CN109190426A - 一种基于rfid的图书自动检测和定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于RFID的图书自动检测和定位方法，属于基于RFID的图书自动检测和定位方法技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种基于RFID的图书自动检测和定位方法；解决该技术问题采用的技术方案为：包括一个阅读器，所述阅读器可以在预设的导轨上进行移动，所述阅读器上设置有感应天线，感应天线可以对书架上的图书进行连续稳定的扫描，所述阅读器内部设置有数据存储器，可对扫描的书架号及图书数量进行存储；所述每本图书的内部都设置有一个RFID标签，所述RFID标签中记录着该本图书的位置信息和内容信息；本发明应用于图书管理场所。

Description

一种基于RFID的图书自动检测和定位方法

技术领域

本发明一种基于RFID的图书自动检测和定位方法，属于基于RFID的图书自动检测和定位方法技术领域。

背景技术

无线射频识别(RFID)是一种非接触式的自动识别技术，可以通过无线信号获取标签数据并识别物体，由于其识别速度快、存储容量大、成本低等优点，已经被广泛应用于物流、仓储等领域，近年来，RFID技术也越来越多地被应用在图书管理中。

传统图书馆中需要人工逐本对图书进行检查确认，工作量非常大，而采用RFID书架扫描技术可以给图书管理工作带来极大的便利，书架扫描是图书馆库存管理中最重要的过程之一，通过扫描书架，可以帮助图书管理员发现缺失、误放的书籍，从而减少管理员的工作量。

图书馆现有的RFID应用主要有移动便携式手持阅读器以及智能书架，这些RFID解决方案可以极大地提高扫描效率并减少人工劳动，但是还不够完善；首先，手持阅读器仍然需要图书管理员手动移动，以便使书架上的每本书都录入系统中，这样人工扫描图书会浪费大量的时间和劳动力；其次，如果图书馆想要部署智能书架，会破坏原有的基础设施以及复杂的部署系统，成本会很高，这对图书馆的智能化改造来说是很大的障碍；因此，需要发明一种准确、自动化、低成本的图书扫描系统。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于RFID的图书自动检测和定位方法；为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于RFID的图书自动检测和定位方法，包括一个阅读器，所述阅读器可以在预设的导轨上进行移动，所述阅读器上设置有感应天线，感应天线可以对书架上的图书进行连续稳定的扫描，所述阅读器内部设置有数据存储器，可对扫描的书架号及图书数量进行存储；

所述每本图书的内部都设置有一个RFID标签，所述RFID标签中记录着该本图书的位置信息和内容信息；

一种基于RFID的图书自动检测和定位方法，具体包括如下步骤：

步骤一：对误放图书进行检测；

所述阅读器对每个RFID标签的射频相位值进行采集，去除相位曲线的周期性，将间断的曲线组合为连续的超级V区，并通过超级V区的出现顺序来判断RFID标签的相对顺序；

1.1：所述阅读器测量的RFID标签射频相位值的计算公式为：

μ＝θ_TX+θ_RX+θ_TAG；

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，μ表示其他影响因素；

其中θ_TX，θ_RX，θ_TAG分别为阅读器发送电路，阅读器接收电路，以及标签反射系数造成的相位误差；

1.2：所述阅读器连续扫描一组标签，对于每个标签，阅读器读取各个时间所对应的相位值，从而形成相位曲线；

1.3：针对某一标签，当阅读器沿着X轴移动时，在天线最接近标签的位置反映在相位曲线上产生一个最小值，将该最小值区域确定为V区；随着天线沿书架移动的过程中，每个标签的相位曲线也先后出现V区，通过V区出现的先后顺序来判断对应书籍的相对顺序；

1.4：进行周期补偿：

相位θ每发生一个从0到2π的跳变，就将之后的相位值都减去2π，相位θ每发生一个从2π到0的跳变，就将之后的相位值都加上2π，并将V区和V区以外的曲线拟合成一个连续的曲线，并形成一个超级V区；

