圖書館自動化分揀識別系統(tǒng)

趙峰濤

（西安培華學院圖文與信息技術中心，陜西西安 710125）

快速發(fā)展的現(xiàn)代社會在提高生活水平的同時也促使人們不得不緊跟時代節(jié)拍，終身學習的意識和能力逐漸被越來越多的人認可，圖書館在日常學習中起到重要的支撐作用，其提供了大量供日常學習及科學研究使用的知識材料。如何充分使用現(xiàn)代信息技術建立信息化及智能化水平較高的圖書管理系統(tǒng)，進而有效提高圖書館工作效率，同時為使用者提供高質量的、便利的閱讀學習服務仍然是目前研究的重點領域。現(xiàn)階段高校圖書館管理圖書的方式大多采用“單一的條形碼+信息管理系統(tǒng)”，為確保分揀的準確率，大多需人工提供不同程度的人力分揀完成圖書分揀。在圖書管理效率上，傳統(tǒng)依靠掃描圖書條形碼來辨析圖書信息的方式已經(jīng)難以滿足圖書館的信息化發(fā)展需求，文中主要完成了圖書自動分揀識別系統(tǒng)的設計，以提高圖書管理效率及用戶體驗。

1 需求分析

隨著圖書館規(guī)模及館藏量的不斷提高，在對海量圖書信息進行處理方面，傳統(tǒng)圖書館對計算機信息技術的利用水平仍有待提高，部分中小型圖書館及學校圖書館信息化水平較低，日常圖書借還工作的效率普遍較低。目前，高校圖書館的書籍借閱方式仍然以使用借書機進行自助掃描為主，書籍分揀歸類及整理上架環(huán)節(jié)則以人工方式為主。傳統(tǒng)圖書管理系統(tǒng)的缺點在于便攜性較差，隨著智能手機等移動終端及二維碼技術的普及應用，借閱者對圖書借閱方式提出了更高的需求。分揀工作作為圖書館書籍整理過程中的主要工作之一，其自動化水平是影響圖書館信息化管理水平的關鍵環(huán)節(jié)，需兼顧書籍歸架效率及借閱準確性，基于移動終端的圖書管理系統(tǒng)成為提高管理效率的有效方法。遇到借閱、還書的高峰時期，如何將圖書及時準確的自動分揀上架，以有效避免借書機旁圖書堆放導致無法滿足借、還書需求問題是文中研究的重點。文中設計了一種基于Android 移動終端的自動圖書借還分揀系統(tǒng)，彌補了傳統(tǒng)基于電腦端圖書管理系統(tǒng)的不足，精簡的操作界面可有效滿足借閱及管理書籍的需求，使自動分揀書籍的速度和質量得以有效提升[1-2]。

2 系統(tǒng)設計方案

2.1 結構組成

文中設計的圖書自動分揀識別系統(tǒng)主要由負責輸送、識別及分揀的三大裝置模塊構成，識別裝置與上位機通過CAN 總線相連，系統(tǒng)由多個分揀裝置（各配置一個分揀箱）構成，各分揀裝置對應一個圖書分類，在輸送裝置（由滾筒傳送機構成，將光電開關安裝于傳送機入口處以準確檢測傳送機中是否有書籍）上放置需進行分揀的書籍，當書籍進入由識別裝置（主要由RFID 讀寫器構成）控制的識別區(qū)域后，在交互磁場的作用下RFID 讀寫器完成對貼有RFID 標簽的相關圖書信息的讀取，再通過上位機接收的讀取信息獲取該圖書的分類信息，在此基礎上做出判斷并向分揀裝置發(fā)送相關指令，構成分揀裝置且要求同步進電機相連的推板與傳送裝置間的運動方向垂直，步進電機以接收到的上位機指令為依據(jù)完成相應的圖書分揀動作[3-4]。

圖書借還分揀系統(tǒng)主要由信息采集與查詢、數(shù)據(jù)處理、控制模塊幾部分構成，主控芯片采用S3C2410（基于ARM），使用RFID 射頻讀卡器采集書籍信息。為滿足書籍借閱情況的快速查詢和借閱需求，該系統(tǒng)移動端借書功能通過使用App 掃描二維碼來實現(xiàn)，移動應用端主要面向學生和圖書館管理員兩類用戶，移動端APP 結構如圖1 所示。

