（计算机系统结构专业论文）rfid信息化图书馆设备参数优化研究.pdf

1 一 ， 产 一 r e s e a r c ho fr f i di n f o r m a t i o n l i b r a r y e q u i p m e n t p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n c a n d i d a t e ：l iw 色i y r e s u p e r v i s o r ：p r o f l i uh o n g y i a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：c o m p u t e r a r c h i t e c t u r e d a t eo fs u b m i s s i o n ：a p r i l2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：j u n e2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y - ， k 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 上 作者( 签字) ：胁生 日期：卅口年多月，6 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：枷望 日期：少，o 年占月，乡日 导师c ：孙刚 ，o l o 年纠弓，二日 r f i d 信息化图书馆设各参数优化研究 摘要 随着r f i d 技术的广泛应用，r f i d 产业的快速发展，r f i d 以其免接触、 快识别、高寿命、大容量、高安全性等特点受到了广大图书馆用户的注意， 并被引入到图书的管理中，因此出现了r f i d 信息化图书馆。但r f i d 技术在 图书馆中的应用尚不成熟，其中存在的问题还有待解决。 本文针对其中一个较为基础的问题r f i d 标签可识别距离的不一致 性所引起的设备参数问题进行研究。在r f i d 信息化图书馆中，设备的工作 给标签提出了不同的参数要求，标签的不一致性放大了设备参数之间的矛盾， 对标签进行筛选可解决这一问题，但对标签的高要求导致生产成本增加，进 而带来设备采购成本的增加，严格的筛选使标签合格率降低，增加了设备生 产的成本，又形成新的问题。 通过分析两个问题相互之间的矛盾，找到了设备在由生产者出售图书馆 时，设备生产成本等于图书馆采购成本相等这一事实，将生产者和图书馆相 关联，形成数学模型。以寻求图书馆设备使用最高性价比为目的，生产者提 出的合格率和图书馆可接受的设备出现故障的概率作为约束条件，采用单点 变异进化算法进行求解，最终实现将问题解决，得到可供不同图书馆的选择 r f i d 设备的参数参考标准。 关键词：r f i d ；图书馆；可识别距离；故障；单点变异 哈尔滨t 稃大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n o fr f i d t e c h n o l o g y a n dt h e r a p i d d e v e l o p m e n to fr f i dm a n u f a c t u r i n g ，r f i d a sat e c h n o l o g yh a v i n gv a r i o u s - a d v a n t a g e ，s u c ha sc o n t a c t - f r e e ，f a s ti d e n t i f i c a t i o n ，h i g h l i f e ，l a r g ec a p a c i t y , h i g h s e c u f i t y h a sc a u s e dal o to fa t t e c t i o nt ol i b r a r i e s ，a n dh a sl e dt ot h ed e v e l o m e n to f i n f o r m a t i o n i z e dl i b r a r i e s h o w e v e r , al o to fp r o b l e m sh a v en o tw e l l s o l v e dy e t ， w h i c hs e n i o u s l yh a sa f f e c t e dt h ed e v e l o p m e n to fr f i di n f o r m a t i o n i z e dl i b r a r i e s t h i st h e s i ss t u d i e sam o r eb a s i cp r o b l e mi nan u m b e ro fp r o b l e m s ，t h a tr f i d t a g sc a nb ei d e n t i f i e df r o mt h ei n c o n s i s t e n c yp r o b l e mc a u s e db yd e v i c ep a r a m e t e r s i nr f i di n f o r m a t i o nl i b r a r y , e q u i p m e n tw o r kp u tf o r w a r dav a r i e t yo fp a r a m e t e r s r e q u i r e m e n t st ol a b e l t a gi n c o n s i s t e n c ye n l a r g et h ec o n f l i c ta m o n gt h e d e v i c e p a r a m e t e r s ，f i l t e r i n gc a nr e s o l v et h ei s s u e ，b u th i g hd e m a n dt o t h el a b e ll e dt o i n c r e a s e d p r o d u c t i o n c o s t s ，t h u sb r i n g i n g t h ec o s to fi n c r e a s e d e q u i p m e n t p u r c h a s e s r i g o r o u ss c r e e n i n gt or e d u c e t h ep a s sr a t eo fl a b e l i n ga n di n c r e a s e dt h e c o s to fe q u i p m e r i t ，i ti san e wp r o b l e m w ea r ef a c i n gt h ec h o i c eb e t w e e nt h eq u a l i t ye q u i p m e n ta n dt h ec o s to f s e l e c t i n gs a t i s f i e dt a g sa m o n ga l l i n c o n s i s t a n tt a g s t h i sr e s e a r c hw e r ef o c u so n t h ea b o v eq u e s t i o nt of i n dao p t i m i t a ls o l l u t i o nf o rr f i di n f o r m a t i o n i z e dl i b r a r i e s a n dm a n u f a c t o r s f i r s t ，b ya n a l y z i n gt h ec o n t r a d i c t i o n sb e t w e e nt h et w oi s s u e s ，t h e f a c tt h a tt h ee q u i p m e n tc o s ti sp o s i t i v et ol i b r a r yp u r c h a s ec o s ti ti sf o u n dw h i l et h e t r a n s a c t i o ni sh a p p e nb e t w e e nt h ep r o d u c e ra n dt h el i b r a r y ；m a t h e m a t i c a lm o d e l c a nb ec o n s t r u c t e db yi n t e r c o n n e c t i n gp r o d u c e r sa n dl i b r a r i e s t h em a j o rp u r p o s e i st os e et h eb e l a n c eb e t w e e ne q u i p m e n tp e r f o r m a n c ea n dc o s tw h i c hc a nb e a c c e p t t e df o rb o t hu s e r sa n dm a n u f a c t o r , s o l v i n g t h ep r o b l e mb ys p m e p a l g o r i t h m ， g e tr e f e r e n c eo ne q u i p m e n tp a r a m e t e r sb yd i f f e r e n t l i b r a r i e su s i n gi ns e l e c t i n g r f i d 信息化图书馆设各参数优化研究 r f i de q u i p m e n t k e yw o r d s ：r f i d ；l i b r a r i e s ；i d e n t i f i a b l ed i s t a n c e ；f a u l t ；s p m e p r f i d 信息化图书馆设备参数优化研究 目录 第1 章绪论1 1 1 目的意义1 1 2r f i d 信息化图书馆发展现状及问题分析一：。