常促宇

（湖南紐曼車聯(lián)網股份有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引言

智能書柜作為一種新型的智能設備，出現(xiàn)的時間較短，但技術更新很快；目前對其研究和全面介紹的文獻較少，本文嘗試從其定義、意義、發(fā)展歷史、主要技術、應用場景以及研究和發(fā)展趨勢等方面進行綜述，以期對讀者有所幫助。

1 定義、意義及歷史

1.1 定義

智能書柜（Smart Bookcase）是一種無人值守、可自助借還書籍的微型圖書管理設備；其稱為“智能”是指采用了通用操作系統(tǒng)，可安裝應用軟件，具有物聯(lián)網通信功能的設備（參考智能手機定義）。部分智能書柜安裝了語音交互、圖像識別等AI 應用軟件，其也可歸屬為人工智能設備。另外也有人根據不同應用稱之為自助借閱機、共享書柜、智慧書柜等，但這些名稱不如智能書柜的定義準確和完整。最新的產品形態(tài)參考如圖1所示。

圖1 智能書柜實物圖

1.2 意義

紙質圖書閱讀既是一種歷史悠久的文化傳承，更是一種健康的閱讀方式，其用戶市場將長期存在并持續(xù)增長，根據圖書館報的數(shù)據顯示，2015年至2019年，中國圖書零售市場保持10%以上增速，2021年圖書零售市場同比上升1.65%，碼洋規(guī)模為986.8 億元，如圖2所示。傳統(tǒng)圖書館集中式的借閱方式，已難以滿足互聯(lián)網時代讀者所需的不受時空限制、高效、便捷、安全的借閱需求，而智能書柜通過集成先進的智能系統(tǒng)、傳感技術、物聯(lián)網和移動支付等系列技術，用分布式的借閱方式解決了集中借閱的不足，提高了用戶體驗，是智慧圖書館的一種新形態(tài)，將成為推動社會文化建設的重要設備，具有長遠的研發(fā)價值和廣闊的市場前景。

圖2 零售渠道中動銷圖書規(guī)模情況

1.3 發(fā)展歷史

國內智能書柜是隨著移動互聯(lián)網和移動支付技術的成熟和廣泛應用后開始出現(xiàn)，其時間大致在2014年以后（微信支付出現(xiàn)在2013年8月），2016年左右開始出現(xiàn)第一代格子式智能書柜，其設計目標是替代更早出現(xiàn)的一種自助圖書館大型設備，如圖3所示；格子智能書柜解決了自助圖書館設備的使用復雜，成本高昂，故障率高的不足，很快得到市場認可；但這種格子智能書柜在技術和應用上存在諸多不足，隨著RFID 技術的普及和成本降低，2017年左右開始出現(xiàn)了基于RFID 識別技術的智能書柜，RFID 智能書柜進一步解決了格子智能書柜所存在的不足，使之成為一種成熟穩(wěn)定的產品，開始進入快速普及應用階段。

圖3 自助圖書館設備實物圖

國外在2007年之前就有關于智能書架的研究和應用，但是關于智能書柜的研究和產品比較少，大致是由于國外物聯(lián)網和移動支付的應用發(fā)展沒有國內快的原因。

2 相關技術

2.1 系統(tǒng)構架

智能書柜的系統(tǒng)構架如圖4所示。

圖4 智能書柜系統(tǒng)構架

2.2 控制系統(tǒng)

智能書柜控制系統(tǒng)主要分為兩種，一種是基于ARM 處理器運行安卓或Linux 操作系統(tǒng)（簡稱安卓系統(tǒng)），另外一種是基于X86 處理器運行Windows 系統(tǒng)（簡稱Windows系統(tǒng)）。Windows 系統(tǒng)的優(yōu)點是可以運行基于PC 的傳統(tǒng)圖書管理軟件，和傳統(tǒng)圖書管理系統(tǒng)的對接簡單，缺點是硬件和操作系統(tǒng)成本較高，安全性較低；基于開源的安卓系統(tǒng)優(yōu)點是軟硬件成本低，可靠性安全性更高，缺點是和傳統(tǒng)圖書管理系統(tǒng)的對接需要定制開發(fā)，但隨著圖書管理系統(tǒng)對移動端應用支持的增強，安卓系統(tǒng)對接圖書管理系統(tǒng)也越來越方便。目前安卓系統(tǒng)正逐步成為主流的控制系統(tǒng)。

