一种基于RFID技术的图书馆机器人智能3D导航上架系统

摘要

本发明公开了一种基于RFID技术的图书馆机器人智能3D导航上架系统，包括图书信息读取模块、图书信息显示模块、图书上架路径生成模块、室内定位模块、自动上架模块和数据存储模块，图书信息读取模块包括内部信息读取模块和外部信息读取模块；内部信息读取模块读取待上架图书的图书RFID标签，通过后台数据库服务器提取图书信息，将图书信息显示在图书信息显示模块上；室内定位模块在图书信息显示模块上实时显示系统在图书馆中的位置；图书上架路径生成模块根据图书所应在的书架位置信息和定位模块的位置信息生成内部置书单元内图书的上架路径并显示在图书信息显示模块上；自动上架模块根据图书上架路径生成模块生成的路径对系统进行导航至上架位置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种RFID技术领域，特别是一种基于RFID技术的图书馆机器人智能 3D导航上架系统。

背景技术

无线射频识别，RFID(RadioFrequencyIdentification)技术，是一种通信技术，可 以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建 立机械或光学接触。无线射频技术主要分为高频和超高频两种技术。

目前国内图书管理系统主要采用的是“安全磁条+条形码”的技术手段，这种方法 在图书管理的实践过程中存在缺陷。RFID射频识别技术可以有效地解决已有的条形码 图书管理方式的缺陷，该技术使用无线电波而非光作为与读写器进行信息交互的媒介， 可以实现RFID标签与读写器的非视线通信。RFID技术的优点主要有：非接触阅读、 数据存储容量大、读写速度快、数据安全性高、体积小易封装、识别距离远、使用寿 命长、环境适应性高。

随着时代的发展，自动化给人们提供了极大的便利，但在图书馆环境中，还有许 多需要人工进行的任务，比如图书的上架，就需要消耗很多人力劳动，利用机器人进 行半自动化上架大大方便了管理人员，提高了上架效率。另外，三维模型显示导航的 运用，可以让管理员明确整个图书馆的布局，带来了很多便利。

发明内容

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RFID技术的图 书馆机器人智能3D导航上架系统，利用RFID射频信号自动识别设备内图书信息、生 成上架路径、室内定位以及自动上架的功能。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于RFID技术的图书馆机器人智能 3D导航上架系统，包括图书信息读取模块、图书信息显示模块、图书上架路径生成模 块、室内定位模块、自动上架模块和数据存储模块，

所述图书信息读取模块包括内部信息读取模块和外部信息读取模块；内部信息读 取模块包括内部置书单元和内部RFID天线，外部信息读取模块包括外部RFID天线； 内部置书单元用于存放待上架图书；

所述内部信息读取模块通过内部RFID天线读取待上架图书的图书RFID标签，并 通过后台数据库服务器提取图书信息，将图书信息显示在图书信息显示模块上，图书 信息包括图书所应在的书架位置信息；

所述室内定位模块用于通过外部信息读取模块读取一侧书架RFID标签或者图书 RFID标签，并通过后台数据库服务器提取书架信息作为当前位置信息，在图书信息显 示模块上实时显示系统在图书馆中的当前位置；

所述图书上架路径生成模块用于根据内部信息读取模块获得的图书所应在的书架 位置信息和定位模块的位置信息，生成内部置书单元内图书的上架路径并显示在图书 信息显示模块上；

所述自动上架模块根据图书上架路径生成模块生成的路径，对系统进行导航，使 系统按照上架路径自动移动至上架位置。

所述系统包括无线收发模块，所述无线收发模块用于连接后台数据库服务器，后 台数据库服务器中存有所有图书和书架的信息。

所述内部信息读取模块通过内部RFID天线读取待上架图书的图书RFID标签，并 通过后台数据库服务器提取图书信息，将图书信息显示在图书信息显示模块上包括如 下步骤：

步骤1-1，使用内部RFID天线读取内部置书单元内待上架图书的图书RFID标签， 在读取到的图书RFID标签中，剔除不符合图书RFID标签EPC(ElectronicProduct Code，产品电子代码)编码规则的图书RFID标签，并获得待上架图书在内部置书单 元内的位置信息；

