基于RFID技術的圖書館管理系統構建

楊建峰

（三明市圖書館 福建 三明 365000）

0 引言

社會的持續進步使得人們的物質需求得到極大滿足，于是開始轉向對精神文化的強烈追求，圖書館匯集了各個學科領域的文化資源及科研成果，成為人們社會活動的新選擇。但傳統圖書館管理模式面對不同人群的閱讀服務需求倍感壓力，引入先進技術建立先進的智能化圖書館管理系統，實現服務內容及服務方式的全面變革是圖書館現代化發展的必然趨勢和重要出路，射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術在這方面具有較大優勢。因此，具體分析RFID技術在圖書館管理系統中的實際應用。

1 RFID技術及工作原理

1.1 RFID技術概念

RFID技術一方面與條碼技術有類似之處，均是使用專用的讀寫器將數據信號進行傳輸和掃描識別。另一方面RFID技術的獨特處在于它通過無線電信號來識別特定目標的同時對相關數據進行讀寫，突破了識別系統必須與特定目標之間具有機械或光學接觸的限制。這種非接觸識別，不僅適用于只讀工作模式也能用于讀寫工作模式，即便是在有污漬及遮擋物等惡劣環境下，也能實現無接觸性的數據信號準確識別和高度集成[1]。此外，RFID技術具有極高的防侵入、防干擾及防篡改性能，因此適用的范圍非常廣，諸如物流快遞配送、交通運輸管理、工業生產流水線、門禁管理系統，食品和藥品安全溯源、圖書借還館等，尤其適用于自動化控制領域。

1.2 RFID技術的工作原理

將RFID視作一種無線電技術，其信號附著于實物的數據標簽上，通過無線電頻率的電磁場進行傳送，可以對物品進行自動辨識與追蹤。其工作原理為：解讀器發出的射頻信號被磁場中的RFID標簽所接收，借助感應電流的能量通過信號天線將存儲在芯片中的無源和被動標簽（Passive tag）信息及時送出，也可以主動發送有源和主動標簽（Active tag）信息；標簽信息被解讀器讀取并解碼后，立即傳遞給中央信息系統（PC工作端）并對相關數據進行處理[2]。RFID工作流程如圖1所示，可以看出，基于RFID技術的完整管理系統，包括3個主要部分，分別為讀寫器（Reader）、射頻標簽（RFID tag）及信號天線（antenna）。射頻標簽tag是由耦合元件和芯片所構成，與標簽所對應的是電子編碼，具有唯一性，標簽附著在目標物體上作為其身份標識。射頻標簽中的數據信息具有固定格式，通過附帶的內置天線與無線信號接收器進行通信。讀寫器Reader經過空間信道向射頻標簽發送無線電波指令，標簽在接收指令后隨即做出響應從而實現射頻識別。讀寫器既可以讀取數據信息也可以進行信息寫入，比較常見的使用形式有手持式和固定式，通過自動識別讀取射頻標簽中的信號數據，實現對目標對象的追蹤管理。Reader可以通過RS232或RS485接口與PC進行連接，也可以利用WLAN技術將讀取的信號傳送給PC端，以便于對數據進行處理。Antenna通過接收和發送信號實現標簽與讀寫器之間的進行有效連通。

圖1 RFID工作流程

2 基于RFID技術的圖書館管理系統設計

2.1 圖書管理系統總體架構

RFID技術良好的數據信息識別功能是構建智能圖書管理系統的關鍵。本文設計中的圖書管理系統主要包括系統服務器、圖書盤點和制作工作站、柜臺工作站，自助還書箱和借還書機，以及電子偵測門。而智能圖書館的管理系統功能由各種應用軟件來實現，所構成的應用系統包括：流通標簽轉換系統、圖書管理員工作平臺、讀者自助借還書系統、查詢、順架和圖書盤點系統等。基于RFID技術的智能圖書館系統總體架構，如圖2所示。

