基于物聯網的智能圖書館系統設計

鹿玉紅++劉穎++段麗++薛韡

摘 要： 傳統圖書館管理系統難以準確提供圖書當前位置信息，存在館內圖書借還效率低問題，為此設計了基于物聯網的智能圖書館系統。利用RFID無線射頻讀寫設備讀取書架上圖書書名、讀者等信息，通過多卡識別技術查詢圖書借閱歸還信息并寫入數據庫中完成書籍的自助借還操作，利用超高頻標簽信息以及架上圖書信息建立圖書館后臺數據庫，采用手推盤點車和手持RFID讀寫器設備與后臺數據庫中的信息進行匹配，根據上位機程序的提示進行圖書定位，結合ZigBee的無線傳感器網絡技術實現對圖書館環境的實時檢測。結果表明，該系統能有效實現圖書館管理與監控的實時化和智能化，具有較高的圖書定位精度，充分提高了智能圖書館的信息自動化性能。

關鍵詞： 物聯網； 智能圖書館； 圖書館系統； 信息自動化

中圖分類號： TN911?34； TP391.44 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）21?0035?04

Design of intelligent library system based on Internet of Things

LU Yuhong， LIU Ying， DUAN Li， XUE Wei

（Department of Disaster Information Engineering， Institute of Disaster Prevention， Sanhe 065201， China）

Abstract： Since the traditional library management system is difficult to provide the current accurate position information of books and has low efficiency of library book borrowing and returning， an intelligent library system based on Internet of Things is designed， in which the RFID read?write device is used to read the name， reader and other information of the book on the bookshelf， the multi?card identification technology is adopted to query and write the borrowing and returning information of the book in its database to realize the self?help borrowing and returning operations of the book， the ultrahigh frequency label information and the information of books on bookshelf are used to establish the backend database of library， the hand?pushing cart and handheld RFID read?write device are employed to match the information in backend database， the book is located according to the reminder of the host computer program， and the ZigBee wireless sensor network technology is combined to detect the library environment in real time. The results show that the system can effectively realize the real?time and intelligent library management and monitoring， improve the information automation of intelligent library， and has high positioning accuracy for books.

Keywords： Internet of Things； intelligent library； library system； information automation

0 引 言

圖書館作為高校信息化和社會網絡化的重要基地，作為高校文獻信息管理中心，從某種角度來說，它的水平體現了學校的整體水平[1?2]。如何有效并以全新形式的信息技術來提高高校圖書館的管理質量以及服務質量，成為現代高校圖書館全方位發展所需面臨的首要問題[3]。

目前，大多數高校圖書館采用條碼加詞條的作業方式，借書與還書環節需要利用館內工作人員在前臺對書籍進行掃描，此操作過程容易造成館內進出口堵塞，借還書流程效率低，且需要館內工作人員對歸還的書籍進行分類整理，實現書籍上架，整個過程耗時耗力，容易出現上架錯誤，導致在給定的書籍類別架上找不到相應書籍，為讀者帶來較大的不便，降低了讀者對圖書館的滿意度[4?5]。為解決上述問題，文獻[6]提出了智能書架的概念，結合超高頻RFID技術的電子標簽和閱讀器對圖書館智能書架的閱讀范圍進行設定，利用微波傳動帶控制閱讀器與書籍類別標簽間的有效識別區域。文獻[7]采用無線射頻識別閱讀器與圖書類別標簽之間的交互信號強度，以局部一致性誤差訓練徑向神經網絡輸出圖書的位置坐標。文獻[8]利用高頻的RFID技術開發了智能圖書館系統，統計館內智能書架上各種期刊的取閱次數、閱覽時間以及規劃時間等。但是現階段的智能圖書館還只是處于試驗階段，即使開發出了智能圖書館系統，所采用的書籍定位過程也較為繁瑣，存在定位精度較低、成本較高的問題[9]。endprint

為解決上述問題，本文將圖書館智能管理系統與物聯網RFID技術、嵌入式技術以及網絡通信技術相融合，完成新型智能圖書館系統的設計，結果表明，該系統書架上圖書信息刷新頻率能夠滿足多數高校圖書館實用化要求，圖書定位精度高。

1 基于物聯網的智能圖書館系統設計

1.1 智能圖書館系統總體設計

依據模塊化設計思想，將基于物聯網的RFID智能圖書館系統分為6個子系統，各個子系統之間利用高校校園網絡與數據服務器、應用服務器之間的連接實現圖書信息數據交互與發布服務。整個智能圖書館管理系統依據SIP2協議同其他高校圖書館的管理軟件實現無縫鏈接，由此實現智能圖書館圖書數據的共享與轉換，智能圖書館系統結構圖如圖1所示。

