基于RFID技術的圖書館文獻智能管理系統研究

喬雅, 劉洋, 張文都

(陜西交通職業技術學院 1.圖書館，2.建筑與測繪工程學院，3.軌道交通學院,西安 710018)

0 引言

圖書館文獻因為種類繁多、數量巨大、借閱周轉快捷等特點，其智能化管理迫切的需要一更完善的系統解決方案。據調研分析，很多大型的圖書館的管理已經不再是純手工的方式，應用了計算機軟件技術、條形識別碼等，逐步向數字化管理過度。但是數字化管理水平還不高，當前的圖書館文獻管理存在借還、查找、盤點效率低的現象，這阻礙了圖書館進一步提高管理和服務水平，因此，應該設計出智能化圖書文獻管理系統。系統中應用了先進的RFID技術[1-2]，為讀者提供更加便利快捷的圖書借還書、查詢等服務等智能化服務，實現全信息化流程的統一管理，提高了圖書館管理效率。

1 RFID技術原理

RFID技術主要是由電子標簽、天線和讀寫器組成的。其中電子標簽主要是由耦合元件和芯片兩個部分構成。每一個不同的電子標簽都對應著不同的電子編碼，在電子標簽當中詳細存儲著物品的信息。其中對電子標簽進行詳細分析，可以將電子標簽詳細劃分為有源和無源標簽兩種。讀寫器，讀寫器的主要功能是讀取存儲在電子標簽內部的關于物品的詳細信息，一般而言可以將讀寫器劃分為手持讀寫器和固定式讀寫器。天線的起到了中介作用，其主要作用是傳遞射頻信號，進而確保RFID讀寫器能夠準確、及時的讀取存放在電子標簽內部的關于物品的信息。此外，RFID系統在使用的過程中還能夠進行梳理處理、數據存儲等工作，并實現對電子標簽的讀寫控制。

2 系統整體架構設計

2.1 網絡結構

基于射頻識別(RFID)的高校圖書館文獻智能管理系統，其應用的主要環境是圖書館，其網絡結構見圖,如圖1所示。

2.2 系統整體架構

圖書館文獻智能管理系統基于物聯網技術架構模型，該系統的主要功能是文獻管理及安全監控，整體結構圖如圖2所示。

無線ZigBee通信網絡選擇CC2530F256芯片，在芯片的內部有一個周期的8051內核，并且還裝了性能很高的射頻收發器。設計芯片選擇了低電壓和低功耗設計，在系統內部裝置了256KB的系統編程Flash。

圖1 系統整體網絡結構

圖2 圖書館文獻智能管理系統整體架構圖

2.3 系統功能詳細設計

基于RFID技術的圖書館文獻智能管理系統，主要是將文獻的相關信息存儲在RFID電子標簽中，通過RFID閱讀器讀取RFID電子標簽、讀者的RFID一卡通借書證上的信息，借助于圖書館后臺管理模塊集成文獻智能管理系統[3-4]，實現文獻上架管理模塊、文獻借還管理、定位管理、安全監控模塊，具體如下所述。

1) 文獻上架管理模塊

在文獻上架之前，圖書館文獻管理人員需要登陸圖書館文獻智能管理系統，將文獻的類別等信息輸入系統中，并對RFID標簽信息進行綁定，在標簽上寫入數據并將這些數據存儲到數據庫當中，完成電子標簽黏貼；系統對文獻進行空間分配，對文獻發出入庫指令之后讀取文獻的信息，通過計算機總線傳輸給文獻管理人員；按照系統指定的位置放置文獻之后，RFID閱讀器對RFID標簽進行識別，并將識別結果反饋到管理系統中，這樣文獻上架操作就完成了。

2) 文獻借還管理

借還管理模塊主要是實現讀者對于文獻的借還操作。讀者帶著借閱的文獻離開圖書館時，可以通過RFID一卡通安全通過門禁，安裝在門禁處的RFID 閱讀器會對RFID一卡通中的信息進行自動識別，判別讀者身份的有效性及是否借閱了該文獻，如果信息正確符合借閱條件則讀者可以成功借閱順利通過門禁；如果信息不符則讀者不能通過門禁，門禁系統會自動發出警報。借閱成功之后，圖書館系統會采用電子郵件的方式將借閱信息發送給讀者。

3) 文獻定位管理

定點定位的文獻管理系統有利于提高文獻使用效率,對文獻存放架進行改造，在每一層上都安裝閱讀器，每一個文獻盒上黏貼RFID電子標簽。在文獻盒放到文獻存放架上時，文獻盒的信息能夠被系統主動識別，并將其信息傳輸到后臺服務器，如果文獻沒有被放置在指定的位置，系統文獻存放架指示燈能夠指出位置錯誤，并在后臺系統中進行提示，避免因為隨意放置引起管理混亂的情況；在文獻盒被取走之后，系統通過掃描也能夠及時獲取文獻盒離位信息。需要對文獻進行定位時，在WEB完成查詢后，位于文獻處的文獻燈會亮，這樣可以方便對用戶進行迅速定位。

