基于RFID的圖書館自習室座位管理系統的研究

胡晶宇+付志遠+陳緒兵

（武漢工程大學 機電工程學院， 湖北 武漢 430205）

摘 要： 針對現有高校圖書館自習室管理系統的不足，設計了一種基于RFID的圖書館自習室座位管理系統。該系統包括門禁控制子系統和在線預訂子系統兩部分，將RFID技術和門禁系統相結合，通過門禁系統采集動態數據傳回在線預訂管理系統，實現自習室座位的在線管理。詳細介紹了座位管理系統的軟硬件設計及系統的主要工作流程。通過測試發現，該系統具有操作方便、可靠性高等優勢，能夠有效提高高校圖書館自習室座位的利用率。

關鍵字： RFID； 座位管理； 門禁； 在線預訂

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）20?0038?03

Research on RFID?based seat management system for study rooms in library

HU Jing?yu， FU Zhi?yuan， CHEN Xu?bing

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Wuhan Institute of Technology， Wuhan 430073， China）

Abstract： In allusion to the deficiency of the existing study room management systems in university libraries， such as seat shortage and waste of resources， a RFID?based management system of study room seats was designed. The system includes a access control subsystem and an on?line booking subsystem. With the help of RFID technologies， the access control subsystem collects dynamic data and exchanges data with the online reservation management subsystem to realize the online seat management of the study rooms. The software design， hardware design and main working process of the seat management system are introduced in this paper. The system is easy to operate and has higher reliability， which can improve the utilization of study room seats efficiently.

Keyword： RFID； seat management； access control； online reservation

0 引 言

隨著各大高校的擴招，高校圖書館自習室座位短缺的問題越來越顯著，由此引發了各種占座現象，嚴重影響自習室座位利用率。為解決高校圖書館占座現象的問題，各大高校嘗試過許多方式，如東北農業大學使用分時復用技術的單片機讀卡器讀取每個座位上的校園卡[1]，但單片機為主的硬件開發座位管理系統成本過高，利用率較低，可擴展性較弱；近期如溫州醫學院圖書館通過接觸式校園一卡通實現圖書館自習室座位管理[2]，通過刷卡識別學生身份并分配座位，仍然無法解決高校學生排隊搶座的難題，造成了不必要的資源浪費。

RFID技術的廣泛應用，為人們的生活帶來了革命性的變化。該技術是一種基于非接觸式基礎上的自動化識別技術[3]，射頻識別系統由電子標簽、傳輸RF信號的天線、產生RF信號的RF收發器和讀寫器[4]，一般情況下一臺閱讀器包括有高頻模塊（收發器）、控制單元、應答器及通信接口（如RS 232，RS 485）組成的耦合元件[5]。其基本原理是利用電磁理論，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據信息[6]。相比于各大高校使用的磁卡，RFID標簽體積更小，識讀成功率高，抗損壞性強[7]。綜合電子標簽的各種性能指標和座位管理系統的需求，設計了一個基于RFID的圖書館自習室座位管理系統，該系統將門禁系統和網上在線訂座系統相結合，對自習室座位進行有效管理。

1 座位管理系統需求分析

自習室座位管理系統主要是為了有效的提高自習室座位的利用率，為學生提供良好的學習環境，方便廣大學生及時了解自習室的座位使用情況，合理安排自習時間。同時也解決了各種不合理的占座問題。根據我校圖書館自習室的實際情況，總結了以下自習室座位管理系統的需求：

（1） 身份認證。由于本校以開通基于RFID的校園一卡通業務，學校食堂，超市，網絡業務及圖書館借書系統都需要使用校園卡，為了方便學生使用，使用校園卡來識別學生身份。

（2） 座位查看及預定。使用者可通過登陸座位管理系統查看座位的使用情況并預定后一天的空閑的座位。

（3） 退定或保留座位。若使用者在已預訂的座位之后不需要使用座位，可以在座位管理系統退訂座位。刷卡離開自習室時系統提示退出座位還是保留，用戶可自行選擇。

（4） 違規記錄。對于多次預定座位之后沒有使用的用戶，應給予一定的限制措施；若在保留的一小時內沒有回到自習，系統也有相應記錄。

（5） 管理員功能。管理員可設置座位開放、關閉狀態，同時管理自習室的開放時間，管理員可以通過系統的數據分析功能，方便查看自習室的使用情況，以提出改進意見。

2 座位管理系統設計

2.1 在線預訂系統設計

本在線訂座系統采用三層體系結構對系統框架進行設計，即表示層、業務邏輯層和數據存儲層。在中間層處理業務規則、數據訪問即合法性校驗等工作。由中間層向外提供接口，用戶頁面通過網頁請求方式與中間層進行連接，通過中間層才能與數據庫進行交互。

