常促宇

（湖南纽曼车联网股份有限公司，湖南 长沙 410100）

智能书柜作为一种新型的智能设备，出现的时间较短，但技术更新很快；
目前对其研究和全面介绍的文献较少，本文尝试从其定义、意义、发展历史、主要技术、应用场景以及研究和发展趋势等方面进行综述，以期对读者有所帮助。

1.1 定义

智能书柜（Smart Bookcase）是一种无人值守、可自助借还书籍的微型图书管理设备；
其称为“智能”是指采用了通用操作系统，可安装应用软件，具有物联网通信功能的设备（参考智能手机定义）。部分智能书柜安装了语音交互、图像识别等AI 应用软件，其也可归属为人工智能设备。另外也有人根据不同应用称之为自助借阅机、共享书柜、智慧书柜等，但这些名称不如智能书柜的定义准确和完整。最新的产品形态参考如图1所示。

图1 智能书柜实物图

1.2 意义

纸质图书阅读既是一种历史悠久的文化传承，更是一种健康的阅读方式，其用户市场将长期存在并持续增长，根据图书馆报的数据显示，2015年至2019年，中国图书零售市场保持10%以上增速，2021年图书零售市场同比上升1.65%，码洋规模为986.8 亿元，如图2所示。传统图书馆集中式的借阅方式，已难以满足互联网时代读者所需的不受时空限制、高效、便捷、安全的借阅需求，而智能书柜通过集成先进的智能系统、传感技术、物联网和移动支付等系列技术，用分布式的借阅方式解决了集中借阅的不足，提高了用户体验，是智慧图书馆的一种新形态，将成为推动社会文化建设的重要设备，具有长远的研发价值和广阔的市场前景。

图2 零售渠道中动销图书规模情况

1.3 发展历史

国内智能书柜是随着移动互联网和移动支付技术的成熟和广泛应用后开始出现，其时间大致在2014年以后（微信支付出现在2013年8月），2016年左右开始出现第一代格子式智能书柜，其设计目标是替代更早出现的一种自助图书馆大型设备，如图3所示；
格子智能书柜解决了自助图书馆设备的使用复杂，成本高昂，故障率高的不足，很快得到市场认可；
但这种格子智能书柜在技术和应用上存在诸多不足，随着RFID 技术的普及和成本降低，2017年左右开始出现了基于RFID 识别技术的智能书柜，RFID 智能书柜进一步解决了格子智能书柜所存在的不足，使之成为一种成熟稳定的产品，开始进入快速普及应用阶段。

图3 自助图书馆设备实物图

国外在2007年之前就有关于智能书架的研究和应用，但是关于智能书柜的研究和产品比较少，大致是由于国外物联网和移动支付的应用发展没有国内快的原因。

2.1 系统构架

智能书柜的系统构架如图4所示。

图4 智能书柜系统构架

2.2 控制系统

智能书柜控制系统主要分为两种，一种是基于ARM 处理器运行安卓或Linux 操作系统（简称安卓系统），另外一种是基于X86 处理器运行Windows 系统（简称Windows系统）。Windows 系统的优点是可以运行基于PC 的传统图书管理软件，和传统图书管理系统的对接简单，缺点是硬件和操作系统成本较高，安全性较低；
基于开源的安卓系统优点是软硬件成本低，可靠性安全性更高，缺点是和传统图书管理系统的对接需要定制开发，但随着图书管理系统对移动端应用支持的增强，安卓系统对接图书管理系统也越来越方便。目前安卓系统正逐步成为主流的控制系统。

无论哪种控制系统，其网络连接一般都可以支持以太网、Wi-Fi 和4G 甚至5G 通信。

2.3 识别技术

智能书柜的核心技术是对书籍智能识别方式，以下为目前可成熟应用的技术。

2.3.1 条码识别

采用红外扫描或者摄像头识别书籍上印刷的ISBN 条码识别书籍，这是目前图书馆识别书籍的主要方式，但由于ISBN 编码一般印刷在书籍封底上，需要人工操作才能对准识别，难以实现自动化操作。

2.3.2 高频（HF）RFID 识别

采13.56 MHz 的高频RFID 技术实现对书籍的自动识别，该方式需要首先将RFID 标签贴在书籍封面或者封底，通过RFID 读写器读取标签信息，通过条码识别获取书籍信息，然后将两者信息进行关联；
关联好的书籍放入智能书柜后，控制系统通过RFID 天线扫描书柜内的所有RFID 标签，实现书籍的自动盘点识别。当用户从书柜内取走若干书籍后，系统盘点书柜内剩余书籍，获得减少的标签信息，通过关联数据库，即可准确记录用户所借用书籍的明细；
归还过程亦是如此。

