基于單片機的無線圖書借閱系統(tǒng)設計

袁連余

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術學校，224051）

0 引言

目前，國內(nèi)大多數(shù)圖書館中圖書借記終端較少（一般為2-5臺），且圖書借記工作大都需要圖書館工作人員參與完成。本文設計一套智能化自助式圖書借記系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含一個主控存儲中心、多個圖書借記網(wǎng)點，各網(wǎng)點與主控存儲中心之間采用無線方式進行數(shù)據(jù)傳輸，可實現(xiàn)多網(wǎng)點、24小時自助服務。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)擬以微控制器芯片為核心搭建各服務網(wǎng)點。各網(wǎng)點以便攜式可移動設備形式實現(xiàn)，具有獨立的自助借書還書功能，并可以將讀者信息、借書還書信息等通過無線網(wǎng)絡發(fā)送

給控制存儲中心存儲。

本文所設計的自助式圖書借記系統(tǒng)整體框圖如圖1所示：

假設圖書館共分三層，每層配置5臺圖書借記終端，每臺借記終端都可以獨立工作，實現(xiàn)自助借書還書功能。每臺借記終端讀取到讀者信息、借書還書信息后首先進行本地存儲，然后三層共15臺借記終端（1-15號）按照規(guī)定好的時間順序依次向控制存儲中心中借記終端（0號）發(fā)送讀者借記信息，0號借記終端將收到的借記信息通過RS232串口發(fā)送給圖書管理系統(tǒng)。

2 硬件設計

2.1 硬件選型

1）微控制器

微控制器芯片是智能化自助式圖書借記系統(tǒng)的核心器件，其性能的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的性能，在其型號的選擇上要考慮到它的價格、運算速度、內(nèi)存量等方面。可供選擇的微控制器有單片機、FPGA、DSP、ARM 等。

單片機具有較高的運算速度，C 語言編程，有利于程序開發(fā)和移植，控制功能很強，且體積小、價格低、功耗低，但是一般的單片機內(nèi)存和通用寄存器都不太豐富[1]。考慮到上述因素，本系統(tǒng)選取內(nèi)存（256K）較大的STM32F103作為核心芯片。此款芯片片上外設豐富，可大大減少系統(tǒng)電路中除處理器以外的元器件配置，精減系統(tǒng)成本，256K 內(nèi)存可用來存儲讀者借書還書信息。

2）無線通訊模塊

目前，六種無線網(wǎng)絡技術正在成為業(yè)界討論的熱點，它們分別是無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）、超寬帶通信（UWB）、近場通信（NFC）、藍牙（Bluetooth）、紅外線數(shù)據(jù)通信IrDA 和Zigbee 技術[2]。Zigbee 聯(lián)盟制定的Zigbee 方式與其他無線數(shù)據(jù)傳輸方式相比，具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、兼容性好、實現(xiàn)成本低、組網(wǎng)方便等優(yōu)點，非常適合低成本、且對傳輸速率要求不高的無線網(wǎng)絡。因此，本文選取Zigbee 方式進行無線數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

圖2 無線模塊與單片機連接圖

圖3 AT86RF212外圍硬件電路

圖4 軟件流程圖

圖5 串口接收信息

本系統(tǒng)中，無線Zigbee模塊選擇AT86RF212。它是一款專為低成本的IEEE802.15.4標準Zigbee 技術與高數(shù)據(jù)傳輸率的ISM 應用而設計的低功耗、低電壓700/800/900MHz 頻段收發(fā)器。單片AT86RF212收發(fā)器提供了天線和微控制器間的完整接口，包括時間和頻率同步的數(shù)字調(diào)制和解調(diào)，以及數(shù)據(jù)緩沖功能，且與微控制器的接口為同步串行SPI 接口，保證了與微控制器的快速通信。芯片的接受靈敏度高達-110DBm，可編程TX 輸出功率高達+10DBm，工作電壓從1.8V 到3.6V，保證了數(shù)據(jù)的高傳輸速率和低功耗性能。芯片的上述特性滿足了整個系統(tǒng)對低功耗、低成本、以及數(shù)據(jù)傳輸速率的要求；簡單的外圍電路可以降低硬件設計的難度，加快開發(fā)的進度。

2.2 硬件系統(tǒng)設計

用單片機進行信息收發(fā)處理需經(jīng)過RS232以及SPI 接口。STM32F103包含2個SPI 同步串行接口（18Mb/s），3個USART 異步串行接口（4.5Mb/s）。RS232接口只需外接電瓶轉換芯片后即可與PC 機或條形碼掃描儀相連，電路比較簡單，這里不再贅述。下面主要介紹Zigbee 無線通信模塊的實現(xiàn)。

