楊建峰

（三明市圖書館 福建 三明 365000）

社會(huì)的持續(xù)進(jìn)步使得人們的物質(zhì)需求得到極大滿足，于是開始轉(zhuǎn)向?qū)裎幕膹?qiáng)烈追求，圖書館匯集了各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的文化資源及科研成果，成為人們社會(huì)活動(dòng)的新選擇。但傳統(tǒng)圖書館管理模式面對(duì)不同人群的閱讀服務(wù)需求倍感壓力，引入先進(jìn)技術(shù)建立先進(jìn)的智能化圖書館管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)內(nèi)容及服務(wù)方式的全面變革是圖書館現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢(shì)和重要出路，射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID）技術(shù)在這方面具有較大優(yōu)勢(shì)。因此，具體分析RFID技術(shù)在圖書館管理系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。

1.1 RFID技術(shù)概念

RFID技術(shù)一方面與條碼技術(shù)有類似之處，均是使用專用的讀寫器將數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行傳輸和掃描識(shí)別。另一方面RFID技術(shù)的獨(dú)特處在于它通過無(wú)線電信號(hào)來識(shí)別特定目標(biāo)的同時(shí)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，突破了識(shí)別系統(tǒng)必須與特定目標(biāo)之間具有機(jī)械或光學(xué)接觸的限制。這種非接觸識(shí)別，不僅適用于只讀工作模式也能用于讀寫工作模式，即便是在有污漬及遮擋物等惡劣環(huán)境下，也能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸性的數(shù)據(jù)信號(hào)準(zhǔn)確識(shí)別和高度集成[1]。此外，RFID技術(shù)具有極高的防侵入、防干擾及防篡改性能，因此適用的范圍非常廣，諸如物流快遞配送、交通運(yùn)輸管理、工業(yè)生產(chǎn)流水線、門禁管理系統(tǒng)，食品和藥品安全溯源、圖書借還館等，尤其適用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域。

1.2 RFID技術(shù)的工作原理

將RFID視作一種無(wú)線電技術(shù)，其信號(hào)附著于實(shí)物的數(shù)據(jù)標(biāo)簽上，通過無(wú)線電頻率的電磁場(chǎng)進(jìn)行傳送，可以對(duì)物品進(jìn)行自動(dòng)辨識(shí)與追蹤。其工作原理為：解讀器發(fā)出的射頻信號(hào)被磁場(chǎng)中的RFID標(biāo)簽所接收，借助感應(yīng)電流的能量通過信號(hào)天線將存儲(chǔ)在芯片中的無(wú)源和被動(dòng)標(biāo)簽（Passive tag）信息及時(shí)送出，也可以主動(dòng)發(fā)送有源和主動(dòng)標(biāo)簽（Active tag）信息；
標(biāo)簽信息被解讀器讀取并解碼后，立即傳遞給中央信息系統(tǒng)（PC工作端）并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[2]。RFID工作流程如圖1所示，可以看出，基于RFID技術(shù)的完整管理系統(tǒng)，包括3個(gè)主要部分，分別為讀寫器（Reader）、射頻標(biāo)簽（RFID tag）及信號(hào)天線（antenna）。射頻標(biāo)簽tag是由耦合元件和芯片所構(gòu)成，與標(biāo)簽所對(duì)應(yīng)的是電子編碼，具有唯一性，標(biāo)簽附著在目標(biāo)物體上作為其身份標(biāo)識(shí)。射頻標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息具有固定格式，通過附帶的內(nèi)置天線與無(wú)線信號(hào)接收器進(jìn)行通信。讀寫器Reader經(jīng)過空間信道向射頻標(biāo)簽發(fā)送無(wú)線電波指令，標(biāo)簽在接收指令后隨即做出響應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)射頻識(shí)別。讀寫器既可以讀取數(shù)據(jù)信息也可以進(jìn)行信息寫入，比較常見的使用形式有手持式和固定式，通過自動(dòng)識(shí)別讀取射頻標(biāo)簽中的信號(hào)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的追蹤管理。Reader可以通過RS232或RS485接口與PC進(jìn)行連接，也可以利用WLAN技術(shù)將讀取的信號(hào)傳送給PC端，以便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。Antenna通過接收和發(fā)送信號(hào)實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽與讀寫器之間的進(jìn)行有效連通。