圖2 基于RFID技術的智能圖書館系統總體架構

2.1.1 系統服務器

系統服務器主要負責圖書盤點統計、圖書信息檢索和用戶賬戶管理。圖書管理員可以通過系統提供的庫存圖書統計表進行盤點和圖書清理。管理員通過系統對庫藏圖書的原始信息、借閱和歸還信息等進行查詢，閱讀者也可以通過檢索系統按需查找所需的圖書信息，包括圖書的庫存位置、是否可借等，還可以查詢相關管理設備的運行狀態。賬號管理方面，通過管理系統賬戶信息數據庫，可以對讀者賬戶身份進行辨別，對讀者賬戶使用狀態進行監測。

2.1.2 電子偵測門

電子偵測門一般有單通道或多通道，可偵測的有效距離在90 cm以上，它主要通過監測圖書的數據標簽對進出圖書館的人員進行偵測，防止圖書未經規范手續而流出。監測系統配有信號觸發接點，未辦理借閱手續的書籍在讀者進出門禁時沒有電子標簽安全碼，當被監測器檢測到時，門禁隨之限制通行并發出警示。

2.1.3 柜臺（前臺）工作站

柜臺工作支持圖書借還、借閱時間續期等操作，在該模塊上還可以進行標簽安全碼的設置、變換和解除等操作。此外如果圖書管理系統支持離線作業，則該工作站也能夠離線工作。

2.1.4 自助借還書機

為保證圖書服務系統的持續工作，系統設計時多采用高性能主機，同時配備熱感應打印機，為用戶打印圖書借還單據。圖書標簽被系統自主掃描識別，便于讀者一次借還多本書籍，而需要逐本登記，從而提高借還效率[2]。

2.1.5 盤點工作站

盤點工作站采用獨特的手持式RFID讀寫器及手持插入式天線盒來掃描書籍，只需在書架的書籍間隙處插入手持式天線就可以獲得準確的圖書信息，可以極大地提升圖書盤點工作效率和準確度。同時將終端設備系統接入圖書管理系統，便于管理員隨時查看庫藏圖書信息，及時進行圖書盤點。

2.1.6 制作工作站

工作站設有專用的制作人員賬戶并賦予相關操作權限，能夠隨時查看書籍的制作時間、進程及等信息，避免因重復工作而浪費時間。工作站支持書籍電子標簽的批量制作，系統授權下支持多次修改標簽內容，圖書名稱、條形碼、館號及借還信息等標簽采用安全編碼進行寫入，防止對標簽內容的隨意篡改。可根據圖書制作人員的使用習慣對制作接口進行合理調整，工作站可與多類系統硬件及操作系統相配對使用。

2.2 核心硬件設計與實現

2.2.1 自助借還機硬件

本文系統的圖書自助借還機（圖3）包括多個模塊，主要構成部分有主控MCU、顯示器、信號收發模塊（無線）、射頻讀寫芯片及天線及電路等。主控MCU應用嵌入式單片機（STM32）以支持顯示器、讀寫芯片及無線信號收發模塊的正常運行。射頻讀寫芯片搭配億百特RC522工業級模塊，采用非接觸式通信協議，適用于符合ISO14443A標準的多種應用[3]。讀寫芯片通過高頻電路與信號天線連接，同時穩定接收主控MCU發出的高頻信號并與RFID標簽建立通信。信號天線是幫助讀寫模塊實現射頻通信的基本工具，它配有線圈和與之對應的電路，RFID的工作電源來自天線產生的磁通量，數據信息在RFID卡與讀寫模塊之間進行傳送；顯示器為12864圖形點陣液晶顯示器，支持四行顯示，顯示內容包括：自助借還信息、用戶名、書籍名、系統運行狀態。無線收發模塊采用JF24D模塊，該模塊通過整合高斯頻移鍵控（gauss frequency shift keying，GFSK）的收發電路功能，可實現數據信號的高速傳輸，作為一種超高性能的射頻收發器它支持多種場合下的短距離無線通信。設計的自助借還機不僅體積小、耗能低而且傳輸距離遠，信號質量高。