2 1 2 1r f i d 信息化图书馆2 1 2 2r f i d 信息化图书馆的技术优势。3 1 2 3r f i d 信息化图书馆存在的问题6 1 3 论文的组织结构8 第2 章r f i d 技术原理及设备参数分析9 2 1r f i d 技术简介9 2 2r f i d 系统的组成1 0 2 2 1 阅读器。1 1 2 2 2 电子标签1 2 2 3r f i d 工作原理1 3 2 4r f i d 系统分类1 5 2 5r f i d 信息化图书馆设备参数分析1 8 2 2 1 图书借还参数“1 9 2 2 2 图书盘点参数2 3 2 2 3 安全门参数2 7 2 6 本章小结2 9 第3 章r f i d 图书馆设备参数优化数学模型研究3 0 3 1 设备参数优化的理论依据3 0 3 1 1 标签合格率与标签识别距离的关系。3 1 3 1 2 标签故障率3 3 3 1 3 故障权值的定义3 7 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 3 2 设备参数优化模型3 8 3 2 1 成本与设备参数的关系3 9 3 2 2 成本和故障率的关系4 0 3 2 3 设备参数优化模型4 2 3 3 本章小结4 3 第4 章r f i d 信息化图书馆设备参数优化算法研究4 4 4 1 模型求解一般过程4 4 4 2 优化算法选择4 7 4 2 1 遗传算法( g a ) 4 7 4 2 2 进化规划( e p ) 4 9 4 2 3 单点变异算法5 1 4 3 算法应用”5 2 4 4 优化算法实验5 3 4 5 实验数据分析5 6 4 6 本章小结5 7 结论”5 8 参考文献5 9 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果“6 3 致谢- 6 4 第1 章绪论 1 1 目的意义 第1 章绪论 r f i d 信息化图书馆是以r f i d 标签作为图书的标识、以r f i d 读写设备 对标签信息的采集、处理来完成图书馆工作流程的新一代图书馆。在r f i d 信息化图书馆中，是以r f i d 设备为基础、依靠r f i d 技术能够进行信息的高 效采集、处理为技术依据，实现信息的高效、批量转化，加速图书馆日常工 作的完成，提高图书馆的工作效率的。 r f i d 信息化图书馆与现在普遍采用的以条码作为图书标识的图书馆相 比，有很多优势，但由于r f i d 技术的不够成熟，也存在一定的问题。 本文针对其中一个较为基础的问题r f i d 标签可识别距离的不一致 性所带来的问题进行研究，通过分析问题的形成因素、给r f i d 信息化图书 馆造成的不良影响、并探讨问题的解决途径，最终实现将问题解决。本文的 主旨是希望通过本文的工作，实现对r f i d 信息化图书馆现存主要问题的解 决，进而达到推动r f i d 信息化图书馆的发展，影响r f i d 产业发展的目的。 r f i d 信息化图书馆作为r f i d 技术应用的一个领域，具有广大的市场空 间，而在图书馆引入r f i d 技术，也必然给图书馆的发展带来极大的变革。 r f i d 作为一项快速发展的技术，有很多的技术优势可以发挥，很大的空间可 以发展，同时，作为一项并不是十分成熟的技术，在应用中也有很多问题需 要解决。 2 0 0 6 年6 月，由科技部、国家发展和改革委员会、商务部、信息产业部 等1 5 个部委共同编制的中国射频识别( r f i d ) 技术政策白皮书正式发 表，白皮书研究分析了国内、国际r f i d 技术发展现状与趋势，提出了中国 的r f i d 技术战略、中国r f i d 技术发展及优先应用领域、推进产业化战略， 以推动r f i d 技术在中国的发展【1 】o 国家对r f i d 技术的高度重视和对r f i d 产业大力推广的决心是r f i d 技 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 术发展的极大动力，因此，对r f i d 技术的进行研究是很有意义的，研究r f i d 技术应用所面临的问题不但能够解决实际问题，也将对r f i d 技术的推广带 来更为深远的影响，这样的研究是值得进行的。 本文对r f i d 信息化图书馆用户对r f i d 信息化图书馆中设备选择的困惑 进行了研究，分析了图书馆用户对设备选择时设备参数造成的影响及形成问 题的原因，提出了r f i d 信息化图书馆中通用的设备选择参数计算公式，并 对其中存在的问题进行了分析，对问题产生的根本所在进行了分析，建立了 问题模型，并就问题的解决寻找合适的方案，最终达到解决r f i d 信息化图 书馆设备参数优化的目标。 