基于RFID的圖書館書籍管理系統設計與實現

程海鳴，黃 玲，徐 鶴，胡一凡

(1.南京郵電大學 計算機學院，江蘇 南京 210023；2.南京郵電大學 物聯網學院，江蘇 南京 210023)

基于RFID的圖書館書籍管理系統設計與實現

程海鳴1，黃 玲1，徐 鶴1，胡一凡2

(1.南京郵電大學 計算機學院，江蘇 南京 210023；2.南京郵電大學 物聯網學院，江蘇 南京 210023)

RFID(無線射頻識別)技術是當今實現物聯網的關鍵支撐技術，應用RFID技術定位所標識的對象是RFID技術在室內定位領域應用的一個研究熱點。將RFID技術應用于圖書館書籍管理中，可有效解決圖書錯放、亂放的問題，很好地彌補基于條形碼的圖書檢索系統所存在的無法提供圖書精確位置信息的缺陷。提出采用RFID技術結合Wi-Fi無線通信技術構建RFID系統，在圖書館中設置多個WIFI-RFID閱讀器作為無線節點，實時讀取圖書的存放信息和位置信息并同時修改服務器數據庫內的相關信息，確保所設計的手持設備客戶端軟件能夠精確有效地讀取到無線節點的位置信息，并生成直觀形象的尋書路線指示圖，從而實現可視化圖書查找與盤點系統。該系統可極大地提高圖書查找和管理的效率，節省人力、物力、財力資源。

無線射頻識別；Wi-Fi；圖書管理系統；室內定位

0 引 言

當今，圖書館的規模不斷擴大，藏書量不斷增多，且伴隨開架閱讀的廣泛普及，圖書錯架、亂架現象也越來越普遍，圖書館工作人員整理書籍和普通讀者尋書的過程也越發艱辛。但目前采用較多的基于條形碼的圖書管理系統操作流程較為繁瑣，且條碼壽命短、易破損，極大影響了借還書與圖書管理的效率。同時，基于條形碼的圖書檢索系統無法提供圖書的精確位置信息，這不但影響了查書者的查書效率，也易導致查書者對圖書管理現狀產生極大的不滿情緒。因此，迫切需要一種智能化的圖書館圖書查找與管理系統來解決上述問題。

RFID技術作為室內定位領域的熱點研究技術，在圖書館管理方面的應用更是具備傳統圖書管理系統所無法比擬的優勢，該技術很好地彌補了現今條形碼技術的缺陷[1-2]，可使圖書管理實現全自動化與集成一體化。RFID相較于現有條碼掃描識別技術，其優勢顯而易見[3]：借助RFID動態監測能實時地提供錯置圖書的位置信息，從而使書籍查詢與整理工作變得高效精確；借書、還書工作可以完全由讀者自行完成，進而實現圖書館書籍管理的全自動化與智能化；同時，RFID技術自身具有非接觸識別的特點，且同時兼有可讀寫次數多、讀取距離大、動態實時通訊等優點，因此，應用RFID技術可為相關人員提供更快捷、高效、人性化的服務，同時提高讀者的滿意度、圖書利用率與圖書館受歡迎程度。相信隨著這種新技術在未來的大規模應用，必將給現代圖書館管理系統帶來圖書全自動化信息處理和管理與高人性化圖書查找與盤點的新體驗，是圖書館管理向現代化、智能化轉變與發展的方向。

1 相關技術

1.1 RFID技術

射頻識別(RFID)技術[4]是一種具有非接觸式自動識別特點的通信技術。它可以借助無線射頻信號自動捕捉到目標并讀寫其附帶信息，能夠實現即時信息交互以及物品追蹤功能。

RFID技術具有的應用特點如下[5]：

(1)非接觸式信息采集：識別系統與特定識別目標之間進行信息識別、讀取，不需要建立機械或光學接觸，由此可實現自動化識別和管理。

(2)識別速度快：標簽一旦進入RFID射頻區域，閱讀器便可以實時獲取標簽內寫入的信息，而且可以實現閱讀器同時對多張標簽的識別、讀寫并進行批量數據處理。

(3)標簽數據可動態更改：不同于數據一旦存入便難以修改的打印條形碼，RFID標簽內的數據可利用編程器修改，從而迅速便捷地實現數據交互功能，且相比打印條形碼縮短了時間。