系統中間層業務處理模塊劃分如圖1 所示，系統分為4大模塊，10小模塊，每個模塊雖然功能各不相同，但相互關聯。其中座位信息模塊記錄了座位的使用情況及預訂情況；用戶信息模塊會對用戶合法性進行校驗，識別用戶身份；違規記錄模塊記錄了用戶的誠信額度，違規占座次數達到一定限度后系統將禁止用戶在一段時間內預定座位；門禁系統模塊主要記錄從門禁系統收集的用戶對座位使用情況，包括入座記錄、離座記錄和續座記錄；管理員管理系統模塊主要記錄了管理員的個人信息和對系統的維護操作。

2.2 系統硬件組成及工作原理

系統硬件部分主要為門禁系統[8]，其結構圖如圖2所示。本設計的門禁系統主要由PC機、串口轉換器、和智能門禁控制模塊組成。智能門禁控制模塊是由微控制器、射頻讀卡器、門閘開關和報警器4個部分組成。在門禁系統中，主要利用了RFID（射頻識別）和串口通信等關鍵技術。

根據門禁控制器低功耗，使用壽命長的特點，選定Philip公司的P87LPC767作為門禁系統的微控制器[9]，主要負責對射頻卡的數據信息進行處理（解碼、組織控制命令等），然后將處理的數據信號傳回PC機。在設計過程中，使用Philip公司的MF RC500芯片作為讀/寫操作芯片。該芯片的工作頻率為13.56 MHz，支持ISO 14443A所有層的通信協議。結合MF RC500的特性，選擇小環天線作為讀卡器天線。

圖1 座位管理系統功能結構圖

圖2 門禁系統結構圖

本系統中使用的RS 232與RS 485都是采用串行數據接口標準，MCU與射頻識別卡、讀卡器之間連成一個總線型網絡拓撲結構[10?11]，采用了RS 485半雙工通信方式。計算機與MCU之間通過串口轉換器將信號轉換后進行通信。

2.3 系統主要工作流程設計

本系統設計分為門禁系統和座位管理系統兩個部分，門禁系統主要負責對用戶進出自習室的管理及信息收集，座位管理系統不僅要收集門禁系統傳來的用戶信息，還要包括處理用戶對座位的預定、退訂等管理功能。

門禁系統工作流程圖如圖3所示。系統上電后首先進行初始化，接著系統自動檢查是否首次上電，若檢測是首次上電則自動調用默認參數，記錄相關信息。系統設定好后，程序開始進入循環狀態，讀取校園卡信息并通過系統后臺的座位管理系統對射頻卡信息做出判斷，判別是有效卡后查看卡片狀態。若校園卡正常使用，則由PC機發送驅動門禁命令給門禁控制模塊的MCU，由MCU發送高電平到繼電器，從而控制閘門的開啟；若校園卡因處在掛失或違規禁用時間段，則PC機發送驅動報警命令給門禁控制模塊的MCU，由MCU發送高電平到繼電器啟動報警。記錄完每次的相關信息后返回。

圖3 門禁系統工作流程圖

3 數據庫設計

本座位管理系統是在Microsoft Visual Studio.NET 2010開發平臺下開發的，系統對數據庫配置進行統一管理。利用SQL Server 2008系統創建數據庫，實現對數據庫中數據的查詢、設置，同時要負責接收從讀卡器傳來的數據并進行相應處理操作。

主要采用實體關系圖（E?R圖），UML類圖通過一定的映射規則得到關系數據庫的模型，每個數據庫表都有一個對象類與之對應，對象的每個屬性對應數據庫表中的每一列，其主要屬性對應數據庫表的主鍵，對象類的操作對應數據庫的存儲過程和觸發器。圖書館自習室座位管理系統主要實體類包括賬號信息（Student Account）、用戶信息（Student）、學生使用座位信息（Student seat）、座位信息（Seat）、座位狀態（Seat status）、黑名單（Blacklist）、管理員信息（Manager）七張表，數據庫E?R圖4所示。

圖4 數據庫E?R圖

4 結 語

本文對基于RFID的圖書館自習室座位管理系統進行設計與測試。在設計過程中采用了串行通信技術、射頻識別技術，將自動化識別技術與現代信息技術相結合，提高了圖書館的服務質量和安全管理水平，特別是座位信息的在線查詢預訂功能，通過瀏覽器方式為讀者帶來了便利，方便讀者合理安排自習時間。

參考文獻

[1] 王祥斌.基于讀卡器時分復用技術的自習室座位管理系統設計研究[J].情報探索，2011（12）：99?101.

