基于RFID技術(shù)的圖書館文獻智能管理系統(tǒng)研究

喬雅, 劉洋, 張文都

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 1.圖書館，2.建筑與測繪工程學(xué)院，3.軌道交通學(xué)院,西安 710018)

0 引言

圖書館文獻因為種類繁多、數(shù)量巨大、借閱周轉(zhuǎn)快捷等特點，其智能化管理迫切的需要一更完善的系統(tǒng)解決方案。據(jù)調(diào)研分析，很多大型的圖書館的管理已經(jīng)不再是純手工的方式，應(yīng)用了計算機軟件技術(shù)、條形識別碼等，逐步向數(shù)字化管理過度。但是數(shù)字化管理水平還不高，當前的圖書館文獻管理存在借還、查找、盤點效率低的現(xiàn)象，這阻礙了圖書館進一步提高管理和服務(wù)水平，因此，應(yīng)該設(shè)計出智能化圖書文獻管理系統(tǒng)。系統(tǒng)中應(yīng)用了先進的RFID技術(shù)[1-2]，為讀者提供更加便利快捷的圖書借還書、查詢等服務(wù)等智能化服務(wù)，實現(xiàn)全信息化流程的統(tǒng)一管理，提高了圖書館管理效率。

1 RFID技術(shù)原理

RFID技術(shù)主要是由電子標簽、天線和讀寫器組成的。其中電子標簽主要是由耦合元件和芯片兩個部分構(gòu)成。每一個不同的電子標簽都對應(yīng)著不同的電子編碼，在電子標簽當中詳細存儲著物品的信息。其中對電子標簽進行詳細分析，可以將電子標簽詳細劃分為有源和無源標簽兩種。讀寫器，讀寫器的主要功能是讀取存儲在電子標簽內(nèi)部的關(guān)于物品的詳細信息，一般而言可以將讀寫器劃分為手持讀寫器和固定式讀寫器。天線的起到了中介作用，其主要作用是傳遞射頻信號，進而確保RFID讀寫器能夠準確、及時的讀取存放在電子標簽內(nèi)部的關(guān)于物品的信息。此外，RFID系統(tǒng)在使用的過程中還能夠進行梳理處理、數(shù)據(jù)存儲等工作，并實現(xiàn)對電子標簽的讀寫控制。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于射頻識別(RFID)的高校圖書館文獻智能管理系統(tǒng)，其應(yīng)用的主要環(huán)境是圖書館，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖,如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖書館文獻智能管理系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)模型，該系統(tǒng)的主要功能是文獻管理及安全監(jiān)控，整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

無線ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)選擇CC2530F256芯片，在芯片的內(nèi)部有一個周期的8051內(nèi)核，并且還裝了性能很高的射頻收發(fā)器。設(shè)計芯片選擇了低電壓和低功耗設(shè)計，在系統(tǒng)內(nèi)部裝置了256KB的系統(tǒng)編程Flash。

圖1 系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 圖書館文獻智能管理系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)功能詳細設(shè)計

基于RFID技術(shù)的圖書館文獻智能管理系統(tǒng)，主要是將文獻的相關(guān)信息存儲在RFID電子標簽中，通過RFID閱讀器讀取RFID電子標簽、讀者的RFID一卡通借書證上的信息，借助于圖書館后臺管理模塊集成文獻智能管理系統(tǒng)[3-4]，實現(xiàn)文獻上架管理模塊、文獻借還管理、定位管理、安全監(jiān)控模塊，具體如下所述。

1) 文獻上架管理模塊

在文獻上架之前，圖書館文獻管理人員需要登陸圖書館文獻智能管理系統(tǒng)，將文獻的類別等信息輸入系統(tǒng)中，并對RFID標簽信息進行綁定，在標簽上寫入數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫當中，完成電子標簽黏貼；系統(tǒng)對文獻進行空間分配，對文獻發(fā)出入庫指令之后讀取文獻的信息，通過計算機總線傳輸給文獻管理人員；按照系統(tǒng)指定的位置放置文獻之后，RFID閱讀器對RFID標簽進行識別，并將識別結(jié)果反饋到管理系統(tǒng)中，這樣文獻上架操作就完成了。

