1 引言

　　隨著信息技術(shù)的發(fā)展，RFID技術(shù)已經(jīng)在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。在圖書館的發(fā)展中，讓管理員和讀者都能輕松享受技術(shù)帶來的便捷始終是圖書館行業(yè)的追求，傳統(tǒng)上圖書管理系統(tǒng)多采用“條形碼+磁條”相結(jié)合的技術(shù)來管理書刊，以安全磁條作為圖書的安全保證，以條形碼作為圖書的身份標(biāo)識。然而條形碼技術(shù)固有的缺陷使得圖書管理不方便且容易出錯，為防止條形碼的損毀，條形碼一般都被粘貼在圖書的內(nèi)部，并且每個條形碼需要單獨掃描。因此，在圖書的盤點、定位、排架及借還時，必須打開每本書來進行掃描條形碼的工作，這樣就使得圖書管理變得繁瑣從而大大降低了工作效率。RFID技術(shù)的出現(xiàn)給圖書館的圖書管理和人員管理帶來了智能化服務(wù)的契機，本文即是利用超高頻RFID技術(shù)來研究和實踐具有一定智能服務(wù)的智慧圖書館。

　　2 超高頻RFID智慧圖書館需求分析及技術(shù)思路

　　2.1 圖書館應(yīng)用RFID技術(shù)的現(xiàn)狀

　　RFID在圖書館的應(yīng)用有十幾年的時間了，很多學(xué)者和圖書館工作人員從各個角度研究和實踐了RFID在圖書館的應(yīng)用。在CNKI以“圖書館 RFID”檢索題名，得到相關(guān)文獻近900篇，可見圖書館應(yīng)用RFID的話題還是非常熱門和引人注意的。在全球范圍內(nèi)，目前已經(jīng)有5000多所圖書館使用RFID技術(shù)，并且每年的速率呈現(xiàn)激增趨勢，RFID在國內(nèi)外圖書館已有很多成功應(yīng)用的案例。而到2015年底，全國已有近500家圖書館在實施或測試RFID技術(shù)，RFID技術(shù)在圖書館中的應(yīng)用發(fā)展十分迅猛[1]。

　　寧璐[2]介紹RFID技術(shù)在圖書館應(yīng)用實施方案，為其在高校圖書館的推廣和應(yīng)用提供借鑒和參考。陳嘉懿等人[3]闡述高頻及超高頻標(biāo)簽的不同特點及各自的特性，剖析RFID的頻率選擇，指出目前國內(nèi)圖書館在RFID應(yīng)用中存在的一些問題與不足之處，并提出一些建議。吳一平[4]構(gòu)建了南開大學(xué)圖書館RFID系統(tǒng)的規(guī)劃，包括功能規(guī)劃以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計。歐朝靜[5]根據(jù)新/老圖書館的RFID管理系統(tǒng)和非RFID管理系統(tǒng)同時并存的現(xiàn)狀，新/老館混合大流通的管理模式的要求，同時考慮減少成本開支和開發(fā)復(fù)雜度，設(shè)計了符合實際需要的RFID圖書館智能管理系統(tǒng)的技術(shù)方案。劉紹榮等人[6]對國內(nèi)外圖書館實施RFID技術(shù)情況的調(diào)研，指出使用中存在的問題，提出解決問題的建議，為關(guān)注者和準(zhǔn)備實施RFID的圖書館提供參考。陳嘉懿[7]等人以高校圖書館的實際應(yīng)用與需求作為切入點，提出了適用于高校圖書館的UHF-RFID數(shù)據(jù)模型建設(shè)方案。舒遠(yuǎn)仲等人[8]對基于RFID技術(shù)的圖書館智能書架系統(tǒng)進行了研究和設(shè)計，改進了智能書架的定位方法，對圖書的定位原理和定位算法流程進行了研究，設(shè)計了智能書架結(jié)構(gòu)，建立了圖書館智能書架架位標(biāo)識體系。楊明華等人[9]對RFID在圖書館中應(yīng)用時必須決策的幾個問題：RFID 頻率選擇、RFID技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及圖書館應(yīng)用中的數(shù)據(jù)模型、館藏圖書定位排架方案等進行了分析和研究。

