RFID的圖書館自助借閱系統(tǒng)的身份識別實(shí)現(xiàn)

楊永明，徐海霞

（1.西安建筑科技大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710055；2.寧夏醫(yī)科大學(xué) 圖書館，寧夏 銀川 750004）

0 引 言

高效、方便、人性化的檢索方式是數(shù)字圖書館為用戶提供優(yōu)質(zhì)信息服務(wù)的必要保障。在數(shù)字圖書館的基礎(chǔ)上，近年來出現(xiàn)了一種新型的智慧圖書館，即在智能技術(shù)基礎(chǔ)上，以各種新技術(shù)、新服務(wù)理念以及新管理模式為輔助，所建立的不受時(shí)間和空間限制的新型圖書館模式。智慧圖書館將利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)達(dá)到智慧化服務(wù)和管理的目的，當(dāng)然在這個(gè)萬物互聯(lián)的時(shí)代，還需要通過云計(jì)算和智慧化的一些設(shè)備來改造現(xiàn)有的傳統(tǒng)圖書館。其中當(dāng)屬RFID技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，它改變了傳統(tǒng)圖書館的運(yùn)營服務(wù)模式，大大提高了圖書館管理人員的工作效率，極大地減少了工作量。圖書館的館藏量日益增大，如若按照以往傳統(tǒng)圖書館的管理方式，只有更加智能的信息系統(tǒng)才能在減輕管理人員負(fù)擔(dān)的同時(shí)，為讀者提供更加綜合的信息服務(wù)。

1 RFID定位技術(shù)

RFID定位技術(shù)的基本原理是：通過一組固定式讀寫器讀取目標(biāo)RFID標(biāo)簽的特征信息（如身份ID、接收信號強(qiáng)度等），同樣可以采用近鄰法、多邊定位法、接收信號強(qiáng)度等方法確定RFID電子標(biāo)簽所在位置。RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)通常由RFID電子標(biāo)簽、讀寫器、中間件及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫組成。該系統(tǒng)通過參考標(biāo)簽和待定標(biāo)簽的信號強(qiáng)度RSSI的分析計(jì)算，利用“最近鄰居”算法和經(jīng)驗(yàn)公式得出定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。

RFID定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：RFID電子標(biāo)簽的成本較低，可以大規(guī)模部署；RFID提供有源和無源兩種方案，無源方案沒有供電的問題，有源方案可以用紐扣電池持續(xù)數(shù)年地待機(jī)，極大地降低功耗；RFID基站設(shè)備相對豐富，大功率設(shè)備和小功率的讀寫器產(chǎn)品比較多，項(xiàng)目實(shí)施更方便，也更便于維護(hù)，適合各種場合的組網(wǎng)。

隨著圖書館藏書量和建筑面積的逐漸增大，傳統(tǒng)的圖書館管理方式已經(jīng)不再適用。鑒于此，本文主要研究如何在用Java語言編寫的圖書管理系統(tǒng)中加入RFID進(jìn)行讀者的身份識別?；赗FID技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的登錄，即不刷卡或者沒有卡的無關(guān)人員并沒有該系統(tǒng)的使用權(quán)限。如果沒有RFID技術(shù)的應(yīng)用，無關(guān)人員只須注冊就能實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的登錄，這顯然是不規(guī)范的。該技術(shù)的應(yīng)用，使得新用戶在注冊的同時(shí)，需要獲得圖書館辦理的身份卡才能成為真正的用戶，這大大提高了圖書館的管理效率。

2 開發(fā)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

Arduino UNO是一款基于ATMEGA328P微控制器設(shè)計(jì)的Arduino開發(fā)板，它有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳、6個(gè)模擬輸入引腳、16 MHz石英晶振、USB接口、電源接口，支持在線串行編程以及復(fù)位按鍵。Arduino UNO開發(fā)板是Arduino系列中最經(jīng)典的開發(fā)板，而且它的編譯較為簡單，適合新手入門使用，只需要將開發(fā)板與電腦通過USB接口連接就可以通過開發(fā)軟件Arduino IDE進(jìn)行編譯開發(fā)。

RFID-RC522模塊是采用MF RC522原裝芯片設(shè)計(jì)讀卡電路，使用方便，成本低廉，適用于設(shè)備開發(fā)、讀卡器開發(fā)等高級應(yīng)用以及進(jìn)行射頻卡終端設(shè)計(jì)/生產(chǎn)。該模塊可直接裝入各種讀卡器模具。模塊采用電壓為3.3 V，通過SPI接口簡單的幾條線就可以直接與用戶的任何CPU主板相連接進(jìn)行通信，可以保證模塊穩(wěn)定可靠地工作，并且讀卡距離遠(yuǎn)。模塊中的SDA引腳是用于選擇設(shè)備的引腳，SCK引腳用來接收時(shí)鐘信號，MOSI引腳是模塊的串口外圍接口，MISO引腳是串口數(shù)據(jù)輸出口，IRQ引腳是中段警告引腳，GND為接地引腳，RST引腳是復(fù)位和斷點(diǎn)輸入引腳，3.3 V是模塊的VCC引腳，該模塊只能在3.3 V的電壓下工作。