步骤1-2，从图书RFID标签的EPC号中提取出图书ID号，通过无线收发模块连 接后台数据库服务器，从后台数据库服务器中查询出相应的图书信息，图书信息包括 图书所在的书架位置信息；

步骤1-3，在图书信息显示模块上模拟生成内部置书单元和所有待上架图书的虚拟 图像；；

步骤1-4，每隔两秒钟重复上述步骤1-1～步骤1-3过程，并刷新图书信息显示模块 的界面。

所述图书上架路径生成模块生成内部置书单元内图书的上架路径并显示在图书信 息显示模块上包括如下步骤：

步骤2-1，将外部RFID天线对准书架，读取附近书架上的书架RFID标签和图书 RFID标签；

步骤2-2，根据书架RFID标签和图书RFID标签的不同编码规则，将步骤2-1读 取到的书架RFID标签和图书RFID标签进行分类归纳为书架标签和图书标签；

步骤2-3，如果书架RIFD标签数不为零，则取RSSI(ReceivedSignalStrength Indication，接收信号的强度指示)信号值最大的书架RIFD标签，提取其书架ID号， 从后台数据库服务器中查询出此标签所在的书架位置，以此书架作为系统的当前位置， 执行步骤2-4；

如果书架RIFD标签数为零，图书RFID标签数也为零，则在图书信息显示模块中 提示不能判断当前位置，无法生成上架路径；

如果书架RIFD标签数为零，图书RFID标签数不为零，从每个图书RFID标签中 提取图书ID号，从后台数据库服务器查询出其书架位置，如果所有查询出的图书数目 有一半以上属于其中一个书架，就将此书架判断为当前系统的位置，执行步骤2-4，否 则在图书信息显示模块中提示无法获取当前位置；

步骤2-4，将系统当前位置作为首地址，将步骤1-2得到的图书书架位置信息作为 输入，运用最近邻点法生成一条图书上架路径；

步骤2-5，根据图书上架路径，为每个路径中的书架位置制作路标模型，在图书信 息显示模块中加载图书馆布局的虚拟页面并显示，每个路标模型上带有表示此书架上 架顺序的数字，并根据两书架之间的路径制作导航箭头，在虚拟页面中循环动态移动。

所述室内定位模块在图书信息显示模块上实时显示系统在图书馆中的当前位置包 括如下步骤：

步骤3-1，将外部RFID天线对准书架，系统根据当前位置和下一个要去的位置判 断前进还是后退；

步骤3-2，在行进的过程中，外部RFID天线读取旁边书架RFID标签，剔除非书 架RFID标签的信息；

步骤3-3，从读到的书架RFID标签中提取RSSI信号最大的书架RFID标签，根据 此标签查询后台数据库服务器，得到相应的书架信息，更新图书信息显示模块中系统 在图书馆布局的虚拟页面中的位置。

所述自动上架模块对系统进行导航，使系统按照上架路径自动导航至上架位置包 括如下步骤：

步骤4-1，将外部RFID天线对准书架，系统根据当前位置和下一个要去的位置判 断前进还是后退；

步骤4-2，系统在行进的过程中，判断当前位置的所在书架是否应该包含内部置书 单元内的图书，如果是，则自动停止，并且图书信息显示模块上显示此图书需要上架 的提示信息，否则继续行进。

所述图书信息显示模块包括触摸显示屏。

所述数据存储模块包括本地存储单元。存储的数据包括图书的信息，和书架信息。 图书信息又包括图书ID号、图书标题、图书作者、图书所在的书架ID信息、图书的 层号和图书的位置序号；书架信息包括书架的ID号，书架组号、书架列号和书架行号。 如果读取的是图书RFID标签，就从标签中提取出图书ID号，到数据存储模块中查找 出相应的图书信息和图书书架ID信息，如果要查找图书所在的书架位置信息，就根据 书架的ID信息查找出具体书架的位置；如果读取的是书架RFID标签，就从标签中提 取出书架的ID信息，到数据存储模块中查找出书架的具体位置信息。