　　從相關(guān)文獻分析，結(jié)合各使用RFID的圖書館的技術(shù)文檔和公告等資料中，可以看出，目前RFID相關(guān)的研究和應(yīng)用涉及以下幾個方面：1)RFID在圖書館應(yīng)用的理論研究、可行性分析。2)高頻和超高頻RFID的區(qū)分、標(biāo)準(zhǔn)制定等方面。3)RFID在圖書館某個方面的應(yīng)用實踐。4)RFID在圖書館的實踐總結(jié)和經(jīng)驗總結(jié)等。5)RFID自身的技術(shù)研究。6)有關(guān)RFID綜述類文獻。

　　2.2 目前圖書館應(yīng)用RFID技術(shù)存在的不足

　　RFID雖然在很多圖書館得到了應(yīng)用，但是在研究和應(yīng)用上都有不足之處：1)RFID的標(biāo)準(zhǔn)還不統(tǒng)一，國內(nèi)很多技術(shù)受制于國外。2)RFID自身傳輸數(shù)據(jù)的安全性研究不足，這方面的突破技術(shù)還比較少。3)RFID在圖書館應(yīng)用的研究多為模式、實現(xiàn)方式等理論性探討。4)RFID在圖書館的應(yīng)用多為局部應(yīng)用，沒有一個整體實現(xiàn)智慧圖書館的模式和實踐。5)RFID在圖書館的應(yīng)用受制于RFID廠商的實現(xiàn)模式，對圖書館的個性化需求考慮不足。6)在圖書館應(yīng)用RFID的實踐中，出現(xiàn)了很多問題，比如對多本圖書的漏讀、誤讀，圖書不能精細(xì)定位，圖書的盤點沒有減少工作人員的勞動強度。

　　3 超高頻RFID智慧圖書館實現(xiàn)思路

　　RFID射頻識別技術(shù)的出現(xiàn)，有效解決了條碼管理圖書的不足，RFID被認(rèn)為是近30年來十大最具生命力的技術(shù)之一。RFID適用于圖書館的核心特點[10]：1)非接觸閱讀：RFID標(biāo)簽可以透過非金屬材料閱讀，無需人工干預(yù)地完成識別工作，實現(xiàn)自動化。2)數(shù)據(jù)存儲容量大：RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)存儲容量大，標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)可以加密、隨時更新及可讀可寫，特別適合于存儲大量數(shù)據(jù)或物品上所需存儲的數(shù)據(jù)經(jīng)常改變請情況。3)讀寫速度快。RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便。4)數(shù)據(jù)安全性高。標(biāo)簽除了密碼保護外，數(shù)據(jù)部分可用一些算法實現(xiàn)安全管理，如DES、RSA、DSA、MD5等，讀寫器與電子標(biāo)簽之間也可相互認(rèn)證，實現(xiàn)安全通信和存儲。5)體積小，易封裝。射頻電子標(biāo)簽可隱藏在大多數(shù)材料或產(chǎn)品內(nèi)，超薄及多種大小不一的外形是只能很容易的封裝在產(chǎn)品上，使用非常方便。6)識別距離遠(yuǎn)。數(shù)據(jù)載體與讀寫器之間的距離可達(dá)數(shù)十米。7)無磨損，使用壽命長。設(shè)備沒有直接對終端用戶開放的物理接口，能更好地保證設(shè)備安全性，使用壽命長達(dá)10年以上，讀寫可達(dá)10萬次。8)環(huán)境適應(yīng)性高。RFID讀寫器能透過泥漿、污垢、油漆涂料、油污、木材、水泥、塑料、水和蒸汽閱讀標(biāo)簽，這使得它成為多種惡劣環(huán)境下的理想選擇，其工作溫度可以介于-25~+70℃之間。

　　RFID射頻技術(shù)可以用來提高圖書館的信息化程度，實現(xiàn)圖書自動盤點、圖書自助借還、圖書區(qū)域定位、圖書自動分揀等功能成為圖書館及讀者普遍關(guān)心的問題。