(4)數據容量大：標簽能夠存儲的數據量很大，能實現任意內容的書寫，從而可以滿足現今社會大信息量和高速信息處理效率的需要。

(5)實時動態通信：一旦RFID讀寫器的有效射頻信號領域內出現被RFID標簽附著的物品，讀寫器便可以迅速獲取信息，對其位置進行動態追蹤與監控，從而解決了對運動物品進行信息管理的問題。

(6)高安全性：RFID標簽內具有密碼模塊，僅當閱讀器擁有標簽的正確密碼才能讀寫標簽數據，使得RFID技術具有極高的安全性。

(7)應用廣、壽命長：存在于密封包裝膜內的RFID標簽采用電子射頻技術進行無線方式的通信，因而在粉塵、油垢等污染嚴重或放射性強的環境下也能正常、長久地使用。

綜上，RFID技術具備傳統掃描條碼技術所無法比擬的優勢，可達到物品管理的高度自動與一體化以及物資管理中物流和信息流間的雙向通信。該技術的諸多優勢，使其在定位(室內)問題的研究中有著極為廣闊的發展與應用前景。

1.2 Wi-Fi技術

Wi-Fi技術，本質上為一個高頻無線電信號，它能夠以無線通訊的方式將手機、筆記本電腦、PAD等無線設備互相連接。

Wi-Fi技術具有的優勢特點體現在[6]：

(1)建設便捷：網絡的搭建無需傳統網絡布設中必須要完成的大范圍布線工作，只需通過無線設備開無線AP，就可以滿足一定范圍內一定數量設備的上網需求。

(2)無線電波覆蓋范圍廣：WIFI信號的有效半徑達300 m以上，相較于信號半徑約15 m的藍牙技術，其優勢可見一斑。

(3)投資經濟：若要滿足更多用戶上網的需求，只需增加無線“熱點”的數量而無需重新進行布線、改線、拆線等工作，相比有線網絡建設可節約大筆成本。

(4)傳輸速度快：Wi-Fi技術的信息傳輸速度最快可達37.5 Mbit/s，能夠滿足絕大多數個人或公眾集體的上網速度需求及社會信息化的需求。

(5)廠商進入門檻較低：在酒店、商場、辦公區、圖書館、機場、火車汽車站等人員密集的公共場所搭建無線AP，并使其可訪問互聯網，只要用戶的無線上網設備可接收到該局域網的WIFI信號，即可迅速接入因特網，實現高速無線上網，從而滿足日益增長的手機用戶的上網需求。

因此，Wi-Fi網絡憑借其具有的健康安全、高速經濟等優點而受到越來越廣泛的應用。

2 系統硬件

文中采用RFID技術識別目標并讀取信息，利用Arduino[7-8]閱讀器讀取的相關數據將借助WIFI網絡傳送至服務器端并修改數據庫內存儲的相應信息；客戶移動終端設備(手機等)與系統服務器端也通過WIFI進行信息交互，實現書籍的查找或管理。圖1為設計并實現的WIFI-RFID硬件電路連線圖。

圖1 WIFI-RFID硬件電路連線圖

3 功能設計

3.1 書籍位置可視化的圖書查找功能模塊

首先，應依據圖書館情況，每隔一定距離放置RFID閱讀器，即每個RFID閱讀器指示書籍所放范圍，最精確情況為每個藏書格放置一個RFID閱讀器。

書籍查詢功能示意如圖2所示，查詢者要找書時，先在裝有相關軟件的客戶查詢終端設備上輸入所要查詢的書籍信息，如書名或索書號等信息，該信息可借助WIFI發送至系統服務器，系統服務器會把處理后的反饋信息再通過無線網絡發送至客戶端，即可在查詢者終端設備上顯示出所要查詢的圖書信息(如書名、責任者、索書號、出版社等基本書籍信息)和指示該書籍位置的高頻無源RFID閱讀器的所在位置，并可生成尋書路線來使查詢者更直觀地獲得圖書位置(圖3為已實現的基于Android平臺的手機應用生成路線圖)。查詢者依據路線圖找到RFID閱讀器指示的相關書格，只需在相關書格內尋找圖書即可快速準確地找到所需要的書籍。

