基于RFID技術(shù)的智慧圖書館系統(tǒng)設(shè)計研究

摘要：為了使圖書館書籍管理效率與準(zhǔn)確性提高，設(shè)計了基于射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）[A2]"技術(shù)的智慧圖書館系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計感知層、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層3層框架，通過感知層收集書籍信息，在應(yīng)用層發(fā)送感知層數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)絡(luò)層傳輸數(shù)據(jù)。另外，對智慧圖書館系統(tǒng)的軟、硬件進行設(shè)計，通過書架掃描電路來掃描圖書信息，使用RFID標(biāo)簽對書籍進行智能化管理，對不同種類書籍進行分類。實驗表時，設(shè)計的智慧圖書館系統(tǒng)的書籍分類管理準(zhǔn)確率為100%，并且具有良好的管理效率與承載性能。

關(guān)鍵詞：[A3]"射頻識別技術(shù)" 智慧圖書館" 系統(tǒng)設(shè)計" 智能書架

Research on the Design of Intelligent Library System Based on RFID Technology

LI Junfeng

Gansu Polytechnic Vocational and Technical University， Tianshui ， Gansu Province， 741001 China

Abstract： In order to improve the efficiency and accuracy of library book management， the intelligent library system based on Radio Frequency Identification （RFID） technology is designed. The three-layer frame is designed to collect book information through the perception layer， send the perception layer data in the application layer， and the network layer can transmit data. In addition， it designs the hardware and software design of the intelligent library system， scans the book information through the bookshelf scanning circuit， uses the RFID label to intelligently manage the books， and classifies different kinds of books. During the experiment， the book classification and management accuracy rate of the intelligent library system designed in this paper is 100%， and it has good management efficiency and load-bearing performance.

Key Words： RFID technology; Intelligent library; System design; Intelligent bookshelf

[wl4]"在物聯(lián)網(wǎng)時代到來的背景下，互聯(lián)網(wǎng)思維與技術(shù)逐漸滲透到各傳統(tǒng)領(lǐng)域中，也誕生了全新的管理方法與解決方案。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）[A5]"技術(shù)，在傳統(tǒng)圖書館和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合下構(gòu)成了智慧圖書館，智慧圖書館的概念逐漸進入到人們視野中。智慧圖書館是讀者與書籍相互關(guān)聯(lián)的新時代圖書館，為讀者提供了智能知識服務(wù)，滿足讀者的需求。目前，我國智慧圖書館的建設(shè)還處于起步階段。隨著現(xiàn)代技術(shù)的成熟發(fā)展，新技術(shù)被廣泛應(yīng)用到圖書館中。基于RFID技術(shù)[A6]"能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化的圖書資源，使傳統(tǒng)實體化的書籍轉(zhuǎn)變成為數(shù)字化資料，讀者的借閱和查詢更加方便。有學(xué)者研究了基于Hadoop分布式文件系統(tǒng)（Hadoop Distributed File System，HDFS）的圖書館非結(jié)構(gòu)化大數(shù)據(jù)分析與決策系統(tǒng)，提取非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中的隱藏價值，為讀者服務(wù)與圖書館決策提供數(shù)據(jù)自持。智慧圖書館以信息技術(shù)作為出發(fā)點，融合了新技術(shù)，重視云計算、數(shù)據(jù)挖掘、射頻技術(shù)與圖書館的關(guān)系。智慧圖書館是利用RFID、傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)圖書館與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計基于RFID技術(shù)的智慧圖書館管理系統(tǒng)，以提高書目的管理效率^[1]。

1 智慧圖書館系統(tǒng)的架構(gòu)

圖1為設(shè)計智慧圖書館系統(tǒng)的架構(gòu)。感知層由數(shù)據(jù)采集模塊、短距離通信和協(xié)同處理模塊構(gòu)成，能夠?qū)ο到y(tǒng)的信息進行收集。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是處理用戶與書籍的相關(guān)信息。利用應(yīng)用層的數(shù)據(jù)挖掘和云服務(wù)器收集數(shù)據(jù)，所收集的數(shù)據(jù)能夠服務(wù)于系統(tǒng)的其他模塊，實現(xiàn)書籍之間的相互感知。

RFID技術(shù)是無線通信技術(shù)，能夠利用無線電訊號對指定目標(biāo)進行識別、對數(shù)據(jù)進行讀取。在閱讀器中設(shè)置RFID標(biāo)簽，在其接收到閱讀器發(fā)送的射頻信號后，能夠以感應(yīng)電流能量對芯片進行信息傳輸，然后利用閱讀器收集信息且解碼，在中央信息系統(tǒng)中傳輸已經(jīng)處理的數(shù)據(jù)。設(shè)計智能書架，能夠?qū)M行精準(zhǔn)定位，并且糾正書籍的位置。將RFID碼安裝在感知層中所有的書架和書籍中，以RFID的空間定位功能尋找書架中的書籍，對書架位置進行精準(zhǔn)定位。利用RFID碼，能夠掃描多本書籍，從而減少智慧圖書館工作人員的工作量 ^[2]。

