基于Zigbee與RFID技術的智能圖書館感知系統設計研究

吳穎+高佳+李晗

摘要：本文以智能建筑的角度出發，從Zigbee與 RFID技術入手，初步揭示感知系統與圖書館的建筑環境、技術設備、文獻資源以及讀者等主要構成因素之間的層次關系，對智能圖書館感知系統進行框架設計。

關鍵詞：智慧圖書館； Zigbee技術； RFID技術

1.基本概念

Zigbee技術是一種自組網的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備的數據傳輸。其具有成本低、時延短、組網靈活、通信可靠、數據安全等特點。

RFID技術已在圖書館領域應用多年，就技術本身來看，特別是高頻、超高頻的RFID，具有低成本、傳輸速度快、識別距離適中、抗干擾能力強等特點。

2.智能感知系統需求分析

智能感知系統是智慧圖書館的基礎，涉及通信技術、傳感器技術、識別技術及軟件開發技術。系統功能包括文獻資源管理、人員定位、環境感知、警報處理等。總體而言，系統設計時應滿足需求如下：

2.1安全穩定性

隨著圖書館信息化程度越來越高，系統運行的穩定性、發生問題時的容錯能力以及系統運行的安全性對圖書館管理質量起著決定性的作用。因而在系統設計中，系統的穩定性、容錯性以及安全性必須優先考慮。

2.2易擴展與維護性。

圖書館硬件建設的逐步發展與完善過程中，對資源管理的要求也在不斷發生著變化。與之相應的信息化建設必須適應這一要求，在系統設計過程中必須為系統預留充足的可擴展結構，以便于后期的擴容或修改。

2.3感知精準性。

感知是整個系統建設的基礎，系統主要采用眾多感知傳感器，對各類館藏資源、人員、內外環境等進行感知，獲得感知數據，為各管理和服務平臺提供有效基礎依據。

3.智能感知系統的總體思路

對于圖書館的智能感知系統設計，應注重對原有相對獨立的智能系統進行改造，結合RFID與Zigbee技術的成功優勢，對系統總體規劃為三個模塊，即環境感知模塊、數據感知模塊、人員感知模塊。

3.1環境感知模塊

該模塊主要用于感知館舍內環境變化，采用市場常見溫濕度傳感器、光照傳感器、一氧化碳傳感器、煙霧等傳感器，其部署位置為樓內布控。目前，隨信息化條件建設的不斷提升，圖書館各功能區劃日趨明確，環境感知模塊應針對不同區域，增減傳感器數量。

3.2人員感知模塊

該模塊重點感知讀者位置變化，主要利用讀者隨身攜帶的各類型RFID電子標簽，定位讀者館內位置、進出時段、行為軌跡等信息。其部署可分為以下幾個方面：首先，為增強該模塊感知的準確性，應結合原始建筑圖紙構建全樓數字平面圖，并依據樓層與閱覽室位置進行ID編號。其次，采用區域縱列坐標劃分方法對每間閱覽室進行數字化處理，確定各坐標點位位置。再次，對應坐標點位，在閱覽室頂棚部署傳感器，并構建Zigbee人員感知觸發器網絡，隨部署完成便可形成全館讀者感知地圖。讀者在進入觸發器感知范圍后，系統啟動、識別并上傳讀者ID信息到數據管理中心，隨讀者位置發生不斷變化，不同傳感器接續完成啟動、識別、上傳的操作，便可形成讀者運行軌跡，直至讀者離館。

3.3數據感知模塊

該模塊重點感知館藏資源變化，主要是利用先前建立的Zigbee無線安全網絡，獲取各RFID智能設備運行信息，實現館藏資源目標定位、自助借還、智能清點、安全管理。該模塊工作重點在于智能書架內文獻坐標設定和位置標定位缺省信息的獲取。

其設計思路為利用全館已于前期部署身份感應觸發器確認讀者身份，審核通過人員可通過門禁系統入館舍。在讀者確認檢索文獻信息后，系統反饋文獻坐標位置，并同時將文獻信息與讀者ID綁定（每個ID號碼綁定文獻數量可由每個館自行設定），讀者可根據坐標位置自行前往。當讀者ID于文獻存儲書架2米范圍之內觸發器激活，并通過網絡，將感應的信息傳到數據處理中心，經改造的RFID書架不同排、列上裝有的小型LED信號光開始閃爍，讀者位置與文獻位置越近燈光閃斷頻率越快，直至讀者到達文獻存貯位置取得文獻。

4.智能感知系統的硬件設計

4.1數據采集層

該層主要負責基礎數據的收集與采集，一般采用各類感應探頭及相應觸發器等硬件，可依據ZigBee 網絡進行數據收集，功能相對單一，但數量、種類比較繁多。

4.2數據傳輸層

該層主要采用協調器節點、路由節點以及終端節點三段式設計。首先使用協調器創建一個 ZigBee 網絡，并為最初加入網絡的節點分配地址，每個 ZigBee 網絡只需一個協調器；路由器節點也稱為 ZigBee 的全功能節點，可以作為路由來轉發數據，也可以作為數據節點用來收發數據，還能管理網絡，為后加入的節點分配地址；終端節點用來采集數據，可與各種感應器、閱讀器之間進行連接，實現終端的控制和管理。ZigBee 協調器節點、路由器節點均可由 CC2530 芯片、電壓轉換器件、電源電路、串口、收發器以及天線等組成。

5.數據管理中心設計

數據管理中心由數據服務器和Web服務器組成，主要負責前端采集數據的存儲、查詢、用戶信息管理等。監控系統主要由數據管理模塊、信息服務模塊、系統管理模塊三部分組成。

數據管理模塊。數據管理模塊主要負責完成數據的接收、解析、存儲及處理等工作。通過ZigBee 網絡節點端口，將底層網關數據發送來的數據按照預先定義的協議解析后存入數據庫，并根據解析后的信息做出相應的處理。信息服務模塊。該模塊主要完成采集信息的顯示、查詢、發送、系統參數設置、控制指令發送等功能。為用戶提供信息查詢、記錄查詢、下載等服務。系統管理模塊。該部分主要完成用戶權限管理、系統維護、用戶費用管理等功能。

6.小結

雖然智能感知系統具有相對較高成本、標準不統一等缺陷，但其先進的技術在圖書館中的應用能夠更好地為用戶提供個性化服務和提高圖書管理的工作效率。特別是關聯數據、數據挖掘，RFID射頻識別技術、基于讀者位置的服務等信息技術的運用必將進一步推動了圖書館的發展。

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