無論哪種控制系統(tǒng)，其網絡連接一般都可以支持以太網、Wi-Fi 和4G 甚至5G 通信。

2.3 識別技術

智能書柜的核心技術是對書籍智能識別方式，以下為目前可成熟應用的技術。

2.3.1 條碼識別

采用紅外掃描或者攝像頭識別書籍上印刷的ISBN 條碼識別書籍，這是目前圖書館識別書籍的主要方式，但由于ISBN 編碼一般印刷在書籍封底上，需要人工操作才能對準識別，難以實現(xiàn)自動化操作。

2.3.2 高頻（HF）RFID 識別

采13.56 MHz 的高頻RFID 技術實現(xiàn)對書籍的自動識別，該方式需要首先將RFID 標簽貼在書籍封面或者封底，通過RFID 讀寫器讀取標簽信息，通過條碼識別獲取書籍信息，然后將兩者信息進行關聯(lián)；關聯(lián)好的書籍放入智能書柜后，控制系統(tǒng)通過RFID 天線掃描書柜內的所有RFID 標簽，實現(xiàn)書籍的自動盤點識別。當用戶從書柜內取走若干書籍后，系統(tǒng)盤點書柜內剩余書籍，獲得減少的標簽信息，通過關聯(lián)數(shù)據庫，即可準確記錄用戶所借用書籍的明細；歸還過程亦是如此。

高頻RFID 采用的是電感耦合方式，如圖5所示，即電子標簽通過耦合線圈從讀寫設備獲取能量和收發(fā)數(shù)據，其線圈結構導致標簽一般設計為方形或圓形，尺寸較大，同時感應距離較短，典型距離在5 ～10 cm（參考ISO/IEC14443協(xié)議），其標簽讀取速度一般在30 ～50 個/秒。

圖5 高頻RFID 電感耦合原理圖

2.3.3 超高頻（UHF）RFID 識別

采用860 ～960 MHz 超高頻RFID 技術實現(xiàn)對書籍的自動識別，其書籍識別方法和高頻RFID 相同，但兩者性能有較大差別。超高頻采用的是電磁反向散射耦合方式，如圖6所示，即電子標簽通過自身天線從讀寫設備天線發(fā)射的電磁波中獲取能量進行數(shù)據通信，根據公式=可算出960 MHz 的電磁波的波長=31.25 cm，其收發(fā)天線的最佳尺寸為1/4 波長，故超高頻電子標簽的收發(fā)天線尺寸很小，只需要7 ～8 cm 左右，可以設計為窄長條形狀。同時其感應距離長，典型距離在1 m以上，其標簽讀取速度一般在150 ～200 個/秒。

圖6 電磁反向散射耦合原理圖

2.4 其他識別技術

例如磁卡（磁條）、其他頻段的RFID（如微波RFID，2.4 ～5.8 GHz）等書籍識別技術，因性能、成本、成熟度等綜合因素，在智能書柜中極少應用。另外也有人研究用圖像識別的方法來識別書籍封面獲得書籍信息，但受智能書柜內書籍擺放、用戶借還操作過程中的遮擋等因素影響，應用的局限性很大。

2.5 用戶管理和授權

智能書柜的用戶管理和授權方式包括以下幾種。

2.5.1 手機掃碼

隨著智能手機的普及，使用手機APP 和小程序（微信/支付寶）掃碼來進行用戶管理和授權，成為智能書柜常用的管理方式。其中微信由于普及率更高，集成了實名認證、用戶信用和移動支付等綜合功能，其小程序的使用更為便捷，成為智能書柜最主要的用戶入口。用戶使用手機掃描智能書柜上的二維碼，智能書柜系統(tǒng)自動獲取用戶的手機賬號信息（例如微信號和手機號），然后判斷用戶權限（例如支付分、押金、白名單等），用戶擁有合法授權即可開門借還書籍，所有借還記錄自動登記在該用戶名下。如需要付費，用戶通過微信支付即時付款。