4) 安全管理模塊

安全管理模塊主要有兩方面的功能，一是，攝像頭；二是，門禁管理。利用物聯網技術對圖書館進行全方位的視頻監控，預防安全事故發生，視頻監控系統通過分布于圖書館內部和周邊的攝像頭；門禁管理通過RFID系統實現，相關人員進入圖書館需要進行RFID身份認證。攝像頭采用的是威士達康科公司出品的C7837WIP攝像頭，該攝像頭內置ARM926440MHz和高速視頻協處理器，采集的數據采用WPS安全加密，具有CBR/VBR兩種碼率控制模式，且輸出碼率范圍為128～4 096 kbps。

3 RFID系統設計

3.1 電子標簽的選擇

RFID電子標簽的參數選擇由系統設計決定的，本系統中的RFID電子標簽選擇GAO 116058，它由常州高特科技公司生產，是一種超高頻長條狀抗金屬標簽，具有性價比高、讀卡距離遠、防沖突性能好等優點。

3.2 多天線循環掃描讀寫器的整體設計

多天線循環掃描讀寫器的邏輯框圖,如圖3所示。

圖3 多天線循環掃閱讀器邏輯框圖

讀寫器包括天線模塊、RFID天線切換模塊、RFID讀卡模塊、核心控制模塊四部分，天線模塊包含多個天線，通過RFID天線切換模塊循環實現不同天線之間的切換。

多天線讀寫器的硬件部分包括主控芯片MC9S08AW60、RFID射頻芯片(TRF7970A)，射頻切換開關(AS179-92LF)及周邊元器件，程序的設計以主控芯片MC9S08AW60為主，設計的閱讀器整體硬件結構,如圖4所示。

圖4 多天線閱讀條整體架構

每個天線的尺寸為6*8，因此左右兩側天線板長度都是48 cm，再加上之間的空虛，其長度共1m，為了實現兩塊電路板的無縫對接，需將主控板單獨開板，并用排針連接兩塊天線板，如圖中“○”所示，在每塊天線板的靠里側各安排一個天線，合并出的2個天線的空間滿足主控板的布板需求。

3.3 多天線讀寫器嵌入式軟件設計

(1) 主控MCU和TRF7970A數據通信

MC9S08AW60與TRF7960之間可以采用SPI或并行通信方式，在設計時采用SPI接口。

(2) TRF7970A射頻識別流程

TRF7970A芯片內部具有發送器模擬單元和發送器數字單元、接收器的數字模擬單元。

接收器包括：AGC增益和濾波、數字輸出處理模塊、RF探測進程及RSSI測量單元(測量信號強度)。發送器的數字單元包含一個128字節的FIFO緩沖區，該緩沖區可以接收微控制器的數據，接收之后在這些數據中添加SOF、EOF等特殊信號，根據協議微控制器發送數字信號命令至芯片TRF7970A。TRF7970A芯片的射頻識別工作流程,如圖5所示。

圖5 完整的射頻識別工作流程圖

3.4 讀寫器的工作方式

當前的RFID標簽包括有源和無源，本系統采用的是無源RFID標簽，采用跳頻工作模式，抗干擾能力較好，通常情況下，電子標簽處于無源狀態不進行工作，而讀寫器在RTF(Reader Talks First，讀寫器先發言)模式下工作，讀寫器發出能量在無源RFID標簽接收范圍之內時，電子標簽便進入“接收”狀態，接收讀寫器發出的命令之后進行相應的處理，處理結果返回讀寫器。

3.5 防碰撞技術

由于圖書館中文獻較多，RFID讀寫器可能會出現同時讀取多個標簽信息的現象，這些信息在接收過程中可能會發生沖突，因此，系統設計時需要采取防碰撞技術，如果沒有防碰撞功能可能會出現讀取錯誤的情況，目前，根據ISO 18000 Type A標準規定防碰撞技術可以采用使用Aloha算法及二進制樹搜索算法，本系統選擇自適應Aloha算法[5]。

4 系統實現與測試

4.1 系統實現

系統基于物聯網技術架構模型，采用 Visual C++技術和ADO技術，對RFID閱讀器對電子標簽的讀寫及系統的各個流程進行設計，包括文獻的上架流程、借還流程、定位流程等，以自動還文獻為例進行論述。自動還文獻時，不需要對讀者的RFID卡信息進行判斷。自動還書功能的實現如下所示。

BOOL scancard(int num,string fid,string uid){if(num==0){//如果讀者身上沒有攜帶任何附加電子標簽的物件,則放行。return true;}for(int i=0;i

4.2 系統軟硬件測試結果

針對系統設計的RFID系統測試其讀卡功能，讀卡器供電電壓為+3.3 V，使用 ISO14443_A協議在空曠環境下識別高頻電子標簽時，測試500次之后取平均值，得到的測試結果為：讀卡相應時間為20 mS，讀卡上下距離(標簽正對讀卡器天線的距離)為5.75 cm，讀卡左右距離(標簽離讀卡器天線邊緣的距離)為4.25 cm，讀卡正確率達到了99.9%。

5 總結

隨著信息技術的發展，圖書館文獻管理的智能化水平不斷提高，由于條形碼在應用過程中智能化水平不高，導致圖書館管理人員的工作量較大，而RFID技術的出現，尤其是隨著RFID電子標簽、計算機技術及無線電技術的不斷成熟，使得圖書館文獻管理的智能化水平大大提高。文章基于RFID技術設計了圖書館文獻智能管理系統，為圖書館文獻的智能管理提供了一個平臺，方便讀者文獻的借閱，應用價值較高。