基于單片機(jī)的無(wú)線圖書(shū)借閱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁連余

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，224051）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)圖書(shū)館中圖書(shū)借記終端較少（一般為2-5臺(tái)），且圖書(shū)借記工作大都需要圖書(shū)館工作人員參與完成。本文設(shè)計(jì)一套智能化自助式圖書(shū)借記系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含一個(gè)主控存儲(chǔ)中心、多個(gè)圖書(shū)借記網(wǎng)點(diǎn)，各網(wǎng)點(diǎn)與主控存儲(chǔ)中心之間采用無(wú)線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)點(diǎn)、24小時(shí)自助服務(wù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)擬以微控制器芯片為核心搭建各服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)。各網(wǎng)點(diǎn)以便攜式可移動(dòng)設(shè)備形式實(shí)現(xiàn)，具有獨(dú)立的自助借書(shū)還書(shū)功能，并可以將讀者信息、借書(shū)還書(shū)信息等通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送

給控制存儲(chǔ)中心存儲(chǔ)。

本文所設(shè)計(jì)的自助式圖書(shū)借記系統(tǒng)整體框圖如圖1所示：

假設(shè)圖書(shū)館共分三層，每層配置5臺(tái)圖書(shū)借記終端，每臺(tái)借記終端都可以獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)自助借書(shū)還書(shū)功能。每臺(tái)借記終端讀取到讀者信息、借書(shū)還書(shū)信息后首先進(jìn)行本地存儲(chǔ)，然后三層共15臺(tái)借記終端（1-15號(hào)）按照規(guī)定好的時(shí)間順序依次向控制存儲(chǔ)中心中借記終端（0號(hào)）發(fā)送讀者借記信息，0號(hào)借記終端將收到的借記信息通過(guò)RS232串口發(fā)送給圖書(shū)管理系統(tǒng)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

1）微控制器

微控制器芯片是智能化自助式圖書(shū)借記系統(tǒng)的核心器件，其性能的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能，在其型號(hào)的選擇上要考慮到它的價(jià)格、運(yùn)算速度、內(nèi)存量等方面?？晒┻x擇的微控制器有單片機(jī)、FPGA、DSP、ARM 等。

單片機(jī)具有較高的運(yùn)算速度，C 語(yǔ)言編程，有利于程序開(kāi)發(fā)和移植，控制功能很強(qiáng)，且體積小、價(jià)格低、功耗低，但是一般的單片機(jī)內(nèi)存和通用寄存器都不太豐富[1]?？紤]到上述因素，本系統(tǒng)選取內(nèi)存（256K）較大的STM32F103作為核心芯片。此款芯片片上外設(shè)豐富，可大大減少系統(tǒng)電路中除處理器以外的元器件配置，精減系統(tǒng)成本，256K 內(nèi)存可用來(lái)存儲(chǔ)讀者借書(shū)還書(shū)信息。

2）無(wú)線通訊模塊

目前，六種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在成為業(yè)界討論的熱點(diǎn)，它們分別是無(wú)線局域網(wǎng)（Wi-Fi）、超寬帶通信（UWB）、近場(chǎng)通信（NFC）、藍(lán)牙（Bluetooth）、紅外線數(shù)據(jù)通信IrDA 和Zigbee 技術(shù)[2]。Zigbee 聯(lián)盟制定的Zigbee 方式與其他無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式相比，具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、兼容性好、實(shí)現(xiàn)成本低、組網(wǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)，非常適合低成本、且對(duì)傳輸速率要求不高的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。因此，本文選取Zigbee 方式進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

圖2 無(wú)線模塊與單片機(jī)連接圖

圖3 AT86RF212外圍硬件電路

圖4 軟件流程圖

圖5 串口接收信息

本系統(tǒng)中，無(wú)線Zigbee模塊選擇AT86RF212。它是一款專為低成本的IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)Zigbee 技術(shù)與高數(shù)據(jù)傳輸率的ISM 應(yīng)用而設(shè)計(jì)的低功耗、低電壓700/800/900MHz 頻段收發(fā)器。單片AT86RF212收發(fā)器提供了天線和微控制器間的完整接口，包括時(shí)間和頻率同步的數(shù)字調(diào)制和解調(diào)，以及數(shù)據(jù)緩沖功能，且與微控制器的接口為同步串行SPI 接口，保證了與微控制器的快速通信。芯片的接受靈敏度高達(dá)-110DBm，可編程TX 輸出功率高達(dá)+10DBm，工作電壓從1.8V 到3.6V，保證了數(shù)據(jù)的高傳輸速率和低功耗性能。芯片的上述特性滿足了整個(gè)系統(tǒng)對(duì)低功耗、低成本、以及數(shù)據(jù)傳輸速率的要求；簡(jiǎn)單的外圍電路可以降低硬件設(shè)計(jì)的難度，加快開(kāi)發(fā)的進(jìn)度。

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用單片機(jī)進(jìn)行信息收發(fā)處理需經(jīng)過(guò)RS232以及SPI 接口。STM32F103包含2個(gè)SPI 同步串行接口（18Mb/s），3個(gè)USART 異步串行接口（4.5Mb/s）。RS232接口只需外接電瓶轉(zhuǎn)換芯片后即可與PC 機(jī)或條形碼掃描儀相連，電路比較簡(jiǎn)單，這里不再贅述。下面主要介紹Zigbee 無(wú)線通信模塊的實(shí)現(xiàn)。

