基于RFID的圖書館自動借還系統(tǒng)設(shè)計

肖亞迪，賀成佳，李俐萍

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610059)

隨著社會信息的快速發(fā)展，RFID作為一種快速、遠(yuǎn)距離、非接觸式的自動識別技術(shù)，已成功應(yīng)用于國內(nèi)外部分圖書館［1］。目前，仍有許多圖書館采用條碼加磁條的方式進(jìn)行圖書管理［2－4］。這種管理方式存在圖書管理員工作量大、用戶借還書程序繁瑣、圖書查找困難等問題。目前已有許多國家圖書館和公共圖書館采用自動化圖書管理系統(tǒng)，但這對于中、小型圖書館而言，其具有成本高、后期維護(hù)投入大［3］等問題。因此，針對小型圖書館，設(shè)計一種簡易、便攜式自動借還機系統(tǒng)是必要的。本文設(shè)計的基于RFID［5］的圖書館自動借還系統(tǒng)可以實現(xiàn)無人看守、自動借還書籍等功能，從而減少圖書管理員的勞動量，并且方便用戶操作。若在整個圖書館每層樓設(shè)置多個圖書借還終端，可達(dá)到減緩用戶借還擁擠等情況的目的。向RFID電子標(biāo)簽寫入位置信息還可以實現(xiàn)圖書定位，方便用戶查找和圖書管理員整架［6］。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 高頻RFID電子標(biāo)簽原理及特點

電子標(biāo)簽的工作頻段可分為低頻(125 kHz)、高頻(13.5 MHz)、超高頻(850～910 MHz)和微波(2.45 GHz)4種。

低頻標(biāo)簽?zāi)芎男?、穿透能力強、適用近距離讀卡;超高頻功耗大、能量易被干擾、穿透能力弱、存儲容量小，一般為256 kB，與同容量的高頻標(biāo)簽相比，價格較高，適用于遠(yuǎn)距離讀卡。高頻工作模式為近耦合，波形圖為球形波形，較好控制，通過天線面積可有效控制讀取范圍，在自動借還機附近也不會發(fā)生讀取非操作讀者手持書籍的問題［7］，且其價格適當(dāng)、技術(shù)成熟、能與磁條系統(tǒng)兼容。故在本系統(tǒng)中采用高頻頻段作為電子標(biāo)簽的工作頻段，其在1～10 cm的范圍內(nèi)即可進(jìn)行讀卡工作，滿足圖書讀取距離要求。其較條碼加磁條方式的圖書管理具有管理人員工作量大幅降低、用戶借還書程序簡便、圖書查找明了方便等優(yōu)點。

根據(jù)制作標(biāo)簽的材料，RFID標(biāo)簽分為軟標(biāo)簽和硬標(biāo)簽。軟標(biāo)簽可作為圖書的電子標(biāo)簽，硬標(biāo)簽可作為學(xué)生的借閱證。目前，全球有3大RFID協(xié)議標(biāo)準(zhǔn):歐美的EPC標(biāo)準(zhǔn)，日本的UID標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)相互之間不兼容［6］。由于生產(chǎn)廠家已在RFID標(biāo)簽內(nèi)部寫入了滿足某一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議并且具有全球唯一的序列號，所以針對同一個讀卡器選用不同的協(xié)議，這將決定所選擇的標(biāo)簽類型不同。在中國大部分地區(qū)，RFID標(biāo)簽協(xié)議采用國際標(biāo)準(zhǔn)，在此選擇國際組織ISO14443_A/B協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。且只需飯卡、圖書借閱證等標(biāo)簽復(fù)合ISO14443_A/B協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，即可在學(xué)校內(nèi)實現(xiàn)校園一卡通功能。

1.2 讀卡器工作原理

讀卡器主要由RFID讀寫系統(tǒng)、電子標(biāo)簽和天線構(gòu)成，其中RFID讀寫系統(tǒng)又由讀寫單元和電子收發(fā)器組成。軟件編程可以使讀寫單元開啟天線并發(fā)送一定頻率的信號。當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入到讀卡器發(fā)射天線工作區(qū)域內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，電子標(biāo)簽從休眠狀態(tài)進(jìn)入激活狀態(tài)。激活后，電子標(biāo)簽通過內(nèi)置天線將自身編碼等信息調(diào)制后發(fā)射出去。讀卡器系統(tǒng)的接收天線接收到電子標(biāo)簽的信息后傳輸給讀卡器。讀卡器對信息進(jìn)行解調(diào)和解碼等操作，最終傳送給主系統(tǒng)的MCU進(jìn)行相關(guān)處理，執(zhí)行某一命令。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

