基于RFID與XBEE的CIRCLE智慧圖書館的設(shè)計與開發(fā)*

胡泰然，曹鵬彬，陳緒兵,2

(1. 武漢工程大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430200； 2. 東莞市華科制造工程研究院有限公司，廣東 東莞 523000)

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基于RFID與XBEE的CIRCLE智慧圖書館的設(shè)計與開發(fā)*

胡泰然1，曹鵬彬1，陳緒兵1,2

(1. 武漢工程大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430200； 2. 東莞市華科制造工程研究院有限公司，廣東 東莞 523000)

為了解決傳統(tǒng)圖書館智能程度低、管理模式落后、借書效率低下等問題，基于RFID和XBEE，將物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用到圖書館系統(tǒng)中，提出了CIRCLE智慧圖書館的一整套解決方案。該方案包括智能門禁、環(huán)境監(jiān)測、智能監(jiān)控、智能安防、智能借閱以及座位管理系統(tǒng)，同時以云端數(shù)據(jù)為中心，通過B/S與C/S多方面交互集成，實現(xiàn)了設(shè)備智能調(diào)控、信息多平臺管理、數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和座位智能管理等功能。

CIRCLE智慧圖書館;RFID;XBEE;物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以智能家居為載體逐漸走進千家萬戶，隨著“物聯(lián)網(wǎng)”時代的來臨，射頻識別(RFID)與ZigBee分別作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的核心支撐技術(shù)之一，得到了業(yè)界的廣泛認可和關(guān)注[1]。目前RFID技術(shù)也正被大量運用在各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，涵蓋了物流、倉庫管理、安全訪問、目標監(jiān)測等多個領(lǐng)域。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的雙向無線通信新技術(shù)[2]，主要適用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以滿足對小型廉價設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制。本系統(tǒng)所采用的XBEE是復(fù)合IEEE 802.15.4的標準Zigbee產(chǎn)品，為此系統(tǒng)的無線通信提供了條件[3]。

物聯(lián)網(wǎng)在圖書館的應(yīng)用，目前主要集中在基于RFID技術(shù)對館藏進行智能管理。1998年美國洛克菲勒大學(xué)圖書館率先安裝了RFID系統(tǒng)，2002年新加坡國家圖書館在世界上首次采用了RFID技術(shù)的圖書管理系統(tǒng)，隨后美國、德國、荷蘭、英國等國的圖書館也相繼使用。當前，我國圖書館由于各種原因，RFID技術(shù)還沒有能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用，尤其是在高等院校的圖書館，具體體現(xiàn)在RFID標準不統(tǒng)一且互不兼容，RFID技術(shù)應(yīng)用不穩(wěn)定，圖書損壞監(jiān)管不及時甚至無法識別，與圖書館傳統(tǒng)系統(tǒng)整合有難度，讀者自動識別與進出館記錄有待完善。同時，隨著我國相關(guān)企業(yè)對解碼技術(shù)、讀寫器以及芯片的制造技術(shù)越來越熟悉后，RFID技術(shù)成本也會越來越低。從長遠的角度來看，基于RFID技術(shù)的智能圖書館是圖書館今后的發(fā)展趨勢[4]。

高校圖書館座位資源短缺問題多年來一直存在，為此圖書館很早就在嘗試使用各種不同的方法來解決占座問題[5]。有些圖書館提出了采用計算機硬件實現(xiàn)對圖書館座位的管理，但以硬件技術(shù)為主開發(fā)的座位管理系統(tǒng)存在成本高、功能弱、系統(tǒng)擴展性差等問題[6]。近年來，一些圖書館開始轉(zhuǎn)向采用軟件技術(shù)實現(xiàn)座位管理，有些圖書館還使用指紋來替代校園卡。