在此模塊設計中，用到的芯片主要包括微控制器主控芯片STM32F103VCT6、AT86RF212。AT86RF212與主控芯片采用SPI總線接口方式，在這種模式下，主控芯片與Zigbee 芯片只要幾根線就能夠完成復雜的通信。STM32F103VCT6與AT86RF212的SPI總線連接圖如圖2所示。

選擇STM32F103VCT6為SPI主模式，AT86RF212為SPI 從模式，在SPI 總線模式下的配置復用輸入輸出接口的PA5、PA6、PA7、PE12分別為SCLK、MISO、MOSI、SCS（SPI 從模式低電平有效）信號線直接相連，并且軟件配置管腳的輸出速度為50MHz，SPI 速率為4.5MHz，STM32F103通過SPI 端口對Zigbee 芯片進行讀寫操作和相應配置。其中Zigbee 通信模塊AT86RF212外圍硬件電路圖如圖3所示：

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要包括單片機與PC 機程序編寫。其中PC機中軟件只需把由串口接收到的信息接入已有的圖書館管理系統(tǒng)即可，下面主要介紹單片機中程序編寫。

本系統(tǒng)中設置1-15號設備按照規(guī)定好的時間順序向0號設備發(fā)送信息。1-15號設備需要根據(jù)不同的輸入信息做出不同后續(xù)動作，具體軟件流程如圖4所示：

上電初始化后條形碼掃描儀一直處于工作狀態(tài)，讀者借書或者還書時首先掃描自己的圖書館證件進行身份識別，身份識別成功后輸入需要結借書數(shù)量N，然后依次掃描錄入N本圖書條形碼信息。掃描完成后借記終端存儲讀者借記信息，判斷是否可以向控制存儲中心發(fā)送，同時繼續(xù)讀取借記信息。若判斷結果為不可以向外發(fā)送則繼續(xù)判斷，直至可以向外發(fā)送時使能Zigbee 無線模塊，向外發(fā)送存儲好的借記信息，發(fā)送成功后清空已成功發(fā)送的借記信息所占存儲區(qū)域。

4 實驗分析

本文所述智能自助式圖書借記系統(tǒng)已完成借記終端硬件設計實現(xiàn)工作，可以根據(jù)作者預先設定好的規(guī)則錄入讀者信息，書本條形碼信息等。仿真過程中，在教學樓內(nèi)一至三層樓道內(nèi)分別布置了5臺終端，三層共15臺圖書借記終端，控制存儲中心設于一層實驗室內(nèi)。預設15臺設備以15分鐘為一周期，輪流向控制中心發(fā)送數(shù)據(jù)，即每臺借記終端間隔15分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)，每次發(fā)送時間一分鐘，一分鐘后關閉本設備Zigbee 無線模塊，并使能下一設備無線模塊。0號機的串口調(diào)試助手接收信息如圖5所示：

圖5中顯示讀者test（ID：aa）從本系統(tǒng)借書一本（Num：1），借出書籍條形碼信息為45465476882。系統(tǒng)仿真實驗結果顯示上位機可以準確完整的接收到借記終端發(fā)出的借記信息，只需將相應信息接入已有圖書館管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，即可實現(xiàn)24小時自助借記服務。

5 結論

本文所述基于微控制器與無線模塊設計的智能圖書借記系統(tǒng)可以實現(xiàn)24小時自助借書還書服務。圖書館若需實現(xiàn)自主借書還書功能，只需將本系統(tǒng)中與PC 相連借記終端輸出信息接入已有圖書管理系統(tǒng)即可。要實現(xiàn)擴展功能只需添適量借記終端并修改原有發(fā)送時間周期。后續(xù)工作主要是結合實際情況，對該系統(tǒng)進行優(yōu)化升級，進一步完善系統(tǒng)功能。如：修改無線通信模式，使各借記終端直接接入以太網(wǎng)（如Wi-Fi）并受控于圖書管理系統(tǒng)；外接液晶顯示屏方便實時本地查看圖書借記信息等。

[1]何秋生，楊希卓，張邵敏，卞夢超.基于單片機的無線遠程實時顯示系統(tǒng)[J].自動化技術與應用，2011，30（12）：17-20.

[2]顧瑞紅，張宏科.基于ZigBee的無線網(wǎng)絡技術及其應用[J].電子技術應用，2005，31（6）：89-95.