圖書管理物聯網一般結構分析與設計

張郁松 楊文華

（南京信息工程大學圖書館，江蘇 南京 210044）

張郁松 女，工程師，碩士在讀。

楊文華 女，工程師，本科學歷。

1 引言

圖書管理系統（也稱圖書館管理系統）的主要功能是對圖書的采購、編目、檢索、統計和流通等環節進行控制管理。圖書管理的關鍵問題是圖書的分類標識和存放位置的確定。最早的解決方案是對圖書進行館藏分類編目以規定其存放位置，按照規定位置進行有序排放，然后以卡片記錄每種圖書的分類和位置等信息。可見，按規定位置有序排放是圖書定位的關鍵。每本圖書都具有規定位置和實際位置兩種位置信息。規定位置與實際位置必須相符，這樣才能實現圖書的定位。如果發生“錯架”的情況，相關圖書的實際位置信息將丟失，圖書定位無法實現。這種方式完全依賴于人工操作，其對應系統可稱為第一代圖書管理系統，第一代系統屬于人工系統。基于計算機、條形碼以及互聯網技術的圖書管理系統，實現圖書相關信息錄入、處理、存儲以及遠程獲取的電子化和自動化，系統呈現分布式結構，是目前普遍采用的技術方案，可稱為第二代圖書管理系統，第二代系統屬于計算機系統。可以看到，第二代系統在實現圖書管理高度自動化的同時，人工干預仍然較多，智能化程度低，且延用按照圖書規定位置有序排放的定位方案，同樣存在著圖書編目工作量大、圖書歸架任務繁重、圖書查找不便以及圖書錯架導致其實際位置信息丟失等明顯缺點。隨著物聯網技術的興起，為圖書館管理方式的變革提供了現實技術條件，基于物聯網技術的智能圖書館的研究逐步開展并走向深入[1-3]。智能圖書館的綜合管理系統應包括智能圖書管理、智能建筑管理、智能人員管理3大功能。其中基于物聯網的圖書管理系統將實現圖書管理的全面智能化，可稱為第三代圖書管理系統，屬于物聯網系統。

將物聯網技術應用于圖書管理系統，可以打破傳統的圖書定位方式，無需依賴圖書有序排放來獲得其實際位置信息，而是通過物聯網感知圖書的存在及其實際存放位置，形成“館藏圖書動態位置信息表”。這一根本性的變化，使得圖書采購、編目、檢索、統計和流通等環節的智能化管理成為可能。文獻[3]對智能圖書館圖書定位問題進行分析研究，給出若干初步的認識和結論。筆者在此基礎上進行深入研究，對問題的實質作進一步分析和概括，提出圖書管理物聯網的一般結構。圖書管理物聯網是智能圖書管理系統的基礎結構，也是智能圖書館綜合管理物聯網的基本模型，對這一問題進行深入研究有重要意義。

2 圖書管理物聯網需求分析

對于物聯網智能圖書管理系統，“物—物互聯”的概念具體體現為每本館藏圖書與管理中心之間建立聯系。智能圖書管理系統的各種應用層高級功能的實現，有賴于其基礎結構——圖書管理物聯網的合理設計。因此首先對該網絡進行如下需求分析。

①圖書管理物聯網實現管理中心與每本館藏圖書之間的實時通信連接，對館藏圖書進行實時感知與監測，其中心任務是獲取所有館藏圖書的動態位置信息，在管理中心形成館藏圖書動態位置信息表。

館藏圖書動態位置信息表除反映在館存放圖書的實際位置信息之外，還應指明借出圖書的去向，即圖書的借閱者信息。因此還須結合圖書借閱子系統的動態借閱信息，以形成全館統一的、全息的館藏圖書動態位置信息表。

②圖書管理物聯網是現有互聯網的擴展和延伸。在新的圖書管理物聯網中，已有的互聯網結構無需改動，這樣既節省建網成本，體現對舊系統的投資保護，又有利于新舊系統的平滑過渡。

③圖書管理物聯網須具有分層的網絡結構。在已有互聯網結構不變的基礎上進行擴展和延伸，要求網絡具有分層結構。分層結構可提高圖書動態位置信息表的刷新速度。分層結構本身是一種結構化、模塊化設計，利于設計的簡化和可靠性的提高。

④各層網絡的通信節點須采用主從式結構[4]。管理中心的通信主站要獲得某圖書的位置信息，只需召喚該書電子標簽中的信息，傳輸上來的信息中包括閱覽室、書架、書架層和區域的地址信息，也就是該圖書的動態位置信息。中心主站與圖書、圖書與圖書之間不需對等通信，因此各層網絡只需采用主從式結構，即各層網絡均有一個主站和眾多從站，主站對從站的數據進行輪詢召喚。

⑤須明確圖書動態位置信息表的實時性，即刷新速度這一重要的性能指標，并據此提出各層網絡的通信速率要求。這一指標對網絡的設備選型及網絡各方面的性能指標都有決定性的影響。