由标签V区出现的先后顺序得出书籍在书架上的顺序，并将该顺序与后台数据库相对比找出误放的书籍；

步骤二：对平放书籍进行检测；

平放书和竖放书之间姿势存在差异，结合阅读器的读取周期、读取次数和RSSI曲线曲率三个指标来区分平放书和竖放书；

2.1：读取阅读周期和阅读次数；

设定读取周期为P，即标签处在被读取状态下所持续的时间，所述P值等于标签最后一次被读取的时刻减去第一次被读取的时刻；

设定读取次数为N，即在阅读器一次扫描完成后该标签被读取到的总次数，所述N的初始值设置为0，标签每被读取到一次，N的值加1；

设定平放标签为m1，竖放标签为m2；

根据判断，平放标签m1的读取范围大于竖放标签m2，所以读取周期P和读取次数N值都是m1比m2大，在每个书架被扫描完成后，根据标签的读取周期和读取次数即可判断书是横放或竖放；

2.2：检测RSSI曲线的曲率；

RSSI即接收信号强度指示，具体体现为标签反射信号的信号强度，该值由信号功率来衡量，该接收到的信号功率计算公式为：

其中：G为阅读器的天线增益，d为阅读器和标签之间的距离；

当阅读器天线到达最接近标签的位置时，阅读器接收到的标签反射信号功率达到最大值，此时d值最小，RSSI曲线也达到峰值；

然后根据标签偏离波束轴的角度判断标签下降功率快慢，得出平放标签m1与竖放标签m2的曲线峰值处曲率大小，并在阅读器中预设一个曲率阈值，与上述标签曲率进行对比，当曲率小于该阈值认定为平放标签，大于该阈值认定为竖放标签；

2.3：将阅读周期、阅读次数、RSSI曲线曲率指标进行合成；

为克服信号干扰和计算读取延迟，将上述三个判断指标合起来使用，形成一个特征矢量,利用SVM分类算法来区分平放书籍和竖放书籍；

步骤三：对误放书籍和平放书籍进行定位；

对步骤1.4中得出的超级V区模拟为双曲线，经过曲线拟合，根据双曲线系数推导出标签位置；

3.1：设天线在每一排书架的起始处为原点，在平行于书架的平面建立坐标系，天线沿X轴移动的速度为v；

设书架层与层之间的高度为h，天线沿y轴每升高一层书架，天线的高度增加h，阅读器用来记录天线升高的层数n；

设某一标签的坐标位置为(a,b)，在t时刻天线的位置为(vt，nh)，则在t时刻标签和天线距离d的计算公式为：

相位经过周期补偿后，将d值代入上式可得：

式中λ、v、μ是已知的常数，t和θ为变量；

上式经过变换可得：

上式为双曲线的函数形式，利用双曲线模型进行拟合，最后得出a和b的值，从而确定标签的位置。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明设计了一种基于RFID技术的自动扫描书架系统，结合了RFID识别技术和机器人技术，通过机器人辅助RFID阅读器的移动，对书架进行逐层扫描，根据其预设的距离、角度计算方法，找到误放书籍和平放书籍，并对这些书籍进行定位，便于图书管理员的整理。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为通过波束角检测平放书籍的原理图；

图2为通过波束轴检测平放书籍的原理图；

图3为定位误放书籍与平放书籍的原理图。

具体实施方式

本发明提供的阅读器可以安装在专用机器人中，并在机器人表面设置天线，所述机器人能够通过磁性导航功能沿着书架路径行走，可方便RFID阅读器连续稳定地扫描书架上的图书；所述天线还可以固定在机器人的手臂上，能够纵向移动以扫描书架的每一层，机器人在移动过程中随时记录当前扫描的书架号及书架的层号，并存入数据存储模块。