2.5.2 智能卡刷卡

在用戶無法使用智能手機的場景下，例如低年級的學校或者保密單位等場景，可以使用智能卡進行用戶管理和授權，智能書柜常用的智能卡包括ID 卡和IC 卡。用戶刷卡時，智能書柜系統(tǒng)讀取智能卡卡號，然后判斷該卡號是否擁有權限（授權卡號需要預先導入系統(tǒng)），卡號擁有合法權限即可開門借還書籍。所有借還記錄自動登記在該卡對應的用戶名下。

2.5.3 人臉識別

人臉識別的使用方法和智能卡類似，系統(tǒng)通過預先錄入可以授權的用戶人臉信息來判斷用戶權限。

2.5.4 賬號密碼

用戶在智能書柜的觸摸屏（或其他輸入設備）上輸入賬號密碼進行授權，該方式輸入操作較為復雜，較少使用。

2.6 圖書的消毒殺菌

圖書的借還操作不可避免帶來細菌病毒的傳播，好的智能書柜一般都設計有圖書自動消毒殺菌功能。常用的技術主要是臭氧和紫外線兩種：

紫外線的原理是通過UVC 紫外線的照射，破壞及改變微生物的DNA（脫氧核糖核酸）結構，使細菌當即死亡或不能繁殖后代，達到殺菌的目的。

臭氧的消殺過程屬生物化學氧化反應，有以下3 種形式：（1）臭氧能氧化分解細菌內部降解葡萄糖所需的酶使細菌滅活死亡。（2）直接與細菌、病毒作用，破壞它們的細胞器和DNA、RNA 導致細菌死亡。（3）透過細胞膜組織，侵入細胞內，作用于外膜的脂蛋白和內部的脂多糖，使細菌發(fā)生通透性畸變而溶解死亡。

紫外線的消殺功能需要直接照射物體表面才能完成，臭氧是氣體，可以全方位滲透，對于放置在書柜內的閉合書本而言，臭氧的消殺功能更為專業(yè)適用。

3 產品分類

智能書柜的分類根據其書籍識別的技術方式，主要分為以下3 種。

3.1 格子智能書柜

這種智能書柜采用了一個格子存放一本書的設計結構，每個格子都有一個獨立的電磁鎖控制格子門的開關，其外觀就是由數(shù)十至數(shù)百個格子組成，故稱其為格子智能書柜，如圖7所示。格子智能書柜的控制系統(tǒng)和用戶管理一般采用前述技術方案中的一種，其書籍識別方式最常用的是條碼識別，也有部分采用高頻或者超高頻RFID 識別（采用RFID主要是為了兼容圖書館帶RFID 標簽的書籍）。

圖7 時間戳的合成方法

圖7 格子智能書柜實物圖

其借書流程為：用戶完成授權登錄后，通過智能書柜觸摸屏或者手機選擇借書功能，再選擇需要借用書籍的格子編號，打開柜門取書，關閉柜門。

其還書流程為：用戶授權登錄后，通過智能書柜觸摸屏或者手機選擇還書功能，再拿書在書柜的特定位置掃描書籍上的ISBN 條碼（或者掃描RFID），系統(tǒng)判斷是合法書籍后，打開空的格子門，用戶放入書籍后關閉柜門。

格子智能書柜的優(yōu)點是條碼識別成本低，書籍不需要貼RFID 標簽，格子數(shù)量容易擴展；缺點是還書過程存在較大缺陷，用戶完成書籍識別后，系統(tǒng)無法自動檢測用戶是否將正確的書籍放入格子；另外用戶操作步驟多，每次只能借還1本，外觀由大量格子組成占地面積大，容量密度小，不美觀也是其不足。