1 2r f i d 信息化图书馆发展现状及问题分析 1 2 1r f i d 信息化图书馆 随着信息技术的不断发展，各种管理系统也在不断地向信息化迈进，管 理方式逐渐向信息化、网络化、自动化的方向发展，这不但减轻了管理者的 压力，提高了办公效率，也给接受服务的人带来更多方便。新技术的应用往 往都能给工作和生活都带来了更多的方便，使人们从中受益，这也是技术进 步的根本动力。在新技术的发展和应用中，要不断地探索如何将技术更好地 应用，发挥更大的作用，并将新技术推向社会工作的各个领域，在技术的应 用和推广中，也难免会遇到一些问题。新技术的特点往往具有以往技术不具 备的优势，由于其是新生事物，难以做到完全掌控，因此，在实际的应用中， 总会出现意想不到的问题，要让新技术应用到实际需要中，就需要进行不断 地探索和努力，只有这样，一项新技术才能够被推广、被使用，实现其技术 本身的价值。 r f i d 技术就是这样一项新技术，r f i d 信息化图书馆是r f i d 技术在应 用推广中的一个重要领域。r f i d 信息化图书馆的出现将带动图书馆工作的全 面升级，提升图书馆的服务质量。 图书馆是图书存储和共享使用的一个平台，平台的管理将涉及到广大图 2 第1 章绪论 书用户的利益，合理、高效地管理图书馆中的图书不但能给读者带来方便， 也能让图书馆的工作人员工作更加轻松。一般的图书馆中，都存有大量的图 书，为了便于图书的管理，采用了给图书添加标识的方式，以根据图书的标 识对图书进行管理，而不必将图书拿到面前进行处理。但是，随着图书数量 的不断增加，图书的管理人员还是感到了管理大量图书所带来的压力，随着 条码技术的诞生，图书馆开始广泛地采用条码对图书进行标识，并用计算机 来作为存储、管理图书信息的工具。这大大降低了图书管理的工作难度和强 度，图书管理难的问题得到了很大的缓解。 现代生活中，学习已经成为了生活中必不可少的一部分，读书则是最好 的学习方式。于是，图书馆中图书借还的频率大大增加。在借还书操作中， 打开每一本书，找出条码所在的位置就成了一项麻烦事；并且不断地打开书， 对条码进行识读，这对图书造成了很大的损伤，也降低了条码的使用寿命。 大量的借还书操作就使得负责图书借还的工作人员工作十分繁重，同时，为 了保证图书馆中书籍的安全，工作人员经过一段时间就要对图书进行盘点， 而对于图书收藏数量庞大的图书馆，完成一次全面的盘点是十分困难的。就 在图书馆处于这一窘境的时候，一项新的技术的快速发展引起了图书馆管理 人员的关注r f i d ，即无线射频识别。r f i d 技术以其识别非接触、识别 距离大、使用寿命长、安全性高1 1 】等特点受到了图书馆用户的关注，于是， 有人提出并尝试将r f i d 标签作为图书的标识，将r f i d 技术与原有的信息化 管理手段相结合，使r f i d 标签成为图书标签的新载体，这样，就解决了图 书馆工作上的压力问题，也正因如此，r f i d 信息化图书馆受到了得到了图书 馆用户的认可。 1 2 2r f i d 信息化图书馆的技术优势 r f i d 技术的引入可以给图书馆带来很多益处。应用这一技术，可以给图 书馆的管理带来极大的便利，可以提高办公效率，加强对图书的管理【2 1 。具 体体现在以下方面。 3 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 r f i d 技术的自动识别和追踪定位功能可以极大地提升图书馆的管理和 服务水平【3 】or f i d 系统能够把条形码、磁条、书目信息和流通记录全部整合 存储在一起，r f i d 借阅系统通过能够自动扫描并识别读者个人信息和文献标 签信息，借还流程简单快捷，大幅度地提高了流通效率，并可以在无需工作 人员参与的情况下实现自助借还。利用r f i d 技术还可以进行快速的图书清 点和架位整理工作l 训。 由于r f i d 标签可以远距离、无接触的识别，能够实现批量读取多本图 书的信息，工作人员用读写器在书架前移动扫描，通过电波信号与r f i d 芯 片交换信息，错架乱架的图书信息就会显示在屏幕上，同时提示所在位置错 误的图书的正确存放位置。工作人员在书库内巡视扫描即可轻松完成图书盘 点，并可及时准确地掌握库存图书的状况，解决了以前图书馆盘点难的问题， 切实提高了管理水平 5 1 。 r f i d 图书馆应用的图书分拣系统采用了有限静态物理位置单元与无限 动态文献地址数据对应的分拣原理，如智能定位书车是一种具有车载计算机 和固定图书分检单元格的图书上架车。车上装载的r f l d 阅读器首先对书车 上的图书标签进行扫描、识别，扫描结果随即传送至车载计算机中，进行处 理分析，并在车上安装的显示屏上快速、准确地显示出每本图书在书架中应 该存放的具体位置，使传统的图书上架车同时具备了图书上架、排架和自动 寻址的功能。 