基于物聯(lián)網(wǎng)的智能圖書館系統(tǒng)設(shè)計

鹿玉紅++劉穎++段麗++薛韡

摘 要： 傳統(tǒng)圖書館管理系統(tǒng)難以準確提供圖書當前位置信息，存在館內(nèi)圖書借還效率低問題，為此設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能圖書館系統(tǒng)。利用RFID無線射頻讀寫設(shè)備讀取書架上圖書書名、讀者等信息，通過多卡識別技術(shù)查詢圖書借閱歸還信息并寫入數(shù)據(jù)庫中完成書籍的自助借還操作，利用超高頻標簽信息以及架上圖書信息建立圖書館后臺數(shù)據(jù)庫，采用手推盤點車和手持RFID讀寫器設(shè)備與后臺數(shù)據(jù)庫中的信息進行匹配，根據(jù)上位機程序的提示進行圖書定位，結(jié)合ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)對圖書館環(huán)境的實時檢測。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效實現(xiàn)圖書館管理與監(jiān)控的實時化和智能化，具有較高的圖書定位精度，充分提高了智能圖書館的信息自動化性能。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 智能圖書館； 圖書館系統(tǒng)； 信息自動化

中圖分類號： TN911?34； TP391.44 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）21?0035?04

Design of intelligent library system based on Internet of Things

LU Yuhong， LIU Ying， DUAN Li， XUE Wei

（Department of Disaster Information Engineering， Institute of Disaster Prevention， Sanhe 065201， China）

Abstract： Since the traditional library management system is difficult to provide the current accurate position information of books and has low efficiency of library book borrowing and returning， an intelligent library system based on Internet of Things is designed， in which the RFID read?write device is used to read the name， reader and other information of the book on the bookshelf， the multi?card identification technology is adopted to query and write the borrowing and returning information of the book in its database to realize the self?help borrowing and returning operations of the book， the ultrahigh frequency label information and the information of books on bookshelf are used to establish the backend database of library， the hand?pushing cart and handheld RFID read?write device are employed to match the information in backend database， the book is located according to the reminder of the host computer program， and the ZigBee wireless sensor network technology is combined to detect the library environment in real time. The results show that the system can effectively realize the real?time and intelligent library management and monitoring， improve the information automation of intelligent library， and has high positioning accuracy for books.

Keywords： Internet of Things； intelligent library； library system； information automation

0 引 言

圖書館作為高校信息化和社會網(wǎng)絡(luò)化的重要基地，作為高校文獻信息管理中心，從某種角度來說，它的水平體現(xiàn)了學(xué)校的整體水平[1?2]。如何有效并以全新形式的信息技術(shù)來提高高校圖書館的管理質(zhì)量以及服務(wù)質(zhì)量，成為現(xiàn)代高校圖書館全方位發(fā)展所需面臨的首要問題[3]。

目前，大多數(shù)高校圖書館采用條碼加詞條的作業(yè)方式，借書與還書環(huán)節(jié)需要利用館內(nèi)工作人員在前臺對書籍進行掃描，此操作過程容易造成館內(nèi)進出口堵塞，借還書流程效率低，且需要館內(nèi)工作人員對歸還的書籍進行分類整理，實現(xiàn)書籍上架，整個過程耗時耗力，容易出現(xiàn)上架錯誤，導(dǎo)致在給定的書籍類別架上找不到相應(yīng)書籍，為讀者帶來較大的不便，降低了讀者對圖書館的滿意度[4?5]。為解決上述問題，文獻[6]提出了智能書架的概念，結(jié)合超高頻RFID技術(shù)的電子標簽和閱讀器對圖書館智能書架的閱讀范圍進行設(shè)定，利用微波傳動帶控制閱讀器與書籍類別標簽間的有效識別區(qū)域。文獻[7]采用無線射頻識別閱讀器與圖書類別標簽之間的交互信號強度，以局部一致性誤差訓(xùn)練徑向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出圖書的位置坐標。文獻[8]利用高頻的RFID技術(shù)開發(fā)了智能圖書館系統(tǒng)，統(tǒng)計館內(nèi)智能書架上各種期刊的取閱次數(shù)、閱覽時間以及規(guī)劃時間等。但是現(xiàn)階段的智能圖書館還只是處于試驗階段，即使開發(fā)出了智能圖書館系統(tǒng)，所采用的書籍定位過程也較為繁瑣，存在定位精度較低、成本較高的問題[9]。endprint

為解決上述問題，本文將圖書館智能管理系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相融合，完成新型智能圖書館系統(tǒng)的設(shè)計，結(jié)果表明，該系統(tǒng)書架上圖書信息刷新頻率能夠滿足多數(shù)高校圖書館實用化要求，圖書定位精度高。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能圖書館系統(tǒng)設(shè)計

