摘要：为了有效解决各大图书馆管理过程中存在的图书乱架严重、图书位置不准确、查找图书困难等问题，设计一种基于超高频射频识别技术的智能书架图书管理系统。对信号强度值进行高斯滤波处理，改进LANDMARC室内定位算法，采用阅读器驱动和管理员驱动两种定位策略相结合的方式，实现了图书的实时精确定位。在LabVIEW环境下设计了上位机管理系统，利用MySQL数据库建立数据表，对用户和图书信息进行联合管理，实现了用户管理、图书检索、图书定位、错架整理等功能。系统测试表明，智能书架可以准确定位在架图书，并生成错架图书列表，为管理员的盘点工作提供了方便。与手持式和推车式盘点设备相比，该系统大大提高了图书盘点效率，实现了无人参与式管理模式，并及时更新错架图书的馆藏位置，有效提升了图书馆服务水平。
关键词：智能书架;RFID技术;图书定位;高斯滤波;数据表;错架整理
0引言
近年来我国各大图书馆都在引进RFID技术，改变了图书的流通模式，实现了图书的智能分拣、自助借还、图书防盗、图书馆门禁等全方位的无人式管理模式[1⁃2]。但是随着图书馆全方位开架借阅模式的转变，读者在翻阅图书时可能会将图书放在其他架层，导致图书位置发生变化，造成了其他读者查找图书困难;其次这种乱架现象也给图书馆工作人员在图书盘点和乱架整理过程中增加了工作量。传统的图书盘点方式往往使用手持式或推车式设备近距离扫描在架图书，工作量繁重，不能及时发现图书位置发生变化[3⁃5]。
为了能够使当前图书管理系统中存在的诸多问题得到有效解决，本文提出一种基于UHFRFID技术的智能书架管理系统，通过UHFRFID阅读器将所有粘贴有电子标签的在架图书进行批量扫描，利用基于RSSI的室内定位算法通过上位机编程对图书进行定位，读者在检索图书时获得图书的实时准确位置;其次该系统可以高效地完成错架图书的整理，大幅度简化图书盘点流程，提高图书管理工作效率。
1智能书架工作原理及系统组成
1.1智能书架工作原理
智能书架系统由阅读器、天线群、电子标签和上位机程序组成[6]。为了保证阅读器能够识别到所有图书，书架每层两侧均安装UHFRFID天线，各天线轮询工作。系统共包含两类电子标签：参考标签和图书标签。参考标签的设置是为了实现图书的定位。将各书架的每一层定义为一个定位单元，参考标签设置在定位单元的两侧，与天线平行，同层相邻的定位单元共用参考标签。图书标签用于标识每一本图书的信息。标签EPC码由24位十六进制数组成，本文自定义了标签编码结构。
首位标志位用于区别两类标签，首位为1代表图书标签，为0代表参考标签。13位图书编号作为图书的唯一ID，根据编号在数据库内查询对应图书的ISBN号、图书名称、索引号、作者、出版社等信息。位置信息采用“楼层号+图书分类号+书架号+层号+单元号”的编码格式，将图书位置定义在最小定位单元内。为了降低建设成本，减少阅读器的数量，本系统选用16通道阅读器，一台阅读器可以控制16路射频天线，形成了一个多天线定位系统[7]，利用分时处理机制控制各天线的工作状态，同时读取区域内的全部图书标签。上位机对阅读器接收到的标签信息进行数据过滤和算法运算，满足用户在人机交互界面的操作需求。图书信息和用户信息存储在数据库服务器中，上位机对数据库信息进行写入和读取，实现双向数据传输。
1.2智能书架硬件组成
1)阅读器。阅读器是智能书架的核心设备，负责图书标签的读写和数据传输。系统选用捷通科技的JT⁃9016十六通道读写模块所示。该模块采用ATMEL推出的AT91SAM7S256为主控芯片，射频处理选用ImpinjR2000为核心，工作频段为902～928MHz，通过对射频芯片指定寄存器的访问实现芯片的初始化、读写操作、获取标签反馈数据等操作。该模块设计了二级功率放大电路，通过软件发送指定指令，实现0~33dBm功率可调。另外，该模块包含16个SMA射频接口，可连接16路射频天线，各天线独立工作，在demo软件可以设置天线的工作时间、工作状态、功率大小等。
2)RFID电子标签。本文选用Alien公司的Higgs⁃3系列电子标签，所示。该标签支持ISO18000⁃6C和EPCGEN2协议[8]，以及EPC容量扩展，数据读写次数可达100000次，具有良好的综合性能。
3)RFID天线。为了将天线读取范围限定在所在层空间内，系统采用RFID限定空间方案，在书架的层两侧设置所示的定向陶瓷天线。其优点是通信距离远、覆盖范围小、射频信号只能向前传递、读取指定层的图书标签、可以有效解决书架上下层之间的误读问题。
2图书定位实现原理及算法改进
本文选用的16通道阅读器在连续寻卡过程中，天线识别到标签时返回的标签信息中包含天线通道号，智能书架系统中天线设置在每一层书架两侧，因此在系统响应定位驱动后，对阅读器接收到的数据进行解码，首先可以确定图书所在的书架层号。其次，为了将图书位置精确到书架的最小定位单元内，系统引入了参考标签，采用基于RSSI值的LANDMARC定位算法对图书进行定位[9⁃10]。