r f i d 智能安全门管理系统也会采用r f i d 技术与红外、视频等技术，实 现对出入口区域的开放式门禁远距离识别。非正常情况安全门会自动报警并 可整合触发摄影系统，进行影像辨识处理。t w i nl a k e s 公共图书馆安装了 c h e c k p o i n t 公司的r f i d 智能图书馆系统后能发现9 9 的被窃图书，先前的电 子安全系统只能发现3 3 的被窃图书，防丢失能力提高了两倍。此外该管理 系统还可以根据设定的条件，对阅览室的读者流量进行统计和分析，以方便 工作人员及时、准确地了解和掌握阅览室的流通状况。 以r f i d 技术为基础的自动化系统同后台的图书馆管理信息系统连接起 4 第1 章绪论 来，能对图书馆进行实时动态的管理1 6 】。r f i d 系统可以实时获取和处理馆藏 信息，适时汇总馆内信息，同时由于电子标签可以以无线电波的形式传送信 号，实时地与前台监控器和后台服务器进行交互式的信息传递和信息处理， 为图书馆管理人员提供及时有效的决策支持。 r f i d 技术的应用不但能够提高图书馆的工作效率，还能够给读者提供更 好的服务，增加读者的满意度r n 。 使用r f i d 技术给读者带来的好处【8 1 有以下几方面：简化借还书流程，提 高流通效率。读者可以自助完成借还书操作，减少了其他读者通过工作人员 还借书的等候时间；还书不再局限在单本还书的操作模式，可以实现多本还 书的操作，同时，为了保证读者有充裕的还书时间段，在图书馆的2 4 小时开 放区域安置还书机器，为读者2 4 小时不问断提供还书平台，不再为“闭馆就 不能还书”的传统还书时间的局限性而烦恼。还书也已不再局限于图书馆中， 还可以在宿舍设置2 4 小时还书设备，读者不出宿舍即能完成还书手续。在借 书、还书的过程中，工作人很少介入其中；图书馆的工作人员描述，相比以 前动不动读者大排队的现象，如今实现了借书“从1 0 分钟的等待到1 分钟的 转变 ：最终使得图书的流通效率得以提高。 参考咨询的及时性。图书馆的参考咨询工作是读者与图书馆所存有资料 之间的信息交流平台，图书馆提供的咨询帮助会使图书馆区别于一般的信息 工具或者网络。图书馆流通工作淡化后，参考咨询工作会成为图书馆的主要 工作，让读者更容易借到想要的书籍或资料，及时地给读者提供需要的支持， 也提升了馆藏资源的利用效率。 提高读者的满意度。使读者不在为系统里能够查到图书，但是实际上却 找不到的情况而烦恼；当读者不在为借还书的效率较低，借还书排队等候时 间太长，浪费时间出现而担忧时；当读者不在为借还书中出现信息读取错误、 条码无法读出，增加读者等待时间，导致读者不满意的情绪出现时；读者自 然而然就认可了图书馆的工作，这就提升读者对图书馆服务的满意度。 图书馆应用r f i d 技术所带来的工作效率的提高、管理水平的提升、读 5 哈尔滨下释大学硕十学何论文 者满意度的提高，都会带来经济效益的产出，并带来更大的社会效益l9 。图 书馆工作效率提高了，图书的周转更快，所使用的人力成本将大大降低，这 在应用r f i d 技术后将体现为长期的效益，随着时间的延续，将体现得尤为 明显。管理水平的提升，使得图书的管理中，图书的损害减小、图书的丢失 减少，在以往的管理中，需投入大量资金来维护和购置新书，而使用了r f i d 技术后，这项投入将有所减少，这也可以视为产生了经济效益。读者满意度 的提高，使得图书馆的服务更加为广大的读者所认可，图书被广泛的使用， 知识被广泛的传播，使其所产生的价值更大，这是其所产生的社会效益。 r f i d 信息化图书馆的优势已经得到了认可，但是，r f i d 信息化图书馆 的应用模型还没有完全建立起来，其中的管理、技术问题还有待于解决。 1 2 3r f i d 信息化图书馆存在的问题 r f i d 技术最早应用于图书馆是在2 l 世纪初美国拉斯维加斯的内华达州 立大学图书馆。2 0 0 5 年之前，此项技术在国外已有5 0 0 多家图书馆开始试用。 2 0 0 5 年底，国内的集美大学诚毅学院开始筹建国内第一家r f i d 馆藏管理系 统并于2 0 0 6 年2 月2 0 日正式对外开放。目前，在中国最大的r f i d 项目的 图书馆是深圳图书馆。截至2 0 0 7 年1 2 月，国内在继集美大学诚毅学院图书 馆及深圳图书馆后，已有厦门市少年儿童图书馆、上海市长宁区图书馆、武 汉图书馆、汕头大学图书馆纷纷采用了r f i d 技术【1 0 】。在过去的两年里，又 有3 0 多家图书馆引进了r f i d 技术，并有一大批图书馆用户准备实施r f i d 信息化图书馆工程。 虽然r f i d 信息化图书馆发展的如火如荼，但其中仍然存在一定的问题， 一些问题已经被拿来进行讨论。如在图书馆界还没有形成r f i d 的技术标准， r f i d 标签的价格太高，图书馆中使用的r f i d 频段还没有确定、信号易受干 扰，r f i d 标签的信息安全等问题。 