基于RFID技術(shù)的移動圖書館圖書定位方法研究

基于RFID技術(shù)的移動圖書館圖書定位方法研究劉術(shù)華國家圖書館北京100081[摘要]文章介紹了幾種利用RFID技術(shù)的室內(nèi)定位方法，提出了利用信號強度法粗略定位圖書，然后用近場波達方向估計方法對圖書精確定位。該方法定位精度高且無需要求標簽和閱讀器在時間上保持同步，無需每個閱讀器安裝天線陣元，降低了系統(tǒng)復雜度和成本。[關(guān)鍵詞]射頻識別移動圖書館圖書定位ResearchonBookPositioningbasedonRFIDinMobileLibrariesLiuShuhuaNationalLibraryofChinaBeijing100081[Abstract]Inthispaper,severalindoorlocationmethodsbasedonRFIDtechnologywasintroduced,andanimprovedmethodforpositioningbookswasinvestigated,whichusereceivedsignalstrengthmethodroughlypositioningbooksandthenear-fieldDOAestimationpreciselylocatingbooks.Theproposedmethod,whichdoesnotrequirethetagsandreaderkeeppaceintime,caneffectivelypositionbooks.Withouteachreaderinstalledantenna,theproposedalgorithmcanreducethesystemcomplexityandcost.[Keywords]RadioFrequencyIdentification(RFID);Mobilelibrary;Bookpositioning1引言圖書館傳統(tǒng)的索書過程是讀者在圖書館管理系統(tǒng)上查詢到所需圖書，并記錄下該圖書的索書號和館藏地，再根據(jù)索書號到對應(yīng)館藏地的書架上查找。但是，如果圖書被挪離原來的位置，讀者就會找不到它，該書就很可能成為死書，死書不僅僅是對文獻資源的浪費，更會引起讀者對圖書館管理和服務(wù)水平的質(zhì)疑，損害圖書館的形象。為防止亂架和死書，很多圖書館要求讀者使用代書板，然而代書板的使用并不能從根本上杜絕圖書亂架[1]。理想的解決方法是能夠?qū)D書進行實時定位，知道它每一時刻的準確位置，這樣不管它被放在哪個書架上，都不會變成死書。移動圖書館的發(fā)展和RFID技術(shù)的出現(xiàn)為這種設(shè)想提供了可能。RFID技術(shù)是一種利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）來實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術(shù)[2]。它誕生于二戰(zhàn)，最初用于軍事目的，20世紀80年代以來轉(zhuǎn)為商業(yè)應(yīng)用，目前已得到很大發(fā)展并被廣泛應(yīng)用于物流系統(tǒng)、交通監(jiān)控、郵件追蹤、倉儲管理、高速公路收費系統(tǒng)、停車場管理、門禁系統(tǒng)等領(lǐng)域，在圖書館方面的應(yīng)用以北美地區(qū)較為成熟，主要應(yīng)用于貼標簽、自助借還書、自助分類、自助盤點、電子門禁、館際互借等方面[3]。但是，靠RFID技術(shù)僅能實現(xiàn)對圖書定位，要想讓讀者隨時隨地獲得圖書位置信息，我們還需借助移動終端來實現(xiàn)，因此我們把RFID的定位技術(shù)與移動終端結(jié)合，相信讀者在圖書館“找書難”的問題將得到緩解。2RFID系統(tǒng)簡介2.1RFID系統(tǒng)基本組成RFID系統(tǒng)因應(yīng)用不同，其組成也會有所不同，一個典型的RFID系統(tǒng)一般由電子標簽、天線、讀寫器及控制終端組成。電子標簽（Tag，即射頻卡）：由耦合元件及芯片組成，標簽含有內(nèi)置天線，用于和射頻天線間進行通信。RFID電子標簽可以按照內(nèi)部是否裝有電池分為有源和無源兩種類型，有源標簽因為自身包含電池，體型大，難以嵌入到圖書中，因此本文中的電子標簽使用無源標簽。