圖2 書籍查詢功能示意圖

當查詢者在確定要把某本書放入某書格或從某書格取出時，只需將該書籍輕觸一下指示該書格的RFID閱讀器(RFID電子標簽具有非接觸的特點)，高頻無源RFID閱讀器便會立刻將該圖書所攜帶的RFID電子標簽中存取的信息反饋給系統服務器，系統服務器會依據反饋的信息及時修改數據庫內的圖書位置信息，供其他查詢者查到實時的圖書位置信息。

圖3 查詢路線Android平臺手機顯示示意圖

因此，借助RFID技術與WIFI技術[9-11]，用戶可在WIFI覆蓋范圍內，隨時隨地通過手機終端查詢精確的圖書位置信息并按生成的圖書路線指引圖快速準確地找到書籍，解決了因圖書錯放亂發或書架標識不清楚而帶來的找書費時費力問題，彌補了現有查書系統無法提供書籍準確可視化方位的缺陷，能夠大幅提高借閱者與管理人員的尋書查書效率。

3.2 自助圖書借還功能模塊

讀者如果想要借閱取出的書籍，則可通過RFID自助借書系統實現。首先，讀者應在裝有圖書自助借還系統的設備上掃描借書證以確定借閱者相關身份信息，之后，利用裝載于自助借還工作臺上的RFID射頻識別器識別附于所要借閱書籍上的電子標簽，從而讀取其中所攜帶的書籍信息，并同時將相關信息(如借閱者姓名、書名、借閱日期等信息)錄入系統服務器的數據庫中，由此可快速實現自主借閱功能。

同時，圖書館門口應設有RFID檢測門可檢查讀者所帶出的書籍是否已修改相關借閱信息，若未修改，則會發出警示信息，禁止讀者將書籍帶出。

在所借出的書籍歸還圖書館時，圖書館管理員可使用裝有RFID閱讀器的手持設備掃描RFID標簽以讀出所需要的書籍信息，檢查借書人歸還書籍的時間是否已超過期限，并可同時驗證圖書標簽中信息與實際書籍信息是否相同。若出現逾期歸還或標簽攜帶信息與實際不符等狀況，系統能夠自動進入問題處理模塊進行相關問題的處理，若沒有問題，圖書管理員會根據圖書應放位置信息將書籍正確放回相應的書架中。

3.3 圖書盤點功能模塊

借助RFID技術，圖書館智能盤點功能可以實現館內書籍或光盤等物品的精確位置分布定位及對應數據收集整理，從而可極大地提高圖書館書籍借閱、盤點、信息整理等工作的效率。

管理員利用裝有RFID閱讀器的手持設備依次掃描圖書，系統可反饋給手持設備每本圖書的應在位置與實際所處位置，由此可快速實現圖書歸位與整理。

并且，由于圖書借還與放置的信息都是即時反饋給服務器并修改相關信息的，管理員也可以直接通過查看服務器數據庫得到確切實時的圖書信息，由此，圖書館書籍整理盤點的工作便能夠快速、準確、高效地完成。圖4為圖書盤點功能示意圖。

圖4 書籍盤點功能示意圖

4 功能實現

4.1 系統實現所需相關設備

(1)RFID圖書智能標簽。

使用的RFID智能標簽是通過芯片、天線所構成的，可發射出無線射頻信號。標簽標志目標對象可采用粘貼在目標上或嵌入目標物體內的方式，且標簽中可存儲目標物體的信息。每個標簽攜帶的電子編碼都是唯一的，無需擔心信息重復問題的發生。

(2)無源RFID閱讀器。

無源RFID閱讀器可以接收并讀取RFID標簽返回的攜帶書籍取放信息的射頻信號。該高頻無源RFID閱讀器需配有WIFI模塊，可借助WIFI進行聯網數據通信，將讀取到的相關信息送至服務器進行處理。

(3)系統服務器。

系統服務器可通過WIFI與相關設備進行交互，內置圖書信息數據庫，可處理RFID閱讀器、自助借閱臺、客戶端手持設備等反饋給服務器的信息。

(4)自助借還系統。

圖書自助借還臺可對帶有RFID標簽的圖書館物資(如圖書、光盤等)進行批量標簽掃描、信息讀取以及物資借出或歸還處理的設備，能夠極大地方便讀者及圖書館工作人員對書籍、光盤等流通物資進行相關處理。系統配備觸摸顯示屏，并且提供簡便直觀易操作的人機交流圖形界面，可以通過公共協議或相關串口與應用系統進行連接與信息交互。因而該系統可為讀者提供完全自助化的書籍借還服務。

