高频和超高频RFID技术在图书馆的应用研究

引 言

上世纪 20 年代在 Westinghouse 实验室， 发明家 John Kermode“异想天开”地想对邮政单据实现自动分检，最后， 一个当时令所有人感到新奇的条形码识别技术诞生了，并在之后的半个世纪在全球掀起了一场技术革命。时至今日，条码技术无处不在，几乎所有商品都有条形码的烙印。进入 21 世纪， 工业化、自动化快速发展，条形码已经不再满足诸多情况中的实际需求，于是人们开始思考一项更加自动化、智能化的新型技术——RFID 非接触射频识别技术。这又是一场新的技术革命，并用其惊人的速度席卷全球。目前RFID 技术以其震撼功能，在物流、安保、资产追踪、电子支付、环境检测、交通运输、设备管理等多个领域被广泛应用。

1 RFID技术在图书馆的应用现状

2002 年新加坡国家图书馆率先将RFID 技术应用于图书馆后，美国、日本、澳大利亚等多国图书馆也开始尝试，使得RFID 技术在图书馆的应用迅速走向成熟。2006 年我国厦门集美大学诚毅学院图书馆率先应用RFID 技术，拉开了国内智能图书馆建设的序幕 ；2008 年国家图书馆二期正式引入RFID 技术，此举成为智能图书馆在国内迅速蔓延的拐点。天津理工大学陈志辉等人在研究报告中提到，截止 2014 年，我国应用RFID 技术的图书馆至少有 367 家，其中公共图书馆占60%，高校图书馆占 40%[1]。

RFID 技术使得图书馆的工作效率得到成倍增长，馆员的工作强度大幅减少，读者满意度也得到了极大的提高。但具体实施 RFID 项目是个复杂的工程，制约因素颇多，其中最重要的一项便是项目经费问题。2012 年深圳图书馆在RFID 建设项目上的经费高达 1 124.8 万元，这对一般图书馆来说是难以接受的。2006 年时，美国市场最低的电子标签价格是 20 美分/ 个，标签和设备昂贵的价格使许多图书馆望而却步。但随着物联网技术的快速发展和普及，国内出现了一批 RFID 图书馆设备供应商如深圳远望谷、上海阿法迪、宁波博一格、常州科晶、沈阳慧博升等。电子标签和设备的大规模生产使得国内市场的价格不断下降。目前市场上UHF 标签的市场价格已经降到1元 / 个，HF 的价格为 1.4 元 / 个，这样的价格让更多的图书馆对引入RFID 技术跃跃欲试。

2 高频和超高频 RFID技术比较

2.1 HF和UHF工作原理比较

目前国内图书馆应用RFID 技术有HF 和UHF 两大类别。高频（HF）范围为 3 ～30 MHz， 典型的工作频率为 13.56MHz，该频率的波长约为 22 m。ISO/IEC 15693 规定了疏耦合IC 卡，最大的读取距离为 1 m，采用电感耦合的方式从阅读器辐射场获取能量，该频率的波长可以穿过大多数材料， 能够产生相对均匀的读写区域。它具有防碰撞特性，可以同时读取多个电子标签，并将数据信息写入标签中。

超高频（UHF）范围为 300 MHz ～3 GHz，3 GHz 以上为微波范围。图书馆采用的典型工作频率为 860 MHz ～ 960MHz，频率波长约为 30 cm。通过电磁耦合方式同阅读器通信，识别速度可以达到 1 ～100 m/s。通信距离一般大于 1 m，典型情况为 4 ～ 6 m，最大可超过 10 m。超高频频段的电波不能通过许多材料，特别是水、灰尘、雾等悬浮颗粒物质。超高频阅读器有很高的数据传输速率，在很短的时间内可以读取大量的电子标签。

2.2 HF和UHF电子标签的特点

标签（Tag）是由耦合元件、IC芯片及微型天线组成的超微型小标签。每个标签内部存有唯一的电子编码，用来表示目标对象。标签可根据是否有内置电源分为有源及无源标签， 图书馆应用的RFID标签以无源为主。RFID标签具有很多突出的优点，如不需要人工干预，不需要直接接触、不需要光学可视即可完成信息输入和处理，可在各种恶劣环境中工作，同时识别多个电子标签，具有免接触操作、应用便捷、使用寿命长等特点[2]。因此高频和超高频段的无源 RFID 标签在国内图书馆领域得到了越来越广泛的应用。