天線：在標簽和讀寫器之間傳遞射頻信號。讀寫器：讀取或?qū)懭霕撕炐畔⒌脑O(shè)備?？刂平K端：用于接收讀寫器收到的電子標簽的位置信號，根據(jù)一定的算法判定電子標簽所在的具體位置。2.2RFID系統(tǒng)的工作原理讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當無源電子標簽進入該射頻信號的產(chǎn)生的磁場區(qū)域后，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量將存儲在芯片中的產(chǎn)品信息發(fā)送出去，讀寫器讀取信息并解碼后，送至控制終端進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理?？刂平K端有一個圖書定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)標簽發(fā)送的信息（如圖書的題名、索書號等）進行匹配，如果匹配到所需圖書，就自動對其進行定位，如果標簽中的信息與所需圖書信息不匹配，則認為該標簽信息無效，繼續(xù)匹配下一標簽傳回的信息。3移動圖書館圖書定位系統(tǒng)實現(xiàn)3.1方法概述讀者首先通過能上網(wǎng)的移動終端（如手機、閱讀器、平板電腦等）訪問圖書館OPAC系統(tǒng)，進而由圖書館OPAC系統(tǒng)向圖書定位系統(tǒng)發(fā)起圖書定位請求，圖書定位系統(tǒng)利用RFID系統(tǒng)來定位圖書，并把定位后的空間信息轉(zhuǎn)換為位置信息，通過移動終端反饋給讀者。3.2定位方案由于圖書在首次排架完畢后，每冊書所在的初始架位單元號都會被寫入一張數(shù)據(jù)表中，當讀者通過移動終端進入到OPAC系統(tǒng)并發(fā)起圖書定位請求時，讀寫器無須從書架上的第一本書開始搜索直至遍歷書庫中所有的書，可以優(yōu)先從數(shù)據(jù)表中該書的初始位置搜索，啟動離這本書的初始位置最近的天線，如果書沒有被挪離該位置，這種情況下只進行一次匹配就能找到所需圖書，返回該書在數(shù)據(jù)表中的位置信息即可而不需進行定位；即便沒有一次匹配就找到所需圖書，如果該書被挪離了原先的位置不遠，也能大大減少定位時間，從而使讀者等待時間縮短；如果該書被挪離了原先的位置很遠，則只能進行全室范圍內(nèi)的搜索及定位。3.3定位算法利用RFID技術(shù)對圖書進行定位屬于室內(nèi)定位的一種。目前，室內(nèi)RFID定位算法大都采用基于測距的定位方法，基于測距的定位是通過測量定位目標到位置檢測設(shè)備之間的距離來計算目標的位置。通常定位目標攜帶電子標簽，而位置檢測設(shè)備通常是已知位置坐標的幾臺RFID讀寫器，測距技術(shù)通常是依據(jù)信號到達時間（TOA）、信號到達時間差（TDOA）、信號波達方向（DOA）和接收信號強度等進行定位[4]。1）信號到達時間法（timeofarrival,TOA）：用3個或3個以上的讀寫器接收同一電子標簽的信號，由于射頻信號的傳播速度接近光速，因此通過測量該信號到達不同讀寫器的時間就可以計算出讀寫器到電子標簽的距離，再根據(jù)幾何關(guān)系即可達到定位的目的。2）信號到達時間差法（timedifferenceofarrival,TDOA）是對TOA方法的改進。該算法的主要原理是利用信號到達多個讀寫器的時間差來實現(xiàn)定位。TDOA較TOA的改進優(yōu)勢在于不需要保證電子標簽和讀寫器之間的時間同步，該方法主要是利用雙曲線模型來計算電子標簽的位置。3）信號強度法（receivedsignalstrength，RSS）是通過接收信號的強度來推算信號的位置。主要原理是無線信號傳播存在以下規(guī)律：接收裝置測得的信號越強，則離發(fā)射信號越近，反之，就越遠。4）信號波達方向（directionofarrival，DOA）的原理是根據(jù)天線陣列接收到的標簽返回的射頻信號來估計從標簽到參考天線陣元的傳輸路徑的到達方向（電波的入射角）來獲得位置信息。傳統(tǒng)的DOA估計方法均假設(shè)信號位于天線陣列孔徑的遠場，因而信號到達陣列可以近似認為是平面波前，此時對于同一信號到達不同天線陣元的來波方向相同，因此只用DOA即可確定信源的空間位置。