2 智慧圖書館的硬件設(shè)計

2.1 書架掃描電路

使用主從機結(jié)構(gòu)和RFID傳感器模塊改變傳統(tǒng)書柜，通過RFID標(biāo)簽定位書籍，使用STM32控制器驅(qū)動RFID模塊實現(xiàn)主機通信，傳輸書籍之間的信息。門禁是一個特殊從機，能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能，例如：對讀者卡進行識別和掃描，從而實現(xiàn)對讀者信息的查詢；還能夠?qū)崿F(xiàn)無人化借書、防盜功能。

STM32控制器使用32位ARM Cortex-M3微控制器，包括復(fù)位電路、微控制器、晶振電路等，對復(fù)位電路工作狀態(tài)進行分析，使程序上電后復(fù)位到原始狀態(tài)，電路的運行效率得到提高。

2.2 RFID閱讀器[wl8]"

使用KL400一體化天線模塊作為RFID閱讀器，能夠精準(zhǔn)識別標(biāo)簽，識別的最遠距離為6[wl9]" m。此閱讀器中設(shè)置8位微控制器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器，能夠?qū)Σ煌ㄌ芈蔬M行識別。閱讀器的工作頻率為840～960 MHz，能夠兼容多種RFID標(biāo)簽，對不同標(biāo)簽數(shù)據(jù)存儲區(qū)進行識別、讀寫。根據(jù)固件指令操作，通過單次、多次的輪詢與選擇模式進行工作。

2.3 智能顯示屏

使用TJC4024T032智能顯示屏，不需要控制屏幕點陣，就能夠繪制底層界面。可以使用串口[wl10]"人機接口（Human Machine Interface，HMI[wl11]"）[A12]"功能模塊操作，只需要設(shè)置窗口和按鈕屬性，就能夠操作。界面運行效果良好，通過上位機能夠修改控件屬性^[3]。

3 智慧圖書館模塊的設(shè)計

在智慧圖書館軟件模塊設(shè)計過程中，利用RFID標(biāo)簽對書籍進行智能化管理。系統(tǒng)包括讀者與工作人員兩個大平臺。工作人員能夠?qū)D書館RFID管理平臺進行操作，如標(biāo)簽的轉(zhuǎn)換、書籍上架、盤點、查詢等；應(yīng)用平臺面向讀者，主要功能為圖書查詢、借還、定位等。

3.1 圖書自助借還

通過RFID標(biāo)簽遠距離閱讀書籍的多個標(biāo)簽，在讀者借還圖書時，能夠在借書臺中對多本書籍進行操作。在RFID標(biāo)簽中設(shè)置圖書防盜與識別功能，并且寫入圖書借還標(biāo)簽，使圖書的借還書操作更加方便。

3.2 圖書定位和盤點

在圖書館書架中分配RFID標(biāo)簽，并且設(shè)置到書架每層中。使用閱讀器對書籍標(biāo)簽進行掃描，使圖書和書架有對應(yīng)關(guān)系后，整理書籍。對書架標(biāo)簽掃描后，上架圖書，整理書架的位置，讀者能夠精準(zhǔn)定位書籍在圖書館的具體位置。書架與書籍的關(guān)聯(lián)性使圖書索引號的關(guān)系削弱，能夠根據(jù)書籍借閱熱度形成借閱區(qū)。

在對書籍盤點過程中，管理員利用手持終端與盤點車掃描書架。如果書籍不在對應(yīng)的書架中，則會出現(xiàn)錯架情況，對管理員提醒錯誤，協(xié)助工作人員正確歸架。在結(jié)束盤點后，統(tǒng)計圖書館藏書情況，顯示丟失的書籍。在實際應(yīng)用中，使用盤點機器人，提高了盤點精準(zhǔn)度，降低了人工成本。

3.3 用戶識別管理

利用此模塊，能夠精準(zhǔn)識別用戶身份。通過秘鑰卡讀寫，對用戶是否為超級用戶或普通用戶進行識別。如果注冊新用戶，則要對用戶指紋和面部進行掃描，在系統(tǒng)云端錄入用戶的信息。成功錄入用戶信息后，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入用戶面部指紋特征、身份類型、基本信息等。用戶登錄系統(tǒng)后，通過識別身份。如果用戶是超級用戶，則能夠進入到系統(tǒng)維護模塊中；普通用戶只能進入到讀者界面中。

3.4 智能書架

在對智慧圖書館圖書上架時，利用盤點車、手持終端或智能書架對書籍進行實時定位，通過智能書架中的RFID天線對書籍進行定時掃描，得出圖書信息。在閱讀區(qū)中設(shè)置，通過書架對借閱的圖書進行記錄，還能夠分析書籍受眾群體信息。在圖書館中設(shè)置，就能夠?qū)崟r得到每本圖書的書架信息，從而定位書籍的位置，精準(zhǔn)判斷書籍借出去的時間。