　　圖書館技術(shù)部門聯(lián)合陳立軍教授團隊共同建設(shè)超高頻RFID智慧圖書館，主要依據(jù)的是陳立軍申請的幾個專利，最主要的幾個是：《一種基于RFID技術(shù)的龍門式自動掃描識別裝置》[11]、《一種基于超高頻技術(shù)的圖書館典藏方法》[12] 、《一種超高頻推車式圖書智能上架盤點設(shè)備》[13]。利用對超高頻RFID深入的研究，設(shè)計和制作智慧圖書館的功能和個性化服務(wù)，主要實現(xiàn)了圖書自助借還、圖書智能上架、圖書智能盤點、圖書信息管理等功能，同時完成了相關(guān)硬件系統(tǒng)的樣機研制，包括標(biāo)簽轉(zhuǎn)換裝置、館員工作站、室內(nèi)自助借還機、RFID手持盤點系統(tǒng)、智能盤點推車系統(tǒng)、安全門禁系統(tǒng)等。

　　4 基于超高頻RFID智慧圖書館的實現(xiàn)

　　4.1 前期準(zhǔn)備

　　南京大學(xué)仙林校區(qū)圖書館占地面積比較大，一下子全部鋪開實行RFID的成本和代價太大，所以以相對比較獨立的外文閱覽區(qū)為試點進行超高頻RFID智慧圖書館的建設(shè)。前期主要設(shè)計RFID智慧圖書館的工作模式，工作設(shè)備的定制，盤點機器人的設(shè)計和定制等工作。

　　目前做好的有標(biāo)簽轉(zhuǎn)換裝置、館員工作站、室內(nèi)自助借還機、RFID手持盤點系統(tǒng)、智能盤點推車系統(tǒng)、安全門禁系統(tǒng)、體感走廊模擬區(qū)、智能發(fā)布和讀卡終端等。

　　4.2 RFID智慧圖書館功能設(shè)計

　　　　在這些功能中，最有特色的就是智能盤點機器人、感知走廊、個性化服務(wù)的顯示終端。

　　4.3 超高頻RFID智慧圖書館的各部分設(shè)計

　　本次設(shè)計，使用RFID標(biāo)簽實現(xiàn)對圖書的智能管理，系統(tǒng)以兩類用戶(圖書館工作人員與讀者)為基礎(chǔ)分類兩個平臺如圖3所示。其中圖書館RFID管理平臺面向圖書館工作人員，實現(xiàn)標(biāo)簽轉(zhuǎn)換、盤點、順架、上架、倒架、剔舊、查詢統(tǒng)計、數(shù)據(jù)維護以及RFID設(shè)備監(jiān)控等日常管理工作;圖書館RFID應(yīng)用平臺則面向讀者，實現(xiàn)圖書自助借還、圖書查詢、定位、圖書網(wǎng)上查詢預(yù)約等功能。

　　4.3.1 圖書自助借還

　　RFID標(biāo)簽可以遠(yuǎn)距離閱讀，可以同時對多個標(biāo)簽進行閱讀。在自助借還時讀者可以一次將多本圖書放在借書臺上進行借還操作。將圖書識別和防盜功能都集成在RFID標(biāo)簽中，可以實現(xiàn)同步將圖書借還與否的寫在標(biāo)簽里，方便了讀者借還書操作。

　　4.3.2 圖書定位

　　在南京大學(xué)杜廈圖書館試點區(qū)的書架上，將每一個書架的每一層進行編號并分配一個RFID標(biāo)簽。在進行圖書上架時先用閱讀器掃描書架標(biāo)簽，然后再掃描需要放在該層的圖書，這樣就使書架與圖書擁有了一個對應(yīng)關(guān)系，再通過將書架位置與地圖信息進行整理，讀者可以在查詢圖書時得到該圖書在圖書館中的具體位置，如圖4所示。圖書與書架之間的強關(guān)聯(lián)性天然地削弱了圖書索引號之間的關(guān)系，可以按照圖書的借閱熱度形成一個熱門借閱區(qū)。