高频RFID 采用的是电感耦合方式，如图5所示，即电子标签通过耦合线圈从读写设备获取能量和收发数据，其线圈结构导致标签一般设计为方形或圆形，尺寸较大，同时感应距离较短，典型距离在5 ～10 cm（参考ISO/IEC14443协议），其标签读取速度一般在30 ～50 个/秒。

图5 高频RFID 电感耦合原理图

2.3.3 超高频（UHF）RFID 识别

采用860 ～960 MHz 超高频RFID 技术实现对书籍的自动识别，其书籍识别方法和高频RFID 相同，但两者性能有较大差别。超高频采用的是电磁反向散射耦合方式，如图6所示，即电子标签通过自身天线从读写设备天线发射的电磁波中获取能量进行数据通信，根据公式=可算出960 MHz 的电磁波的波长=31.25 cm，其收发天线的最佳尺寸为1/4 波长，故超高频电子标签的收发天线尺寸很小，只需要7 ～8 cm 左右，可以设计为窄长条形状。同时其感应距离长，典型距离在1 m以上，其标签读取速度一般在150 ～200 个/秒。

图6 电磁反向散射耦合原理图

2.4 其他识别技术

例如磁卡（磁条）、其他频段的RFID（如微波RFID，2.4 ～5.8 GHz）等书籍识别技术，因性能、成本、成熟度等综合因素，在智能书柜中极少应用。另外也有人研究用图像识别的方法来识别书籍封面获得书籍信息，但受智能书柜内书籍摆放、用户借还操作过程中的遮挡等因素影响，应用的局限性很大。

2.5 用户管理和授权

智能书柜的用户管理和授权方式包括以下几种。

2.5.1 手机扫码

随着智能手机的普及，使用手机APP 和小程序（微信/支付宝）扫码来进行用户管理和授权，成为智能书柜常用的管理方式。其中微信由于普及率更高，集成了实名认证、用户信用和移动支付等综合功能，其小程序的使用更为便捷，成为智能书柜最主要的用户入口。用户使用手机扫描智能书柜上的二维码，智能书柜系统自动获取用户的手机账号信息（例如微信号和手机号），然后判断用户权限（例如支付分、押金、白名单等），用户拥有合法授权即可开门借还书籍，所有借还记录自动登记在该用户名下。如需要付费，用户通过微信支付即时付款。

2.5.2 智能卡刷卡

在用户无法使用智能手机的场景下，例如低年级的学校或者保密单位等场景，可以使用智能卡进行用户管理和授权，智能书柜常用的智能卡包括ID 卡和IC 卡。用户刷卡时，智能书柜系统读取智能卡卡号，然后判断该卡号是否拥有权限（授权卡号需要预先导入系统），卡号拥有合法权限即可开门借还书籍。所有借还记录自动登记在该卡对应的用户名下。

2.5.3 人脸识别

人脸识别的使用方法和智能卡类似，系统通过预先录入可以授权的用户人脸信息来判断用户权限。

2.5.4 账号密码

用户在智能书柜的触摸屏（或其他输入设备）上输入账号密码进行授权，该方式输入操作较为复杂，较少使用。

2.6 图书的消毒杀菌

图书的借还操作不可避免带来细菌病毒的传播，好的智能书柜一般都设计有图书自动消毒杀菌功能。常用的技术主要是臭氧和紫外线两种：

紫外线的原理是通过UVC 紫外线的照射，破坏及改变微生物的DNA（脱氧核糖核酸）结构，使细菌当即死亡或不能繁殖后代，达到杀菌的目的。

臭氧的消杀过程属生物化学氧化反应，有以下3 种形式：（1）臭氧能氧化分解细菌内部降解葡萄糖所需的酶使细菌灭活死亡。（2）直接与细菌、病毒作用，破坏它们的细胞器和DNA、RNA 导致细菌死亡。（3）透过细胞膜组织，侵入细胞内，作用于外膜的脂蛋白和内部的脂多糖，使细菌发生通透性畸变而溶解死亡。

紫外线的消杀功能需要直接照射物体表面才能完成，臭氧是气体，可以全方位渗透，对于放置在书柜内的闭合书本而言，臭氧的消杀功能更为专业适用。

智能书柜的分类根据其书籍识别的技术方式，主要分为以下3 种。

3.1 格子智能书柜

这种智能书柜采用了一个格子存放一本书的设计结构，每个格子都有一个独立的电磁锁控制格子门的开关，其外观就是由数十至数百个格子组成，故称其为格子智能书柜，如图7所示。格子智能书柜的控制系统和用户管理一般采用前述技术方案中的一种，其书籍识别方式最常用的是条码识别，也有部分采用高频或者超高频RFID 识别（采用RFID主要是为了兼容图书馆带RFID 标签的书籍）。

