一种基于超高频RFID技术的自动化图书盘点方法与流程

本发明涉及一种rfid技术领域，特别是一种基于超高频rfid技术的自动化图书盘点方法。

背景技术：

无线射频识别(rfid,radiofrequencyidentification)是一种非接触式的自动识别技术，通过无线信号获取标签数据并识别物体。此技术无需识别设备与特定目标之间建立机械或光学接触，主要分为高频和超高频两种技术。rfid技术具有识别速度快、数据存储容量大、安全性高等优点，已经广泛应用于仓储管理、物流等服务行业，如今其在图书馆的应用也逐渐流行起来。rfid技术给图书馆带来了革命性的变化，诸如自助借还机、rfid智能推车等，极大的提高了图书借还、管理等方面的效率。其中图书定位功能十分重要，rfid技术的引进给图书馆盘点带来了极大的便利，能快速而准确的判断出每本图书的位置，无需人工逐本图书的确认，大大减轻了图书馆馆员的负担。

传统图书馆使用的条形码技术具有很大的缺陷：1、视距通信，条形码大都基于激光通信，需要人工翻开书本，将激光枪对准条形码才能获取图书的信息，效率低下；2、无法批量读取，条码每次只能读取一本图书，无法进行批量读取。rfid虽然能很好的解决上述条形码的问题，但是仍然存在以下缺点：rfid信号不稳定，易受环境的干扰以及多径效应的影响，并且在扫描图书标签时存在严重的漏读多读现象。如何解决此问题，完成图书的精确定位是一大难题。我们利用标签的相位信号，创造性的采用双曲线模型拟合数据，将标签的漏读率降低到最小程度的同时，很好地解决了多读的问题，完成了图书的精确定位。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于超高频rfid技术的自动化图书盘点方法，利用rfid技术中的射频相位对图书馆的图书进行定位，解决漏读多读问题，识别丢失以及错架的图书，并且更进一步地确定每本图书在书架每一层的相对位置顺序。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于rfid技术中射频相位的图书盘点方法，包括：基于扫描的标签id号确认丢失的图书。利用双曲线模型对图书标签的射频相位进行曲线拟合，根据拟合曲线的系数确定图书所在的书架号和层号，解决多读问题，判断错架的图书。利用拟合曲线的系数对同一书架同一层的图书进行相对位置的排序，具体步骤如下：

步骤1，使用rfid设备逐书架逐层扫描所有内嵌rfid标签的图书，读取的标签数据包括标签的id号id、信号的采集时间t以及t时刻对应的标签信号的相位θ，结合扫描到标签时rfid设备所在的书架号s和层号l，使用五元组表示一组标签数据：tag＝<id，t，θ，s，l>；

步骤2，统计所有读取到的标签数据的id号，判断图书馆丢失的图书；

步骤3，对采集的标签数据进行处理，包括排序、周期补偿以及数据平滑，得到离散的采样点；

步骤4，对图书标签数据的相位信号进行双曲线拟合，建立模型，根据模型的系数判断图书在书架的位置，包括图书所在的书架号、层号以及图书在书架每层的相对位置顺序，并判断出错架的图书。

其中，步骤2包括：

步骤2-1，从标签的id号中提取图书的id号，到后台数据库中查找图书的信息；rfid设备与后台数据库进行数据连接，后台数据库不是本发明内容，包含了图书馆所有图书的信息以及是否在馆是否外借情况。

步骤2-2，通过对比数据库中未借图书的信息和扫描到的图书信息，找出丢失的图书。

其中，步骤3包括：

步骤3-1，将具有相同id号的标签数据划分为一类，再对每个标签，根据五元组tag＝<id，t，θ，s，l>的书架号s和层号l进行分类，对每类中的所有标签数据根据时间t的值从小到大进行排序，得到具有2π的周期性跳变相位信号数据；

步骤3-2，对于每个标签的每类数据，在相位信号数据发生跳变处，执行减2π的周期补偿，去除相位信号数据的周期性，将所有数据合并成非跳变的数据；

步骤3-3，对相位信号数据进行平滑处理：对第k个数据点的相位θk，执行以下处理得到处理后的相位θk'：

其中m为每个数据点相邻时间的被用于平滑处理的数据的个数，i取值范围k-m到k+m，θi表示第i个数据点的相位。

4、其中，步骤4包括：

步骤4-1，使用双曲线对每本图书的每类的数据进行拟合，构建在同一坐标系中的依次排序的代表图书相对位置的半双曲线模型为：

其中，θ和t为变量，分别表示相位值和时间，λ表示波长，v表示rfid天线扫描的速度，根据函数的系数计算出a，b和δ的值，表示书架长度，与每个图书馆的书架长度有关，0≤b≤3，0≤δ≤2π；

