別為待測標簽實際位置橫坐標和縱坐標，x0和y0分別為待測標簽預測位置橫縱坐標和縱坐標。將實驗結果代入式(5)中得X的值為0.034，即定位的誤差在3cm左右，在實際中可滿足對圖書快速查找的需求。

五、結束語

在圖書資源管理工作中，合理使用RFID技術實現對圖書的智能管理具有重大意義。本文在RFID室內定位方法-最近鄰居算法的基礎上，設計了智能書架和書籍定位系統。將被檢索的圖書定位到最小單元欄，經仿真模擬可實現對圖書的精準定位，提高讀者借書的效率，降低圖書管理員的工作難度。該系統不僅可以為智能圖書館提供圖書智能管理提供解決方案，可以為智能貨架、實驗器材管理等類似問題提供參考方案。