图7 时间戳的合成方法

图7 格子智能书柜实物图

其借书流程为：用户完成授权登录后，通过智能书柜触摸屏或者手机选择借书功能，再选择需要借用书籍的格子编号，打开柜门取书，关闭柜门。

其还书流程为：用户授权登录后，通过智能书柜触摸屏或者手机选择还书功能，再拿书在书柜的特定位置扫描书籍上的ISBN 条码（或者扫描RFID），系统判断是合法书籍后，打开空的格子门，用户放入书籍后关闭柜门。

格子智能书柜的优点是条码识别成本低，书籍不需要贴RFID 标签，格子数量容易扩展；
缺点是还书过程存在较大缺陷，用户完成书籍识别后，系统无法自动检测用户是否将正确的书籍放入格子；
另外用户操作步骤多，每次只能借还1本，外观由大量格子组成占地面积大，容量密度小，不美观也是其不足。

还有一种智能书柜，其原理和格子智能书柜类似，区别是在每本书上安装一个金属固定环（或者挂绳），再将金属环锁定在书架上，用户通过刷卡打开书籍对应的锁即可实现借还；
其本质是用固定环来替代放置书籍的格子柜门，故将其归为一类。由于取消了格子柜门，其占地面积更小，但机械结构和用户操作更为复杂，故较为少见。

3.2 高频RFID 智能书柜

采用高频RFID 技术来自动识别书籍，即通过在柜体内安装的一系列高频RFID 天线来检测RFID 标签的变化。高频RFID 通信距离短，这类书柜一般按10 ～15 cm 的间隔密度部署天线；
高频RFID标签读取速率不高，为了提高性能，一般采用多门结构，每个柜门内放置10 ～30 本书籍，典型结构如图8所示。

图8 高频RFID 智能书柜实物图

其借还书流程为：用户完成授权登录后，通过智能书柜触摸屏或者手机选择柜门，打开柜门取书或者还书，关闭柜门。

高频RFID 智能书柜的优点是用户操作比格子书柜简单，可以准确自动识别用户所借还的书籍；
缺点是两个标签之间距离不能太近，否则易相互干扰，两本比较薄的书放一起或两本书的标签重叠可能会产生漏读；
RFID 标签尺寸较大、成本高如图9所示，只能贴在书籍的封面或者封底，隐蔽性不高，易损毁；
用户浏览多本书籍时需要切换不同柜门；
另外柜门较多，结构外观受限，天线数量多，成本高。

图9 高频RFID 图书电子标签

3.3 超高频RFID 智能书柜

采用超高频RFID 技术来自动识别书籍，通过在柜体内安装的数个超高频RFID 天线来检测RFID 标签的变化。超高频RFID解决了高频RFID所存在的不足，标签识别距离远，识别速度快，可以采用和传统书柜类似的单门结构设计，其典型产品如图1所示。

超高频RFID 智能书柜的优点是用户操作比高频RFID 书柜更简单，标签尺寸小巧如图10所示，成本低，可很好隐藏在书籍夹缝中，可采用单柜门设计，外观结构美观。缺点是电磁波频率高，对柜体的电磁屏蔽性能要求比较高，对材料、结构和制造工艺有特殊要求，生产成本较高；
另外，和高频RFID 书柜类似，两个标签之间距离太近可能会导致漏读的问题仍然存在，不过在实际使用中出现这种情况的概率并不高。

图10 超高频RFID 书籍标签

智能书柜在图书需要管理的场景下均有广泛应用，其自助借还，智能统计，24 小时运行的特点大大降低了图书管理成本，提高了用户体验和借还效率。典型应用场景包括：企事业单位，社区的公共图书共享阅读，学校、图书馆的分布式借阅，其他公共场所的公益或者收费借阅。

通过技术综述可以得知，智能书柜是一种集成了各种先进技术的综合性应用产品，其从最初的格子柜迅速发展到应用超高频RFID 技术，很好地满足各类应用场景的需要；
从技术发展趋势看，超高频RFID 技术是我国RFID 领域主要发展方向，因其诸多优势也将成为智能书柜的主要发展趋势；
另外，随着控制系统软硬件的迭代升级，智能书柜的性能也将不断提升，将可以运行更为复杂的人工智能软件，为用户提供更好的服务和体验。

智能书柜未来的研究发展方向主要集中在电磁屏蔽、RFID 标签的识别速度和识别率、书籍（RFID 标签）的定位、图像识别、人工智能算法的应用等方面。

总之，随之智能书柜技术的成熟和批量应用，将推动微型智慧图书馆的快速发展，逐步成为人们生活中常见的智能设备，具有广阔的市场应用前景。

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