基于單片機的無線圖書借閱系統設計

袁連余

（鹽城生物工程高等職業技術學校，224051）

0 引言

目前，國內大多數圖書館中圖書借記終端較少（一般為2-5臺），且圖書借記工作大都需要圖書館工作人員參與完成。本文設計一套智能化自助式圖書借記系統。該系統包含一個主控存儲中心、多個圖書借記網點，各網點與主控存儲中心之間采用無線方式進行數據傳輸，可實現多網點、24小時自助服務。

1 系統總體設計

本系統擬以微控制器芯片為核心搭建各服務網點。各網點以便攜式可移動設備形式實現，具有獨立的自助借書還書功能，并可以將讀者信息、借書還書信息等通過無線網絡發送

給控制存儲中心存儲。

本文所設計的自助式圖書借記系統整體框圖如圖1所示：

假設圖書館共分三層，每層配置5臺圖書借記終端，每臺借記終端都可以獨立工作，實現自助借書還書功能。每臺借記終端讀取到讀者信息、借書還書信息后首先進行本地存儲，然后三層共15臺借記終端（1-15號）按照規定好的時間順序依次向控制存儲中心中借記終端（0號）發送讀者借記信息，0號借記終端將收到的借記信息通過RS232串口發送給圖書管理系統。

2 硬件設計

2.1 硬件選型

1）微控制器

微控制器芯片是智能化自助式圖書借記系統的核心器件，其性能的好壞直接影響到整個系統的性能，在其型號的選擇上要考慮到它的價格、運算速度、內存量等方面?？晒┻x擇的微控制器有單片機、FPGA、DSP、ARM 等。

單片機具有較高的運算速度，C 語言編程，有利于程序開發和移植，控制功能很強，且體積小、價格低、功耗低，但是一般的單片機內存和通用寄存器都不太豐富[1]?？紤]到上述因素，本系統選取內存（256K）較大的STM32F103作為核心芯片。此款芯片片上外設豐富，可大大減少系統電路中除處理器以外的元器件配置，精減系統成本，256K 內存可用來存儲讀者借書還書信息。

2）無線通訊模塊

目前，六種無線網絡技術正在成為業界討論的熱點，它們分別是無線局域網（Wi-Fi）、超寬帶通信（UWB）、近場通信（NFC）、藍牙（Bluetooth）、紅外線數據通信IrDA 和Zigbee 技術[2]。Zigbee 聯盟制定的Zigbee 方式與其他無線數據傳輸方式相比，具有功耗低、數據傳輸可靠、兼容性好、實現成本低、組網方便等優點，非常適合低成本、且對傳輸速率要求不高的無線網絡。因此，本文選取Zigbee 方式進行無線數據傳輸。

圖1 系統整體框圖

圖2 無線模塊與單片機連接圖

圖3 AT86RF212外圍硬件電路

圖4 軟件流程圖

圖5 串口接收信息

本系統中，無線Zigbee模塊選擇AT86RF212。它是一款專為低成本的IEEE802.15.4標準Zigbee 技術與高數據傳輸率的ISM 應用而設計的低功耗、低電壓700/800/900MHz 頻段收發器。單片AT86RF212收發器提供了天線和微控制器間的完整接口，包括時間和頻率同步的數字調制和解調，以及數據緩沖功能，且與微控制器的接口為同步串行SPI 接口，保證了與微控制器的快速通信。芯片的接受靈敏度高達-110DBm，可編程TX 輸出功率高達+10DBm，工作電壓從1.8V 到3.6V，保證了數據的高傳輸速率和低功耗性能。芯片的上述特性滿足了整個系統對低功耗、低成本、以及數據傳輸速率的要求；簡單的外圍電路可以降低硬件設計的難度，加快開發的進度。

2.2 硬件系統設計

用單片機進行信息收發處理需經過RS232以及SPI 接口。STM32F103包含2個SPI 同步串行接口（18Mb/s），3個USART 異步串行接口（4.5Mb/s）。RS232接口只需外接電瓶轉換芯片后即可與PC 機或條形碼掃描儀相連，電路比較簡單，這里不再贅述。下面主要介紹Zigbee 無線通信模塊的實現。