圖3 自助借還機的硬件組成

2.2.2 工作站和電子偵測門硬件

本文系統的主板MCU采用STM32，將其與柜臺工作站的PC上位機、網絡接口、無線模塊、電子偵測門的讀寫器及數據庫SD卡等逐一連接，MCU通過接收天線發出指令后被偵測器所接收，利用數據庫資源進行數據標簽信息的比對分析，最后通過網絡通道傳送到PC上位機進行數據的進一步處理[4]。

電子偵測門的讀寫器也包括多個重要部件，主要有控制核心MCUP89LPC932、數據存儲器AT45DB021、非接觸通信卡MFRC632、實時時鐘芯片PCF8563。電子偵測門硬件配置，如圖4所示。

圖4 電子偵測門硬件配置

MCU通過對存儲器的系統設置信息進行讀取，并根據需要對整個系統內容進行初始化設置和調整，主要涉及到設備的ID位置，主站、從站、開關機時間、數據信息的存儲形式等。讀者在借還書時使用非接觸通信卡通過無線接收天線與系統進行信息交互，從而實現高效地自動借書還書。

人員通過電子偵測門時，如果讀卡器未掃描到任何圖書標簽信息，則表明不存在借書情況，人員可以順利通行。掃描到標簽信息有2種情況，一種是已借書籍帶入和帶出，另一種是未借狀態，系統則提醒制定借還書進行登記，若未經辦理借書手續而攜書出門則會發出報警提示。電子偵測門工作流程，如圖5所示。

圖5 電子偵測門工作流程

3 運行程序的設計和實現

基于RFID技術的智能圖書館管理系統，其運行程序主要有數據庫管理程序和位于讀卡器模塊的控制程序。

3.1 讀卡器模塊控制程序

本文系統設計時先對主控MCU內容進行編程處理，再按照ISO/IEC14443A協議建立RFID卡與讀寫芯片之間的射頻通信關系，以此實現對RFID卡的相關操作，最后以函數形式對相關操作進行封裝處理。控制程序的主要功能包括：數據讀取和發送、RC522通信、數據接收中斷、譯碼糾錯和液晶顯示控制等，這些控制程序均采用C語言編寫并在單片機上實現。

3.2 數據庫中的管理程序

數據庫管理程序也使用C語言來編寫，主要功能為支持數據庫的建立，為查詢設置數據庫數據提供幫助，此外還可以對來自讀卡器的相關數據進行操作處理[5]。數據庫中需要建立2張表，分別記錄的是館內書籍的信息和用戶信息，包括館藏圖書類型、數量、書架位置、出版社、在庫或借閱狀態等。以及用戶的姓名、性別、身份證號、真實頭像等基礎信息，還包括個人借閱歸還圖書的次數和信譽、出入館狀態、圖書的可借權限、續借緩還的日期等情況[6]。圖書管理系統的后臺操作人員可以在授權范圍內根據管理需要對記錄表中部分信息進行修改、刪除和更新等操作，以保證系統中的數據信息準確、完整、信息查詢的權限完全公開，分管理員和讀者2個賬號，可以按用戶名、圖書號、序列號、關鍵字等進行信息檢索[7]。系統程序在運行時即創建后臺線程，主要負責對數據進行讀取處理。在程序初始化時分配出一個緩沖區，負責對來自于讀卡器的相關數據進行統一存放，系統在檢測發現程序緩沖區中的數據時會主動對這些數據進行讀取和處理，然后將其準確寫入數據資源庫中，以備核對和調用。

4 結語

圖書館智能化管理可以滿足不同讀者的個性化需求，智能化的主要業務是圖書自動借還及管理服務，本文所提圖書館智能管理系統以RFID技術為核心支持，系統主板采用STM32。系統指令通過無線天線模塊進行及時傳遞，檢測模塊接收信息后與數據庫資料進行比對，讀者通過電子偵測門時，凡符合借還書規范程序的則暢通無阻，未按規定程序辦理借還書手續的則收到相關提醒或發出告警信號。基于RFID技術的智能化圖書管理系統不僅可以為讀者的借還書帶來巨大便利，還能大大提升圖書管理員的工作效率，這也是未來圖書館的發展趨勢。