1.1 智能圖書館系統(tǒng)總體設(shè)計

依據(jù)模塊化設(shè)計思想，將基于物聯(lián)網(wǎng)的RFID智能圖書館系統(tǒng)分為6個子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)之間利用高校校園網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器之間的連接實現(xiàn)圖書信息數(shù)據(jù)交互與發(fā)布服務(wù)。整個智能圖書館管理系統(tǒng)依據(jù)SIP2協(xié)議同其他高校圖書館的管理軟件實現(xiàn)無縫鏈接，由此實現(xiàn)智能圖書館圖書數(shù)據(jù)的共享與轉(zhuǎn)換，智能圖書館系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

如圖1所示，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能圖書館系統(tǒng)采用RFID無線射頻讀寫設(shè)備讀取架上圖書信息來取代傳統(tǒng)圖書“紙質(zhì)條形碼+磁條”的方式，掃描圖書采用RFID讀寫器，RFID讀寫器主要負責(zé)讀取或?qū)懭雸D書借閱與歸還標簽信息，并實現(xiàn)圖書信息數(shù)據(jù)的顯示和處理，即圖書標簽轉(zhuǎn)換裝置。采用射頻標簽標記圖書作者、出版單位、檢索書號等信息，射頻場區(qū)內(nèi)的射頻讀卡器作為自動借還機，對學(xué)生借書卡進行身份驗證后，讀卡器發(fā)射電磁波，接收到周圍有效書籍射頻標簽后，對讀取的RFID射頻標簽數(shù)據(jù)進行處理，將處理結(jié)果經(jīng)過RS 232串口發(fā)送到自助借閱與歸還子系統(tǒng)中，最終由它將圖書借閱歸還信息查詢寫入數(shù)據(jù)庫中完成書籍的自助借還操作。采用手推盤點車和手持RFID讀寫器設(shè)備與讀者證的超高頻標簽結(jié)合使用實現(xiàn)圖書的手動上下架功能，依據(jù)自動盤點裝置完成書籍的自動上下架及亂架圖書的自動定位等功能。通常情況下，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能圖書館的書架采用矩陣狀排列，適合采用基于接收信號強度的模糊匹配法對書架上圖書信息、后臺數(shù)據(jù)庫信息進行匹配，當圖書信息與后臺數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)不匹配情況時，上位機程序則會進行提示，從而完成圖書定位。設(shè)圖書館目標圖書定位區(qū)域內(nèi)包含[u]個閱讀器，[m]個參考標簽和[n]個待檢測標簽，[P]代表參考標簽相應(yīng)的返回信號強度矢量，[Q]代表待測標簽相應(yīng)的返回信號強度矢量，則依據(jù)矢量距離公式可獲得描述兩種標簽的幾何距離遠近關(guān)系表達式：

[Ej=i=1u（Pi-Qi）2， j∈（1，m）] （1）

式中：[Pi]和[Qi]代表兩種標簽在定位區(qū)域內(nèi)第[i]個閱讀器的信號強度。

一個智能圖書館書架上安裝一臺閱讀器，閱讀器在正常工作模式下可設(shè)定工作頻率為50 s檢測一次，對于各個待測標簽[Q，][P]為參考標簽，依據(jù)式（1）推導(dǎo)出各個參考標簽與待測標簽之間的距離關(guān)系：

[Ej=PP-QQ， j∈（1，m）] （2）

式中，[Ej]越小說明參考標簽與待測標簽之間的距離越短。

對于一個待測未知的圖書標簽，它的坐標可表示為：

[（x，y）=i=1kWi（xi，yi）] （3）

式中：[（xi，yi）]代表參考標簽的坐標位置；[k]代表設(shè)定的鄰居標簽的數(shù)量；[Wi]代表第[i]個鄰居的權(quán)重，其表達式如下：

[Wi=1E2ii=1k1E2i] （4）

其中，[E2i]代表各個參考標簽與待測標簽之間的區(qū)間閾值。

完成書籍的自動上下架及亂架圖書的自動定位后，再結(jié)合報警器構(gòu)成安全門子系統(tǒng)，安全門子系統(tǒng)中的RFID讀寫器設(shè)備將讀入的書籍標簽信息通過通信接口傳輸?shù)金^員PC機上，在此基礎(chǔ)上輔以支持ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)對圖書館環(huán)境的自動監(jiān)控，書籍管理模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 智能圖書館系統(tǒng)硬件設(shè)計