圖1 移動端APP結構

2.2 工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖2 所示，當光電開關（位于傳送機入口）檢測到傳送帶上放有書籍時，傳送裝置通過驅動電機開啟正常運行速度模式（為兼顧節(jié)能目標即分揀速度，未檢測到書籍時傳送裝置保持低速運行）。通過散發(fā)的磁場形成RFID 讀寫器的識別區(qū)域（指定范圍），先對識別區(qū)域入口處進行實時檢測，判斷是否存在RFID 標簽，讀寫器會對進入識別區(qū)的圖書進行信息驗證，然后讀取標簽中的書籍類別信息。上位機接收到讀取結果后判斷書籍類別是否在該分揀裝置的控制范圍，上位機將相應指令發(fā)送給對應推板，裝有步進電機的推板據(jù)此將圖書推送到對應分揀箱，若與當前分揀裝置代表類別不同則傳送至下一分揀裝置，將RFID 標簽損壞的圖書放入傳送機終端的分揀箱中，由圖書管理員更新標簽并將不同分揀箱的書籍擺放到對應書架上。

圖2 系統(tǒng)工作流程

應用較為普遍的高頻（HF）和超高頻（UHF，具有跳頻特性）兩種RFID 技術接口射頻信號的混合類型不同，超高頻RFID 技術對電子標簽讀取距離的控制能力較弱，該系統(tǒng)選用了高頻技術，系統(tǒng)開始運行時RFID 讀卡器開始工作，RFID 讀卡器會自動讀取進入識別區(qū)域內的書籍，經(jīng)解碼后向ARM 主機傳送，實現(xiàn)同周圍其他圖書的有效區(qū)分，進而使系統(tǒng)自動分類的準確性得到明顯提高[5-6]，RFID的體系結構如圖3 所示。

圖3 RFID體系結構

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 硬件設計方案

文中結合運用ARM 主機S3C2410 和射頻識別模塊HF14443 完成系統(tǒng)硬件的搭建，RFID 讀寫器工作流程如下：工作狀態(tài)中的讀寫器會形成識別區(qū)域（通過磁場發(fā)射尋卡信號），RFID 標簽進入識別區(qū)域后RFID 芯片電容通過耦合產(chǎn)生感應電壓完成充電過程，激活標簽并同讀寫器建立握手通訊，讀寫器據(jù)此完成RFID 標簽芯片首地址信息的獲取，然后對指定地址的信息進行讀取和解碼，再通過RS232 通訊接口模塊（接口芯片采用MAX232 芯片）向上位機傳送[7-8]。為避免誤讀鄰近識別裝置的信息，由讀寫器構成的各識別裝置采用近距離讀寫（0.5 m左右）模式。

3.2 單片機控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)的串口通信功能通過使用AT89C52 單片機來完成，單片機同上位機采用中斷的通信方式，成功讀取圖書信息的RFID 讀寫器在向上位機界面?zhèn)魉托畔r，由單片機控制系統(tǒng)負責完成通信通道的建立，并對各分揀口分揀裝置的工作狀態(tài)進行控制（以ARM 主機的指令為依據(jù)）。根據(jù)實際需要設置系統(tǒng)時鐘頻率，單片機結合時鐘頻率通信波特率計算出UART 寄存器的設置值，寄存器的中斷控制位通過設置UART 來實現(xiàn)[9-10]。上位機和單片機保持相同的通信波特率，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。

3.3 ARM 主機設計

文中采用支持面向對象程序設計的VB.net完成對上位機（ARM 主機）軟件的開發(fā)，VB.net 支持結構化的事件驅動和無限擴增控件的應用，使用VB.net 提供的通信控件即可高效地完成串口通信，當應用程序具備較強移植性時，可通過WINDOW SAPI 函數(shù)（由Windows 提供）的調用完成編寫過程；上位機則采用MSCOMM（一種通信控件）完成開發(fā)過程，以滿足系統(tǒng)對接收和發(fā)送串口數(shù)據(jù)的需求，可按需設置串口狀態(tài)及信息格式，PC 機通過串口連接其他設備確保不同設備間能高效通信。使用Java 網(wǎng)絡通訊對遠程數(shù)據(jù)庫服務器進行編程，形成的服務端程序系統(tǒng)具有較強的可擴展性[11-12]。系統(tǒng)通過網(wǎng)絡及TCP/IP 協(xié)議完成與ARM 主機的通信過程及移動端的數(shù)據(jù)交互。