(5)便攜客戶端設備。

便攜客戶端設備可分為已安裝圖書館軟件的各種帶有WIFI功能的移動設備(如手機、PAD)和專供圖書管理人員使用的手持設備兩種。

在WIFI信號覆蓋范圍內，查詢者可以利用裝有客戶端軟件的手機、PAD等設備隨時隨地訪問圖書館服務器，查詢需要的信息。

手持設備配有顯示屏，可提供操作簡易的人機交互界面。圖書管理人員在進行圖書盤點時可利用手持設備掃描書籍，讀取RFID芯片和系統記錄的相關圖書信息，并進行高效準確的圖書盤點工作。

(6)RFID檢測門。

所述RFID檢測門配有高頻RFID信號閱讀器及警報裝置，高頻RFID信號閱讀器檢測進出讀者所攜帶書籍的RFID芯片信息并迅速反饋給服務器進行信息處理，若發現書籍無借閱信息則會觸發警報裝置，禁止讀者將書籍帶出。

4.2 實現流程

系統由貼有高頻無源RFID電子標簽的圖書、高頻無源RFID閱讀器、WIFI網絡、系統服務器、客戶終端(包括自主借還系統、客戶端設備)組成。高頻無源RFID電子標簽貼于每本圖書上，可記錄書籍名稱、作者、出版日期、索書號等書籍基本信息，并可向RFID信號閱讀器發送RFID信號，將所存數據傳給RFID識別器；高頻無源RFID信號閱讀器置于每層或每格書架，可讀取附于書籍上的電子標簽傳送來的書籍信息，并可同時把所讀取的書籍信息與該閱讀器的詳細位置信息通過WIFI通信傳送給系統服務端；系統服務器應與RFID閱讀器、終端設備處于同一WIFI網絡中，服務器中存有記錄書籍借閱信息及取放位置信息的數據庫，在收到RFID閱讀器反饋的數據后可對數據庫進行實時的修改更新，以保證客戶端所得到的查詢信息實時、準確。

所述的裝有圖書館查書軟件的讀者手機，可以在讀者查書時實現顯示圖書基本信息、當前圖書所在書格的位置信息等功能，并可利用繪圖功能生成簡明易懂的圖書位置路線指引圖。

所述圖書自助借閱臺與管理員盤點圖書的手持設備均可通過網絡讀取服務器存儲的書籍信息，且自身均帶有RFID閱讀器，可將讀取到的圖書標簽中攜帶的信息反饋給系統服務器以便及時修改書籍的借還、取放信息，從而保證查詢結果的實時與準確。

圖書借還功能原理流程圖如圖5所示。

圖5 圖書借還功能原理流程圖

圖書查詢與盤點功能原理流程圖如圖6所示。

圖6 圖書查詢與盤點功能原理流程圖

5 創新設計

對于傳統的圖書館書籍查詢模式，有兩處可以改進的地方是顯而易見的。一是現在圖書館查詢書籍必須借助圖書館電腦終端，而在手機應用幾乎包羅生活方方面面的當今社會，能利用手機在任何位置想查就查無疑可以更好地滿足讀者的需求；二是查詢位置不精確，書架編號只能標示大體的書籍位置，找書必須人工一本本核對編號，費時費力，如果遇到圖書錯放情況，大把力氣更是前功盡棄。而RFID作為一項自動識別技術，已經廣泛應用于定位系統[12-14]中，能夠極好地解決了上述兩大不足之處。文中將射頻識別技術與手機結合，在空間范圍內對RFID標簽進行讀取，并標記出目標所在位置，規劃出可到達目標的明確指示路線和書架指示，隨時隨地都可以指引讀者到達目標。

目前市場上還沒有出現類似的RFID定位手機應用產品，并且利用手機路線找書極大地提高了找書的精確性和效率，該手機應用基于Android平臺，也便于在讀者中使用與推廣。

6 結束語

文中設計的基于RFID與WIFI技術的書籍查找與管理系統突破了傳統的固定終端查書模式，圖書查詢方面解決了現有條形碼技術所存在的無法準確定位圖書位置、無法提供簡明路線引導圖等問題。查詢者可隨時隨地通過手機終端查詢圖書準確位置信息且可以更直觀地通過路線圖確定圖書位置，因此可更便捷快速地找到所要查找的書籍。同時，該系統還解決了圖書因錯放亂放或書架標識不清楚而帶來的找書費時費力問題，能夠極大地縮小找書范圍，提高找書速度，方便借閱者與管理人員快速準確地找到所需書籍，節省讀者或圖書館工作人員的精力與時間。

[1] 楊友清.RFID技術在圖書館服務中的應用[J].產業與科技論壇,2013,13(13):94-95.