通過小推車的RFID閱讀器對上架圖書進行掃描后，系統(tǒng)以圖書上架的位置尋找最優(yōu)上架順序，將最優(yōu)的規(guī)劃路徑顯示出來。依據(jù)指示路徑信息，管理員推著小推車在行走時，利用書架RFID標(biāo)簽與閱讀器，定位小推車位置。

3.5 借還與防盜

在圖書館中設(shè)置自主借還機，基于RFID技術(shù)的自主借還機能夠一次借出多本書籍，此過程不需要圖書館管理人員的介入。在圖書館中的讀者比較多時，利用RFID芯片對圖書身份進行標(biāo)記，讀者能夠自主借還書籍。讀者通過借書卡借出書籍，在歸還書籍時并不需要借書卡。讀者借出的書籍信息包括圖書信息、讀者身份等，讀者歸還圖書時的信息包括圖書是否逾期、讀者與圖書的信息。操作流程如下：對圖書信息讀取后獲取讀者的身份，對讀者是否可以借閱書籍的條件查看后，修改數(shù)據(jù)庫，然后順利借閱圖書。

智慧安全門結(jié)合自助借還機，能夠提高圖書館資產(chǎn)安全性。對沒有借出就帶出圖書館的書籍進行檢測，在顯示屏中顯示。數(shù)據(jù)庫中保留是否借出書籍，在借還過程中修改此字段。通過智慧安全門修改字段后，進行報警^[4]。

4 系統(tǒng)測試

本文將某高校智慧圖書館作為研究對象，選擇6種書籍和25 556條書籍信息，劃分為A、B、C、D、E、F類別，包括書籍名稱、價格、作者、出版時間等信息。

在實驗數(shù)據(jù)集中，選擇出版地和書名，圖2為書籍分類管理的精準(zhǔn)性。在奇異值數(shù)量k不同時，通過系統(tǒng)對6種數(shù)據(jù)集的書籍分類進行分析。在k值低于90時，本文系統(tǒng)的圖書書籍分類管理準(zhǔn)確率在提高；在k為90時，本文系統(tǒng)的圖書書籍分類管理的精準(zhǔn)率為100%；在k超過90時，書籍?dāng)?shù)目的分類管理準(zhǔn)確率在逐漸降低。通過實驗結(jié)果，可以看出來，詞條與書籍在前90個奇異值存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，并且噪聲量比較大，影響了圖書書籍分類管理的效率。

另外，在書籍管理數(shù)量不斷增加時，增加了書籍管理耗時。本文系統(tǒng)的書籍管理耗時比較低，平均耗時為7.1 s，能夠提高書籍管理效率，系統(tǒng)的性能穩(wěn)定^[5]。

5 結(jié)語

本文結(jié)合傳統(tǒng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一套基于RFID的智慧圖書館系統(tǒng)。通過RFID標(biāo)簽標(biāo)記書籍，在書架中安裝閱讀器實時定位書籍。通過門禁與讀者卡，實現(xiàn)了無人化的借還書功能，并且還能夠完成圖書掃碼上架等功能。[wl14]"本文所設(shè)計的系統(tǒng)成本低、體積小且功能靈活，能夠提高圖書館管理效率、降低工作人員工作量、提高讀者的體驗。 在未來發(fā)展中，RFID技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合為發(fā)展的重點，應(yīng)用也會更加廣泛。本文設(shè)計的圖書館系統(tǒng)本質(zhì)就是室內(nèi)定位解決方案，不僅能夠在圖書館中應(yīng)用，還能夠在超市管理、倉儲管理、個人物品管理等領(lǐng)域。此設(shè)計整合了多種應(yīng)用技術(shù)，對相關(guān)項目具有較高的實用與借鑒價值。

參考文獻

[1]劉惠，段美珍. 基于內(nèi)容挖掘的智慧圖書館系統(tǒng)要素及結(jié)構(gòu)研究：[A15]"社會技術(shù)系統(tǒng)視角[J].情報理論與實踐[J]. 情報理論與實踐，2024，47（12）：164-173.

[2]王文凱，曹霞，劉景亮. 醫(yī)學(xué)高校圖書館智慧信息服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2024，14（36）：127-129，134.

[3]顧國慶，曹璇. 基于人工智能的圖書館數(shù)字資源智慧化采購決策支持系統(tǒng)設(shè)計[J]. 圖書館學(xué)刊，2024，46（12）：108-112.

[4]石乃月，樊振佳，宋靈超. 面向智慧圖書館多元服務(wù)場景的開源FOLIO平臺建設(shè)應(yīng)用案例分析[J]. 國家圖書館學(xué)刊，2024，33（6）：81-92.

[5]李洋，沈業(yè)東，張巖. 數(shù)字化背景下農(nóng)業(yè)科研單位圖書館創(chuàng)新管理模式的思考[J]. 農(nóng)業(yè)科技管理，2024，43（6）：56-59.