有益效果：这种基于RFID技术的图书馆机器人智能3D导航上架系统，可以实现 快速识别上架图书信息，节省了图书管理员识别图书的时间；为上架的图书生成一条 上架路径，并建立3D模型在模型中实时显示当前位置，方便了图书管理员寻找要上架 的书架，避免了无法知道当前所在位置或者确认上架书架位置困难的麻烦；使用机器 人进行自动上架，让机器人自动行进到上架位置并提示上架信息，减轻了管理员的工 作量，并且提高了上架的准确度，防止管理员人工确认书的书架信息时出现错误。本 发明将机器人智能3D上架系统运用到图书馆上架领域，方便图书管理员上架操作， 提高了图书上架的效率。

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是图书馆智能机器人的示意图。

图2是图书馆机器人智能3D导航上架系统整体功能的流程图。

图3是自动识别机器人置书架上的图书功能的流程图。

图4是生成上架路径功能的流程图。

图5是机器人室内定位及导航功能的流程图。

具体实施方式：

本发明公开了一种基于RFID技术的图书馆机器人智能3D导航上架系统，包括图 书信息读取模块、图书信息显示模块、图书上架路径生成模块、室内定位模块、自动 上架模块和数据存储模块，

所述图书信息读取模块包括内部信息读取模块和外部信息读取模块；内部信息读 取模块包括内部置书单元和内部RFID天线，外部信息读取模块包括外部RFID天线； 内部置书单元用于存放待上架图书；

所述内部信息读取模块通过内部RFID天线读取待上架图书的图书RFID标签，并 通过后台数据库服务器提取图书信息，将图书信息显示在图书信息显示模块上，图书 信息包括图书所应在的书架位置信息；

所述室内定位模块用于通过外部信息读取模块读取一侧书架RFID标签或者图书 RFID标签，并通过后台数据库服务器提取书架信息作为当前位置信息，在图书信息显 示模块上实时显示系统在图书馆中的当前位置；

所述图书上架路径生成模块用于根据内部信息读取模块获得的图书所应在的书架 位置信息和定位模块的位置信息，生成内部置书单元内图书的上架路径并显示在图书 信息显示模块上；

所述自动上架模块根据图书上架路径生成模块生成的路径，对系统进行导航，使 系统按照上架路径自动移动至上架位置。

所述系统包括无线收发模块，所述无线收发模块用于连接后台数据库服务器，后 台数据库服务器中存有所有图书和书架的信息。

所述内部信息读取模块通过内部RFID天线读取待上架图书的图书RFID标签，并 通过后台数据库服务器提取图书信息，将图书信息显示在图书信息显示模块上包括如 下步骤：

步骤1-1，使用内部RFID天线读取内部置书单元内待上架图书的图书RFID标签， 在读取到的图书RFID标签中，剔除不符合图书RFID标签EPC(ElectronicProduct Code，产品电子代码)编码规则的图书RFID标签，并获得待上架图书在内部置书单 元内的位置信息；

步骤1-2，从图书RFID标签的EPC号中提取出图书ID号，通过无线收发模块连 接后台数据库服务器，从后台数据库服务器中查询出相应的图书信息，图书信息包括 图书所在的书架位置信息；

步骤1-3，在图书信息显示模块上模拟生成内部置书单元和所有待上架图书的虚拟 图像；；

步骤1-4，每隔两秒钟重复上述步骤1-1～步骤1-3过程，并刷新图书信息显示模块 的界面。

所述图书上架路径生成模块生成内部置书单元内图书的上架路径并显示在图书信 息显示模块上包括如下步骤：

步骤2-1，将外部RFID天线对准书架，读取附近书架上的书架RFID标签和图书 RFID标签；

步骤2-2，根据书架RFID标签和图书RFID标签的不同编码规则，将步骤2-1读 取到的书架RFID标签和图书RFID标签进行分类归纳为书架标签和图书标签；

步骤2-3，如果书架RIFD标签数不为零，则取RSSI(ReceivedSignalStrength Indication，接收信号的强度指示)信号值最大的书架RIFD标签，提取其书架ID号， 从后台数据库服务器中查询出此标签所在的书架位置，以此书架作为系统的当前位置， 执行步骤2-4；