双曲线模型中的系数b值用于确定图书目前所在位置，b越小代表rfid设备的天线距离图书的位置越近；

双曲线模型中的系数a值用于对同一书架同一层所有图书相对位置的排序，a越小代表图书被天线按时间扫描到的位置相对靠前。

有益效果：通过本方法可以实现图书在书架中的精确定位，解决漏读多读问题，查找丢失以及错架的图书，并对同一层的图书实现相对位置的排序，提高图书盘点的精确度和效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是rfid天线相位信号值随时间变化图。

图2是rfid天线相位信号值进行周期补偿后的随时间变化图。

图3是扫描时天线与标签距离的关系示意图。

图4是rfid设备扫描全馆图书的过程示意图。

图5是实施例的流程图。

具体实施方式

实施例1

rfid阅读器产生电磁波通过天线传递给rfid标签，rfid标签反射的电磁波包括相位信号，此相位信号与时间的关系符合如下公式：

其中θ表示相位，λ表示波长，d表示天线与标签之间的距离，δ表示其他影响因素。从此公式可以看出，相位信号具有周期性模2π的跳变。在此实施例中，由于天线平行于书架匀速移动，所有天线与标签之间的距离几乎成线性关系，实验证明，相位值与时间具有如图1所示的变化规律：相位值随时间的增长周期性先变大后变小。

在图书馆场景中，由于图书数量众多，天线会同时扫描到多本图书。特别是在快速扫描的情况下，例如本实施例采用0.2m/s的速度移动天线，阅读器需要在其覆盖范围内同时询问近百个标签，每个标签只能获得几个机会来响应阅读器，所以每个标签的信号样本可能很稀疏。这种稀疏采样使得相位曲线仅包含少量的一部分。此外，如果仅采用曲线连续的一段部分，许多有用的数据就会被放弃，这些都会降低定位精度。相邻数据之间突然的跳变是使用整个相位信号数据的主要障碍。鉴于此，我们去除相位轮廓的周期性，在数据发生跳变时执行减2π的周期补偿，将所有数据合并成非跳变数据。我们将相位曲线中“^”型外的部分的数据均减2π，得到了如图2所示的曲线。这就将原本的相位曲线“拼接”为了一个新的大型的“^”型曲线，这是一段连续的先递增后递减的曲线轮廓。由于只是将部分相位的数据值同时减去一个常量，整体相位随距离的变化趋势未得到改变。

为了对相位信号进行模型拟合，在此先对一个图书标签进行分析。由于经过数据的周期补偿，我们忽略公式(1)中的模2π操作。如图3所示，单个标签与天线之间的距离关系表示如下：

其中，a表示标签在x轴方向距离原点的距离。b表示天线与书架的垂直距离，也就是说对于同一排书架，天线与此书架上所有图书之间的距离b相同。d表示图书标签与天线的实际距离值，随时间先变小后变大，v表示天线移动速度，t表示时间。

将公式(2)带入公式(1)中可得到

经过公式(3)的平移、乘除等转换后得到如下形式：

其中仅θ与t为变量，其他均为常量。对相位信号数据进行双曲线拟合，可以计算得到a，b和δ的值，表示书架长度，与每个图书馆的书架长度有关，此实施例为0.96m，0≤b≤3，0≤δ≤2π。通过对所有模型的a、b值的分析比较，可以实现对图书的精确定位，找出错架的图书。

本实施例在图书馆的扫描过程如图4所示。图书馆中的所有图书内都将粘贴rfid标签，每个标签都具有一个epc号，用于记录图书的信息。本实施例的标签epc号的规律设置如下：

0bcxxxxxxxxfffffffff

0：表示标签的类型为图书rfid标签

b：书的借出状态

0：表示未借出

1：表示借出

2：表示不准外借

c：表示图书编码的长度，本实施例设置为8比特

x：表示图书编码

f：根据rfid标签编码要求，不足双字节需要进行补零操作；

在后台数据库中以图书编码作为图书的id号，记录每本图书的信息，包括图书标题、作者、所在书架位置等。从标签的epc号中提取出图书编码，到后台数据库中可以查询出图书的相关信息。

本实施例利用携带rfid天线和阅读器的移动设备，从图书馆的一端，平行于书架以0.2m/s的速度匀速移动，移动设备距离书架约10cm的距离。扫描书架的顺序为a1正面书架层、b1正面书架层、b2正面书架层、a2正面书架层、a3正面书架层、b3正面书架层、b4正面书架层、a4正面书架层。当a书架和b书架的正面层扫描结束时，再按照类似的顺序，完成对a书架和b书架背面图书的扫描以及c书架和d书架的扫描。本实施例采用的扫描全馆图书的方法的重点在于一次扫描的单位为一层书架。每次采集图书标签时，将其标签信号数据记录下来的同时，在每个标签信号数据后面都要额外记录下此次天线所扫描的书架号和层号。