2) 文獻借還管理

借還管理模塊主要是實現(xiàn)讀者對于文獻的借還操作。讀者帶著借閱的文獻離開圖書館時，可以通過RFID一卡通安全通過門禁，安裝在門禁處的RFID 閱讀器會對RFID一卡通中的信息進行自動識別，判別讀者身份的有效性及是否借閱了該文獻，如果信息正確符合借閱條件則讀者可以成功借閱順利通過門禁；如果信息不符則讀者不能通過門禁，門禁系統(tǒng)會自動發(fā)出警報。借閱成功之后，圖書館系統(tǒng)會采用電子郵件的方式將借閱信息發(fā)送給讀者。

3) 文獻定位管理

定點定位的文獻管理系統(tǒng)有利于提高文獻使用效率,對文獻存放架進行改造，在每一層上都安裝閱讀器，每一個文獻盒上黏貼RFID電子標簽。在文獻盒放到文獻存放架上時，文獻盒的信息能夠被系統(tǒng)主動識別，并將其信息傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器，如果文獻沒有被放置在指定的位置，系統(tǒng)文獻存放架指示燈能夠指出位置錯誤，并在后臺系統(tǒng)中進行提示，避免因為隨意放置引起管理混亂的情況；在文獻盒被取走之后，系統(tǒng)通過掃描也能夠及時獲取文獻盒離位信息。需要對文獻進行定位時，在WEB完成查詢后，位于文獻處的文獻燈會亮，這樣可以方便對用戶進行迅速定位。

4) 安全管理模塊

安全管理模塊主要有兩方面的功能，一是，攝像頭；二是，門禁管理。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對圖書館進行全方位的視頻監(jiān)控，預(yù)防安全事故發(fā)生，視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過分布于圖書館內(nèi)部和周邊的攝像頭；門禁管理通過RFID系統(tǒng)實現(xiàn)，相關(guān)人員進入圖書館需要進行RFID身份認證。攝像頭采用的是威士達康科公司出品的C7837WIP攝像頭，該攝像頭內(nèi)置ARM926440MHz和高速視頻協(xié)處理器，采集的數(shù)據(jù)采用WPS安全加密，具有CBR/VBR兩種碼率控制模式，且輸出碼率范圍為128～4 096 kbps。

3 RFID系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電子標簽的選擇

RFID電子標簽的參數(shù)選擇由系統(tǒng)設(shè)計決定的，本系統(tǒng)中的RFID電子標簽選擇GAO 116058，它由常州高特科技公司生產(chǎn)，是一種超高頻長條狀抗金屬標簽，具有性價比高、讀卡距離遠、防沖突性能好等優(yōu)點。

3.2 多天線循環(huán)掃描讀寫器的整體設(shè)計

多天線循環(huán)掃描讀寫器的邏輯框圖,如圖3所示。

圖3 多天線循環(huán)掃閱讀器邏輯框圖

讀寫器包括天線模塊、RFID天線切換模塊、RFID讀卡模塊、核心控制模塊四部分，天線模塊包含多個天線，通過RFID天線切換模塊循環(huán)實現(xiàn)不同天線之間的切換。

多天線讀寫器的硬件部分包括主控芯片MC9S08AW60、RFID射頻芯片(TRF7970A)，射頻切換開關(guān)(AS179-92LF)及周邊元器件，程序的設(shè)計以主控芯片MC9S08AW60為主，設(shè)計的閱讀器整體硬件結(jié)構(gòu),如圖4所示。

圖4 多天線閱讀條整體架構(gòu)

每個天線的尺寸為6*8，因此左右兩側(cè)天線板長度都是48 cm，再加上之間的空虛，其長度共1m，為了實現(xiàn)兩塊電路板的無縫對接，需將主控板單獨開板，并用排針連接兩塊天線板，如圖中“○”所示，在每塊天線板的靠里側(cè)各安排一個天線，合并出的2個天線的空間滿足主控板的布板需求。