对于图书馆界没有r f i d 技术标准【1 l 】1 1 2 】问题的讨论如下。图书馆业标准 化需求主要包括以下几点：未来各行业都将会使用r f i d 标签，标签在生活 6 第1 章绪论 中普遍存在，对同频段无源标签的主动感应式阅读需要标签有良好的区分性。 标签跨行业共享使用的共同标准化问题( 这里指图书标签由物流、出版、图 书馆业共同使用，或者是出版与图书馆业共用) ，如果不能达到图书标签在整 个生产流通链中共享，部分合作也需要制定共同标准。馆际互借与图书馆分 馆联网需要共同标准；自动分检设备设备昂贵，共享才有效益对馆藏识别的标 准问题；本行业安保信息的统一性及兼容标准。图书编码标准【1 3 l 及注册的相 关问题，这涉及到公益性利益与国家利型1 4 j ，需要有国家的权威机构来规划。 因此，图书馆界的r f i d 标准这一问题仍是一个较为复杂的问题。 相对于图书馆界的r h d 技术标准问题，r f i d 标签的价格问题更是广大 的图书馆用户所关心的。r f i d 标签价格太耐1 5 j 这一问题，是影响r f i d 技术 在图书馆中应用的一大阻力，由于r f i d 标签是电子设备，内部结构复杂， 标签的生产需要较高的设备要求，使得r f i d 标签的成本很难降得像条码那 样低廉，现在市场上一个r f i d 标签的价格一般在4 元左右，这对于藏书量 很大、需要大量使用标签的图书馆来说，使用r f i d 技术的成本是相当巨大 的。以一个藏书量为1 0 0 万的图书馆来说，光是r f i d 标签一项就需要投入 4 0 0 万元，这使得很多图书馆只能望而却步。出现这一问题的主要原因来自 于两个方面：一、国内的r f i d 标签芯片制造起步较晚，生产的产品无法达 到大多数用户的使用要求，因此，目前所使用的r f i d 标签芯片都是来自国 外，这大大增加了r f i d 标签的成本，也限制了广大使用者对r f i d 标签的使 用需求。二、国内的r f i d 标签集成水平不高，导致生产出的r f i d 标签整体 水平参差不齐，当要求较高时，生产成本大大增加，价格降不下来。目前r f i d 标签的价格还较高，伴随国内r f i d 标签集成业的快速发展，标签价格下降 还是成明显趋势的。随着国内r f i d 标签集成水平的提高，r f i d 标签的大量 使用，设备分担的平均成本将逐步降低标签所带来的压力，同时，生产厂家 也会为了r f i d 标签芯片的设计而加大研发的投入，降低产品的成本。一些 科研机构为了推进r f i d 技术的发展，也在对r f i d 技术进行深入的研究。这 都会加速r f i d 设备成本的降低，使r f i d 的发展呈现一个良好的态势。 7 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 安全问题。安全问题【1 6 】主要来自两个方面：一方面是防盗能力，r f i d 标 签是贴在书籍上，与磁条相比，隐蔽性较差，很容易被发现并撕毁。有些采 用了r f i d 的图书馆混合使用了磁条用于防盗，虽然解决了问题，可成本和 复杂性也增加了。如何提高r f i d 标签的防盗能力，同时又要考虑到成本压 力，是决定r f i d 能否大面积推广的又一重要因素。另一方面是读者隐私权【。7 1 ， 因为r f i d 标签很容易被截获数据或跟踪，所以侵入者就有可能获取读者的 借阅信息，从而了解读者的个人资料、借阅习惯和行为方式，甚至是位置跟 踪。目前国内图书馆对读者隐私保护的意识还远远不够，在现阶段，这一点 或许并不会影响r f i d 信息化图书馆的发展，但随着国民意识的进一步提高， r f i d 的安全与隐私性终将是国内应用r f i d 的图书馆不得不面对的个问 题。 问题存在并不能掩盖r f i d 信息化图书馆的优势，更不能阻止r f i d 图书 馆的推广，说明r f i d 走进图书馆必将是未来图书馆的发展趋势。同时，r f i d 图书馆的发展也将推动r f i d 技术的发展，使图书馆中的r f i d 应用成为r f i d 技术发展的一个重要方向，这对整个r f i d 产业都将带来积极的影响。 1 3 论文的组织结构 本文共分4 章。 第1 章介绍本文的研究内容、目的及意义，r f i d 信息化图书馆所具有的 优势及r f i d 图书馆目前存在的问题。 第2 章介绍什么是r f i d 技术，r f i d 信息化图书馆中的设备参数应该符 合怎样的要求及如何确定每一设备的不同要求。 第3 章介绍r f i d 信息化图书馆设备参数优化模型研究，分析了可以建 立优化模型的依据，并研究进行优化计算过程中每一结果要满足的条件。 第4 章介绍r f i d 信息化图书馆设备参数优化算法研究，根据模型的计 算特点选择适合模型求解的单点变异进化算法，并进行实验求解。 