2.2 軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

Eclipse是一種可擴(kuò)展的開放源代碼集成開發(fā)環(huán)境（IDE），是一款非常受歡迎的Java開發(fā)工具。該系統(tǒng)之所以選擇以Eclipse為開發(fā)環(huán)境，是因?yàn)樵搼?yīng)用完美適配Java Swing圖形管理界面，具有豐富的GUI插件，使得編程更加方便。在設(shè)計(jì)過程中能夠簡化操作。

MySQL是一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)保存在不同的表中，而不是將所有數(shù)據(jù)放在一個(gè)大倉庫內(nèi)，這樣就提高了速度并增加了靈活性。MySQL使用更加容易，復(fù)雜程度較低。最重要的是，在Java連接數(shù)據(jù)庫的過程中適配性更高。

完整的RFID系統(tǒng)由數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、閱讀器、電子標(biāo)簽三部分組成。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)向閱讀器發(fā)出指令，閱讀器接收指令后通過天線發(fā)送射頻信息，射頻能量形成電磁場，其內(nèi)的電子標(biāo)簽被觸發(fā)并向閱讀器發(fā)送或修改存儲在內(nèi)的數(shù)據(jù)，閱讀器通過解調(diào)和解碼后反饋信息給數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。在工作狀態(tài)下，讀寫器經(jīng)由射頻天線向標(biāo)簽發(fā)射一定頻率的信號，并接收返回信號，經(jīng)過簡單處理后把這些信號發(fā)送到后臺網(wǎng)絡(luò)。電子標(biāo)簽也叫射頻標(biāo)簽、感應(yīng)標(biāo)簽，主要用于存儲數(shù)據(jù)，由天線和芯片組成，其中芯片又由控制器和存儲器構(gòu)成。電子標(biāo)簽是RFID系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，每個(gè)標(biāo)簽都擁有獨(dú)一無二的電子編碼。

3 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于RFID設(shè)計(jì)的自主借閱系統(tǒng)，在該實(shí)驗(yàn)中最重要的是如何在一個(gè)普通的圖書管理系統(tǒng)中加入RFID技術(shù)。MF RC522是一款非接觸式讀寫卡芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)本系統(tǒng)所需要的RFID功能。但是該芯片并不能直接將讀取到的信號發(fā)送至計(jì)算機(jī)串口，所以本系統(tǒng)還需要使用到Arduino開發(fā)板。本文選用的是Arduino UNO開發(fā)板。通過RC522芯片讀取卡片ID，將讀取到的信號傳輸給Arduino UNO，再經(jīng)由UNO打印至計(jì)算機(jī)串口，實(shí)現(xiàn)身份識別的功能。RC522與UNO的接線方式如圖1所示。

圖1 硬件連線方式

3.1 程序燒錄

硬件連接好后，將UNO通過USB線連接至電腦，打開Arduino軟件，下載MF RC522外部庫。通過外部庫的實(shí)例，編寫需要燒錄至開發(fā)板的程序。

首先添加頭文件，并對RST_PIN和SS_PIN定義引腳。運(yùn)用void setup（）函數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，設(shè)置串口的波特率為9 600 b/s，此設(shè)置其實(shí)不是固定的，只要與之后的Java串口通信中寫入的參數(shù)一致即可，否則系統(tǒng)會發(fā)生無法讀取的現(xiàn)象。使用loop（）函數(shù)，檢查MF RC522是否讀取到卡片的信息。然后將讀取到的卡片信息用Serial.print方法打印至串口。最后將編譯好的程序燒錄至UNO開發(fā)板，端口選擇為UNO所使用的端口。

3.2 硬件測試

Java具有串口通信的功能，可以讀取到串口的數(shù)據(jù)，再將串口的數(shù)據(jù)與創(chuàng)立的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比，這樣就能起到身份識別的作用。打開Arduino自帶的串口監(jiān)視器，完成刷卡操作，觀察串口監(jiān)視是否有數(shù)據(jù)傳輸，如果有，說明硬件部分RFID功能設(shè)計(jì)成功。

3.3 類方法創(chuàng)建

為了在自助借閱系統(tǒng)中加入RFID功能，首先需要打開電腦的串口，這樣才能通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)。因此，創(chuàng)建一個(gè)OpenerAndCloser類，以查看計(jì)算機(jī)可用的串口。波特率設(shè)置為9 600 b/s，數(shù)據(jù)位設(shè)置為8，停止位為1。RxTx第三方類庫提供了豐富的對串口進(jìn)行操作的方法，在編寫Java串口通信部分的代碼時(shí)，最常用的便是其中的CommPortIdentifier類。CommPortIdentifier類能夠管理和設(shè)置電腦可用的串口，是RxTx中的一個(gè)核心類。因?yàn)樾枰谐霰镜仉娔X可用的所有串口，所以用到這個(gè)類。其次，為了使該系統(tǒng)能成功接收到串口的數(shù)據(jù)，需要對串口的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，即波特率為9 600 b/s，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1。在RxTx第三方類庫中，提供了一個(gè)方法，為setSerialPortParams，能夠?qū)Υ趨?shù)進(jìn)行設(shè)置。此參數(shù)設(shè)置并不是固定的，只要在之后的模擬軟件中，與該系統(tǒng)寫入的參數(shù)一致即可，否則會發(fā)生無法讀取的現(xiàn)象。最后，為了避免本地串口被其他設(shè)備占用而導(dǎo)致該系統(tǒng)出現(xiàn)異常、發(fā)生崩潰的情況出現(xiàn)，需要在編寫程序代碼的時(shí)候拋出該異常。在RxTx第三方類庫中，將此種異常定義為PortInUseException，使用try-catch語句進(jìn)行異常捕獲，并將該異常拋出。

