基于超高頻RFID 的圖書定位系統(tǒng)設(shè)計

夏曉雨，馮思玲

（1.桂林電子科技大學(xué)國防生學(xué)院，桂林 541000；2.海南大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，?？?570100）

0 引言

近年來物聯(lián)網(wǎng)作為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)絡(luò)之后的又一次世界信息產(chǎn)業(yè)革命而得到了快速的發(fā)展，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用于我們的日常生活中，給人們帶來了極大的便利，各式各樣的傳感器滲入已經(jīng)我們生活的各個角落，但是在一些傳統(tǒng)行業(yè)里物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展卻有些緩慢，例如在圖書館內(nèi)，目前的圖書館內(nèi)圖書的清點(diǎn)與錯架整理都需要人工來完成[1]。在智能社會的今天，我們所做的工作就是將需要多次重復(fù)勞動交給機(jī)器，以減少人工的使用，將勞動者從枯燥的重復(fù)勞動解放出來，使勞動者有更多的精力去投入到人的身心健康發(fā)展中。但目前對圖書定位的研究并不豐富，其中有一部分是基于條形碼∕二維碼的圖像識別圖書定位系統(tǒng)，條形碼∕二維碼是一種應(yīng)用十分廣泛的自動識別技術(shù)，但是目前圖像識別技術(shù)發(fā)展仍然不夠完善并且圖像識別技術(shù)無法對那些識別部分污損或破損的書籍進(jìn)行識別，并且如果有讀者擋在識別用的攝像頭前極易造成識別誤差，而RFID 與之相比優(yōu)勢十分明顯：不需要光源，甚至可以透過外部材料讀取數(shù)據(jù)；使用壽命長，能在惡劣環(huán)境下工作；能夠輕易嵌入或附著在不同形狀、類型的產(chǎn)品[2]。使用RFID 技術(shù)的一些研究使用的是高頻和低頻RFID 進(jìn)行定位，高頻和低頻RFID 由于頻率不高導(dǎo)致在多標(biāo)簽環(huán)境下，識別速度較慢，識別的錯誤率過高，而且識別距離較短，且大多數(shù)圖書館都設(shè)置有基于特高頻RFID 的自助圖書借閱系統(tǒng)和電子防竊圍欄，在應(yīng)用時并不需要進(jìn)行更換，能夠在現(xiàn)有硬件基礎(chǔ)上改造來達(dá)到目的，經(jīng)濟(jì)上具有較強(qiáng)的可行性。

1 主要技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 特高頻RRFFIIDD

無線電的射頻可以根據(jù)頻率和它的波長分成不同的波段，而特高頻（Ultra High Frequency）。處于波長為1m～1mm 的微波頻段，其頻率范圍為 300MHz 到3GHz。在中國其工作頻率被定義為 800MHz～900MHz。ISO 18000-6C∕EPC C1G2 是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織為特高頻RFID 制定的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則，其中詳細(xì)規(guī)定了特高頻RFID 的防碰撞算法。標(biāo)簽與閱讀器經(jīng)過無線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互啊，多個信號會在信道中交疊互相影響，導(dǎo)致標(biāo)簽信息無法正確讀取，即發(fā)生碰撞。特高頻相比于高頻與低頻RFID 的最大優(yōu)勢就是其規(guī)定了多標(biāo)簽時的防碰撞算法使其具有在短時間內(nèi)多標(biāo)簽識別的能力。這對于圖書的識別與定位是極為重要的。

1.2 UUHHFF定向線極化平板天線

天線在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號。它一方面給無源的電子標(biāo)簽提供電能，另一方面也通過它接收電子標(biāo)簽，上發(fā)出的信息，它也可向電子標(biāo)簽發(fā)射寫入的信息[3]。這個天線有兩個個屬性首先它是線極化天線，再者它是定向天線。

天線的線極化（Omnidirectional Antenna）方式簡單來說，像太陽光形成的影子一樣，當(dāng)收信天線和極化方向一樣的時候，這個影子最大感應(yīng)出的信號最強(qiáng)，而圓極化，無論收信天線的極化方向怎樣改變，電磁波在任何方向上形成的影子都是一樣的，所感應(yīng)出的信號也都是相同的。