8 第2 章r f i d 技术原理及设备参数分析 第2 章r f i d 技术原理及设备参数分析 2 1r f i d 技术简介 r f i d 是英文“r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ”的缩写，中文称为无线射 频识别，是非接触式自动识别技术的一种。射频识别的最早应用可以追溯到 二战时期，盟军利用此项技术来识别自己的飞机，后来主要应用于不方便用 条形码的场合，并逐步利用它来进行定位、跟踪产品或其它目标。应用广泛 的条形码技术曾经引发了识别系统领域的革命，但是随着科技的发展，条形 码技术暴露出越来越多的不足。此时，r f i d 技术应运而生。二十世纪八十年 代，r f i d 技术逐步走向成熟，成为继条形码、光学符号识别、生物指纹法， i c 卡后又一种可以广泛应用的自动识别技术。从2 0 0 3 年起r f i d 技术受到人 们的高度重视和追捧，并迅速发展起来【1 8 l 。 由于r f i d 技术在识别方面具有很多优势，如读取距离远、信息容量大 并且可擦写、体积小形状多、操作简便快捷、识别防盗一体化、数据可加密、 存储和批量读取并可识别高速运动的物体等优点，目前己广泛应用于零售业、 物流管理、工业生产、绿色畜牧业养殖个体记录跟踪、汽车安全控制、身份 验证、门禁控制电子门票、道路自动收费等领域，而r f i d 技术在图书馆领 域也有着非常广阔的应用前烈1 9 】。 r f i d 技术的应用，是把r f i d 电子标签固定在需要标识的物体上，电子 标签能发出能被r f i d 阅读器识别的信息，这样就能追踪物体的位置和读取 存储的信息。一般情况下，电子标签都存储了一些识别信息，如：i d 号，客 户号和产品s k u 码等。阅读器读取这些信息，然后从数据库提取相关信息， 进行相应操作。另外，一些标签内还会存储其他的信息，这些信息能够被位 于不同位置的其它阅读器读取，这就增加了标签的使用范围和作用。r f i d 标 签根据所使用的电源不同被分为两大类：主动标签和被动标签。主动式标签 有自己的电源自带电池，能够主动发出信息，它能根据要求激活或者休 9 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 眠。被动式标签是靠阅读器的天线发出的电波提供电源，自身不带电源。 按照工作频率的不同，r f i d 标签可以分为低频( 凹) 、高频( 职) 、超 高频( 明r 彳f ) 和微波等不同种类。不同频段的r f i d 工作原理不同，l f 和 h f 频段盯i d 电子标签一般采用电磁藕合原理，而u h f 及微波频段的r f i d 一般采用电磁发射原理。不同频段标签芯片的基本结构类似，一般都包含射 频前端、模拟前端、数字基带和存储器单元等模块。其中，射频前端模块主 要用于对射频信号进行整流和反射调制；模拟前端模块主要用于产生芯片内 所需的基准电源和系统时钟，进行上电复位等；数字基带模块主要用于对数 字信号进行编码解码以及进行防碰撞协议的处理等；存储器单元模块用于信 息存储。阅读器通过发射信号唤醒和传送指令给电子标签，并接收标签返回 的信号。对接收到的返回信号提取有用信息之后，将数据通过网络和数据管 理系统交杯，从而完成对电子标签的信息获取和解析。对r f i d 系统来说， 用电磁波反射进行从标签到阅读器的数据传输【2 0 j 。 2 2r f i d 系统的组成 一般的r f i d 系统主要由标签和阅读器两部分组成( 如图2 1 所示) 。这 两部分又有各自的功能模块，标签由天线、功能模块和存储器等组成；阅读 器由天线、通信模块、控制模块和接口电路组成。 图2 1 r f i d 系统基本组成 不同的标签能量来源不同，有源标签自带有电源模块，而无源标签则靠 阅读器天线发射的能量信号获得能量驱动后端电路工作。下面对各个组成部 分分别进行介绍。 1 0 第2 章r f i d 技术原理及设备参数分析 2 2 1 阅读器 阅读器( r e a d e r ) 又叫读写器、询问器或者读头，它在r f i d 系统中扮演 着重要的角色，阅读器主要负责与电子标签的双向通信，同时接受来自于主 机系统的控制指令。阅读器的频率决定了r f i d 系统工作的频段，其功率决 定了射频识别的有效距离。阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读 写装置，是r f i d 系统信息控制和处理中心。阅读器通常由射频接口、逻辑 控制单元和天线三部分组成，其内部结构如图2 2 所示。 天线射频接口 逻辑控制单元 发射器微控制器 主机 接收器 应用接口 系统 时钟发生器 供电电压调节器存储单元 图2 2 阅读器内部结构 射频接1 2 1 模块具有以下主要任务【2 1 l ： 产生高频发射能量，激活电子标签并为其提供能量； 对发射信号进行调制，用于将数据传输给电子标签； 接收并调制来自电子标签的射频信号。 在射频接口中有两个分隔开的信号通道，分别用于来往于电子标签与阅 读器两个方向的数据传输。