如果书架RIFD标签数为零，图书RFID标签数也为零，则在图书信息显示模块中 提示不能判断当前位置，无法生成上架路径；

如果书架RIFD标签数为零，图书RFID标签数不为零，从每个图书RFID标签中 提取图书ID号，从后台数据库服务器查询出其书架位置，如果所有查询出的图书数目 有一半以上属于其中一个书架，就将此书架判断为当前系统的位置，执行步骤2-4，否 则在图书信息显示模块中提示无法获取当前位置；

步骤2-4，将系统当前位置作为首地址，将步骤1-2得到的图书书架位置信息作为 输入，运用最近邻点法生成一条图书上架路径；

步骤2-5，根据图书上架路径，为每个路径中的书架位置制作路标模型，在图书信 息显示模块中加载图书馆布局的虚拟页面并显示，每个路标模型上带有表示此书架上 架顺序的数字，并根据两书架之间的路径制作导航箭头，在虚拟页面中循环动态移动。

所述室内定位模块在图书信息显示模块上实时显示系统在图书馆中的当前位置包 括如下步骤：

步骤3-1，将外部RFID天线对准书架，系统根据当前位置和下一个要去的位置判 断前进还是后退；

步骤3-2，在行进的过程中，外部RFID天线读取旁边书架RFID标签，剔除非书 架RFID标签的信息；

步骤3-3，从读到的书架RFID标签中提取RSSI信号最大的书架RFID标签，根据 此标签查询后台数据库服务器，得到相应的书架信息，更新图书信息显示模块中系统 在图书馆布局的虚拟页面中的位置。

所述自动上架模块对系统进行导航，使系统按照上架路径自动导航至上架位置包 括如下步骤：

步骤4-1，将外部RFID天线对准书架，系统根据当前位置和下一个要去的位置判 断前进还是后退；

步骤4-2，系统在行进的过程中，判断当前位置的所在书架是否应该包含内部置书 单元内的图书，如果是，则自动停止，并且图书信息显示模块上显示此图书需要上架 的提示信息，否则继续行进。

所述图书信息显示模块包括触摸显示屏。

所述数据存储模块包括本地存储单元。存储的数据包括图书的信息，和书架信息。 图书信息又包括图书ID号、图书标题、图书作者、图书所在的书架ID信息、图书的 层号和图书的位置序号；书架信息包括书架的ID号，书架组号、书架列号和书架行号。 如果读取的是图书RFID标签，就从标签中提取出图书ID号，到数据存储模块中查找 出相应的图书信息和图书书架ID信息，如果要查找图书所在的书架位置信息，就根据 书架的ID信息查找出具体书架的位置；如果读取的是书架RFID标签，就从标签中提 取出书架的ID信息，到数据存储模块中查找出书架的具体位置信息。

实施例

本实施例公开了一种基于RFID技术的图书馆机器人智能3D导航上架系统，包括 图书信息读取模块、图书信息显示模块1、图书上架路径生成模块、室内定位模块、自 动上架模块、数据存储模块和无线收发模块，如图1所示，所述机器人包括计算机主 机及触摸显示屏、阅读器、机器人置书架和机器人一侧升降装置，机器人背后置书架 包括上层置书架2和下层置书架3，上下两层置书架分别放置两个RFID天线(天线在 图1中不可见)，上层置书架天线对应3、4号RFID天线，下层置书架天线对应5、6 号RFID天线，机器人一侧升降装置上配备1、2号RFID天线，计算机主机和阅读器 通过一根网线连接。如图2所示，基于RFID技术的图书馆机器人智能3D导航上架系 统整体功能主要包含以下步骤：