還有一種智能書柜，其原理和格子智能書柜類似，區(qū)別是在每本書上安裝一個金屬固定環(huán)（或者掛繩），再將金屬環(huán)鎖定在書架上，用戶通過刷卡打開書籍對應的鎖即可實現(xiàn)借還；其本質是用固定環(huán)來替代放置書籍的格子柜門，故將其歸為一類。由于取消了格子柜門，其占地面積更小，但機械結構和用戶操作更為復雜，故較為少見。

3.2 高頻RFID 智能書柜

采用高頻RFID 技術來自動識別書籍，即通過在柜體內安裝的一系列高頻RFID 天線來檢測RFID 標簽的變化。高頻RFID 通信距離短，這類書柜一般按10 ～15 cm 的間隔密度部署天線；高頻RFID標簽讀取速率不高，為了提高性能，一般采用多門結構，每個柜門內放置10 ～30 本書籍，典型結構如圖8所示。

圖8 高頻RFID 智能書柜實物圖

其借還書流程為：用戶完成授權登錄后，通過智能書柜觸摸屏或者手機選擇柜門，打開柜門取書或者還書，關閉柜門。

高頻RFID 智能書柜的優(yōu)點是用戶操作比格子書柜簡單，可以準確自動識別用戶所借還的書籍；缺點是兩個標簽之間距離不能太近，否則易相互干擾，兩本比較薄的書放一起或兩本書的標簽重疊可能會產生漏讀；RFID 標簽尺寸較大、成本高如圖9所示，只能貼在書籍的封面或者封底，隱蔽性不高，易損毀；用戶瀏覽多本書籍時需要切換不同柜門；另外柜門較多，結構外觀受限，天線數(shù)量多，成本高。

圖9 高頻RFID 圖書電子標簽

3.3 超高頻RFID 智能書柜

采用超高頻RFID 技術來自動識別書籍，通過在柜體內安裝的數(shù)個超高頻RFID 天線來檢測RFID 標簽的變化。超高頻RFID解決了高頻RFID所存在的不足，標簽識別距離遠，識別速度快，可以采用和傳統(tǒng)書柜類似的單門結構設計，其典型產品如圖1所示。

超高頻RFID 智能書柜的優(yōu)點是用戶操作比高頻RFID 書柜更簡單，標簽尺寸小巧如圖10所示，成本低，可很好隱藏在書籍夾縫中，可采用單柜門設計，外觀結構美觀。缺點是電磁波頻率高，對柜體的電磁屏蔽性能要求比較高，對材料、結構和制造工藝有特殊要求，生產成本較高；另外，和高頻RFID 書柜類似，兩個標簽之間距離太近可能會導致漏讀的問題仍然存在，不過在實際使用中出現(xiàn)這種情況的概率并不高。

圖10 超高頻RFID 書籍標簽

4 應用場景

智能書柜在圖書需要管理的場景下均有廣泛應用，其自助借還，智能統(tǒng)計，24 小時運行的特點大大降低了圖書管理成本，提高了用戶體驗和借還效率。典型應用場景包括：企事業(yè)單位，社區(qū)的公共圖書共享閱讀，學校、圖書館的分布式借閱，其他公共場所的公益或者收費借閱。

5 結論

通過技術綜述可以得知，智能書柜是一種集成了各種先進技術的綜合性應用產品，其從最初的格子柜迅速發(fā)展到應用超高頻RFID 技術，很好地滿足各類應用場景的需要；從技術發(fā)展趨勢看，超高頻RFID 技術是我國RFID 領域主要發(fā)展方向，因其諸多優(yōu)勢也將成為智能書柜的主要發(fā)展趨勢；另外，隨著控制系統(tǒng)軟硬件的迭代升級，智能書柜的性能也將不斷提升，將可以運行更為復雜的人工智能軟件，為用戶提供更好的服務和體驗。

智能書柜未來的研究發(fā)展方向主要集中在電磁屏蔽、RFID 標簽的識別速度和識別率、書籍（RFID 標簽）的定位、圖像識別、人工智能算法的應用等方面。

總之，隨之智能書柜技術的成熟和批量應用，將推動微型智慧圖書館的快速發(fā)展，逐步成為人們生活中常見的智能設備，具有廣闊的市場應用前景。