全向天線（Omnidirectional Antenna）其發(fā)射電磁波在空間中可以看成一個球面，可以向各個方向發(fā)送。

定向天線（Directional Antenna）顧名思義，它向特定的方向發(fā)射和接收的電磁波，并且發(fā)送的是圓錐型電磁波，因?yàn)殡姶挪ǘ技衅饋恚鲆姹容^高，而對于本設(shè)計來講能夠防止旁邊的書架產(chǎn)生的影響。

1.3 IISSOO 1188000000-6C標(biāo)準(zhǔn)中的防碰撞算法

ISO∕IEC 18000-6C 通信協(xié)議定義了 RFID 系統(tǒng)操作的物理要求和邏輯要求，RFID 的防碰撞有硬件和軟件兩種方法，其中在硬件中共有四種分別是：空分多址（SDMA）、頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA），這些技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是時間延遲小，但是會大大增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度，另一種軟件的方法，一是使用根據(jù)曼徹斯特編碼的二進(jìn)制算法和它的改進(jìn)后的算法，二是通過隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)時隙算法和它的改進(jìn)算法，這雖然會帶來時間延遲的增加，但是由于成本低，便于修改，實(shí)現(xiàn)起來系統(tǒng)的復(fù)雜程度較低。故我們所用的基于ISO 18000-6C 標(biāo)準(zhǔn)的閱讀器和標(biāo)簽是通過隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)時隙算法來實(shí)現(xiàn)防碰撞。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)工作流程

如果將整個系統(tǒng)進(jìn)行抽象，整個系統(tǒng)可以分為三個部分：部署在書架上的超高頻RFID 傳感器、上位機(jī)和相關(guān)程序，數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)頁服務(wù)器。工作流程如圖1所示：

（1）上位機(jī)程序通過輪詢部署在書架上的超高頻RFID 傳感器將書架信息緩存在上位機(jī)臨時數(shù)據(jù)表中，等待處理。

（2）上位機(jī)程序?qū)⑴R時數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，并操作數(shù)據(jù)庫對其進(jìn)行處理。

（3）基于數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)向管理員或讀者通過上位機(jī)程序或Web 網(wǎng)頁展示圖書信息和狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)工作流程

2.2 上位機(jī)程序的設(shè)計

（1）傳感器連接情況模塊

本模塊使用傳感器商家配套的動態(tài)鏈接庫制作，分 別 名 為 RFID_Reader_Cmds.dll 和 RFID_Reader_Com.dll，根據(jù)說明文檔，取得從串口發(fā)送回上位機(jī)的信息的方法由 SP 類 GetInstance（）.GetPortNames（）方法實(shí)現(xiàn)，配合WinForm 模板內(nèi)的ListView 控件能夠提供傳感器的連接情況如圖2-圖3 所示。

圖2 傳感器列表初始狀態(tài)

圖3 已連接傳感器時狀態(tài)

代碼如下所示：

（2）循環(huán)識別模塊

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要進(jìn)行輪詢傳感器并將數(shù)據(jù)與初始數(shù)據(jù)對比，但配套程序給的輪詢指令并不合適，問題主要有兩點(diǎn)，第一，多次輪詢的次數(shù)有限制，只能由0-65535 次中選擇。第二，多次輪詢指令只能設(shè)置輪詢次數(shù)，并不能改變輪詢的時間間隔，傳感器中內(nèi)置的MCU 只關(guān)心收到的命令次數(shù)并不關(guān)心時間間隔。且MCU 中的固件是閉源的，并不能更改它內(nèi)部的程序邏輯，需要使用WinForm 里面 System.Windows.Form.Timer 方法，這個方法本質(zhì)上是一個定時器，在用戶規(guī)定的時間間隔重復(fù)的執(zhí)行某個命令，代碼如下：

（3）數(shù)據(jù)消抖模塊

在系統(tǒng)測試時經(jīng)常出現(xiàn)標(biāo)簽誤識別的狀況，這是由于傳感器產(chǎn)生了抖動，根據(jù)多次測試，當(dāng)連續(xù)識別5次后，只會得到1-2 次錯誤標(biāo)簽，根據(jù)測試結(jié)果用代碼構(gòu)建了數(shù)據(jù)消抖程序，它的工作流程如圖4 所示。在消抖程序中使用了一個臨時表，輪詢傳感器五次并記錄接收到標(biāo)簽的次數(shù)，將次數(shù)小于3 的數(shù)據(jù)保留。其余刪去，主要代碼如下：