在此模塊設(shè)計(jì)中，用到的芯片主要包括微控制器主控芯片STM32F103VCT6、AT86RF212。AT86RF212與主控芯片采用SPI總線接口方式，在這種模式下，主控芯片與Zigbee 芯片只要幾根線就能夠完成復(fù)雜的通信。STM32F103VCT6與AT86RF212的SPI總線連接圖如圖2所示。

選擇STM32F103VCT6為SPI主模式，AT86RF212為SPI 從模式，在SPI 總線模式下的配置復(fù)用輸入輸出接口的PA5、PA6、PA7、PE12分別為SCLK、MISO、MOSI、SCS（SPI 從模式低電平有效）信號(hào)線直接相連，并且軟件配置管腳的輸出速度為50MHz，SPI 速率為4.5MHz，STM32F103通過(guò)SPI 端口對(duì)Zigbee 芯片進(jìn)行讀寫(xiě)操作和相應(yīng)配置。其中Zigbee 通信模塊AT86RF212外圍硬件電路圖如圖3所示：

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)與PC 機(jī)程序編寫(xiě)。其中PC機(jī)中軟件只需把由串口接收到的信息接入已有的圖書(shū)館管理系統(tǒng)即可，下面主要介紹單片機(jī)中程序編寫(xiě)。

本系統(tǒng)中設(shè)置1-15號(hào)設(shè)備按照規(guī)定好的時(shí)間順序向0號(hào)設(shè)備發(fā)送信息。1-15號(hào)設(shè)備需要根據(jù)不同的輸入信息做出不同后續(xù)動(dòng)作，具體軟件流程如圖4所示：

上電初始化后條形碼掃描儀一直處于工作狀態(tài)，讀者借書(shū)或者還書(shū)時(shí)首先掃描自己的圖書(shū)館證件進(jìn)行身份識(shí)別，身份識(shí)別成功后輸入需要結(jié)借書(shū)數(shù)量N，然后依次掃描錄入N本圖書(shū)條形碼信息。掃描完成后借記終端存儲(chǔ)讀者借記信息，判斷是否可以向控制存儲(chǔ)中心發(fā)送，同時(shí)繼續(xù)讀取借記信息。若判斷結(jié)果為不可以向外發(fā)送則繼續(xù)判斷，直至可以向外發(fā)送時(shí)使能Zigbee 無(wú)線模塊，向外發(fā)送存儲(chǔ)好的借記信息，發(fā)送成功后清空已成功發(fā)送的借記信息所占存儲(chǔ)區(qū)域。

4 實(shí)驗(yàn)分析

本文所述智能自助式圖書(shū)借記系統(tǒng)已完成借記終端硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工作，可以根據(jù)作者預(yù)先設(shè)定好的規(guī)則錄入讀者信息，書(shū)本條形碼信息等。仿真過(guò)程中，在教學(xué)樓內(nèi)一至三層樓道內(nèi)分別布置了5臺(tái)終端，三層共15臺(tái)圖書(shū)借記終端，控制存儲(chǔ)中心設(shè)于一層實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。預(yù)設(shè)15臺(tái)設(shè)備以15分鐘為一周期，輪流向控制中心發(fā)送數(shù)據(jù)，即每臺(tái)借記終端間隔15分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)，每次發(fā)送時(shí)間一分鐘，一分鐘后關(guān)閉本設(shè)備Zigbee 無(wú)線模塊，并使能下一設(shè)備無(wú)線模塊。0號(hào)機(jī)的串口調(diào)試助手接收信息如圖5所示：

圖5中顯示讀者test（ID：aa）從本系統(tǒng)借書(shū)一本（Num：1），借出書(shū)籍條形碼信息為45465476882。系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示上位機(jī)可以準(zhǔn)確完整的接收到借記終端發(fā)出的借記信息，只需將相應(yīng)信息接入已有圖書(shū)館管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，即可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)自助借記服務(wù)。

5 結(jié)論

本文所述基于微控制器與無(wú)線模塊設(shè)計(jì)的智能圖書(shū)借記系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)自助借書(shū)還書(shū)服務(wù)。圖書(shū)館若需實(shí)現(xiàn)自主借書(shū)還書(shū)功能，只需將本系統(tǒng)中與PC 相連借記終端輸出信息接入已有圖書(shū)管理系統(tǒng)即可。要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展功能只需添適量借記終端并修改原有發(fā)送時(shí)間周期。后續(xù)工作主要是結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能。如：修改無(wú)線通信模式，使各借記終端直接接入以太網(wǎng)（如Wi-Fi）并受控于圖書(shū)管理系統(tǒng)；外接液晶顯示屏方便實(shí)時(shí)本地查看圖書(shū)借記信息等。

[1]何秋生，楊希卓，張邵敏，卞夢(mèng)超.基于單片機(jī)的無(wú)線遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30（12）：17-20.

[2]顧瑞紅，張宏科.基于ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2005，31（6）：89-95.