步骤1-1，将要上架的图书放入机器人背后的两层置书架上；

步骤1-2，启动机器人计算机主机内的3D上架系统，打开系统的同时会自动连接 阅读器；

步骤1-3，打开图书扫描页面，点击开始扫描按钮开始扫描置书架内的图书；

步骤1-4，为每本扫描到的图书制作模型，按照图书在置书架的层号显示每本书的 模型，点击图书扫描页面中机器人模型的每一层置书架，在模型一侧显示这层机器人 置书架上的所有图书信息的表格；

步骤1-5，打开图书馆布局页面，利用机器人一侧的天线扫描旁边书架上的书架 RFID标签和图书RFID标签，得出目前机器人所在的位置，根据当前位置和上架图书 的书架位置信息优化出一条上架路径；

步骤1‐6，将上架路径中的每个书架位置制作一个路标标记，按照路径顺序以数字 表示，在图书馆布局页面中的相应位置显示；

步骤1‐7，点击开始导航按钮，让机器人按照上架路径自动导航至上架位置，自动 停止并弹出上架图书信息表格的提示框；

步骤1‐8，管理员根据提示的上架图书信息取出置书架上的提示框提示的图书放置 在书架的正确位置；

步骤1‐9，重复上述步骤1-7～步骤1-8过程直到所有图书均已全部被上架；

如图3所示，基于RFID技术的图书馆机器人智能3D导航上架系统通过以下步骤 实现自动识别图书的功能：

步骤2-1，将要上架的图书放入机器人背后的两层置书架上；

步骤2-2，使用置书架上的天线扫描置书架内图书RFID标签，扫描前设置读取标 签的掩码为“00”，以0开头的标签代表图书标签。同时需要开启3、4、5、6号天线， 禁用1、2号天线；

步骤2-3，根据先前设定好的图书RFID标签EPC号的编码规则，判断读取的标签 是否为图书RFID标签，剔除不符合图书RFID标签EPC号编码规则的标签，读取标 签的同时记录下图书的天线端口号，如果标签端口号是3、4，那么就判断此图书在置 书架的上层，如果标签端口号是5、6，则图书在置书架的下层。如果一本图书同时被 上下天线读取到了，那么取RSSI值最大的那个天线号所在的层号作为此本图书的层 号。此例中的图书RFID标签的EPC号的编码规则如下：

0BCXXXXXXXX000000000

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：表示长度，目前图书的编码长度为8

XXXXX：表示图书ID号，由图书的条形码获得

00000：因RFID编码要求，不足双字节需要进行补零操作；

步骤2-4，根据图书RFID标签EPC号信息编码规则，从EPC号中提取图书的ID 号；

步骤2-5，根据提取出的图书ID号，从后台数据库服务器查询图书的基本信息和 图书的书架位置信息，图书的基本信息包括，图书标题，图书编码；

步骤2-6，为每本扫描到的图书制作图书模型；

步骤2-7，根据步骤1-3得到的图书在置书架的位置，在机器人模型的相应置书架 上显示图书。如果图书被判断为在置书架的上层，那么相应的，在机器人模型中置书 架的上层显示此图书模型，如果是下层，就在下层显示；

步骤2-8，点击机器人模型的每层，都会在模型旁显示包含这层所有图书信息的 表格；

步骤2-9，每隔两秒钟重复上述步骤1-2～步骤1-8过程。

如图4所示，基于RFID技术的图书馆机器人智能3D导航上架系统通过以下步骤 实现生成导航路径的功能：

步骤3-1，在完成上述图书扫描的过程后，打开触摸显示屏上图书馆布局页面，点 击路径生成按钮，利用机器人一侧的1、2号天线扫描旁边书架上预先贴好的书架RFID 标签和图书RFID标签。扫描前不需要设置标签的掩码，开启1、2号天线，禁用3、4、 5、6号天线；