針對國內(nèi)外RFID的研究現(xiàn)狀以及現(xiàn)有RFID圖書館系統(tǒng)功能不夠完善的問題，本文采用了RFID和XBEE技術(shù)設(shè)計的CIRCLE智慧圖書館系統(tǒng)，針對圖書館的借書方式、管理方式、運作模式進行了革命性創(chuàng)新。對圖書館的環(huán)境運用物聯(lián)網(wǎng)的思想，融入XBEE技術(shù)將一切可控制及監(jiān)測設(shè)備進行聯(lián)網(wǎng)云端統(tǒng)一控制、調(diào)節(jié)[7]，大大改善了圖書館的閱讀環(huán)境和自習(xí)室的使用狀態(tài)，將智能、人性化等因素充分考慮進去，真正地將智慧生活體現(xiàn)在圖書館中。

1 CIRCLE智慧圖書館的系統(tǒng)方案及功能

1.1 系統(tǒng)方案

CIRCLE智慧圖書館是一整套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字化智慧圖書館服務(wù)系統(tǒng)。從系統(tǒng)功能來說，智慧圖書館主要由四大系統(tǒng)組成：基于NFC技術(shù)和二維碼識別的門禁系統(tǒng)、基于XBEE圖書館智能化管理系統(tǒng)、基于RFID的圖書自助借閱系統(tǒng)、自習(xí)室座位管理系統(tǒng)。從系統(tǒng)架構(gòu)及通訊方式來看，整個智慧圖書館的系統(tǒng)又分為兩大塊：一是入館出館系統(tǒng)，該塊有少量的通信和控制，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較?。欢侵悄芸刂葡到y(tǒng)，通過智能控制中心，實現(xiàn)各個機構(gòu)的正常運作。根據(jù)設(shè)計方案設(shè)計出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，各部分之間的聯(lián)系如圖1所示。

圖1 智能圖書館系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能

智慧圖書館的系統(tǒng)包括：智能門禁系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)、智能借閱系統(tǒng)、座位管理系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)思想和云端概念，所有數(shù)據(jù)都通過云端數(shù)據(jù)中心進行處理和存儲，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的穩(wěn)定和各個終端的數(shù)據(jù)同步。

圖2 系統(tǒng)整體功能圖

智慧圖書館的具體功能如下：

(1)智能門禁系統(tǒng)：帶有NFC標簽的學(xué)生卡刷卡或者手機APP合成的二維碼，進行掃描身份識別。

(2)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)：在各層借閱室，自習(xí)室，電子閱覽室中安裝溫濕度傳感器、PM2.5探測器，傳感器將檢測的信息上傳至云端。

(3)智能監(jiān)控系統(tǒng)：通過無線IP攝像頭，將室內(nèi)信息上傳至云端。

(4)智能安防系統(tǒng)：室內(nèi)安裝了煙霧傳感器、聲光報警器，一旦室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，立即報警并發(fā)出警鳴，同時室內(nèi)安裝有門磁和人體紅外傳感器，配合聲光報警器聯(lián)動報警。

(5)智能借閱系統(tǒng)：出口處安裝超高頻RFID模塊，貼有UHF電子標簽的書籍出館時會被自動掃描，并在顯示屏上顯示，刷卡確認借閱離館即可。同時進行了圖書信息編碼的改造，采用地區(qū)、書架、層三級編碼，使借書還書更加快捷方便。

(6)座位管理系統(tǒng)：在自習(xí)室門口設(shè)置取號機，讀者刷卡或者刷APP生成的二維碼獲取對應(yīng)的座位號，在取號機屏幕上顯示并同步至各個終端，保證學(xué)生的權(quán)益同時提高了自習(xí)室的利用率。

2 系統(tǒng)方案軟硬件的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 信息傳送處理中心

采用RaspberryPi2作為協(xié)調(diào)器，嵌入Linux操作系統(tǒng)，接收各個節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，構(gòu)成信息傳送處理中心。協(xié)調(diào)器將接收到的信息傳至云端，同時接收服務(wù)器傳來的指令，轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的節(jié)點。

