RFID的圖書館自助借閱系統的身份識別實現

楊永明，徐海霞

（1.西安建筑科技大學 理學院，陜西 西安 710055；2.寧夏醫科大學 圖書館，寧夏 銀川 750004）

0 引 言

高效、方便、人性化的檢索方式是數字圖書館為用戶提供優質信息服務的必要保障。在數字圖書館的基礎上，近年來出現了一種新型的智慧圖書館，即在智能技術基礎上，以各種新技術、新服務理念以及新管理模式為輔助，所建立的不受時間和空間限制的新型圖書館模式。智慧圖書館將利用物聯網技術達到智慧化服務和管理的目的，當然在這個萬物互聯的時代，還需要通過云計算和智慧化的一些設備來改造現有的傳統圖書館。其中當屬RFID技術應用最為廣泛，它改變了傳統圖書館的運營服務模式，大大提高了圖書館管理人員的工作效率，極大地減少了工作量。圖書館的館藏量日益增大，如若按照以往傳統圖書館的管理方式，只有更加智能的信息系統才能在減輕管理人員負擔的同時，為讀者提供更加綜合的信息服務。

1 RFID定位技術

RFID定位技術的基本原理是：通過一組固定式讀寫器讀取目標RFID標簽的特征信息（如身份ID、接收信號強度等），同樣可以采用近鄰法、多邊定位法、接收信號強度等方法確定RFID電子標簽所在位置。RFID室內定位系統的基本結構通常由RFID電子標簽、讀寫器、中間件及計算機數據庫組成。該系統通過參考標簽和待定標簽的信號強度RSSI的分析計算，利用“最近鄰居”算法和經驗公式得出定位標簽的坐標。

RFID定位技術的優點：RFID電子標簽的成本較低，可以大規模部署；RFID提供有源和無源兩種方案，無源方案沒有供電的問題，有源方案可以用紐扣電池持續數年地待機，極大地降低功耗；RFID基站設備相對豐富，大功率設備和小功率的讀寫器產品比較多，項目實施更方便，也更便于維護，適合各種場合的組網。

隨著圖書館藏書量和建筑面積的逐漸增大，傳統的圖書館管理方式已經不再適用。鑒于此，本文主要研究如何在用Java語言編寫的圖書管理系統中加入RFID進行讀者的身份識別。基于RFID技術實現系統的登錄，即不刷卡或者沒有卡的無關人員并沒有該系統的使用權限。如果沒有RFID技術的應用，無關人員只須注冊就能實現該系統的登錄，這顯然是不規范的。該技術的應用，使得新用戶在注冊的同時，需要獲得圖書館辦理的身份卡才能成為真正的用戶，這大大提高了圖書館的管理效率。

2 開發實現

2.1 硬件系統開發環境

Arduino UNO是一款基于ATMEGA328P微控制器設計的Arduino開發板，它有14個數字輸入/輸出引腳、6個模擬輸入引腳、16 MHz石英晶振、USB接口、電源接口，支持在線串行編程以及復位按鍵。Arduino UNO開發板是Arduino系列中最經典的開發板，而且它的編譯較為簡單，適合新手入門使用，只需要將開發板與電腦通過USB接口連接就可以通過開發軟件Arduino IDE進行編譯開發。

RFID-RC522模塊是采用MF RC522原裝芯片設計讀卡電路，使用方便，成本低廉，適用于設備開發、讀卡器開發等高級應用以及進行射頻卡終端設計/生產。該模塊可直接裝入各種讀卡器模具。模塊采用電壓為3.3 V，通過SPI接口簡單的幾條線就可以直接與用戶的任何CPU主板相連接進行通信，可以保證模塊穩定可靠地工作，并且讀卡距離遠。模塊中的SDA引腳是用于選擇設備的引腳，SCK引腳用來接收時鐘信號，MOSI引腳是模塊的串口外圍接口，MISO引腳是串口數據輸出口，IRQ引腳是中段警告引腳，GND為接地引腳，RST引腳是復位和斷點輸入引腳，3.3 V是模塊的VCC引腳，該模塊只能在3.3 V的電壓下工作。