3.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊的實現(xiàn)

RFID 讀卡器讀取的信息經(jīng)RS-232 串口線向ARM 主機傳送，ARM 再通過網(wǎng)絡傳給與數(shù)據(jù)庫相連的服務器進行處理，ARM 主機接收到書的類型消息后，結合服務器傳來的書籍類型對各分揀口分揀裝置進行控制，實現(xiàn)分類。

ARM 應用程序流程如圖4 所示，ARM 上的分揀應用程序主要由射頻讀卡、連接服務器及分揀控制三大功能模塊構成，射頻讀卡模塊通過串口的使用完成初始化操作過程，在標簽數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存放已讀取信息；連接服務器模塊負責完成同服務器間的數(shù)據(jù)傳輸和接收，終端通過使用套接口連接服務器；分揀控制模塊在底層運行分揀裝置的驅動程序，根據(jù)ARM 主機發(fā)送的操控指令完成對相應分揀動作的控制，從而實現(xiàn)圖書自動識別和分揀功能[13-14]。

圖4 ARM應用程序流程

4 圖書自動分揀識別系統(tǒng)測試

為檢測文中圖書自動分揀識別系統(tǒng)的實用性，PC 端使用串口建立與ARM 端的連接，由助手軟件完成對ARM 數(shù)據(jù)處理過程的實時監(jiān)控，在使用助手軟件前需采用minicom 串口進行調試。傳送裝置及ARM 主機通過串口與RFID 模塊相連，通過網(wǎng)口向服務器及ARM 主機傳送所收集的信息。以太網(wǎng)端口接入網(wǎng)絡后，ARM 主機及服務器開始運行，串口運行實現(xiàn)了控制機的連接調試功能及同射頻模塊的連接功能，通過ARM 主機執(zhí)行軟件可確保系統(tǒng)正常運行。有效實現(xiàn)了RFID 讀卡器讀取信息到ARM 主機的傳輸及相關數(shù)據(jù)處理過程，不同種類的圖書可快速分揀到對應的收集箱中，同時ARM 主機實時更新書籍狀態(tài)如下：

“已開啟服務器1

ARM 主機將接收到的書籍類型卡號作為書籍唯一標識傳送至臺服務器，并由其比對數(shù)據(jù)庫中的書籍信息，成功向分揀裝置返回書籍類型，分揀裝置以返回書籍類型為依據(jù)控制相應擋板的開關，具體測試結果代碼如下（LS、CS 及NO 分別代表文學類、計算機類未被借閱類），與實際分揀結果向吻合[15-16]。

用戶進入APP 軟件用戶界面并成功登錄系統(tǒng)后，選擇圖書查閱功能，輸入對應書名即可準確顯示當前圖書的借閱情況，在主界面選擇圖書借閱按鈕后，通過掃描書籍上的二維碼標識并點擊借書按鈕即可完成借閱，系統(tǒng)會自動更新該書的借閱情況。

5 結束語

數(shù)量和種類不斷增長的書籍對圖書館的管理要求不斷提高，為滿足圖書館的信息化發(fā)展需求，提高其借還效率，文中設計的圖書自動識別分揀系統(tǒng)，結合ARM 架構處理器和RFID 非接觸式自動識別技術實現(xiàn)了書籍的自動分揀功能，同時借助移動終端APP（二維碼掃描借書）滿足了便捷的借閱需求，無需人工掃描書籍條形碼，極大地降低了圖書管理人員的工作量，使圖書分揀的自動化水平得到有效提高，該系統(tǒng)簡化了圖書管理的分揀流程，有效實現(xiàn)了已借閱書籍的準確檢測，能夠按照預先制定的分類標準完成有效的自動分揀，使工作效率和分揀準確性得到顯著提高，同時提升了借閱人員借還書籍的便利性。