2.2 系統(tǒng)硬件終端

(1)數(shù)據(jù)采集終端

終端節(jié)點是四個以XBEE模塊為核心的無線傳輸設(shè)備，分別通過STC12C5A60S2單片機連接AM2301/DHT21電容式數(shù)字溫濕度傳感器、MQ-2可燃氣體傳感器、煙霧傳感器以及光敏傳感器。整個模塊就是采集數(shù)據(jù)并利用XBEE與協(xié)調(diào)器進行通信。

(2)安防系統(tǒng)終端

安防系統(tǒng)硬件終端包括IP攝像頭和以XBEE為核心的無線傳輸模塊，通過單片機連接人體紅外傳感器、聲光報警器和門磁感應(yīng)器等。IP攝像頭直接通過WLAN接入安防網(wǎng)絡(luò)中，其他模塊則通過XBEE與協(xié)調(diào)器進行通信。

(3)圖書數(shù)據(jù)的采集與識別控制終端硬件

通過RFID讀寫模塊將圖書信息寫入電子標簽中，并上傳至云端。借閱時，通過RFID讀寫器模塊對圖書上標簽進行掃描，將信息顯示在顯示屏上，最后刷卡或者掃描APP中個人二維碼確認借閱。

2.3 軟件的設(shè)計流程

圖3 系統(tǒng)軟件流程

根據(jù)圖書館各項監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，設(shè)計了圖3所示的軟件流程。

系統(tǒng)啟動后，Raspberry Pi協(xié)調(diào)器開始搜索館內(nèi)所有XBEE節(jié)點，進行匹配、組網(wǎng)，組網(wǎng)成功后，每15 s向節(jié)點請求一次數(shù)據(jù)，遇到突發(fā)情況或者讀者刷卡進館、借書出館、自習(xí)室作為請求等，節(jié)點主動向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，然后由協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器進行處理下發(fā)控制指令。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)節(jié)點測試

完成設(shè)計后對各個模塊進行了測試，測試方法如下:

(1)智能門禁系統(tǒng)的測試

RFID讀卡器：在給讀卡器供電后之后，將讀卡器的數(shù)據(jù)線接入同XBEE開發(fā)板的普通I/O口上，在刷卡之后，會將該卡的ID號序列通過UART將其顯示在PC機上。

門緊鎖：用直流電源給門禁鎖供電，然后用XBEE的I/O口上的高低電平通過控制電磁繼電器來選通門禁鎖的工作電流。

(2)智能監(jiān)測系統(tǒng)的測試

溫濕度傳感器：給溫濕度傳感器供電之后，將其數(shù)據(jù)線接入XBEE的I/O口上，通過UART將其所采集的溫度和濕度的數(shù)據(jù)上傳至云端。

MQ-2傳感器：給其供電之后，將其數(shù)據(jù)線接在示波器上，然后將打火機里面的液化氣釋放在該傳感器的周圍，當達到一定濃度后，示波器原來顯示的高電平會降低。

IP攝像頭：將攝像頭供電后，將其數(shù)據(jù)接入XBEE的I/O口上，通過UART將其采集數(shù)據(jù)上傳至云端，并監(jiān)控。

(3)智能借閱系統(tǒng)的測試

UHF RFID讀寫模塊：將模塊供電之后，將模塊的數(shù)據(jù)接入XBEE開發(fā)板的普通I/O口上，在掃描電子標簽后，會將標簽信息顯示在PC機上，上傳至云端。

NFC讀寫模塊測試：將NFC供電后，將模塊的數(shù)據(jù)接入XBEE的開發(fā)板的普通I/O口上，在掃描校園卡后，信息會通過XBEE傳送至協(xié)調(diào)器，最后保存至云端服務(wù)器。