2.2 軟件系統開發環境

Eclipse是一種可擴展的開放源代碼集成開發環境（IDE），是一款非常受歡迎的Java開發工具。該系統之所以選擇以Eclipse為開發環境，是因為該應用完美適配Java Swing圖形管理界面，具有豐富的GUI插件，使得編程更加方便。在設計過程中能夠簡化操作。

MySQL是一種關系型數據庫管理系統，關系數據庫將數據保存在不同的表中，而不是將所有數據放在一個大倉庫內，這樣就提高了速度并增加了靈活性。MySQL使用更加容易，復雜程度較低。最重要的是，在Java連接數據庫的過程中適配性更高。

完整的RFID系統由數據管理系統、閱讀器、電子標簽三部分組成。數據管理系統通過網絡向閱讀器發出指令，閱讀器接收指令后通過天線發送射頻信息，射頻能量形成電磁場，其內的電子標簽被觸發并向閱讀器發送或修改存儲在內的數據，閱讀器通過解調和解碼后反饋信息給數據管理系統。在工作狀態下，讀寫器經由射頻天線向標簽發射一定頻率的信號，并接收返回信號，經過簡單處理后把這些信號發送到后臺網絡。電子標簽也叫射頻標簽、感應標簽，主要用于存儲數據，由天線和芯片組成，其中芯片又由控制器和存儲器構成。電子標簽是RFID系統中的關鍵組件，每個標簽都擁有獨一無二的電子編碼。

3 硬件設計

本設計是基于RFID設計的自主借閱系統，在該實驗中最重要的是如何在一個普通的圖書管理系統中加入RFID技術。MF RC522是一款非接觸式讀寫卡芯片，能夠實現本系統所需要的RFID功能。但是該芯片并不能直接將讀取到的信號發送至計算機串口，所以本系統還需要使用到Arduino開發板。本文選用的是Arduino UNO開發板。通過RC522芯片讀取卡片ID，將讀取到的信號傳輸給Arduino UNO，再經由UNO打印至計算機串口，實現身份識別的功能。RC522與UNO的接線方式如圖1所示。

圖1 硬件連線方式

3.1 程序燒錄

硬件連接好后，將UNO通過USB線連接至電腦，打開Arduino軟件，下載MF RC522外部庫。通過外部庫的實例，編寫需要燒錄至開發板的程序。

首先添加頭文件，并對RST_PIN和SS_PIN定義引腳。運用void setup（）函數進行初始化設置，設置串口的波特率為9 600 b/s，此設置其實不是固定的，只要與之后的Java串口通信中寫入的參數一致即可，否則系統會發生無法讀取的現象。使用loop（）函數，檢查MF RC522是否讀取到卡片的信息。然后將讀取到的卡片信息用Serial.print方法打印至串口。最后將編譯好的程序燒錄至UNO開發板，端口選擇為UNO所使用的端口。

3.2 硬件測試

Java具有串口通信的功能，可以讀取到串口的數據，再將串口的數據與創立的數據庫進行對比，這樣就能起到身份識別的作用。打開Arduino自帶的串口監視器，完成刷卡操作，觀察串口監視是否有數據傳輸，如果有，說明硬件部分RFID功能設計成功。