传送往电子标签的数据通过发射器分支通道，而 来自于电子标签的数据则通过接收器分支通道接收。 逻辑控制单元也称为读写模块，其具有以下主要任务： 与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发送来的指令； 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 控制与电子标签的通信过程； 信号的编码与解码； 对阅读器和标签之间传输的数据进行加密和解密； 执行防冲突算法； 对阅读器和标签之间的身份进行验证。 天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或者将电流信号转换 成电磁波的装置。在r f i d 系统中阅读器必须要通过天线来发射能量，形成 电磁场，通过电磁场来对电子标签进行识别，所以可以说阅读器上的天线所 形成的电磁场范围就是阅读器的可读区域。 2 2 2 电子标签 电子标签( e l e c t r o n i ct a g ) 也称作智能标签( s m a r t l a b e l ) ，电子标签是 指由i c 芯片和无线通信天线组成的超微型的小标签，其内置的射频天线用于 和阅读器进行通信。系统工作时，阅读器发出查询( 能量) 信号，电子标签 ( 无源) 收到查询( 能量) 信号后将其一部分整流为直流电源供电子标签内 的电路工作，另一部分能量信号被电子标签内保存的数据信息调制后反射回 阅读器。电子标签是射频识别系统真正的数据载体，根据其的应用场合不同 表现为不同的应用形态，如在动物跟踪和追踪领域中称为动物标签或动物追 踪标签、电子狗牌：在不停车收费或车辆出入管理等车辆自动识别领域中称 为车辆远距离i c 卡、车辆远距离射频卡或电子牌照；在访问控制领域中称为 门禁卡或一卡通。电子标签的内部结构如图2 3 所示。 其内部各模块功能如下所述【2 2 】： 天线：用来接收由阅读器送过来的信号，并把所要求的数据送回给阅 读器； 电压调节器：把由标签阅读器送过来的射频讯号转换成d c 电源，并 经大电容储存能量，再经稳压电路以提供稳定的电源； 调制器：逻辑控制电路所送出的数据经调制电路调制后加载到天线送 1 2 第2 章r f i d 技术原理及设备参数分析 给阅读器； 解调器：把载波去除以取出真正的调制信号； 逻辑控制单元：用来译码阅读器所送过来的信号，并依其要求回送数 据给阅读器； 存储单元：包括e e p r o m 与r o m ，做为系统运行及存放识别数据的 位置。 射频接口 调制器逻辑控制单元 l r 一 解调器 r 士 i 、j 。，、， 电压调节器i 7l l f u 1 v l r o m 图2 3 电子标签内部结构 2 3r f i d 工作原理 由阅读器通过发射天线发送特定频率的射频信号，当电子标签进入有效 工作区域时产生感应电流，从而获得能量被激活，使得电子标签将自身编码 信息通过内置射频天线发送出去；阅读器的接收天线接收到从标签发送来的 调制信号，经天线调节器传送到阅读器信号处理模块，经解调和解码后将有 效信息送至后台主机系统进行相关处理；主机系统根据逻辑运算识别该标签 的身份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制阅 读器完成不同的读写操作【2 3 】。 从电子标签到阅读器之间的通信及能量感应方式来看，系统一般可以分 成两类：电感藕合( i n d u e t i v ec o u p l i n g ) 系统和电磁反向散射藕合( b a c k s e a t t e r c o u p l i n g ) 系统。电感藕合通过空间高频交变磁场实现祸合，依据的是电磁感 应定律；电磁反向散射藕合，即雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标 1 3 哈尔滨丁稃大学硕十学何论文 后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。电感藕合 方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统，典型的工作频率有： 1 2 5 k h z ，2 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z 。利用电感藕合方式的识别系统作用距离一般 小于1 米，典型的作用距离为1 0 - - , 2 0 厘米。电磁反向散射藕合方式一般适用 于高频、微波工作的远距离射频识别系统，典型的工作频率有：4 3 3 m h z ， 9 1 5 m h z ，2 4 5 g h z 和5 8 g h z 。识别作用距离大于1 米，其典型的作用距离 为4 - - 一6 米。本课题采用电磁反向耦合方式的读写器。 电磁波从天线向周围空间发射，会遇到不同的目标。到达目标的电磁能 量的一部分( 自由空间衰减)