步骤3-2，书架RFID标签是预先被贴在书架上的，将1号或2号天线的高度调整 至书架RFID标签的高度位置，书架RFID标签的EPC号的编码规则设置如下：

1BCXXXXX000000000000

1：表示标签的类型为书架RFID标签

B：预留位

C：表示长度，目前图书的编码长度为5

XXXXX：表示书架ID号

00000：因RFID编码要求，不足双字节需要进行补零操作；

步骤3-3，将读取到的标签进行分类，EPC号以0开头并且长度大于8的是图书 标签，以1开头长度大于5的是书架标签；

步骤3-4，如果书架RIFD标签数不为零，则取RSSI信号值最大的那个标签，提 取其书架ID号，到后台数据库服务器中查询出此标签所在的书架位置，以此书架作为 机器人的当前位置；

步骤3-5，如果书架RIFD标签数为零，那么要看图书RFID标签数是否为零，如 果也没有读取到图书RFID标签，则提示不能判断当前位置，无法生成上架路径。否则 就从每个图书RFID标签中提取图书ID号，经后台数据库服务器查出其书架位置，如 果所有查询出的图书数目有一半以上属于其中一个书架，就将此书架判断为当前机器 人的位置，否则提示无法获取当前位置；

步骤3-6，如果上述步骤2-4或2-5过程获取了机器人当前位置，采用最近邻点法， 利用上架图书的书架信息生成一条上架路径。最近邻点法就是计算出所有位置和上一 个位置的距离，选出其中离上一个位置最近的位置作为下一个位置。距离的计算方式 如下：

两个书架在同一排:

s＝(col1-col2)×shelflength，其中s表示两书架距离,col1表示其他书架的列号， col2表示上一个书架的列号，shelflength表示一个书架的长度；

两个书架不在同一排：

从左边拐弯：

s＝(col2+col1)*shelflength+(row1-row2)*shelfwidth+e

从右边拐弯：

s＝(2n-(col2+col1))*shelflength+(row1-row2)*shelfwidth+e，其中s表示两 个书架距离，col1表示其他书架的列号，col2表示上一个书架的列号，shelflength表示 一个书架的长度,row1表示其他书架的行号，row2表示上一个书架的行号，shelfwidth 表示一个书架的宽度，n代表一行的书架个数，e表示拐弯的代价；

把当前位置作为要计算的初始书架位置，按照上述计算两书架距离的方法依次 计算出下一个上架位置，以此优化出一条上架路径。

步骤3-7，根据得到的上架路径，为每个路径中的书架位置制作路标模型，在触摸 显示屏图书馆布局页面中的相应位置显示，每个路标模型上带有表示此书架上架顺序 的数字，并根据两书架之间的路径制作导航箭头，在页面中循环动态移动；

如图5所示，基于RFID技术的图书馆机器人智能3D导航上架系统通过以下步骤 实现机器人自动导航的功能：

步骤5-1，打开图书馆布局页面，点击开始导航按钮；

步骤5-2，利用机器人一侧的1、2号天线扫描旁边书架上预先贴好的书架RFID 标签。扫描前需要设置标签的掩码为“10”，以此来剔除非书架RFID标签。开启1、2 号天线，禁用3、4、5、6号天线；

步骤5-3，在读取到的书架RFID标签中，选取RSSI信号值最大的标签，提取书 架ID号，从后台数据库服务器查出标签代表的书架作为当前位置，并在触摸显示屏的 图书馆布局页面中更新机器人的位置；

步骤5-4，从图书扫描的结果中查询当前位置是否有需要上架的图书，有的话机器 人自动停止，弹出一个提示框，该提示框包含此刻需要上架的所有图书的列表，包括 图书标题，图书编号，图书在书架上的位置及图书在机器人置书架的位置；

步骤5-5，图书馆管理员根据提示从机器人置书架的相应位置取出要上架的图书， 进行人工上架操作；

步骤5-6，当前位置上架完毕后，重复上述步骤5-2～步骤5-5过程，继续点击开始 导航，让机器人自动前往下一个位置，如果所有图书均上架完毕，结束上架操作。

本发明提供了一种基于RFID技术的图书馆机器人智能3D导航上架系统，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。