(4)XBEE傳輸距離的測試

對XBEE進行傳輸距離的測量采用固定一點，移動另一點，實時查看通信狀況。

3.2 系統(tǒng)節(jié)點測試

(1)軟件簡介

CIRCLE智慧圖書館是一款在保留傳統(tǒng)圖書館基本功能的基礎(chǔ)上加以改進的手機軟件。軟件基于Android系統(tǒng)開發(fā)，支持實時圖書信息查詢、圖書續(xù)借、二維碼合成、掃碼驗證進入圖書館等多項便捷功能。后期迭代升級會支持監(jiān)控功能，館內(nèi)實時信息推送等功能。這是一款改善圖書館功能和服務(wù)的便捷軟件，軟件的開發(fā)會積極采集讀者的需求并進行改進。

(2)軟件功能

2.4 藥物不良反應(yīng) 所有患兒治療前后肝腎功能、尿常規(guī)、心電圖無明顯變化，觀察組患兒未見服用順爾寧引起的不良反應(yīng)。

軟件提供了圖書查詢、借書查詢、最新動態(tài)、免證入館等功能。學(xué)生通過學(xué)號登錄后即可查詢各種信息以及生成驗證二維碼以通過圖書館門禁系統(tǒng)。APP應(yīng)用功能如圖4所示。

圖4 APP應(yīng)用功能

3.3 Web使用說明

進入library.itjesse.cn頁面，通過權(quán)限賬號登錄智慧圖書館界面可進行操作，如圖5所示。同時可以在界面上查詢環(huán)境監(jiān)測的各項數(shù)據(jù)(溫濕度、PM2.5、光強、煙霧等)，并且還可以查詢到人體紅外、痛風(fēng)扇、門磁傳感器、聲光報警器的狀態(tài)以及攝像頭的監(jiān)控畫面。

圖5 智慧圖書館總覽界面

3.4 圖書錄入和借閱使用說明

在有新書籍錄入或有需要更改的舊書籍時，為了便于圖書管理員的錄入，開發(fā)了相應(yīng)的Web端錄入系統(tǒng)，只需要經(jīng)過3個步驟即可快速完成圖書的錄入管理，操作方法如下：

(1)進入初始頁面，將新的貼有RFID標簽的書籍放在RFID讀取天線上面讀取標簽的信息；

(2)將圖書信息按照ISBN、出版社、書名、圖樣、簡介和作者寫入，或者直接掃描條碼自動填入，確認信息無誤后提交即完成圖書錄入；

(3)打開相關(guān)圖書便可查詢錄入的圖書信息及入庫時間，可以隨時進行修改。

借書功能是本圖書館系統(tǒng)最大特色之一，完全實現(xiàn)了書籍自助借閱與書籍快速借閱的目的，將Web界面開發(fā)成簡潔易操作的模式，使讀者容易使用該套系統(tǒng)，操作方式如下：

(1)將書籍放在裝有天線的閘機上，閘機上顯示屏?xí)@示當前所借的書籍信息；

(2)設(shè)置了借書上限為5本，如果超過會提示錯誤，需要重新進行掃描；

(3)確認書籍信息后，刷校園卡或者使用APP中的二維碼來開啟閘機離開，借書即完成。

4 結(jié)論

本文依據(jù)國內(nèi)外圖書館的現(xiàn)狀，提出了基于RFID與XBEE的CIRCLE智慧圖書館一整套解決方案，實現(xiàn)了對館內(nèi)環(huán)境(溫濕度、光強、PM2.5、煙霧等)的監(jiān)測、館內(nèi)的安防控制等，同時融合了B/S和B/S架構(gòu)，分別開發(fā)了Web端、PC管理端和手機APP三種終端，實現(xiàn)了書籍快速錄入、自助借閱平臺、手機APP取代校園卡等功能，讀者能實時在APP或者Web端查看當前借閱信息以及館內(nèi)環(huán)境安防信息，管理人員能通過Web端查看當前狀態(tài)并對圖書館進行管理。

[1] 謝磊,殷亞鳳,陳曦，等.RFID數(shù)據(jù)管理:算法、協(xié)議與性能評測[J].計算機學(xué)報,2013,36(3):457-470.

[2] 楊瑋, 呂科, 張棟, 等. 基于ZigBee技術(shù)的溫室無線智能控制終端開發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2010，26(3): 198-202.