在图书馆实际应用中RFID 标签附着在待识别的图书或书架表面，标签中保存有约定格式的电子数据，存储在芯片中的数据可以由阅读器以无线电波的形式非接触读取，并通过阅读器处理器进行信息解读和管理。由于高频和超高频工作原理不同，故标签的存在形状不同。HF 图书标签主要是正方形、圆形，一般面积较大，其外观如图 1 所示。UHF 图书标签形状可以做成类似于图书磁条样的细长条状，其外观如图 2 所示。

3 HF和 UHF技术在图书馆中的应用比较

3.1 实现自助借还

目前高频和超高频都能满足图书馆自助借还的基本功能， 但两种方式在实现时稍有区别。高频标签在实现自助借还时， 受到读取距离的限制，一次借书册数不能太多，按图书累加的高度，一般高频控制在 25 cm 以内，看图书厚薄，常规图书馆会设定一次允许外借册数，只要不是超厚图书，一次性能成功读取 6 册左右图书。

UHF 根据功率大小，读取距离可大于HF，但考虑到对于读者、馆员的辐射安全，将其控制在 9 600 MHz 以内，常规可以读取 10 本以内。但若读取距离远，往往会把机器周围其他读者携带的图书误读到正在操作的读者账号上。如果调节读取距离，也就减少了它的优势。但现在的图书馆不会允许读者一次外借许多本。所以目前高频和超高频在允许外借册数的情况下都能满足实际需求。

3.2 图书加工及回溯

标签的形状、大小决定了 RFID 标签附着在图书上的位置。目前在图书馆中应用的RFID 标签主要有正方形、长方形、圆形、细长条形。考虑到安全性、隐秘性等诸多因素， 图书加工时，高频标签通常粘贴在图书的封皮或封底，因此在流通过程中容易出现污损、折压等现象，造成标签损坏、遗失。超高频标签可以做成磁条状，这种形状的标签适合粘贴在图书背脊、两页纸接缝处，用于图书查询、防盗、隐秘性好， 更适合图书流通的实际操作。

图书馆以前的馆藏资料都是条码加磁条，书中的磁条对于高频标签影响不大，但却对超高频的标签影响很大，因此必须取出原来图书中的磁条。这样回溯的工作难度会增加很多， 对于拥有丰富馆藏资源的大馆来讲这是不敢想向的工程。

3.3 实现图书上架、倒架、清点

理论上讲，无论是高频还是超高频 RFID 标签，馆员手持阅读器逐层逐架扫描一遍就能轻松完成图书清点，不仅可对书库馆藏进行统计，找出需要倒架、剔旧的图书，还能及时发现乱架、错架问题，馆员真正从繁杂的、耗力又耗时的重复劳动中解放出来，工作效率得到几何级数增加。但实际操作中，并非这样圆满。

无论是HF 还是UHF 都不能做到完全准确无误的盘点。高频标签是近距离识别，虽然读写准确率高，但是要经过反复几次才能读写准确，如果馆员只是手持阅读器，简单顺着书架走一遍，那么完全有可能漏读紧邻的标签和书架后的图书。超高频读取距离远，范围比较大，这往往会造成重复读取相邻架上的图书或漏读紧邻图书的现象。

3.4 RFID安全系统

RFID 监测仪通过修改电子标签中的EPC 编码实现防盗监测的目的。EPC 编码的不同值表示图书的不同借还状态。联网时，防盗系统对图书进行实时监测，发现未正常办理借阅手续的图书经过通道时，防盗仪会及时报警，并且后台系统能提供完整的监控日志。在脱机状态下，图书如果是在馆状态， 即使被携带过监测仪并通过监测EPC 编码，图书过通道时防盗仪也会发出报警信号，实现离线报警。

理论上讲，RFID 防盗仪比原来磁条门禁系统更加安全， 但在考察实际应用了 RFID 技术的图书馆中发现，无论是HF 还是UHF 安全防盗仪都存在死角，并不能实现 100% 的防盗功能。当HF 标签的图书、手机、电子手表贴在一起过安全通道时，系统就有可能无法识别，不报警；UHF 标签具有亲水性，水对RFID 信号吸收较大，人体含有大量水分，当电子标签被人体完全覆盖时，感应器就无法识别电子标签，也就是说只要把书夹在腋下或抱在胸前都会大大降低防盗系统的灵敏度， 甚至不会发出报警信号。因此有些图书馆采用 RFID 标签加磁条的方法来解决这一问题。

4 结 语

HF和 UHF都能实现智慧图书馆的基本要求，是图书馆实现智能化管理的又一次技术革命。不仅各有优缺点，其在实际使用中还存在诸多问题 ：如行业标准的统一，HF、UHF的不兼容性制约了区域间的通借通还、资源共享；超高频辐射大,