然而，當空間信源距離陣列較近即位于陣列孔徑的菲涅爾區(qū)域時，信號波前的固有曲率將不可忽略，平面波前不再成立，必須用精確的球面模型來描述其波前，此時信號由信源距陣列的距離和DOA共同確定。近場DOA定位模型如圖1所示。圖1近場DOA定位模型圖陣列結(jié)構(gòu)為由個天線陣元組成的均勻線陣，設(shè)中心處的陣元為參考陣元，即相位參考點，電子標簽返回的射頻信號近場入射，則第m個陣元的接收信號為（1）式中，表示電子標簽返回信號的復包絡(luò)，本文中為第m個傳感器上的加性噪聲，為信號到達第m個陣元相對于到達參考陣元的時延，由球面波模型可得（2）由于該時延是個非線性函數(shù)，目前較合理的處理方法就是對其做菲涅爾（Fresnel）近似，即將其由泰勒級數(shù)展開，然后舍去二階以上的高階項，本文中我們也采用此方法。泰勒級數(shù)展開形式為（3）當較小時，項可以忽略，所以上式近似為（4），（5）可見，時延相位差由兩項組成:第一項為線性的，只和信號的DOA有關(guān)，與遠場信號模型下的時延相位相同，第二項為非線性項，與信號的DOA和距離同時有關(guān)。根據(jù)接收信號的協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量的關(guān)系，可得到和的估計，再由式(5)即可利用幾何關(guān)系得到信號的DOA和距離參數(shù)，從而實現(xiàn)定位。這里得到的標簽的位置是相對于參考天線陣元的位置信息，因此需要轉(zhuǎn)換為書架信息或閱覽室的平面圖信息。TOA定位方法定位精度高，但是要求標簽和讀寫器在時間上保持精確同步，在室內(nèi)，由于阻擋物較多以及用戶之間的距離較短，存在較嚴重的反射、衍射和繞射等非直線傳播情況[5]；TDOA定位方法降低了時間同步要求，但仍然要求所有參與定位的讀寫器之間必須完全時間同步；信號強度方法定位精度不高，只能定位到大概位置。而本文提出的DOA定位方法模型精確，定位精度高，且不需要每個讀寫器上安裝天線，降低了成本。因此，在本文中，我們采用信號強度法和DOA定位方法相結(jié)合以實現(xiàn)對圖書精確定位。3.4定位過程實現(xiàn)圖2為圖書定位系統(tǒng)示意圖。在書架前方均勻放置一定數(shù)量的天線組成一個陣列，這些天線能覆蓋所有圖書。本文先采用信號強度法來估計圖書的大概位置，然后采用信號波達方向方法來對圖書進行精確定位。當OPAC系統(tǒng)發(fā)起定位請求時，定位系統(tǒng)命令讀寫器選擇離目標RFID電子標簽較近的一根天線將其激活，該天線產(chǎn)生射頻信號產(chǎn)生磁場，目標RFID電子標簽進入磁場后，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量將存儲在芯片中的產(chǎn)品信息發(fā)送出來，被激活的天線讀取該信息并由讀寫器進行解碼。如果被激活的天線在其讀寫范圍內(nèi)沒有檢測到目標RFID，則讀寫器關(guān)閉激活的天線電源，激活上一個天線臨近的天線，直至遍歷覆蓋目標RFID標簽的所有天線。如果檢測到目標RFID標簽，利用信號強度法記錄下信號強度，然后啟動下一根天線，進行同樣的檢測。如果檢測到，同樣記錄下當時的信號強度，直至遍歷所有能檢測到該標簽的天線，并對檢測到的所有信號強度進行比較，選擇信號強度最強的3根天線運用DOA方法來進行精確定位。為使定位精度更高，可選用信號強的更多的天線來進行定位。當定位系統(tǒng)對圖書定位完成后，通過一定的算法將空間信息轉(zhuǎn)換為位置信息或閱覽室平面圖信息，傳回到讀者的移動終端中，讀者即可方便快速找到所需圖書。圖2圖書定位系統(tǒng)示意圖4結(jié)語RFID技術(shù)的發(fā)展為圖書實時定位提供了便利。本文結(jié)合移動圖書館，提出了綜合利用信號強度法和DOA近場估計模型來快速定位圖書的方法，本文方法定位精度高且無需要求標簽和閱讀器在時間上保持同步，無需每個閱讀器安裝天線陣元，降低了系統(tǒng)復雜度和成本。[參考文獻][1]譚忠頂.利用射頻識別技術(shù)對圖書館亂架圖書進行追蹤和定位的研究[J].重慶圖情研究，2010，11（39）：58－62[2]馮波