3.3 多天線讀寫器嵌入式軟件設(shè)計

(1) 主控MCU和TRF7970A數(shù)據(jù)通信

MC9S08AW60與TRF7960之間可以采用SPI或并行通信方式，在設(shè)計時采用SPI接口。

(2) TRF7970A射頻識別流程

TRF7970A芯片內(nèi)部具有發(fā)送器模擬單元和發(fā)送器數(shù)字單元、接收器的數(shù)字模擬單元。

接收器包括：AGC增益和濾波、數(shù)字輸出處理模塊、RF探測進程及RSSI測量單元(測量信號強度)。發(fā)送器的數(shù)字單元包含一個128字節(jié)的FIFO緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)可以接收微控制器的數(shù)據(jù)，接收之后在這些數(shù)據(jù)中添加SOF、EOF等特殊信號，根據(jù)協(xié)議微控制器發(fā)送數(shù)字信號命令至芯片TRF7970A。TRF7970A芯片的射頻識別工作流程,如圖5所示。

圖5 完整的射頻識別工作流程圖

3.4 讀寫器的工作方式

當前的RFID標簽包括有源和無源，本系統(tǒng)采用的是無源RFID標簽，采用跳頻工作模式，抗干擾能力較好，通常情況下，電子標簽處于無源狀態(tài)不進行工作，而讀寫器在RTF(Reader Talks First，讀寫器先發(fā)言)模式下工作，讀寫器發(fā)出能量在無源RFID標簽接收范圍之內(nèi)時，電子標簽便進入“接收”狀態(tài)，接收讀寫器發(fā)出的命令之后進行相應(yīng)的處理，處理結(jié)果返回讀寫器。

3.5 防碰撞技術(shù)

由于圖書館中文獻較多，RFID讀寫器可能會出現(xiàn)同時讀取多個標簽信息的現(xiàn)象，這些信息在接收過程中可能會發(fā)生沖突，因此，系統(tǒng)設(shè)計時需要采取防碰撞技術(shù)，如果沒有防碰撞功能可能會出現(xiàn)讀取錯誤的情況，目前，根據(jù)ISO 18000 Type A標準規(guī)定防碰撞技術(shù)可以采用使用Aloha算法及二進制樹搜索算法，本系統(tǒng)選擇自適應(yīng)Aloha算法[5]。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

4.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)模型，采用 Visual C++技術(shù)和ADO技術(shù)，對RFID閱讀器對電子標簽的讀寫及系統(tǒng)的各個流程進行設(shè)計，包括文獻的上架流程、借還流程、定位流程等，以自動還文獻為例進行論述。自動還文獻時，不需要對讀者的RFID卡信息進行判斷。自動還書功能的實現(xiàn)如下所示。

BOOL scancard(int num,string fid,string uid){if(num==0){//如果讀者身上沒有攜帶任何附加電子標簽的物件,則放行。return true;}for(int i=0;i

4.2 系統(tǒng)軟硬件測試結(jié)果

針對系統(tǒng)設(shè)計的RFID系統(tǒng)測試其讀卡功能，讀卡器供電電壓為+3.3 V，使用 ISO14443_A協(xié)議在空曠環(huán)境下識別高頻電子標簽時，測試500次之后取平均值，得到的測試結(jié)果為：讀卡相應(yīng)時間為20 mS，讀卡上下距離(標簽正對讀卡器天線的距離)為5.75 cm，讀卡左右距離(標簽離讀卡器天線邊緣的距離)為4.25 cm，讀卡正確率達到了99.9%。

5 總結(jié)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，圖書館文獻管理的智能化水平不斷提高，由于條形碼在應(yīng)用過程中智能化水平不高，導(dǎo)致圖書館管理人員的工作量較大，而RFID技術(shù)的出現(xiàn)，尤其是隨著RFID電子標簽、計算機技術(shù)及無線電技術(shù)的不斷成熟，使得圖書館文獻管理的智能化水平大大提高。文章基于RFID技術(shù)設(shè)計了圖書館文獻智能管理系統(tǒng)，為圖書館文獻的智能管理提供了一個平臺，方便讀者文獻的借閱，應(yīng)用價值較高。