3.3 類方法創建

為了在自助借閱系統中加入RFID功能，首先需要打開電腦的串口，這樣才能通過串口收發數據。因此，創建一個OpenerAndCloser類，以查看計算機可用的串口。波特率設置為9 600 b/s，數據位設置為8，停止位為1。RxTx第三方類庫提供了豐富的對串口進行操作的方法，在編寫Java串口通信部分的代碼時，最常用的便是其中的CommPortIdentifier類。CommPortIdentifier類能夠管理和設置電腦可用的串口，是RxTx中的一個核心類。因為需要列出本地電腦可用的所有串口，所以用到這個類。其次，為了使該系統能成功接收到串口的數據，需要對串口的參數進行設置，即波特率為9 600 b/s，數據位為8，停止位為1。在RxTx第三方類庫中，提供了一個方法，為setSerialPortParams，能夠對串口參數進行設置。此參數設置并不是固定的，只要在之后的模擬軟件中，與該系統寫入的參數一致即可，否則會發生無法讀取的現象。最后，為了避免本地串口被其他設備占用而導致該系統出現異常、發生崩潰的情況出現，需要在編寫程序代碼的時候拋出該異常。在RxTx第三方類庫中，將此種異常定義為PortInUseException，使用try-catch語句進行異常捕獲，并將該異常拋出。

為了能夠成功接收到串口發出的數據，并將其與現有數據庫中的用戶和管理員數據進行比對，需要再創建一個Com4EventListener類方法，用于監聽串口的數據流輸入，以便在之后登錄操作時調用。在獲取串口數據之前，需要先打開使用的串口，并拋出串口被其他設備占用的異常。為了獲取串口的輸入流，需要用到Java自帶的IO包。在Java串口通信中，主要用到了IO包中的InputStream類，對串口的輸入流進行操作。首先，定義一個變量為從串口獲取到的輸入流，并對該輸入流進行讀取。此時，就需要用到InputStream類中的read方法，讀取串口的輸入流。為了避免程序使用過程中，發生IO錯誤，導致系統異常，需要在編寫代碼的過程中拋出該異常，避免程序出現錯誤；同時對打開的端口添加事件監聽來監聽端口發生的變化，這樣才能獲取串口的輸入流。在RxTx第三方類庫中，提供了一個名為SerialPort的類，其中的addEventListener方法能夠對串口添加事件監聽。因為添加事件監聽的目的是為了獲取串口的輸入流，所以監聽事件類型應為是否有數據達到，這樣才能讀取串口的數據。在SerialPort類中，使用notifyOnDataAvailable方法，將監聽的事件類型定義為是否有數據到達串口。最后，將后端接收到的輸入流與數據庫中的用戶ID進行對比，并在控制臺輸出該用戶的用戶名，以方便之后對系統進行測試時找出系統的邏輯錯誤。

4 系統測試

將設計好的硬件設備通過USB接口連接至電腦。打開Eclipse，運行編寫的圖書管理系統，點擊“請刷卡”按鈕，之后完成刷卡操作，如圖2所示。可以看出，原本不可編輯的用戶名文本框出現用戶名“cgd”的原因是：完成刷卡操作之后，UNO將RC522識別的卡片ID發送至端口，程序后端在數據庫中查找ID為64482076的數據，并將其用戶名返回給文本框，用戶名文本框則自動出現了該用戶對應的用戶名。

圖2 圖書管理系統登錄界面

圖3所示的Eclipse控制臺視圖清晰地展示了上述過程。點擊“請刷卡”按鈕后，系統接收到串口發送的數據，在已經創建的t_user數據表中找到ID=64482076的數據，并將用戶名返回，成功模擬了刷卡登錄這一功能。

圖3 Eclipse控制臺視圖

5 結 語

由于硬件和軟件的結合，離不開串口通信，軟件需要讀取并識別硬件發送的數據。本文選擇了目前最為流行的Java語言，因為它具有能夠完成串口通信的特點；同時采用的Eclipse是一個開源的軟件，有很多簡化設計過程的插件可用。本文的創新點在于在普通圖書管理系統的基礎上加入RFID技術，達到刷卡登錄的目的，即不通過鍵盤鍵入用戶和管理員的用戶名。RFID射頻識別系統由閱讀器和電子標簽組成。對比于條形碼，它的適用范圍更廣。隨著時代的發展以及科技的進步，圖書館不再需要人力看守管理，讀者也不需要自己前往圖書館就能進行借還書。RFID將助力于無人值守自助借閱圖書館的實現。