圖1 RFID工作流程

2.1 圖書管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

RFID技術(shù)良好的數(shù)據(jù)信息識(shí)別功能是構(gòu)建智能圖書管理系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)中的圖書管理系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)服務(wù)器、圖書盤點(diǎn)和制作工作站、柜臺(tái)工作站，自助還書箱和借還書機(jī)，以及電子偵測(cè)門。而智能圖書館的管理系統(tǒng)功能由各種應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)，所構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)包括：流通標(biāo)簽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、圖書管理員工作平臺(tái)、讀者自助借還書系統(tǒng)、查詢、順架和圖書盤點(diǎn)系統(tǒng)等。基于RFID技術(shù)的智能圖書館系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 基于RFID技術(shù)的智能圖書館系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1.1 系統(tǒng)服務(wù)器

系統(tǒng)服務(wù)器主要負(fù)責(zé)圖書盤點(diǎn)統(tǒng)計(jì)、圖書信息檢索和用戶賬戶管理。圖書管理員可以通過系統(tǒng)提供的庫(kù)存圖書統(tǒng)計(jì)表進(jìn)行盤點(diǎn)和圖書清理。管理員通過系統(tǒng)對(duì)庫(kù)藏圖書的原始信息、借閱和歸還信息等進(jìn)行查詢，閱讀者也可以通過檢索系統(tǒng)按需查找所需的圖書信息，包括圖書的庫(kù)存位置、是否可借等，還可以查詢相關(guān)管理設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。賬號(hào)管理方面，通過管理系統(tǒng)賬戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)，可以對(duì)讀者賬戶身份進(jìn)行辨別，對(duì)讀者賬戶使用狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.1.2 電子偵測(cè)門

電子偵測(cè)門一般有單通道或多通道，可偵測(cè)的有效距離在90 cm以上，它主要通過監(jiān)測(cè)圖書的數(shù)據(jù)標(biāo)簽對(duì)進(jìn)出圖書館的人員進(jìn)行偵測(cè)，防止圖書未經(jīng)規(guī)范手續(xù)而流出。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配有信號(hào)觸發(fā)接點(diǎn)，未辦理借閱手續(xù)的書籍在讀者進(jìn)出門禁時(shí)沒有電子標(biāo)簽安全碼，當(dāng)被監(jiān)測(cè)器檢測(cè)到時(shí)，門禁隨之限制通行并發(fā)出警示。

2.1.3 柜臺(tái)（前臺(tái)）工作站

柜臺(tái)工作支持圖書借還、借閱時(shí)間續(xù)期等操作，在該模塊上還可以進(jìn)行標(biāo)簽安全碼的設(shè)置、變換和解除等操作。此外如果圖書管理系統(tǒng)支持離線作業(yè)，則該工作站也能夠離線工作。

2.1.4 自助借還書機(jī)

為保證圖書服務(wù)系統(tǒng)的持續(xù)工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)多采用高性能主機(jī)，同時(shí)配備熱感應(yīng)打印機(jī)，為用戶打印圖書借還單據(jù)。圖書標(biāo)簽被系統(tǒng)自主掃描識(shí)別，便于讀者一次借還多本書籍，而需要逐本登記，從而提高借還效率[2]。

2.1.5 盤點(diǎn)工作站

盤點(diǎn)工作站采用獨(dú)特的手持式RFID讀寫器及手持插入式天線盒來掃描書籍，只需在書架的書籍間隙處插入手持式天線就可以獲得準(zhǔn)確的圖書信息，可以極大地提升圖書盤點(diǎn)工作效率和準(zhǔn)確度。同時(shí)將終端設(shè)備系統(tǒng)接入圖書管理系統(tǒng)，便于管理員隨時(shí)查看庫(kù)藏圖書信息，及時(shí)進(jìn)行圖書盤點(diǎn)。