本实施例采用超高频rfid技术，将impinj阅读器的功率设置为28dbm。在此功率下，标签的漏读率相对较少，但是会有比较严重的多读现象。例如，在扫描a1正面层图书时，很可能会同时扫描到c3正面甚至背面层的图书，这给精确定位图书带来了很大的干扰。为了解决此问题，我们提出了采用双曲线模型拟合标签相位信号的方法。

本实施例的图书馆盘点流程如图5所示。

(1)使用rfid设备逐书架逐层扫描所有图书，每本图书内嵌rfid标签，读取的标签数据包括标签的id号id、信号的采集时间t以及t时刻对应的标签信号的相位θ。由于天线在扫描书架某层图书时，会同时扫描到其他层或者其他书架的图书。因此一本图书会在天线位于不同的位置处时均有数据记录，单靠rfid标签信号的信息无法对图书准确定位，这就需要额外记录rfid设备扫描标签时所在的书架号s和层号l。我们采用五元组表示一组标签数据：tag＝<id，t，θ，s，l>，表示天线位于书架s和书架的l层时，采集到了此标签的信号信息。

(2)完成对全馆图书的扫描后，统计采集到的所有标签的id号，到后台数据库查询出所有扫描到的图书信息。经过和数据库中馆藏图书的对比，除去借出的图书，找出丢失的图书。因为本实施例采用的阅读器的功率较大，所以图书的漏读率很小。经过实验研究，我们发现28dbm及以上的功率下的图书漏读率相似且最小。

(3)对采集的标签数据进行预处理，包括排序、周期补偿、数据平滑等步骤。将具有相同id号的标签数据归为一类，表示一本图书的所有信息。由于同一本图书可能在天线位于不同书架位置处时被扫描到，而位于不同位置处扫描到的图书标签信号的规律会表现的不同，需要区分开来。在划分好的每本图书的数据中，再按照标签信号信息后的书架号s和层号l进行分类，并对分类好的标签数据根据时间t的大小从小到大进行排序。

(4)按照时间大小排好序的相位信号数据具有2π的周期性跳变。为了提高模型的准确性和数据的利用率，在相位信号数据发生跳变处，执行减2π的周期补偿，去除相位信号数据的周期性，将所有数据合并成非跳变的数据，最终表现为一个大的“^”型曲线轮廓。另外，由于rfid信号的易受环境的影响而不稳定，加上图书馆具有大量的书架、墙壁、桌椅等障碍物，很容易发生多径效应，因此采集的数据中会产生噪音数据。为了减小噪音数据对模型拟合的影响，需要对相位信号数据进行平滑处理。对每个数据点的相位θk，将其转变为

其中m为每个数据点相邻时间的被用于平滑处理的数据的个数，本实施例采用m＝2，也就说每个数据点的相位值都改变为5的数据点的相位平均值。经过此处理后，噪音数据的相位值不会发生突变而影响了模型的精度。

(5)对于预处理好的数据，其不是连续的曲线，而是离散的采样点。通过理论分析研究，相位随时间的变化关系满足以下公式：

此公式符合双曲线的函数形式，所以我们使用双曲线模型对每本图书的不同书架号和层号的数据进行拟合。构建在同一坐标系中的依次排序的代表图书相对位置的半双曲线模型。其中，θ与t为变量，我们可以通过拟合出的双曲线模型，计算出a，b和δ的值。a表示标签在x轴方向距离原点的距离，即每层图书距离天线起始位置的水平距离，因此a越小，代表图书的位置相对靠前。b表示天线与书架的垂直距离，也就是说对于同一排书架，天线与此书架上所有图书之间的距离b相同。当一本图书有多个对应不同书架号和层号的双曲线模型时，可以根据b值的大小确定该图书的真实所在位置。即b越小，代表天线距离图书的位置越近。也就是说，拥有最小b值的拟合模型所代表的书架位置即为图书的真实位置。

(6)对每本图书，如果具有多个对应不同书架号和层号的双曲线模型，取b值最小的模型所代表的书架号和层号作为该图书的扫描位置。例如，如果一本图书拥有两个双曲线模型：a1正面书架层的扫描数据所拟合出的双曲线模型m1和c3背面书架层的扫描数据所拟合出的双曲线模型m2，如果m1的b值小于m2，则判断该本图书位于a1正面书架层。完成对所有图书的初步定位以后，对比它们在数据库中记录的原本所在的书架位置，找出错架的图书。

(7)对步骤(6)中完成初步定位的所有图书，比较同一书架同一层的图书模型的a值，a越小，表示图书的位置越靠前。例如，a1正面书架层拥有五本图书b1，b2，b3，b4，b5，其双曲线模型的a值分别为a1，a2，a3，a4，a5，而a1<a2<a3<a4<a5，因此可以判断这五本图书的位置顺序为b1<b2<b3<b4<b5。通过此方法可以得到书架每一层图书的相对位置排序，实现更细粒度的图书定位。

本发明提供了一种基于超高频rfid技术的自动化图书盘点方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。