　　4.3.3 圖書盤點

　　圖書盤點是圖書館排架整理圖書的重要環(huán)節(jié)。管理員可以使用智能圖書盤點車或者手持終端在書架上進行掃描，掃描過程中遇到不應(yīng)在本書架即錯架現(xiàn)象時，盤點設(shè)備會自動提示該錯誤。幫助工作人員將圖書進行正確的歸架。在盤點結(jié)束后還會對圖書館的藏書情況進行統(tǒng)計，對遺失圖書進行顯示。實際應(yīng)用中手持盤點儀等設(shè)備弊端很多。在南京大學(xué)杜廈圖書館中，我們采用了具有知識產(chǎn)權(quán)的國際首例圖書館盤點機器人，它精度高，弊端少，已經(jīng)成功使用。在《基于超高頻RFID的圖書盤點機器人的設(shè)計和實現(xiàn)》[14]中有詳述。

　　4.3.4 智能書架應(yīng)用

　　除了在圖書上架時利用盤點車或手持終端將圖書與書架關(guān)聯(lián)之外，我們還可以使用智能書架來實現(xiàn)圖書的實時定位。每個智能書架中有多個RFID天線，每隔指定時間，書架上的天線都會對整個書架中的圖書進行掃描，該掃描可以得到當(dāng)前在書架上的圖書的所有信息。如在閱讀區(qū)使用，這種書架可以對不在書架上的圖書進行記錄，并分析出每本圖書的受歡迎程度。如在整個圖書館中進行大規(guī)模的使用，圖書館可以實時的獲取當(dāng)前每一本圖書所處的書架，實現(xiàn)圖書的實時定位，對圖書遺失的時間判斷也更為精確。

　　在智能圖書館中提供基于位置的服務(wù)是非常重要的，將要上架的圖書經(jīng)過小推車上的RFID閱讀器掃描之后，放在小推車上。然后系統(tǒng)會根據(jù)小推車上所有的圖書所應(yīng)上架的位置，尋找一個最優(yōu)的上架次序，在地圖上畫出一條最優(yōu)路徑，顯示在顯示器上。管理員推著小推車沿著地圖上指示的路徑行走，在行走的過程中，利用小推車上的RFID閱讀器以及書架上粘貼的RFID標(biāo)簽，可以實時地對小推車進行定位并顯示在地圖上。部署在書架上的錨標(biāo)簽一般都分布得比較稀疏，閱讀器每次讀到的標(biāo)簽個數(shù)會比較少。需要研究在每次讀到的錨標(biāo)簽數(shù)目較少的情況下，如何對閱讀器進行精確地定位。

　　4.3.5 讀者自助查詢終端

　　這個部分是實驗和測試階段，目的是給每個讀者分配一個RFID標(biāo)簽，和讀者信息關(guān)聯(lián)，讀者在閱讀器前刷一下借書證或一卡通，屏幕上即可顯示“我的圖書館”基本信息，還提供預(yù)約、續(xù)借等基本功能。這比上圖書館主頁，登錄我的圖書館模塊要方便和快捷，當(dāng)然這只限于在館內(nèi)的讀者。

　　臺灣淡江大學(xué)圖書館引進了RFID智慧自助預(yù)約取書系統(tǒng)，只要用學(xué)生證感應(yīng)，就會顯示書的所在位置，可以輕松取書。讀者在預(yù)約書區(qū)可隨意瀏覽架上圖書，也可利用查詢機找書與辦理預(yù)約，智慧書架可接收讀者傳送的預(yù)約書信息，以不同顏色燈號顯示并提示讀者預(yù)約書所在的架位，而讀者自書架上取書后，僅有預(yù)約者本人可將書借出，以免影響預(yù)約者權(quán)益[15]。這個功能在接下來的建設(shè)中會學(xué)習(xí)和跟進。

　　4.3.6 感知走廊

　　這個想法是受臺灣大學(xué)圖書館RFID應(yīng)用中體感走廊的啟發(fā)，體感走廊是當(dāng)讀者走過一個通向圖書館的通道時，設(shè)置在通道兩旁的RFID閱讀器讀取讀者證上的RFID標(biāo)簽，在屏幕上或電子墻體上顯示讀者和圖書館之間的交互信息：比如超期提醒、預(yù)約到書、書目推薦等應(yīng)用，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)給讀者推薦圖書館新進的圖書期刊或電子資源。在本次實踐中，限于條件只能用兩個屏幕相對，模擬這個應(yīng)用。在以后有條件的情況下，再著重建設(shè)這個部分。