2.1.6 制作工作站

工作站設(shè)有專用的制作人員賬戶并賦予相關(guān)操作權(quán)限，能夠隨時(shí)查看書籍的制作時(shí)間、進(jìn)程及等信息，避免因重復(fù)工作而浪費(fèi)時(shí)間。工作站支持書籍電子標(biāo)簽的批量制作，系統(tǒng)授權(quán)下支持多次修改標(biāo)簽內(nèi)容，圖書名稱、條形碼、館號(hào)及借還信息等標(biāo)簽采用安全編碼進(jìn)行寫入，防止對(duì)標(biāo)簽內(nèi)容的隨意篡改。可根據(jù)圖書制作人員的使用習(xí)慣對(duì)制作接口進(jìn)行合理調(diào)整，工作站可與多類系統(tǒng)硬件及操作系統(tǒng)相配對(duì)使用。

2.2 核心硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.2.1 自助借還機(jī)硬件

本文系統(tǒng)的圖書自助借還機(jī)（圖3）包括多個(gè)模塊，主要構(gòu)成部分有主控MCU、顯示器、信號(hào)收發(fā)模塊（無(wú)線）、射頻讀寫芯片及天線及電路等。主控MCU應(yīng)用嵌入式單片機(jī)（STM32）以支持顯示器、讀寫芯片及無(wú)線信號(hào)收發(fā)模塊的正常運(yùn)行。射頻讀寫芯片搭配億百特RC522工業(yè)級(jí)模塊，采用非接觸式通信協(xié)議，適用于符合ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)的多種應(yīng)用[3]。讀寫芯片通過高頻電路與信號(hào)天線連接，同時(shí)穩(wěn)定接收主控MCU發(fā)出的高頻信號(hào)并與RFID標(biāo)簽建立通信。信號(hào)天線是幫助讀寫模塊實(shí)現(xiàn)射頻通信的基本工具，它配有線圈和與之對(duì)應(yīng)的電路，RFID的工作電源來自天線產(chǎn)生的磁通量，數(shù)據(jù)信息在RFID卡與讀寫模塊之間進(jìn)行傳送；
顯示器為12864圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，支持四行顯示，顯示內(nèi)容包括：自助借還信息、用戶名、書籍名、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。無(wú)線收發(fā)模塊采用JF24D模塊，該模塊通過整合高斯頻移鍵控（gauss frequency shift keying，GFSK）的收發(fā)電路功能，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的高速傳輸，作為一種超高性能的射頻收發(fā)器它支持多種場(chǎng)合下的短距離無(wú)線通信。設(shè)計(jì)的自助借還機(jī)不僅體積小、耗能低而且傳輸距離遠(yuǎn)，信號(hào)質(zhì)量高。

圖3 自助借還機(jī)的硬件組成

2.2.2 工作站和電子偵測(cè)門硬件

本文系統(tǒng)的主板MCU采用STM32，將其與柜臺(tái)工作站的PC上位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口、無(wú)線模塊、電子偵測(cè)門的讀寫器及數(shù)據(jù)庫(kù)SD卡等逐一連接，MCU通過接收天線發(fā)出指令后被偵測(cè)器所接收，利用數(shù)據(jù)庫(kù)資源進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)簽信息的比對(duì)分析，最后通過網(wǎng)絡(luò)通道傳送到PC上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理[4]。

電子偵測(cè)門的讀寫器也包括多個(gè)重要部件，主要有控制核心MCUP89LPC932、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AT45DB021、非接觸通信卡MFRC632、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片PCF8563。電子偵測(cè)門硬件配置，如圖4所示。

圖4 電子偵測(cè)門硬件配置

MCU通過對(duì)存儲(chǔ)器的系統(tǒng)設(shè)置信息進(jìn)行讀取，并根據(jù)需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)容進(jìn)行初始化設(shè)置和調(diào)整，主要涉及到設(shè)備的ID位置，主站、從站、開關(guān)機(jī)時(shí)間、數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)形式等。讀者在借還書時(shí)使用非接觸通信卡通過無(wú)線接收天線與系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，從而實(shí)現(xiàn)高效地自動(dòng)借書還書。