⑥各層網絡的軟硬件組成須進行結構化與標準化設計。與其他計算機網絡或系統一樣，結構化與標準化設計利于降低成本、提高可靠性，利于系統維護、系統兼容和升級換代，是系統設計的本質要求[4]。

⑦圖書管理物聯網作為智能圖書管理系統的基礎結構，須對其上層應用功能提供簡單的、標準的接口，屏蔽自身內部的具體結構與方法，實現上層應用功能與下層基礎結構的可靠的、有效的和透明的信息交互。

⑧智能圖書管理系統是智能圖書館綜合管理系統（包括智能圖書管理、智能人員管理和智能建筑管理等功能）的一個組成部分。其基礎結構，圖書管理物聯網，理應是統一的圖書館綜合管理物聯網的一個基本模型，一個有機的組成。因此設計時，須充分考慮它的開放性，使之易于擴展，以適應系統規模和功能不斷增加與拓展的需要。

3 圖書管理物聯網一般結構設計

基于上述需求分析，圖書管理物聯網一般結構設計如圖1所示。網絡采用3層結構，包括：一個“圖書管理上層網絡”，為第1層子網絡；多個“閱覽室圖書信息傳感網”，為第2層子網絡；許多“書架圖書信息傳感網”，為第3層子網絡。其中的每一個子網絡都是主從式結構，并且同時、獨立地運行，主站對各從站進行數據輪詢。這樣，每本館藏圖書的標識及位置信息經過3層網絡傳輸到上層網絡的中心主站。可見，全網規模可以很龐大，但只有上述3種類型的子網絡，且以簡單的方式分層連接，相互獨立運行，十分有利于結構化和標準化設計。以下簡述3種子網絡的結構和功能。

圖1 圖書管理物聯網一般結構

3.1 書架圖書信息傳感網

每個書架都設有一個書架圖書信息傳感網，簡稱書架網。書架網采用射頻識別（RFID）技術[5]，是物聯網核心技術與典型特征的體現。該網絡包括一個書架網主站，而書架上眾多圖書的電子標簽則是該網絡的從站。連接書架網主站與圖書電子標簽的信道即無線射頻信道。

書架網主站由RFID閱讀器、數據處理單元和收/發單元組成，其結構如圖2所示。

圖2 書架網主站結構

RFID閱讀器由RFID閱讀控制單元和許多探頭組成。探頭與控制單元以有線方式連接。書架的每層都被分成若干小區域，每個小區域都分配有特定地址碼，并安裝1個探頭。探頭就是RFID閱讀器的天線，它發出召喚信號時，對應小區域的圖書的電子標簽即給出應答信號，這樣，圖書信息被傳送到RFID閱讀控制單元。RFID閱讀控制單元控制所有探頭依次發出召喚信號，并將收到的圖書應答信息及應答信號強度報告給數據處理單元。應注意到，書架網主站的RFID閱讀器有多個探頭，以適應書架的多層和每層的多區域劃分。這與普通的單一探頭RFID閱讀器是不同的。

數據處理單元對RFID閱讀器讀取的圖書數據進行處理，根據接收到的圖書應答信息，接收信號強度及接收該信號的探頭的地址碼，可以確定書架上每本圖書的精確位置（處在哪一層的哪個小區域），生成“書架藏書動態位置信息表”。因為RFID閱讀器不停地輪詢采集圖書信息，所以，書架藏書動態位置信息表是實時更新的，即書架上藏書或位置一旦有變化，立即反映在該表中。

當收到閱覽室網主站的數據召喚命令時，數據處理單元通過收/發單元將書架藏書動態位置信息表數據傳送給閱覽室網主站。

RFID閱讀器設計中需注意兩個問題。其一，圖書精確定位是通過判斷圖書電子標簽應答信號的強度實現的，因此，探頭與電子標簽的有效通信距離必須控制，若通信距離超出規定范圍，探頭將收到其他小區域甚至其他書架上圖書的較強的應答信號，給圖書的精確定位造成困難。其二，探頭發出召喚信號時，將有許多圖書同時給出應答，即存在應答信號碰撞問題，防碰撞算法是近年來的研究熱點之一，技術已趨成熟。故這一問題可以通過選用高效的防碰撞算法加以解決[6]。

顯然，中心站所生成的館藏圖書動態位置信息表的實時性指標，即刷新速度主要取決于每個書架網主站對本書架圖書電子標簽的讀取速度。因為每個書架網獨立運行，同時采集圖書電子標簽的數據，而圖書管理上層網絡和閱覽室網的高速數據傳輸很容易做到。所以說，雖然圖書管理物聯網規模龐大，但館藏圖書動態位置信息表的刷新速度卻可以很快。

3.2 閱覽室圖書信息傳感網

每個閱覽室都設有一個閱覽室圖書信息傳感網，簡稱閱覽室網。該網絡由1個閱覽室網主站、許多書架網主站以及信道組成，仍采用主從式結構。顯然，書架網主站在本網絡中處于從站的地位。因此，書架網主站也是上下層網絡之間的網關。該網絡通過主站輪詢的方式實時采集本室所有書架的藏書動態位置信息表，再附加上該閱覽室標識，生成“閱覽室藏書動態位置信息表”，保存于閱覽室網主站。該信息表是一個動態數據庫，隨時更新，實時地反映本閱覽室的藏書及實際存放位置信息。