如圖1所示為圖書自動借還機設(shè)計框圖，該系統(tǒng)由RFID(Radio Frequency Identification)標(biāo)簽、讀卡器、MCU、液晶顯示部分、SD(Secure Digital Memory Card)卡等模塊組成。RFID標(biāo)簽貼在書表面作為圖書身份標(biāo)識，并攜帶書籍的許多屬性信息以及定位信息。讀卡器通過SPI接口與MCU進(jìn)行通信，控制RFID閱讀器主要用于獲取用戶和書籍的身份，并將信息傳給MCU處理。液晶顯示部分主要顯示借還書的操作步驟以及操作結(jié)果。SD卡作為數(shù)據(jù)信息的存儲媒介，采用同步傳輸方式進(jìn)行SPI與MCU通信。SD卡主要存儲書籍以及學(xué)生的信息，當(dāng)用戶每進(jìn)行一次借還操作后都會更新卡內(nèi)的用戶以及書籍信息。

圖1 圖書自動借還書系統(tǒng)框圖

2.2 SD卡電路設(shè)計

SD卡作為信息存儲的媒介，相比于其他可移動存儲設(shè)備具有體積小便于攜帶、價格低、電路設(shè)計簡單等優(yōu)點。在該系統(tǒng)中，可以大量存儲書籍與用戶的身份信息，其芯片電路設(shè)計如圖2所示，SD卡驅(qū)動芯片與MCU通信采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口。在時鐘引腳SCLK的驅(qū)使下，每個時鐘周期傳輸一個命令或者數(shù)據(jù)位，頻率可在0～25 MHz之間變化。CS引腳控制片選，低電平有效。SPI模式時，這些信號需要在主機端用 10～100 kΩ的電阻上拉。SPI總線使用2通道傳輸比特數(shù)據(jù)，通過SMOSI引腳主機向SD卡中存儲數(shù)據(jù)，并以SMISO引腳主機讀取數(shù)據(jù)。

圖2 讀卡器和SD卡原圖理

2.3 讀卡器電路設(shè)計

讀卡器主要用于獲取用戶和圖書的身份，不同類型的RFID卡，由于采用的通信協(xié)議不同，相應(yīng)的射頻讀寫芯片也不同。在此RFID卡采用ISO14443_A協(xié)議，支持ISO/IEC 14443_A協(xié)議的射頻讀寫芯片中，MF RC522的性價比最高，市場應(yīng)用最廣泛，購買也最方便。其讀寫芯片MF RC522負(fù)責(zé)接收主控MCU的控制信息并完成與RFID卡的通信操作。為了正常工作，射頻讀寫芯片須選用合適的接口與MCU連接。而為了發(fā)送、接收穩(wěn)定的高頻信號，射頻讀寫芯片要通過高頻濾波電路與天線部分連接。讀卡器與MCU采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口通信。在讀寫模塊的硬件設(shè)計中，有兩個關(guān)鍵部分:(1)MCU與MF RC522芯片的連接，這是實現(xiàn)MCU控制MF RC522正常工作的硬件基礎(chǔ)。(2)讀寫模塊天線部分的設(shè)計及其與射頻讀寫芯片的連接。這部分的性能將直接決定射頻讀寫操作能否正常進(jìn)行。MF RC522正常工作時，需3.3 V電源供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖書自動借還軟件流程如圖3所示，首先上電后會進(jìn)行程序初始化，使SD卡、液晶、MCU和讀卡器處于默認(rèn)工作狀態(tài)，此刻液晶顯示主頁信息“歡迎使用借還書終端”字樣。當(dāng)用戶刷卡、讀卡器獲取到用戶的ID時，液晶顯示借還書操作步驟:借書刷卡、還書刷書、等待用戶刷卡操作。在軟件設(shè)計功能實現(xiàn)時，由于借閱證和圖書標(biāo)簽滿足同一種協(xié)議(ISO14443_A)，因此設(shè)定兩次刷卡獲取的序列號不一致規(guī)定為還書狀態(tài)，否則為借書狀態(tài)。當(dāng)MCU獲取到用戶的兩次ID一致時默認(rèn)為借書狀態(tài)，然后讀卡器等待用戶刷書，獲取到書的ID后判定該書是否可外借，若可以外借，且該用戶已借書數(shù)量沒有超過限制，則這本書就外借成功，否則外借失敗。外借成功后該書籍的狀態(tài)也將隨之改變，隨后建立用戶與書信息一對多的關(guān)系，最后將修改過的圖書信息和用戶借書信息傳給SD卡并更新卡內(nèi)信息。在進(jìn)入還書狀態(tài)時，讀卡器將獲取到的書ID傳給MCU，MCU查詢SD卡中的數(shù)據(jù)信息，并判斷該書狀態(tài)。若該書為可還狀態(tài)，MCU進(jìn)行還書操作處理，液晶顯示此次操作結(jié)果;若操作成功，則此次操作結(jié)束;如果操作失敗，液晶顯示操作結(jié)果，并提示用戶錯誤信息，告知下一步操作步驟。