[2] 鄧堯偉.圖書館RFID應用互操作關鍵問題探討[J].中國圖書館學報，2013,39(207):34-38.

[3] Fujisaki K.An RFID-based system for library management and its performance evaluation[C]//Proc of 2015 ninth international conference on complex,intelligent,and software intensive systems.[s.l.]:[s.n.],2015:105-109.

[4] Chu J.Applications of RFID technology [book/software reviews][J].IEEE Microwave Magazine,2015,16(6):64-65.

[5] 吳歡歡,周建平,許 燕,等.RFID發展及其應用綜述[J].計算機應用與軟件,2013,30(12):203-206.

[6] 李曉陽.WiFi技術及其應用與發展[J].信息技術,2012(2):196-198.

[7] 蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J].電子設計工程,2012,20(16):155-157.

[8] 楊 楠.基于Arduino的智能產品原型設計研究[D].無錫：江南大學，2014.

[9] 王法玉,張曉洪,陳洪濤,等.RFID及WiFi技術在實驗設備管理中的應用[J].實驗技術與管理,2015,32(5):274-277.

[10] Ji Y,Player R.A 3-D indoor radio propagation model for WiFi and RFID[C]//Proceedings of the 9th ACM international workshop on mobility management & wireless access.Miami Beach,FL,USA:ACM,2011:27-34.

[11] Cole S L,Siddiqui J,Harry D J,et al.WiFi RFID demonstration for resource tracking in a statewide disaster drill[J].American Journal of Disaster Medicine,2011,6(3):155-162.

[12] Kumar N,Kaur K,Misra S C,et al.An intelligent RFID-enabled authentication scheme for healthcare applications in vehicular mobile cloud[J].Peer-to-Peer Networking and Applications,2015,2(22):1-17.

[13] Wang C S,Chen C L,Deng D J.P2P-based mobile navigation system with location service[J].Peer-to-Peer Networking and Applications,2015,8(1):22-31.

[14] Yang M H,Luo J N.Fast Antinoise RFID-aided medical care system[J].International Journal of Distributed Sensor Networks,2015(4):1-13.

Design and Implementation of Library Management System Based on RFID

CHENG Hai-ming1,HUANG Ling1,XU He1,HU Yi-fan2

(1.School of Computer Science and Technology,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023,China; 2.College of IoT,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023,China)

Radio Frequency Identification (RFID) is the key technology to realize the Internet of Things.Currently,using RFID to locate the objects is a hot topic in the research on the application of RFID.Applying RFID technology to the management of library books is a good way to solve such problems like books misplaced.It well makes up for the defect that management system based on bar code can’t provide an accurate book location.An RFID system based on Wi-Fi wireless communication technology is proposed.It uses the WIFI-RFID reader as a wireless AP and arranges them around the library.They can read the books’ location and information timely and modify the data stored in the database server simultaneously so that the handhold device client software can get the location of the AP effectively.And then,it can generate a vivid,visualized route map to guide readers.Thus,a visual book search and management system is implemented.This system can not only greatly improve the efficiency of book search and management but also save the manpower and material resources to a large extent.

RFID;Wi-Fi;library management system;indoor location

2015-12-29

2016-04-21

時間：2016-09-19

江蘇省自然科學基金(BK20140886)；江蘇省高校自然科學研究面上項目(14KJB520030)；江蘇省研究生創新計劃(SJLX15_0381);南京郵電大學大學生創新訓練計劃項目(XYB2015167)

程海鳴(1995-)，女，研究方向為RFID技術及其應用；徐 鶴，副教授，博士，研究方向為物聯網技術及其應用。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160919.0841.026.html

TP302.1

A

1673-629X(2016)10-0099-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.10.022