本发明提供的图书姿势检测与定位方法，实质上是通过阅读器与标签之间的信号收发来分析判断的，具体操作如下：

步骤一：检测误放图书；

该步骤主要是使用所述阅读器收集每个RFID标签的射频相位值，然后去除相位曲线的周期性，将间断的曲线组合成连续的超级V区，并通过超级V区的出现顺序来判断标签的相对顺序；

所述阅读器测量的RFID标签相位值为：

μ＝θ_TX+θ_RX+θ_TAG；

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，μ表示其他影响因素；

其中θ_TX，θ_RX，θ_TAG分别为阅读器发送电路，阅读器接收电路，以及标签反射系数造成的相位误差。

所述阅读器连续扫描一组标签，对于每个标签，阅读器读取各个时间所对应的相位值，从而形成相位曲线；

针对某一标签，当阅读器沿着X轴移动时，阅读器和这个标签之间的距离d减小，随即相位值也相应减小，直到阅读器天线到达最靠近标签的点时，相位值停止减小并开始增加，因此在天线最接近标签的位置反映在相位曲线上会产生一个最小值，将该最小值区域确定为V区；随着天线沿书架从左到右移动的过程中，每个标签的相位曲线也先后出现V区，通过V区出现的先后顺序判断对应书籍的相对顺序；

由于相位θ在(0,2π)间周期性地重复，当它下降到0时，在下一时刻会突然跳到2π，但这一跳变会对利用整个相位信号的数据产生障碍，因此需要去除相位曲线的周期性，解决办法就是进行周期补偿：具体操作为：每发生一个从0到2π的跳变，就将之后的相位值都减去2π，每发生一个从2π到0的跳变，就将之后的相位值都加上2π，这样就将V区和V区以外的曲线拟合成一个连续的曲线，并形成一个超级V区；

所述超级V区出现顺序和V区是一样的，因此周期补偿后不会影响对标签相对顺序的判断；

由标签V区出现的先后顺序得出书籍在书架上的顺序，将此顺序与后台数据库相对比找出误放的书籍。

步骤二：检测平放书籍；

有些读者有时会胡乱地将书平放在其他竖放书籍上方，这就需要管理员依次检查每个书架，找出这些平放书籍并将其归位，这既耗时又费力。

该步骤主要是结合阅读器的读取周期、读取次数和RSSI倒V区的曲率，结合这三个指标来区分竖放书籍和平放书籍。

所述天线是定向天线，由于定向天线优先在特定方向上辐射更大的功率以提高性能，它所覆盖的区域是以度数测量的，即波束角度，如图1所示，在波束角外几乎没有功率；因此，只有当标签位于波束角内时，它才有机会被读取。

由于平放的书和竖放书之间的姿势存在差异，所以平放标签和竖放标签的阅读周期、阅读次数、以及RSSI曲线的曲率也会有差异。

读取阅读周期和阅读次数；

设定读取周期为P，即标签处在被读取状态下所持续的时间，所述P值等于标签最后一次被读取的时刻减去第一次被读取的时刻；

设定读取次数为N，即在阅读器一次扫描完成后该标签被读取到的总次数，所述N的初始值设置为0，标签每被读取到一次，N的值加1；

如图1所示，由于平放标签m1的读取范围大于竖放标签m2，所以读取周期P和读取次数N值都是m1比m2大；因此，在每个货架被扫描完成后，可以根据标签的读取周期和读取次数即可判断书是否被竖立放置。

检测RSSI倒V区的曲率：

所述接收信号强度指示(RSSI)即标签反射信号的信号强度，该值可用信号功率来衡量，接收到的信号功率为：

其中：G为阅读器的天线增益，d为阅读器和标签之间的距离；

由上式可知，当阅读器天线到达最接近标签的位置时，阅读器接收到的标签反射的信号功率达到最大值，这是因为d值在此时为最小值；另一方面，由于定向天线的辐射模式，沿着其最优选方向的增益比其他方向大，越远离优选方向，增益越小，当达到最大辐射功率的位置处则称为波束轴处，当天线移动到该点时，标签就正好位于其波束轴处，使G值达到最大值，从而RSSI曲线也达到峰值，峰值区域称为倒V区；