如圖1所示，基于物聯網的智能圖書館系統采用RFID無線射頻讀寫設備讀取架上圖書信息來取代傳統圖書“紙質條形碼+磁條”的方式，掃描圖書采用RFID讀寫器，RFID讀寫器主要負責讀取或寫入圖書借閱與歸還標簽信息，并實現圖書信息數據的顯示和處理，即圖書標簽轉換裝置。采用射頻標簽標記圖書作者、出版單位、檢索書號等信息，射頻場區內的射頻讀卡器作為自動借還機，對學生借書卡進行身份驗證后，讀卡器發射電磁波，接收到周圍有效書籍射頻標簽后，對讀取的RFID射頻標簽數據進行處理，將處理結果經過RS 232串口發送到自助借閱與歸還子系統中，最終由它將圖書借閱歸還信息查詢寫入數據庫中完成書籍的自助借還操作。采用手推盤點車和手持RFID讀寫器設備與讀者證的超高頻標簽結合使用實現圖書的手動上下架功能，依據自動盤點裝置完成書籍的自動上下架及亂架圖書的自動定位等功能。通常情況下，基于物聯網的智能圖書館的書架采用矩陣狀排列，適合采用基于接收信號強度的模糊匹配法對書架上圖書信息、后臺數據庫信息進行匹配，當圖書信息與后臺數據信息出現不匹配情況時，上位機程序則會進行提示，從而完成圖書定位。設圖書館目標圖書定位區域內包含[u]個閱讀器，[m]個參考標簽和[n]個待檢測標簽，[P]代表參考標簽相應的返回信號強度矢量，[Q]代表待測標簽相應的返回信號強度矢量，則依據矢量距離公式可獲得描述兩種標簽的幾何距離遠近關系表達式：

[Ej=i=1u（Pi-Qi）2， j∈（1，m）] （1）

式中：[Pi]和[Qi]代表兩種標簽在定位區域內第[i]個閱讀器的信號強度。

一個智能圖書館書架上安裝一臺閱讀器，閱讀器在正常工作模式下可設定工作頻率為50 s檢測一次，對于各個待測標簽[Q，][P]為參考標簽，依據式（1）推導出各個參考標簽與待測標簽之間的距離關系：

[Ej=PP-QQ， j∈（1，m）] （2）

式中，[Ej]越小說明參考標簽與待測標簽之間的距離越短。

對于一個待測未知的圖書標簽，它的坐標可表示為：

[（x，y）=i=1kWi（xi，yi）] （3）

式中：[（xi，yi）]代表參考標簽的坐標位置；[k]代表設定的鄰居標簽的數量；[Wi]代表第[i]個鄰居的權重，其表達式如下：

[Wi=1E2ii=1k1E2i] （4）

其中，[E2i]代表各個參考標簽與待測標簽之間的區間閾值。

完成書籍的自動上下架及亂架圖書的自動定位后，再結合報警器構成安全門子系統，安全門子系統中的RFID讀寫器設備將讀入的書籍標簽信息通過通信接口傳輸到館員PC機上，在此基礎上輔以支持ZigBee的無線傳感器網絡技術實現對圖書館環境的自動監控，書籍管理模塊設計結構如圖2所示。

1.2 智能圖書館系統硬件設計

依據1.1節圖1給出的智能圖書館總體結構，設計智能圖書館系統的硬件平臺結構，射頻標簽選取圖書館ISO/IEC14443協議的RFID 17.85 MHz高頻無源標簽，讀卡器為高頻無源標簽供應能量，圖書、書架采用ISO15693標準的RFID標簽，主要負責書籍多標簽識別與短距離識別，識別距離在0～2 m內。在以2～4 kHz的波特率正常識別狀態下，可在相同時段內讀取10～12個書籍射頻標簽數據，基于物聯網技術下的圖書館系統每本書均采用64位的UID射頻標簽標識，可以滿足目前多數高校圖書館的館藏書籍量的要求。

圖書館自助借還機所選取的讀卡器硬件電路沒有差別，在實際應用過程中，微控制器的控制機制與盤點設備的通信稍有差別。RFID讀寫器主要由控制器與串口模塊、液晶顯示與觸摸控制、存儲模塊和射頻模塊6個部分構成。RFID射頻模塊是整個智能圖書館系統重要的終端之一，主要負責對書籍電子標簽實現讀寫、改寫處理，是電子標簽與館員PC機之間的通信橋梁，主要由MFRC632芯片、匹配電路以及天線構成，智能圖書館系統射頻電路如圖3所示。

基于物聯網的智能圖書館系統中的MFRC632芯片適用于工作頻率為13.56 MHz的RFID非接觸標簽，其內部結構包含編碼、解碼以及調制解調電路，可以直接驅動短距離可操作的天線。為了濾波處理調制過程中形成的高次諧波，模塊中采用支持ZigBee協議的天線匹配電路。在利用該芯片工作時，需要傳送的無線信號由發送緩沖區中的數據進行調制處理后，以天線發射電磁波的形式進行發送，當另一天線接收到頻射標簽發射的響應信號后，將無線信號通過天線匹配電路處理后發送至接收端，通過接收緩沖器對無線信號進行檢測與解調處理，將處理后的數據發送至并行通信數據接口，由主PC機控制器完成讀取。用于書籍自助借還的讀卡器需要與盤點設備通信，通常由多個PC上位機上的數據庫組成。在實際智能圖書館系統應用過程中，多個RFID讀寫器與同一臺PC機進行通信時，為有效保障通信的書籍信息安全可靠，選用ZLG9518S多串口擴展芯片實現組網，ZLG9518S芯片的協議較為簡單，可有效滿足目前多數串口的系統應用。