在图书馆定位环境中，频繁的人员流动、周围障碍物等造成的信号传播多径效应对信号强度的干扰较大，最终导致定位精度出现偏差[11]。因此，本文在LANDMARC算法的基础上，采用高斯滤波法对读取到的RSSI值进行预处理，这种滤波方式计算简单，对定位速度影响较小。
3系统软件设计
上位机软件采用LabVIEW开发系统进行设计。LabVIEW是美国国家仪器公司研制开发的一种程序开发环境，采用图形化的程序语言编写程序，功能十分强大。智能书架系统上位机程序主要包括前面板程序、串口通信、图书定位实现和数据库设计等。前面板也是该系统的人机交互界面，前面板功能包括用户登录、新书上架、图书检索、乱架管理等功能。
3.1图书定位的实现
系统采用阅读器驱动定位和管理员驱动定位结合的方式对图书进行定位[13]。阅读器驱动定位是指在程序上对阅读器设定工作周期，天线定时读取标签信息，其优点在于整个过程不需要人为参与，适用于在图书馆开放期间实时监测图书的位置变化，但是射频信号容易受人体移动、遮挡物以及可见光等环境因素的影响，定位精度有一定偏差。管理员驱动定位是指在上位机对阅读器发送指定定位区域的读标签指令，这种驱动方式应用在图书馆闭馆期间，可以有效减少周围环境对射频信号造成的干扰，测算误差较小，定位精度较高。两种驱动方式相互结合，形成优势互补，前者侧重于为读者及时更新图书的位置信息，后者在定位工作完成之后即时生成错架图书列表，从而简化图书盘点流程。
3.2数据库设计
本文针对智能书架管理系统的需求，采用SQLServer数据库建立3个数据表，分别满足不同的功能需求。User表用于存储系统的用户名、密码和权限信息;Book_Search表是用户检索图书的数据源，程序中写入SQL模糊查询语句，在上位机选择不同的检索途径，输入关键词即可检索到包含该字段的所有相关图书信息;Book_Location表用于存储图书上架时的初始位置信息。每一个图书标签均绑定了唯一的EPC码，同一EPC码下，利用SQL关联操作语句得到错架图书列表，工作人员利用图书列表实现对乱架图书的整理。
4系统测试与分析
为了验证本文设计的智能书架管理系统的可行性和实用性，通过实验对系统各功能进行测试。测试结果表明，用户登录系统之后支持修改密码，管理用户可以增加、删除、修改用户信息，用户忘记密码时以邮箱验证的方式重置密码。此外，系统可以对图书标签写入EPC码，完成图书上架。检索图书时自主选择检索途径，输入关键词即可检索到全部相关书目。
乱架管理模块驱动系统硬件实现图书定位功能，生成错架图书列表。乱架管理是智能书架管理系统的主要功能之一。以乱架管理界面为例。管理用户登录系统之后，点击左侧菜单栏中的“乱架管理”，设置正确的串口参数，点击“打开串口”与阅读器通信。可以在图书类别、楼层和书架号之间按照“AND、OR、NOT”的关系选择指定的定位区域，执行“图书定位”功能，按照选定定位区域，阅读器驱动对应的天线扫描图书标签和参考标签，上位机程序对标签信息进行处理，等待数秒之后系统提示定位完成，点击“错架整理”，生成错架图书列表。
5结语
针对传统图书馆中图书乱架严重、错架整理难度大等问题，本文提出一种基于LabVIEW的超高频智能书架管理系统。硬件方面以16通道UHFRFID阅读器为核心，选用2dBi的定向陶瓷天线和Alien公司的Higgs⁃3系列电子标签。软件方面采用MySQL数据库存储数据，在LabVIEW环境下开发了上位机平台，采用两种定位驱动策略，对标签信号强度值进行高斯滤波，基于RSSI改进定位算法实现了图书位置的精确定位，此外系统还具有新书上架、图书检索和用户管理等功能。测试结果表明，与传统的手持式和推车式盘点设备相比，智能书架系统可以有效解决图书乱架带来的各种难题，实现图书盘点的自动化和智能化，有助于提高图书管理的工作效率，提升图书馆的整体服务水平。
参考文献
[1]贾成刚.基于RFID技术环境开展图书盘点工作的实践与探索[J].图书馆理论与实践，2017(5)：101⁃103.
[2]秦璐璐.高校图书馆RFID建设中管理服务模式的新构想[J].兰台内外，2019(32)：57⁃58.
[3]蔡玲.论图书馆开架借阅中存在的问题及对策[J].中外企业家，2019(25)：99.
[4]沈奎林，邵波，陈力军.基于超高频RFID的智慧图书馆的研究与实践[J].现代情报，2016，36(8)：88⁃92.
[5]夏玫.RFID在读者流通服务管理中的应用初探[J].内蒙古科技与经济，2019(11)：130⁃133.
[6]戴莹.RFID与WSN融合网络下的智慧图书馆构建研究[J].大学图书情报学刊，2019，37(1)：109⁃113.
作者：刘儒平，乔记平，刘龙波