閱覽室網的信道將閱覽室網主站與各書架網主站連接起來，實現它們之間的通信。該信道可以采用無線方式，這時，閱覽室網就是一個無線傳感網，已有的工作方式和通信協議可直接使用，無需重新設計開發。當然，該信道也可以采用有線方式，這時各節點的通信機結構簡單，易于實現且成本低廉。

3.3 圖書管理上層網絡

圖書管理上層網絡由中心主站和各閱覽室網主站組成。同樣采用主從式結構。各閱覽室網主站在本網中則處于從站的地位。可見，閱覽室網主站也是連接上下層網絡的網關。

中心主站以輪詢方式從各閱覽室網主站收集各閱覽室藏書動態位置信息表，并結合圖書借閱信息（由圖書借閱子系統提供），在中心主站生成“館藏圖書動態位置信息表”。該表記錄著全館每一本圖書當前的實際位置信息。該信息指明了某本圖書或在館內的某室某書架某層的某區域中，或已借出在某讀者手中。而且，圖書實際存放位置的變化在表中隨時得到反映。

圖書管理上層網的信道則使用圖書館局域網總線，因此該網絡屬于互聯網，完全遵循互聯網的組網方式及通信協議。原互聯網結構無需改動，新的圖書管理物聯網由原互聯網添加閱覽室網和書架網擴展而來。互聯網屬于對等網絡，但這并不影響主從式的圖書管理上層網的實現。圖書管理上層網可以看作在互聯網上實現的一個虛擬專用網（VPN）。

4 智能圖書管理系統應用層功能特征

以上述圖書管理物聯網為基礎結構的智能圖書管理系統，其應用層功能將表現出與傳統管理系統顯著不同的特征，概述如下。

館藏圖書依靠物聯網傳感進行定位。原理上，任何圖書可以放置在館內任何位置，動態位置信息表中都有它的實時位置信息，因而可以被迅速查詢到。但是，館藏圖書還是有必要按規定位置有序排放，這樣做的目的是方便讀者瀏覽同類圖書或相關圖書，而不是以此確定圖書的實際位置信息。圖書的規定位置信息可以由中心主站經由閱覽室網主站下發到各書架網主站。書架網主站可以開發特定的智能化功能，圖書歸架時，可提示圖書應放位置，對圖書錯放的情況給出警示，這樣會極大方便圖書歸架工作。

圖書電子標簽技術普及之后，電子標簽的粘貼或置入可直接由圖書生產商完成，在其中記錄對應的統一書號等相關信息。圖書館的編目只是將圖書信息錄入系統并規定其館藏位置，形成相應的數據庫，這完全可以借助圖書管理物聯網以及相應的系統軟件自動完成，體現出圖書編目的智能化。

圖書磁條磁化與消磁的防盜技術，在物聯網智能管理系統中沒有必要。在圖書館出口處可以設置RFID閱讀器對出入館圖書進行自動讀取監測，并與館藏圖書動態位置信息表對照，給出指示或告警。

圖書檢索、統計和流通等環節，借助于圖書管理物聯網所生成的圖書動態位置信息表和其他相關數據庫，可以實現高度智能化。

5 結語

筆者對智能圖書館管理系統的基礎結構——圖書管理物聯網進行了分析研究，在需求分析的基礎上，依據結構化及標準化設計原則，對該網絡的一般結構進行設計，提供了一個實用的參考模型。設計中，充分考慮了新舊系統平滑過渡的需求，強調新系統在原有系統基礎上擴展延伸而非推倒重建，為現有圖書管理系統向物聯網智能系統的逐步演進提供了切實可行的途徑。例如，以此結構設計為基礎，條形碼與電子標簽并存是一種可行的過渡方案[7]。另外，針對筆者提出的圖書管理物聯網一般結構進行了網絡仿真研究以及小規模實驗驗證。仿真及測試結果證明了該一般結構的可行性。綜合考慮智能圖書管理、智能人員管理以及智能建筑管理諸項功能，進行一般結構分析，構建統一的圖書館綜合管理物聯網則是下一步的研究工作。

[1] 董曉霞，等.基于物聯網的智能圖書館設計與實現[J].圖書館雜志，2011（3）：65-68.

[2] 沈彥君.物聯網技術在智能圖書館中的應用[J].國家圖書館學刊，2012（2）：51-54.

[3] 張郁松.物聯網智能圖書館圖書定位子系統的結構設計[J].圖書館學刊，2012（2）：107-109.

[4] 謝希仁.計算機網絡.第5版[M].北京：電子工業出版社，2007.

[5] 周曉光，王曉華，王偉.射頻識別（RFID）系統設計、仿真與應用[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[6] 江岸，等.改進的RFID二進制搜索防碰撞算法[J].計算機工程與應用，2009（5）：229-235.

[7]王海燕.以雙碼并存方式建設高校物聯網智慧圖書館的策略分析[J].圖書館學研究，2012（9）：44-49.