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(qiáng)度法粗略定位圖書，然后用近場波達(dá)方向估計(jì)方法對圖書精確定位。該方法定位精度高且無需要求標(biāo)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(fù)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(xiàn)資源的浪費(fèi)，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(jìn)行實(shí)時定位，知道它每一時刻的準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)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(jì)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(fèi)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(biāo)簽、自助借還書、自助分類、自助盤點(diǎn)、電子門禁、館際互借等方面[3]。但是，靠RFID技術(shù)僅能實(shí)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(shí)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(biāo)簽、天線、讀寫器及控制終端組成。電子標(biāo)簽（Tag，即射頻卡）：由耦合元件及芯片組成，標(biāo)簽含有內(nèi)置天線，用于和射頻天線間進(jìn)行通信。RFID電子標(biāo)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(biāo)簽因?yàn)樽陨戆姵兀w型大，難以嵌入到圖書中，因此本文中的電子標(biāo)簽使用無源標(biāo)簽。天線：在標(biāo)簽和讀寫器之間傳遞射頻信號。讀寫器：讀取或?qū)懭霕?biāo)簽信息的設(shè)備?？刂平K端：用于接收讀寫器收到的電子標(biāo)簽的位置信號，根據(jù)一定的算法判定電子標(biāo)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(dāng)無源電子標(biāo)簽進(jìn)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(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。控制終端有一個圖書定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)簽發(fā)送的信息（如圖書的題名、索書號等）進(jìn)行匹配，如果匹配到所需圖書，就自動對其進(jìn)行定位，如果標(biāo)簽中的信息與所需圖書信息不匹配，則認(rèn)為該標(biāo)簽信息無效，繼續(xù)匹配下一標(biāo)簽傳回的信息。3移動圖書館圖書定位系統(tǒng)實(shí)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(jī)、閱讀器、平板電腦等）訪問圖書館OPAC系統(tǒng)，進(jìn)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(dāng)讀者通過移動終端進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yuǎn)，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(yuǎn)，則只能進(jìn)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(jìn)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(biāo)到位置檢測設(shè)備之間的距離來計(jì)算目標(biāo)的位置。通常定位目標(biāo)攜帶電子標(biāo)簽，而位置檢測設(shè)備通常是已知位置坐標(biāo)的幾臺RFID讀寫器，測距技術(shù)通常是依據(jù)信號到達(dá)時間（TOA）、信號到達(dá)時間差（TDOA）、信號波達(dá)方向（DOA）和接收信號強(qiáng)度等進(jìn)行定位[4]。1）信號到達(dá)時間法（timeofarrival,TOA）：用3個或3個以上的讀寫器接收同一電子標(biāo)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(dá)不同讀寫器的時間就可以計(jì)算出讀寫器到電子標(biāo)簽的距離，再根據(jù)幾何關(guān)系即可達(dá)到定位的目的。2）信號到達(dá)時間差法（timedifferenceofarrival,TDOA）是對TOA方法的改進(jìn)。該算法的主要原理是利用信號到達(dá)多個讀寫器的時間差來實(shí)現(xiàn)定位。TDOA較TOA的改進(jìn)優(yōu)勢在于不需要保證電子標(biāo)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(jì)算電子標(biāo)簽的位置。3）信號強(qiáng)度法（receivedsignalstrength，RSS）是通過接收信號的強(qiáng)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(qiáng)，則離發(fā)射信號越近，反之，就越遠(yuǎn)。4）信號波達(dá)方向（directionofarrival，DOA）的原理是根據(jù)天線陣列接收到的標(biāo)簽返回的射頻信號來估計(jì)從標(biāo)簽到參考天線陣元的傳輸路徑的到達(dá)方向（電波的入射角）來獲得位置信息。傳統(tǒng)的DOA估計(jì)方法均假設(shè)信號位于天線陣列孔徑的遠(yuǎn)場，因而信號到達(dá)陣列可以近似認(rèn)為是平面波前，此時對于同一信號到達(dá)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(dāng)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(diǎn)，電子標(biāo)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(biāo)簽返回信號的復(fù)包絡(luò)，本文中為第m個傳感器上的加性噪聲，為信號到達(dá)第m個陣元相對于到達(dá)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(xiàng)，本文中我們也采用此方法。泰勒級數(shù)展開形式為（3）當(dāng)較小時，項(xiàng)可以忽略，所以上式近似為（4），（5）可見，時延相位差由兩項(xiàng)組成:第一項(xiàng)為線性的，只和信號的DOA有關(guān)，與遠(yuǎn)場信號模型下的時延相位相同，第二項(xiàng)為非線性項(xiàng)，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(jì)，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(shí)現(xiàn)定位。這里得到的標(biāo)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(biāo)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(yán)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(qiáng)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(qiáng)度法和DOA定位方法相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)對圖書精確定位。3.4定位過程實(shí)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(qiáng)度法來估計(jì)圖書的大概位置，然后采用信號波達(dá)方向方法來對圖書進(jìn)行精確定位。當(dāng)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(biāo)RFID電子標(biāo)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(biāo)RFID電子標(biāo)簽進(jìn)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(jìn)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(biāo)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(biāo)RFID標(biāo)簽的所有天線。如果檢測到目標(biāo)RFID標(biāo)簽，利用信號強(qiáng)度法記錄下信號強(qiáng)度，然后啟動下一根天線，進(jìn)行同樣的檢測。如果檢測到，同樣記錄下當(dāng)時的信號強(qiáng)度，直至遍歷所有能檢測到該標(biāo)簽的天線，并對檢測到的所有信號強(qiáng)度進(jìn)行比較，選擇信號強(qiáng)度最強(qiáng)的3根天線運(yùn)用DOA方法來進(jìn)行精確定位。為使定位精度更高，可選用信號強(qiáng)的更多的天線來進(jìn)行定位。當(dāng)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(shí)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(qiáng)度法和DOA近場估計(jì)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(biāo)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(fù)雜度和成本。[參考文獻(xiàn)][1]譚忠頂.利用射頻識別技術(shù)對圖書館亂架圖書進(jìn)行追蹤和定位的研究[J].重慶圖情研究，2010，11（39）：58－62[2]馮波