圖4 數(shù)據(jù)消抖工作流程

2.3 數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)頁服務(wù)器設(shè)計

（1）數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本設(shè)計的數(shù)據(jù)庫共有五個表，分別為Read_First、Read_noton、Read_Refresh、Read_Wrong、Read_stable，其中Read_stable 表儲存圖書館內(nèi)所有登記在冊的圖書，表Read_First 表作為圖書離架定位基礎(chǔ)表，基礎(chǔ)表將在每次開始運(yùn)行時重新寫入，與從傳感器傳來的目前的在架圖書信息進(jìn)行比對，來獲得錯架圖書和離架圖書的信息。

表Read_Refresh 臨時儲存這一次閱讀器查詢的結(jié)果，表內(nèi)的數(shù)據(jù)與Read_First 表比對得到錯架圖書，和離架圖書的信息，并在獲得的信息儲存完畢后，于下一次讀取之前清空，防止下一次寫入時發(fā)生數(shù)據(jù)錯誤。

表 Read_noton 通 過 比 對 表 Read_First 和 表Read_Refresh 的EPC 列的不同獲得離架圖書并將EPC存入數(shù)據(jù)庫。

表 Read_Wrong 通過比對表 Read_First 和表Read_Refresh 中PORT 列不同而EPC 相同這兩個約束條件找出錯架圖書并將EPC 存入數(shù)據(jù)庫。

（2）數(shù)據(jù)處理

為了將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)處理，在上位機(jī)程序中嵌入SQL 語句在獲取信息的同時進(jìn)行處理。部分代碼如下：

（3）網(wǎng)頁服務(wù)器設(shè)計

本設(shè)計選擇使用MVC 模式作為Web 的架構(gòu)模式，MVC 由模型、視圖、控制器的英文的第一個字母的縮寫構(gòu)成。不同于以往的其他模式，MCV 將元素按照模型、視圖、控制器分開，它把原來混在一起的各個元素分開把復(fù)雜的程序簡化，而且對于大型的項目能夠更好地將開發(fā)人員專注與一個組件，而不需要太多關(guān)注其他的部分。本文僅展示模型與控制器的初始化

（1）模型的初始化

在本設(shè)計生成了一個MVC 的模板以后，為了更清楚的分開各個元素，在它的模型的基礎(chǔ)上又分出了WebModel 模型并且作為類庫添加到解決方案中，并且由于要和數(shù)據(jù)庫交換數(shù)據(jù)所以按照數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)來構(gòu)建模板中的模型，在這里使用System.Data.Sqlclient 的庫訪問數(shù)據(jù)庫，在初始化完WebModel 后也要在項目里初始化一個Model 與它對應(yīng)。

（2）控制器的初始化

同模型一樣將控制器的操作邏輯作為類庫寫在項目的外部，由于模型只是與數(shù)據(jù)庫交流，只獲得數(shù)據(jù)，并不對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而處理的工作就交給了控制器來完成，并且它和數(shù)據(jù)的實(shí)體沒有關(guān)系。部分代碼如下：

3 系統(tǒng)測試效果

固定在書架上的天線與傳感器如圖5 所示，圖中三本書作為測試之用，圖6 為上位機(jī)程序主界面，其可用操作

為：

圖5 固定在書架上的天線

圖6 上位機(jī)程序初始化界面

（1）定位書籍將目前在架圖書寫入Read_First 表

（2）開始輪詢傳感器并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫處理

（3）進(jìn)行快速盤點(diǎn)，并在上位機(jī)程序中展示，可選擇刪除或者導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫

（4）向讀者展示圖書情況如圖7 所示

（5）進(jìn)行錯架識別如圖8 所示

圖7 Web網(wǎng)頁

圖8 錯架識別模塊

4 結(jié)語

本文給出了一種基于超高頻RFID 的圖書定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于解決圖書館內(nèi)存在的對圖書在架與錯架信息識別的低效的問題，具有一定的實(shí)際意義。用C#語言實(shí)現(xiàn)上位程序使得其兼容性有效提高并由利于圖書館根據(jù)自身情況進(jìn)行二次開發(fā)，進(jìn)一步提高圖書使館的信息化水平。