1.3 智能圖書館系統上位機軟件設計endprint

為了實現智能圖書館系統終端上位機軟件設計，完成數據的接收、處理，用ZigBee的無線傳感網絡實現系統終端上位機軟件設計，通過ZigBee的無線傳感網絡RS 232串行通信協議與系統終端上位機通信，圖書館系統網關利用Socket進程通信結合多線程機制完成與智能圖書館系統終端上位機的通信，詳細設計如下。

（1） 基于物聯網技術的智能圖書館系統UI層，即智能圖書館系統用戶界面，其主要功能是實現智能圖書館系統與讀者的有機交互，其中包含書籍借閱、歸還、查詢交互、讀者信息管理、用戶界面屬性配置等設計。UI層與邏輯業務層（UI層服務的提供層）相連，本文設計的基于物聯網技術的智能圖書館系統UI層包含采用ISO/IEC14443協議的RFID標簽讀寫組件和用戶界面組件兩部分，其中采用ISO/IEC14443協議的RFID標簽讀寫組件實質是PC機與RFID射頻終端接口部分，實現RFID射頻終端的數據讀寫功能，UI層界面組件的設計主要包含書籍借閱管理模塊、讀者信息管理模塊、書籍自身ID信息管理模塊以及系統參數屬性設置等，如圖4所示。

（2） 基于物聯網技術的智能圖書館系統邏輯業務層主要功能是實現讀者和管理者全部的邏輯操作處理。

（3） 基于物聯網技術的智能圖書館系統數據訪問層為讀者和管理者全部的邏輯操作處理過程提供服務，主要負責智能圖書館系統數據庫的數據存取。

2 系統測試與分析

以廣東省某高校圖書館為例說明具體應用，將880 m2面積的圖書館作為實際布署環境，整個圖書館區配置一臺服務器，多個與之匹配的路由器和交換機，一個圖書館每個區域設置一個ZigBee協調器節點，其余為路由器節點或是RFID識別節點，智能圖書館系統數據采集節點實時采集圖書館的書籍借閱信息，最后將全部感知數據傳輸至系統移動終端，實現對整個圖書館系統網絡節點信息的數據采集。

（1） 架上圖書的實時定位測試。對圖書館社會科學區域內的架上圖書進行實時定位實驗，設定社會科學專題類別區域間隔為1.2 m，即圖書定位誤差最大為1.2 m，給出3組圖書標簽，均采用ISO15693標準的RFID標簽，驗證基于模糊匹配法完成書架上圖書信息與后臺數據庫信息的高精度匹配，當圖書信息與后臺數據信息不匹配時，上位機程序會對其做出提示，從而完成圖書定位，判斷圖書定位過程是否正確可行，如圖5所示。

分析圖5可知，本文設計的基于物聯網的智能圖書館系統能夠實現架上圖書的實時定位，并且定位誤差在社會科學專題類別區間閾值范圍內，說明本文設計的智能圖書館系統采用基于接收信號強度的模糊匹配法進行圖書定位是可行的。設定智能圖書館系統閱讀器的工作頻率為每50 s檢測一次，當圖書發生錯架時，馬上對其進行定位，將計算結果自動更新至館員PC機上，使得所提設計系統方案圖書定位精度較高，可實現圖書的智能管理。

（2） 架上圖書信息刷新頻率。智能圖書館系統閱讀器的工作頻率為每50 s檢測一次，讀者查詢相關圖書信息時不產生等待時間，將實際數據庫更新頻率與本設計方案相應的圖書信息更新頻率之間的時間差定義為更新時延（單位：s），如圖6所示。

分析圖6可知，本文設計的基于物聯網的智能圖書館系統架上圖書信息刷新頻率能夠滿足該高校圖書館實用化要求，系統更新時延保持在0.8 s以內，可有效實現架上圖書清點、歸架以及查詢流通等多個環節，極大地提高了系統工作效率，且智能圖書館系統的復雜度以及系統成本均較低。

圖6 智能圖書館系統圖書信息更新時延

3 結 語

本文對基于RFID技術、ZigBee的無線傳感網絡技術等設計的智能圖書館系統在實際應用過程中存在的問題進行實驗分析與研究，完成了自助借閱與歸還、推車式盤點、安全門、監控中心以及RFID后臺管理等子系統的設計，實現了圖書館管理的自動化和智能化，簡化了讀者借還書環節，提高了圖書館的整體服務水平。

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