基于RFID射頻標簽的智能書架

付 敏，李 怡，馮永亮

（西安文理學院 信息工程學院，陜西 西安 710065）

0 引 言

目前，高校圖書館中師生借閱圖書時雖然可通過學校配置的圖書查詢軟件系統查找書籍信息，系統會顯示圖書館是否存在該書以及書籍館藏所在位置，如樓層及具體書架；但是，讀者仍須在若干個書架中按照書架編號尋找，之后再從體積較大的書架中逐層查找所需圖書，這需要花費讀者較長的時間。已有學者提出了智能書架的解決方案，可借助無線射頻（Radio Frequency Identification, RFID）技術進行書架定位，然而該定位僅可定位到書架且無法彈出書籍。鑒于此，本文借助RFID，設計了一款具有書籍查詢、快速定位及彈出等功能的智能書架，可大大節約人們查找書籍的寶貴時間。

1 系統整體設計框架

本文設計的基于RFID射頻標簽的智能書架系統主要由書籍信息管理模塊、主控模塊、書籍彈出模塊這三部分組成，如圖1所示。書籍信息管理模塊主要用于進行人機交互，當用戶輸入書籍名稱后，若書籍存在，則顯示書籍基本信息及所在書架的位置信息；若用戶想進一步獲取該圖書，則確認彈出指令，控制電機驅動模塊通過電機運行彈出用戶所需書籍；若未查找到用戶所需書籍，則系統提示查無此書的信息。

圖1 系統組成框圖

2 系統硬件構成

本文設計的智能書架系統的硬件主要由RFID讀寫器模塊和電機模塊組成。

2.1 RFID讀寫器模塊

RFID讀寫器模塊主要由貼紙式RFID標簽和RFID讀寫器組成，貼紙式RFID標簽由面層、芯片與天線電路層、膠層與底層組成。貼紙式RFID標簽價格低廉，具有可粘貼功能，可以直接粘貼在書籍上。用戶每存放一本書時，會將書籍基本信息和在架位置信息存入書籍上粘貼的RFID標簽里。對于RFID讀寫器，選擇的是JT-928R20000四通道讀寫器，可外接四個天線；全面支持ISO 18000-6C（EPC G2）協議；同時也可以支持RS 232、RS 485、TCP/IP、WiFi等數據接口；可滿足圖書館這一應用場景，且性價比較高。當用戶查詢書籍信息時，RFID讀寫器會掃描RFID標簽，并且將識別到的書籍基本信息和在架位置信息傳送到主控模塊中。RFID讀寫器工作原理如圖2所示。

圖2 RFID讀寫器工作原理

2.2 伺服電機模塊

伺服電機模塊主要由STM32單片機的3個I/O口進行輸出控制，當單片機接收到主控模塊發出的彈出書籍指令時，將會啟動電機并自動彈出書籍。這里可選擇安川伺服電機SGD7S-R90A00A002，該電機適合各種環境，且動作較為穩定，不會因為環境震動而影響其工作機制，可滿足高校圖書館書架的應用。為了能將書籍彈出，書架每一層均裝有螺旋形的彈簧貨道，產品內部也會安裝電動馬達，通過馬達轉動帶動彈簧、螺旋形的貨道原地轉動，從而將放在螺距空檔的書籍彈出來；在裝置最下端設置由電磁機構控制的出書口，當書籍被傳送到底部時，出書口在電磁機構的控制下打開，從而將書籍從書架上送出來，完成書籍的自動彈出功能。智能書架書籍自動彈出硬件系統的工作流程如圖3所示。

圖3 智能書架書籍自動彈出硬件系統的工作流程

3 系統軟件系統設計

本文設計的智能書架書籍信息管理系統采用Java SSM框架、HTML5前端設計、MySQL數據庫等方法，通過設計多個管理模塊實現圖書信息的輸入、存儲、刪除、顯示等功能。用戶在書籍信息管理系統輸入書名、點擊查詢，數據庫管理系統（Date Base Management System, DBMS）將訪問數據庫中的數據，同時書架上安裝的RFID讀寫器可以追蹤書架上的書籍，而書上所貼RFID標簽則可提供圖書的基本信息和所在書架的位置信息，從而篩選出符合條件的數據，以供用戶查詢和使用。智能書架的軟件系統主要由書籍信息管理模塊、信息查詢模塊和定位模塊組成。

3.1 書籍信息管理模塊

用戶將書籍的基本信息以及在架位置信息按照書籍信息管理系統的標準格式錄入。當用戶查詢圖書時，則通過DBMS訪問數據庫中的數據。這里可使用MySQL編寫實現圖書信息數據庫。

3.2 信息查詢模塊

用戶查詢書籍時，可以在書籍信息管理系統中輸入自己所需書籍的基本信息進行查詢，點擊查詢后DBMS將會訪問數據庫中的數據，從而篩選出符合條件的數據，以供用戶查詢和使用。

3.3 定位模塊

系統中圖書的定位主要通過高頻架天線來追蹤圖書上貼紙式RFID標簽，通過圖書定位算法實現智能定位與管理。該定位系統借助貼紙式RFID標簽、JT-928R20000四通道讀寫器將圖書的信息與檢索系統相連。當圖書上粘貼的標簽接收到讀寫器發射的射頻信號并識別后，它會被激活，此時標簽內部的天線就會將存儲在標簽內的相關數據信息傳至讀寫器，讀寫器接受并解碼和調解標簽返回的射頻信號以獲取相應編碼信息，最后將信息傳至書籍信息管理系統中。

4 系統主要功能及特點

4.1 自動識別、快速清點

本文設計的系統通過JT-928R20000四通道讀寫器、貼紙式RFID標簽等設備，可以檢測和定位書本當前在書架中的具體位置。每一本圖書上附著一個RFID標簽，標簽內包含圖書信息以及初始架位信息，當閱讀器掃描后可讀取圖書標簽，從而獲取書籍的位置信息，實現快速查找和定位。

4.2 書籍的自動掉落

智能書架收到彈出書籍的指令后，電機的齒輪轉動帶動漩渦條（書籍軌道）360°旋轉，使書籍彈出。書籍彈出的過程中會經過安裝在書架底部的紅外線掃描器，若檢測到書籍穿過紅外線，系統將會提示用戶書籍已經彈出，這樣便完成了書籍的彈出。

5 系統測試與實現

與傳統書架相比，本文設計的基于RFID射頻標簽的智能書架在書籍定位與獲取方面，明顯優于傳統書架，使用智能書架查詢書籍時用戶只需要輸入書名，若入庫了則該書籍可自動彈出，從而減少了人工定位及獲取圖書的時間。

6 結 語

本文設計了基于RFID射頻標簽的智能書架，主要基于貼紙式RFID標簽、JT-928R20000四通道讀寫器、電機、STM32單片機等實現，可實現查找書籍信息、定位及彈出書籍等功能，具有獲取書籍快速、高效的特點，特別適合于高校圖書館及藏書量很大的家庭使用，可節約人們獲取圖書的時間，從而提供更多的便捷。