[3] RYOO J, CHOO J, CHOO H. Novel UHF RFID Tag antenna for metallic foil packages[J]. Antennas and Propagation, 2012, 60(1): 377-379.

[4] 陳嘉懿. 智慧圖書館的構(gòu)建之道——淺談高校圖書館RFID技術(shù)應(yīng)用新思路[J]. 大學(xué)圖書館學(xué)報, 2013，31(1): 54-58.

[5] 胡晶宇,付志遠,陳緒兵，等.基于RFID的圖書館自習(xí)室座位管理系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014,37(20):38-40.

[6] 王孝亮, 胡軍, 王威, 等. 圖書館座位在線預(yù)約系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)——以中國藥科大學(xué)圖書館為例[J]. 農(nóng)業(yè)圖書情報學(xué)刊, 2014, 26(5): 36-39.

[7] 唐廣耀,李勇,張以帥,等. 基于RFID與PLC的倉儲物流系統(tǒng)設(shè)計[J]. 微型機與應(yīng)用,2016,35(8):89-92.

2017年SISS上海國際智能工業(yè)解決方案研討會暨展覽會圓滿落幕

第二屆SISS上海國際智能工業(yè)解決方案研討會暨展覽會已于6月29日圓滿閉幕，為期三天的研討會云集中外各地的工業(yè)自動化行業(yè)專家，聚首交流及展望中國相關(guān)市場的發(fā)展趨勢。本屆研討會再度由上海浦東國際展覽公司、廣州光亞法蘭克福展覽有限公司和德國美賽高法蘭克福展覽有限公司攜手呈獻，為華東地區(qū)帶來一站式的智能工業(yè)生產(chǎn)交流平臺。

今年SISS研討會共獲得391位專業(yè)觀眾蒞臨參與，與會者包括智能工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)的決策階層、資深經(jīng)理及專業(yè)工程師等，來自中外六個國家。研討會邀請多位工業(yè)自動化專家主講，討論題目超過50個，內(nèi)容涵蓋業(yè)內(nèi)多個領(lǐng)域。除研討會之外，今年大會繼續(xù)設(shè)立專門的智能工業(yè)解決方案展示區(qū)，展出貝加萊自動化、倍福中國和菲尼克斯電氣等行業(yè)巨擘在工業(yè)自動化、智能生產(chǎn)和解決方案等相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)品及服務(wù)，促進業(yè)界交流。

(法蘭克福展覽公司供稿)

Design and development of CIRCLE wisdom library based on RFID & XBEE

Hu Tairan1，Cao Pengbin1，Chen Xubing1,2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205, China;
2. DG-HUST Manufacturing Engineeting Institute Co.,Ltd., Dongguan 523000, China)

In order to solve the problem of the traditional library such as the low-level intelligence, outdated management mode and inefficient borrow books etc., this article proposes a complete solution of CIRCLE wisdom library based on RFID & XBEE by using innovative technology of Internet of Things into library system. The solution includes the systems of intelligent entrance guard, environmental monitoring, intelligent supervisory, intelligent borrowing and seat-management. Meanwhile, it focuses on Cloud database and achieves the function of intelligent equipment control, multi-platform information management, real-time data monitoring and so on by various interactive integration of B/S and C/S.

CIRCLE wisdom library; RFID; XBEE; Internet of Things

廣東省第一批戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項基金項目(2011168027)；武漢工程大學(xué)第八屆研究生教育創(chuàng)新基金(CX2016028)

TP368.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.14.030

胡泰然，曹鵬彬，陳緒兵.基于RFID與XBEE的CIRCLE智慧圖書館的設(shè)計與開發(fā)[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(14)：98-101.

2016-12-28)

胡泰然(1993-)，男，碩士，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用。

曹鵬彬(1974-)，通信作者，女，博士，副教授，主要研究方向：智能機器人、機電系統(tǒng)智能控制。E-mail: caopengbin@wit.edu.cn。