　　4.3.7 RFID安全考慮

　　圖書館采用超高頻RFID技術(shù)，RFID標(biāo)簽片上資源有限，未授權(quán)或者非法閱讀器會對圖書標(biāo)簽進行識別和篡改，給圖書館帶來安全問題。為了系統(tǒng)的安全性，首先設(shè)計輕量級安全加密算法，防止標(biāo)簽信息篡改，保護讀者的隱私，降低圖書館的安全風(fēng)險;然后利用手機或其他移動終端作為干擾器，識別并干擾非法閱讀器，從而實現(xiàn)反跟蹤的目標(biāo)。

　　4.3.8 安全門禁的應(yīng)用

　　現(xiàn)有門禁系統(tǒng)，通過設(shè)立門禁閘機來防盜檢測逐個通過閘機的借閱人員，效率低下。因此，設(shè)計更加人性化的開放式門禁系統(tǒng)。主要分為三個步驟：1、實現(xiàn)射頻信號的柵欄覆蓋，從而實現(xiàn)隱蔽、無形和開放的門禁;2、精確定位，辨別在圖書館出口處，每個讀者的位置;3、對讀者借閱行為進行識別，區(qū)分讀者的進入、離開與徘徊，從而只對離開讀者進行防盜檢測。為了降低安全門禁的漏讀率，對門禁天線的數(shù)量和排列進行優(yōu)化，并對閱讀器的發(fā)射功率進行調(diào)整，獲取最優(yōu)的讀取效果。

　　4.4 系統(tǒng)實現(xiàn)效果

　　本次的超高頻RFID智慧圖書館建設(shè)，以南京大學(xué)杜廈圖書館外文閱覽區(qū)為試點進行了實踐。這個區(qū)相對獨立，能夠進行完整的試驗。目前正在逐步將9萬冊外文圖書全部替換為RFID標(biāo)簽。館員工作站、讀者終端、安全門禁、自助借還設(shè)備、標(biāo)簽轉(zhuǎn)換設(shè)備、自動盤點機器人等已經(jīng)上線。測試的過程中，得出一些應(yīng)用效果：1)應(yīng)用RFID自動辨識館藏管理系統(tǒng)，以RFID卷標(biāo)取代條形碼及詞條，把數(shù)據(jù)讀取與防盜功能結(jié)合在一起，借還書可免除消磁與充磁的工作，簡化借還書作業(yè)。2)RFID卷標(biāo)依靠無線電波傳遞信號，不需要將書本從書架上取下，而且可一次讀取數(shù)個RFID卷標(biāo)數(shù)據(jù)，進而簡化盤點工作，加速盤點作業(yè)。3)利用RFID標(biāo)簽的無線電波感應(yīng)，讓圖書協(xié)助尋找工作變得較為容易、快速，可以輕易搜尋出不在架上或歸錯架位的圖書。4)使用自助借還書機，讀者可自行辦理圖書借閱與歸還，節(jié)省排隊等候的時間。此外自助借還書機還可節(jié)省人力管理的成本，延長圖書館開放時間，方便讀者借閱書籍。5)提高了圖書館人性化服務(wù)水平。降低了圖書館管理人員的勞動強度。6)第二代自動盤點機器人能將工作人員從繁重的盤點工作中解放出來。

　　5 結(jié)語

　　應(yīng)用RFID技術(shù)的圖書館越來越多，不管是選擇高頻RFID還是超高頻RFID技術(shù)，這些圖書館在應(yīng)用RFID構(gòu)建智慧圖書館的過程中都出現(xiàn)了各種不足或者說是弊端。南京大學(xué)圖書館聯(lián)合計算機科學(xué)系陳力軍教授團隊，依托他們研究團隊對超高頻RFID十多年的研究和專利技術(shù)，對應(yīng)用RFID的圖書館進行統(tǒng)計和分析，找出這些館應(yīng)用RFID的不足之處，進行了研究，解決了絕大部分存在的問題。南京大學(xué)圖書館應(yīng)用超高頻RFID技術(shù)構(gòu)建智慧圖書館，取得了一定的實踐效果和社會效應(yīng)，以期給同行的建設(shè)提供借鑒。