圖3 RC522讀卡器原理圖

4 系統(tǒng)測試

4.1 系統(tǒng)軟硬件測試結(jié)果

針對上述設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行實際軟硬件讀卡測試，當(dāng)讀卡器供電電壓為+3.3 V，空曠環(huán)境使用ISO14443_A協(xié)議識別高頻電子標(biāo)簽時，部分測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。表中數(shù)據(jù)是經(jīng)500次測試后求得的平均值。測試上下距離的條件是標(biāo)簽正對讀卡器天線，左右距離是標(biāo)簽離讀卡器天線邊緣的距離。

表1 程序測試結(jié)果

4.2 運行結(jié)果

借還書成功操作如圖4所示。首先用戶找到要借還的圖書，根據(jù)液晶顯示提示步驟操作，借書先刷借閱證，還書直接刷書。當(dāng)?shù)谝淮嗡⒔栝喿C或者圖書標(biāo)簽后，液晶顯示身份驗證，需要用戶再刷一次借閱證。刷完借閱證后系統(tǒng)自動判斷為借書或者還書流程，顯示開始借書或者還書。讀取圖書標(biāo)簽，等待操作結(jié)果。如果操作成功液晶顯示借書或者還書成功。數(shù)據(jù)庫中將書籍信息與學(xué)生信息掛/脫鉤。用戶可以進(jìn)行繼續(xù)借還書操作。

錯誤操作當(dāng)用戶借還書失敗時，液晶顯示如圖4所示。此次操作失敗，請再次操作，并顯示本人已借的書籍?dāng)?shù)量。此系統(tǒng)設(shè)計在以下4種情況會出現(xiàn)操作錯誤:(1)未在指定書架終端操作。(2)操作步驟錯誤。(3)書籍不可借/還。(4)超過借閱權(quán)限。

圖4 借還書操作結(jié)

5 結(jié)束語

從RFID技術(shù)在圖書管理系統(tǒng)中實現(xiàn)的功能來看，其用RFID電子標(biāo)簽替代條碼，大幅減輕了圖書管理員的工作量，節(jié)約工作時間、方便用戶自動借還圖書。RFID技術(shù)在圖書館的運用是實現(xiàn)圖書自動盤點、圖書區(qū)域定位、圖書自動分揀的有效方法。當(dāng)然，該系統(tǒng)的性能還有待于提高，如用戶界面的人性化，讀取標(biāo)簽的間隔設(shè)定，防止碰撞等。最終將RFID技術(shù)運用于圖書管理，是圖書館由傳統(tǒng)管理模式向智能化管理模式轉(zhuǎn)變的必要過程。

［1］劉莉莉，張瀾宇，唐彬.基于RFID圖書管理系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代情報，2011(2):152－153.

［2］林曉玲，楊明華.RFID圖書管理系統(tǒng)中圖書定位排架方式探析［J］.圖書館論壇，2012，32(3):102 －104.

［3］楊海珍.RFID技術(shù)在圖書館中的應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.科技視界，2011(23):147－148.

［4］Ahmad Tarmizi，Bin Abdullah，Imarani Binti Ismail.Library shelf management system using RFID technology［C］.IEEE International Conference on System Engineering and Technology，2011.

［5］Chawla V，Dong Sam H，An overview of passive RFID［J］.Communications Magazine，IEEE，2007，45(9):11 －17.

［6］王莉.圖書館RFID標(biāo)簽應(yīng)用比較研究［J］.圖書館理論與實踐，2013(3):89－91.

［7］撖立軍.RFID技術(shù)在圖書館的應(yīng)用現(xiàn)狀與問題分析［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012(12):79－80，83.