為了能夠成功接收到串口發(fā)出的數(shù)據(jù)，并將其與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中的用戶和管理員數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，需要再創(chuàng)建一個(gè)Com4EventListener類方法，用于監(jiān)聽串口的數(shù)據(jù)流輸入，以便在之后登錄操作時(shí)調(diào)用。在獲取串口數(shù)據(jù)之前，需要先打開使用的串口，并拋出串口被其他設(shè)備占用的異常。為了獲取串口的輸入流，需要用到Java自帶的IO包。在Java串口通信中，主要用到了IO包中的InputStream類，對串口的輸入流進(jìn)行操作。首先，定義一個(gè)變量為從串口獲取到的輸入流，并對該輸入流進(jìn)行讀取。此時(shí)，就需要用到InputStream類中的read方法，讀取串口的輸入流。為了避免程序使用過程中，發(fā)生IO錯誤，導(dǎo)致系統(tǒng)異常，需要在編寫代碼的過程中拋出該異常，避免程序出現(xiàn)錯誤；同時(shí)對打開的端口添加事件監(jiān)聽來監(jiān)聽端口發(fā)生的變化，這樣才能獲取串口的輸入流。在RxTx第三方類庫中，提供了一個(gè)名為SerialPort的類，其中的addEventListener方法能夠?qū)Υ谔砑邮录O(jiān)聽。因?yàn)樘砑邮录O(jiān)聽的目的是為了獲取串口的輸入流，所以監(jiān)聽事件類型應(yīng)為是否有數(shù)據(jù)達(dá)到，這樣才能讀取串口的數(shù)據(jù)。在SerialPort類中，使用notifyOnDataAvailable方法，將監(jiān)聽的事件類型定義為是否有數(shù)據(jù)到達(dá)串口。最后，將后端接收到的輸入流與數(shù)據(jù)庫中的用戶ID進(jìn)行對比，并在控制臺輸出該用戶的用戶名，以方便之后對系統(tǒng)進(jìn)行測試時(shí)找出系統(tǒng)的邏輯錯誤。

4 系統(tǒng)測試

將設(shè)計(jì)好的硬件設(shè)備通過USB接口連接至電腦。打開Eclipse，運(yùn)行編寫的圖書管理系統(tǒng)，點(diǎn)擊“請刷卡”按鈕，之后完成刷卡操作，如圖2所示?？梢钥闯?，原本不可編輯的用戶名文本框出現(xiàn)用戶名“cgd”的原因是：完成刷卡操作之后，UNO將RC522識別的卡片ID發(fā)送至端口，程序后端在數(shù)據(jù)庫中查找ID為64482076的數(shù)據(jù)，并將其用戶名返回給文本框，用戶名文本框則自動出現(xiàn)了該用戶對應(yīng)的用戶名。

圖2 圖書管理系統(tǒng)登錄界面

圖3所示的Eclipse控制臺視圖清晰地展示了上述過程。點(diǎn)擊“請刷卡”按鈕后，系統(tǒng)接收到串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，在已經(jīng)創(chuàng)建的t_user數(shù)據(jù)表中找到ID=64482076的數(shù)據(jù)，并將用戶名返回，成功模擬了刷卡登錄這一功能。

圖3 Eclipse控制臺視圖

5 結(jié) 語

由于硬件和軟件的結(jié)合，離不開串口通信，軟件需要讀取并識別硬件發(fā)送的數(shù)據(jù)。本文選擇了目前最為流行的Java語言，因?yàn)樗哂心軌蛲瓿纱谕ㄐ诺奶攸c(diǎn)；同時(shí)采用的Eclipse是一個(gè)開源的軟件，有很多簡化設(shè)計(jì)過程的插件可用。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于在普通圖書管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入RFID技術(shù)，達(dá)到刷卡登錄的目的，即不通過鍵盤鍵入用戶和管理員的用戶名。RFID射頻識別系統(tǒng)由閱讀器和電子標(biāo)簽組成。對比于條形碼，它的適用范圍更廣。隨著時(shí)代的發(fā)展以及科技的進(jìn)步，圖書館不再需要人力看守管理，讀者也不需要自己前往圖書館就能進(jìn)行借還書。RFID將助力于無人值守自助借閱圖書館的實(shí)現(xiàn)。