如图2所示，接下来观察转折点周围的功率变化；

假设天线从A点开始沿着X轴移动Δa距离到达B点，平放标签偏离波束轴的角度为β₁，竖放标签偏离β₂；

由于这两个标签的姿势不同，β₁小于β₂，即平放标签m1的功率下降比m2慢，因此m1的RSSI曲线峰值处的曲率比m2小；

所以利用RSSI曲线倒V区的变化率来分辨平放书籍与竖放书籍，并可以设置一个曲率阈值，当曲率小于该阈值则被认为是平放标签，大于该阈值时被认为是竖放标签。

在无线通信中，多径效应可能会造成信号干扰，导致识别结果出错，而且由于C1G2协议使用帧时隙ALOHA算法，可能会造成一定的时延；由于识别过程中包含许多帧，平放标签可能会在最后几帧中的某一个帧中回应，导致标签第一次被移动阅读器读取的时间会有延迟；因此，仅使用读取周期或读取次数可能会使书籍平放或竖放产生误判，为了提高判断的准确率，可以将上述三个判断指标合起来使用，形成一个特征矢量,并利用SVM分类算法来区分平放书籍和竖放书籍。

步骤三：对误放书籍和平放书籍的定位；

该步骤主要是通过一系列公式转换以及对所有射频相位的利用，从理论上将超级V区模拟为双曲线，经过曲线拟合，根据双曲线系数推导出标签位置。

如图3所示，具体操作时，设天线在每一排书架的起始处为原点，在平行于书架的平面建立坐标系，天线沿X轴移动速度为v；

设书架层与层之间的高度为h，天线沿y轴每升高一层书架，天线的高度增加h，机器人可以记录天线升高的层数n。

设某一标签的位置为(a,b)，在t时刻天线的位置为(vt，nh)，在t时刻标签和天线的距离d为：

相位经过周期补偿后，将d值代入上式可得：

上式中λ、v、μ是已知的常数，t和θ为变量；

上式经过变换可得：

上式为双曲线的函数形式，利用双曲线模型进行拟合，最后得出a和b的值，从而确定标签的位置；a越小，表明这本书的位置越靠前，b越小，表明该书所在的层数越靠下。

由此方法即可得出误放书籍和平放书籍的位置，便于管理人员进行整理。

使用本方法对具体书架进行检测定位时，可以将自动扫描书架系统部署在图书馆的1号书架前，该书架一共有三层，每层有50本书籍。在每一本书上贴一个RFID标签，并随机的从中挑选十本书放到错误的位置，挑选五本书水平放置在书架上。经过五十次实验，得出结论：自动扫描书架系统对误放书籍的检测率达到了90％，对平放书籍的检测率达到了94％，对误放和平放书籍的定位准确率达到了91％，因此该方法具有较强的可实施性和有效性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种基于RFID的图书自动检测和定位方法，其特征在于：包括一个阅读器，所述阅读器可以在预设的导轨上进行移动，所述阅读器上设置有感应天线，感应天线可以对书架上的图书进行连续稳定的扫描，所述阅读器内部设置有数据存储器，可对扫描的书架号及图书数量进行存储；