在此模塊設計中，用到的芯片主要包括微控制器主控芯片STM32F103VCT6、AT86RF212。AT86RF212與主控芯片采用SPI總線接口方式，在這種模式下，主控芯片與Zigbee 芯片只要幾根線就能夠完成復雜的通信。STM32F103VCT6與AT86RF212的SPI總線連接圖如圖2所示。

選擇STM32F103VCT6為SPI主模式，AT86RF212為SPI 從模式，在SPI 總線模式下的配置復用輸入輸出接口的PA5、PA6、PA7、PE12分別為SCLK、MISO、MOSI、SCS（SPI 從模式低電平有效）信號線直接相連，并且軟件配置管腳的輸出速度為50MHz，SPI 速率為4.5MHz，STM32F103通過SPI 端口對Zigbee 芯片進行讀寫操作和相應配置。其中Zigbee 通信模塊AT86RF212外圍硬件電路圖如圖3所示：

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括單片機與PC 機程序編寫。其中PC機中軟件只需把由串口接收到的信息接入已有的圖書館管理系統即可，下面主要介紹單片機中程序編寫。

本系統中設置1-15號設備按照規定好的時間順序向0號設備發送信息。1-15號設備需要根據不同的輸入信息做出不同后續動作，具體軟件流程如圖4所示：

上電初始化后條形碼掃描儀一直處于工作狀態，讀者借書或者還書時首先掃描自己的圖書館證件進行身份識別，身份識別成功后輸入需要結借書數量N，然后依次掃描錄入N本圖書條形碼信息。掃描完成后借記終端存儲讀者借記信息，判斷是否可以向控制存儲中心發送，同時繼續讀取借記信息。若判斷結果為不可以向外發送則繼續判斷，直至可以向外發送時使能Zigbee 無線模塊，向外發送存儲好的借記信息，發送成功后清空已成功發送的借記信息所占存儲區域。

4 實驗分析

本文所述智能自助式圖書借記系統已完成借記終端硬件設計實現工作，可以根據作者預先設定好的規則錄入讀者信息，書本條形碼信息等。仿真過程中，在教學樓內一至三層樓道內分別布置了5臺終端，三層共15臺圖書借記終端，控制存儲中心設于一層實驗室內。預設15臺設備以15分鐘為一周期，輪流向控制中心發送數據，即每臺借記終端間隔15分鐘發送一次數據，每次發送時間一分鐘，一分鐘后關閉本設備Zigbee 無線模塊，并使能下一設備無線模塊。0號機的串口調試助手接收信息如圖5所示：

圖5中顯示讀者test（ID：aa）從本系統借書一本（Num：1），借出書籍條形碼信息為45465476882。系統仿真實驗結果顯示上位機可以準確完整的接收到借記終端發出的借記信息，只需將相應信息接入已有圖書館管理系統數據庫，即可實現24小時自助借記服務。

5 結論

本文所述基于微控制器與無線模塊設計的智能圖書借記系統可以實現24小時自助借書還書服務。圖書館若需實現自主借書還書功能，只需將本系統中與PC 相連借記終端輸出信息接入已有圖書管理系統即可。要實現擴展功能只需添適量借記終端并修改原有發送時間周期。后續工作主要是結合實際情況，對該系統進行優化升級，進一步完善系統功能。如：修改無線通信模式，使各借記終端直接接入以太網（如Wi-Fi）并受控于圖書管理系統；外接液晶顯示屏方便實時本地查看圖書借記信息等。

[1]何秋生，楊希卓，張邵敏，卞夢超.基于單片機的無線遠程實時顯示系統[J].自動化技術與應用，2011，30（12）：17-20.

[2]顧瑞紅，張宏科.基于ZigBee的無線網絡技術及其應用[J].電子技術應用，2005，31（6）：89-95.