依據(jù)1.1節(jié)圖1給出的智能圖書館總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計智能圖書館系統(tǒng)的硬件平臺結(jié)構(gòu)，射頻標簽選取圖書館ISO/IEC14443協(xié)議的RFID 17.85 MHz高頻無源標簽，讀卡器為高頻無源標簽供應(yīng)能量，圖書、書架采用ISO15693標準的RFID標簽，主要負責(zé)書籍多標簽識別與短距離識別，識別距離在0～2 m內(nèi)。在以2～4 kHz的波特率正常識別狀態(tài)下，可在相同時段內(nèi)讀取10～12個書籍射頻標簽數(shù)據(jù)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的圖書館系統(tǒng)每本書均采用64位的UID射頻標簽標識，可以滿足目前多數(shù)高校圖書館的館藏書籍量的要求。

圖書館自助借還機所選取的讀卡器硬件電路沒有差別，在實際應(yīng)用過程中，微控制器的控制機制與盤點設(shè)備的通信稍有差別。RFID讀寫器主要由控制器與串口模塊、液晶顯示與觸摸控制、存儲模塊和射頻模塊6個部分構(gòu)成。RFID射頻模塊是整個智能圖書館系統(tǒng)重要的終端之一，主要負責(zé)對書籍電子標簽實現(xiàn)讀寫、改寫處理，是電子標簽與館員PC機之間的通信橋梁，主要由MFRC632芯片、匹配電路以及天線構(gòu)成，智能圖書館系統(tǒng)射頻電路如圖3所示。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能圖書館系統(tǒng)中的MFRC632芯片適用于工作頻率為13.56 MHz的RFID非接觸標簽，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含編碼、解碼以及調(diào)制解調(diào)電路，可以直接驅(qū)動短距離可操作的天線。為了濾波處理調(diào)制過程中形成的高次諧波，模塊中采用支持ZigBee協(xié)議的天線匹配電路。在利用該芯片工作時，需要傳送的無線信號由發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行調(diào)制處理后，以天線發(fā)射電磁波的形式進行發(fā)送，當另一天線接收到頻射標簽發(fā)射的響應(yīng)信號后，將無線信號通過天線匹配電路處理后發(fā)送至接收端，通過接收緩沖器對無線信號進行檢測與解調(diào)處理，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至并行通信數(shù)據(jù)接口，由主PC機控制器完成讀取。用于書籍自助借還的讀卡器需要與盤點設(shè)備通信，通常由多個PC上位機上的數(shù)據(jù)庫組成。在實際智能圖書館系統(tǒng)應(yīng)用過程中，多個RFID讀寫器與同一臺PC機進行通信時，為有效保障通信的書籍信息安全可靠，選用ZLG9518S多串口擴展芯片實現(xiàn)組網(wǎng)，ZLG9518S芯片的協(xié)議較為簡單，可有效滿足目前多數(shù)串口的系統(tǒng)應(yīng)用。

1.3 智能圖書館系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計endprint

為了實現(xiàn)智能圖書館系統(tǒng)終端上位機軟件設(shè)計，完成數(shù)據(jù)的接收、處理，用ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)終端上位機軟件設(shè)計，通過ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)RS 232串行通信協(xié)議與系統(tǒng)終端上位機通信，圖書館系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)利用Socket進程通信結(jié)合多線程機制完成與智能圖書館系統(tǒng)終端上位機的通信，詳細設(shè)計如下。

（1） 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能圖書館系統(tǒng)UI層，即智能圖書館系統(tǒng)用戶界面，其主要功能是實現(xiàn)智能圖書館系統(tǒng)與讀者的有機交互，其中包含書籍借閱、歸還、查詢交互、讀者信息管理、用戶界面屬性配置等設(shè)計。UI層與邏輯業(yè)務(wù)層（UI層服務(wù)的提供層）相連，本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能圖書館系統(tǒng)UI層包含采用ISO/IEC14443協(xié)議的RFID標簽讀寫組件和用戶界面組件兩部分，其中采用ISO/IEC14443協(xié)議的RFID標簽讀寫組件實質(zhì)是PC機與RFID射頻終端接口部分，實現(xiàn)RFID射頻終端的數(shù)據(jù)讀寫功能，UI層界面組件的設(shè)計主要包含書籍借閱管理模塊、讀者信息管理模塊、書籍自身ID信息管理模塊以及系統(tǒng)參數(shù)屬性設(shè)置等，如圖4所示。

（2） 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能圖書館系統(tǒng)邏輯業(yè)務(wù)層主要功能是實現(xiàn)讀者和管理者全部的邏輯操作處理。

（3） 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能圖書館系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問層為讀者和管理者全部的邏輯操作處理過程提供服務(wù)，主要負責(zé)智能圖書館系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存取。