所述每本图书的内部都设置有一个RFID标签，所述RFID标签中记录着该本图书的位置信息和内容信息；

一种基于RFID的图书自动检测和定位方法，具体包括如下步骤：

步骤一：对误放图书进行检测；

所述阅读器对每个RFID标签的射频相位值进行采集，去除相位曲线的周期性，将间断的曲线组合为连续的超级V区，并通过超级V区的出现顺序来判断RFID标签的相对顺序；

1.1：所述阅读器测量的RFID标签射频相位值的计算公式为：

μ＝θ_TX+θ_RX+θ_TAG；

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，μ表示其他影响因素；

其中θ_TX，θ_RX，θ_TAG分别为阅读器发送电路，阅读器接收电路，以及标签反射系数造成的相位误差；

1.2：所述阅读器连续扫描一组标签，对于每个标签，阅读器读取各个时间所对应的相位值，从而形成相位曲线；

1.3：针对某一标签，当阅读器沿着X轴移动时，在天线最接近标签的位置反映在相位曲线上产生一个最小值，将该最小值区域确定为V区；随着天线沿书架移动的过程中，每个标签的相位曲线也先后出现V区，通过V区出现的先后顺序来判断对应书籍的相对顺序；

1.4：进行周期补偿：

相位θ每发生一个从0到2π的跳变，就将之后的相位值都减去2π，相位θ每发生一个从2π到0的跳变，就将之后的相位值都加上2π，并将V区和V区以外的曲线拟合成一个连续的曲线，并形成一个超级V区；

由标签V区出现的先后顺序得出书籍在书架上的顺序，并将该顺序与后台数据库相对比找出误放的书籍；

步骤二：对平放书籍进行检测；

平放书和竖放书之间姿势存在差异，结合阅读器的读取周期、读取次数和RSSI曲线曲率三个指标来区分平放书和竖放书；

2.1：读取阅读周期和阅读次数；

设定读取周期为P，即标签处在被读取状态下所持续的时间，所述P值等于标签最后一次被读取的时刻减去第一次被读取的时刻；

设定读取次数为N，即在阅读器一次扫描完成后该标签被读取到的总次数，所述N的初始值设置为0，标签每被读取到一次，N的值加1；

设定平放标签为m1，竖放标签为m2；

根据判断，平放标签m1的读取范围大于竖放标签m2，所以读取周期P和读取次数N值都是m1比m2大，在每个书架被扫描完成后，根据标签的读取周期和读取次数即可判断书是横放或竖放；

2.2：检测RSSI曲线的曲率；

RSSI即接收信号强度指示，具体体现为标签反射信号的信号强度，该值由信号功率来衡量，该接收到的信号功率计算公式为：

其中：G为阅读器的天线增益，d为阅读器和标签之间的距离；

当阅读器天线到达最接近标签的位置时，阅读器接收到的标签反射信号功率达到最大值，此时d值最小，RSSI曲线也达到峰值；

然后根据标签偏离波束轴的角度判断标签下降功率快慢，得出平放标签m1与竖放标签m2的曲线峰值处曲率大小，并在阅读器中预设一个曲率阈值，与上述标签曲率进行对比，当曲率小于该阈值认定为平放标签，大于该阈值认定为竖放标签；

2.3：将阅读周期、阅读次数、RSSI曲线曲率指标进行合成；

为克服信号干扰和计算读取延迟，将上述三个判断指标合起来使用，形成一个特征矢量,利用SVM分类算法来区分平放书籍和竖放书籍；

步骤三：对误放书籍和平放书籍进行定位；

对步骤1.4中得出的超级V区模拟为双曲线，经过曲线拟合，根据双曲线系数推导出标签位置；

3.1：设天线在每一排书架的起始处为原点，在平行于书架的平面建立坐标系，天线沿X轴移动的速度为v；

设书架层与层之间的高度为h，天线沿y轴每升高一层书架，天线的高度增加h，阅读器用来记录天线升高的层数n；

设某一标签的坐标位置为(a,b)，在t时刻天线的位置为(vt，nh)，则在t时刻标签和天线距离d的计算公式为：

相位经过周期补偿后，将d值代入上式可得：

式中λ、v、μ是已知的常数，t和θ为变量；

上式经过变换可得：

上式为双曲线的函数形式，利用双曲线模型进行拟合，最后得出a和b的值，从而确定标签的位置。