人員通過電子偵測(cè)門時(shí)，如果讀卡器未掃描到任何圖書標(biāo)簽信息，則表明不存在借書情況，人員可以順利通行。掃描到標(biāo)簽信息有2種情況，一種是已借書籍帶入和帶出，另一種是未借狀態(tài)，系統(tǒng)則提醒制定借還書進(jìn)行登記，若未經(jīng)辦理借書手續(xù)而攜書出門則會(huì)發(fā)出報(bào)警提示。電子偵測(cè)門工作流程，如圖5所示。

圖5 電子偵測(cè)門工作流程

基于RFID技術(shù)的智能圖書館管理系統(tǒng)，其運(yùn)行程序主要有數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序和位于讀卡器模塊的控制程序。

3.1 讀卡器模塊控制程序

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)先對(duì)主控MCU內(nèi)容進(jìn)行編程處理，再按照ISO/IEC14443A協(xié)議建立RFID卡與讀寫芯片之間的射頻通信關(guān)系，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID卡的相關(guān)操作，最后以函數(shù)形式對(duì)相關(guān)操作進(jìn)行封裝處理。控制程序的主要功能包括：數(shù)據(jù)讀取和發(fā)送、RC522通信、數(shù)據(jù)接收中斷、譯碼糾錯(cuò)和液晶顯示控制等，這些控制程序均采用C語(yǔ)言編寫并在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)中的管理程序

數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序也使用C語(yǔ)言來編寫，主要功能為支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的建立，為查詢?cè)O(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)提供幫助，此外還可以對(duì)來自讀卡器的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作處理[5]。數(shù)據(jù)庫(kù)中需要建立2張表，分別記錄的是館內(nèi)書籍的信息和用戶信息，包括館藏圖書類型、數(shù)量、書架位置、出版社、在庫(kù)或借閱狀態(tài)等。以及用戶的姓名、性別、身份證號(hào)、真實(shí)頭像等基礎(chǔ)信息，還包括個(gè)人借閱歸還圖書的次數(shù)和信譽(yù)、出入館狀態(tài)、圖書的可借權(quán)限、續(xù)借緩還的日期等情況[6]。圖書管理系統(tǒng)的后臺(tái)操作人員可以在授權(quán)范圍內(nèi)根據(jù)管理需要對(duì)記錄表中部分信息進(jìn)行修改、刪除和更新等操作，以保證系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確、完整、信息查詢的權(quán)限完全公開，分管理員和讀者2個(gè)賬號(hào)，可以按用戶名、圖書號(hào)、序列號(hào)、關(guān)鍵字等進(jìn)行信息檢索[7]。系統(tǒng)程序在運(yùn)行時(shí)即創(chuàng)建后臺(tái)線程，主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取處理。在程序初始化時(shí)分配出一個(gè)緩沖區(qū)，負(fù)責(zé)對(duì)來自于讀卡器的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存放，系統(tǒng)在檢測(cè)發(fā)現(xiàn)程序緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)主動(dòng)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和處理，然后將其準(zhǔn)確寫入數(shù)據(jù)資源庫(kù)中，以備核對(duì)和調(diào)用。

圖書館智能化管理可以滿足不同讀者的個(gè)性化需求，智能化的主要業(yè)務(wù)是圖書自動(dòng)借還及管理服務(wù)，本文所提圖書館智能管理系統(tǒng)以RFID技術(shù)為核心支持，系統(tǒng)主板采用STM32。系統(tǒng)指令通過無(wú)線天線模塊進(jìn)行及時(shí)傳遞，檢測(cè)模塊接收信息后與數(shù)據(jù)庫(kù)資料進(jìn)行比對(duì)，讀者通過電子偵測(cè)門時(shí)，凡符合借還書規(guī)范程序的則暢通無(wú)阻，未按規(guī)定程序辦理借還書手續(xù)的則收到相關(guān)提醒或發(fā)出告警信號(hào)。基于RFID技術(shù)的智能化圖書管理系統(tǒng)不僅可以為讀者的借還書帶來巨大便利，還能大大提升圖書管理員的工作效率，這也是未來圖書館的發(fā)展趨勢(shì)。

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