2 系統(tǒng)測試與分析

以廣東省某高校圖書館為例說明具體應(yīng)用，將880 m2面積的圖書館作為實際布署環(huán)境，整個圖書館區(qū)配置一臺服務(wù)器，多個與之匹配的路由器和交換機，一個圖書館每個區(qū)域設(shè)置一個ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點，其余為路由器節(jié)點或是RFID識別節(jié)點，智能圖書館系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點實時采集圖書館的書籍借閱信息，最后將全部感知數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)移動終端，實現(xiàn)對整個圖書館系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息的數(shù)據(jù)采集。

（1） 架上圖書的實時定位測試。對圖書館社會科學(xué)區(qū)域內(nèi)的架上圖書進行實時定位實驗，設(shè)定社會科學(xué)專題類別區(qū)域間隔為1.2 m，即圖書定位誤差最大為1.2 m，給出3組圖書標簽，均采用ISO15693標準的RFID標簽，驗證基于模糊匹配法完成書架上圖書信息與后臺數(shù)據(jù)庫信息的高精度匹配，當圖書信息與后臺數(shù)據(jù)信息不匹配時，上位機程序會對其做出提示，從而完成圖書定位，判斷圖書定位過程是否正確可行，如圖5所示。

分析圖5可知，本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能圖書館系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)架上圖書的實時定位，并且定位誤差在社會科學(xué)專題類別區(qū)間閾值范圍內(nèi)，說明本文設(shè)計的智能圖書館系統(tǒng)采用基于接收信號強度的模糊匹配法進行圖書定位是可行的。設(shè)定智能圖書館系統(tǒng)閱讀器的工作頻率為每50 s檢測一次，當圖書發(fā)生錯架時，馬上對其進行定位，將計算結(jié)果自動更新至館員PC機上，使得所提設(shè)計系統(tǒng)方案圖書定位精度較高，可實現(xiàn)圖書的智能管理。

（2） 架上圖書信息刷新頻率。智能圖書館系統(tǒng)閱讀器的工作頻率為每50 s檢測一次，讀者查詢相關(guān)圖書信息時不產(chǎn)生等待時間，將實際數(shù)據(jù)庫更新頻率與本設(shè)計方案相應(yīng)的圖書信息更新頻率之間的時間差定義為更新時延（單位：s），如圖6所示。

分析圖6可知，本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能圖書館系統(tǒng)架上圖書信息刷新頻率能夠滿足該高校圖書館實用化要求，系統(tǒng)更新時延保持在0.8 s以內(nèi)，可有效實現(xiàn)架上圖書清點、歸架以及查詢流通等多個環(huán)節(jié)，極大地提高了系統(tǒng)工作效率，且智能圖書館系統(tǒng)的復(fù)雜度以及系統(tǒng)成本均較低。

圖6 智能圖書館系統(tǒng)圖書信息更新時延

3 結(jié) 語

本文對基于RFID技術(shù)、ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等設(shè)計的智能圖書館系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中存在的問題進行實驗分析與研究，完成了自助借閱與歸還、推車式盤點、安全門、監(jiān)控中心以及RFID后臺管理等子系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了圖書館管理的自動化和智能化，簡化了讀者借還書環(huán)節(jié)，提高了圖書館的整體服務(wù)水平。

參考文獻

[1] 王政軍，董曉梅，俞小怡，等.圖書館智能化研修間系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代情報，2016，36（8）：79?83.

[2] 王建新，丁家友.情景感知系統(tǒng)在智能圖書館中的應(yīng)用研究[J].圖書館雜志，2015，34（7）：64?69.

[3] 許晶宇，祝森生.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能圖書館研究[J].農(nóng)業(yè)圖書情報學(xué)刊，2015，27（3）：97?99.

[4] 張郁松，杜景林.基于超高頻RFID的圖書館智能書架方案研究與設(shè)計[J].圖書館雜志，2014，33（12）：87?93.

[5] 朱維喬.基于大數(shù)據(jù)的圖書館智能門戶設(shè)計研究[J].現(xiàn)代情報，2014，34（8）：83?86.

[6] 王瀅.基于物聯(lián)網(wǎng)的圖書館流通服務(wù)模式探析[J].現(xiàn)代情報，2015，35（3）：175?177.

[7] 周肖云，戴旸，邱春艷.基于專利計量的圖書館物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展態(tài)勢研究[J].圖書館雜志，2015，34（2）：79?84.

[8] 陳雨祺.基于RFID技術(shù)的圖書館智能圖書采編系統(tǒng)研究[J].中國中醫(yī)藥圖書情報雜志，2016，40（3）：31?34.

[9] 徐豪輝，楊朝江，王懷宇，等.圖書館智能還書分類系統(tǒng)演示平臺開發(fā)與設(shè)計[J].價值工程，2016，35（5）：180?181.