[2] 孫發，吳代莉，曾為眾.圖書館自習室管理系統的設計與實現[J].現代圖書情報技術，2010（5）：93?98.

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[8] 陳平，郁建平.基于P87LPC764單片機的滾動編碼門禁系統設計[J].電子機械工程，2005（1）：60?63.

[9] 朱敏，張崇巍，謝震.CAN總線在數據采集與控制系統中的應用[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2002（3）：345?349.

[10] 徐成，曾祺，魏峰.無線傳感網絡中通用傳感器節點硬件結構設計[J].計算機工程與應用，2007（8）：103?105.

[11] 任橋，熊璋，張舒，等.基于硬件協議棧的網絡化射頻標簽識別系統[J].計算機工程，2007（2）：214?216.

2 座位管理系統設計

2.1 在線預訂系統設計

本在線訂座系統采用三層體系結構對系統框架進行設計，即表示層、業務邏輯層和數據存儲層。在中間層處理業務規則、數據訪問即合法性校驗等工作。由中間層向外提供接口，用戶頁面通過網頁請求方式與中間層進行連接，通過中間層才能與數據庫進行交互。

系統中間層業務處理模塊劃分如圖1 所示，系統分為4大模塊，10小模塊，每個模塊雖然功能各不相同，但相互關聯。其中座位信息模塊記錄了座位的使用情況及預訂情況；用戶信息模塊會對用戶合法性進行校驗，識別用戶身份；違規記錄模塊記錄了用戶的誠信額度，違規占座次數達到一定限度后系統將禁止用戶在一段時間內預定座位；門禁系統模塊主要記錄從門禁系統收集的用戶對座位使用情況，包括入座記錄、離座記錄和續座記錄；管理員管理系統模塊主要記錄了管理員的個人信息和對系統的維護操作。

2.2 系統硬件組成及工作原理

系統硬件部分主要為門禁系統[8]，其結構圖如圖2所示。本設計的門禁系統主要由PC機、串口轉換器、和智能門禁控制模塊組成。智能門禁控制模塊是由微控制器、射頻讀卡器、門閘開關和報警器4個部分組成。在門禁系統中，主要利用了RFID（射頻識別）和串口通信等關鍵技術。

根據門禁控制器低功耗，使用壽命長的特點，選定Philip公司的P87LPC767作為門禁系統的微控制器[9]，主要負責對射頻卡的數據信息進行處理（解碼、組織控制命令等），然后將處理的數據信號傳回PC機。在設計過程中，使用Philip公司的MF RC500芯片作為讀/寫操作芯片。該芯片的工作頻率為13.56 MHz，支持ISO 14443A所有層的通信協議。結合MF RC500的特性，選擇小環天線作為讀卡器天線。

圖1 座位管理系統功能結構圖

圖2 門禁系統結構圖

本系統中使用的RS 232與RS 485都是采用串行數據接口標準，MCU與射頻識別卡、讀卡器之間連成一個總線型網絡拓撲結構[10?11]，采用了RS 485半雙工通信方式。計算機與MCU之間通過串口轉換器將信號轉換后進行通信。

2.3 系統主要工作流程設計

本系統設計分為門禁系統和座位管理系統兩個部分，門禁系統主要負責對用戶進出自習室的管理及信息收集，座位管理系統不僅要收集門禁系統傳來的用戶信息，還要包括處理用戶對座位的預定、退訂等管理功能。

門禁系統工作流程圖如圖3所示。系統上電后首先進行初始化，接著系統自動檢查是否首次上電，若檢測是首次上電則自動調用默認參數，記錄相關信息。系統設定好后，程序開始進入循環狀態，讀取校園卡信息并通過系統后臺的座位管理系統對射頻卡信息做出判斷，判別是有效卡后查看卡片狀態。若校園卡正常使用，則由PC機發送驅動門禁命令給門禁控制模塊的MCU，由MCU發送高電平到繼電器，從而控制閘門的開啟；若校園卡因處在掛失或違規禁用時間段，則PC機發送驅動報警命令給門禁控制模塊的MCU，由MCU發送高電平到繼電器啟動報警。記錄完每次的相關信息后返回。

圖3 門禁系統工作流程圖

3 數據庫設計

本座位管理系統是在Microsoft Visual Studio.NET 2010開發平臺下開發的，系統對數據庫配置進行統一管理。利用SQL Server 2008系統創建數據庫，實現對數據庫中數據的查詢、設置，同時要負責接收從讀卡器傳來的數據并進行相應處理操作。

主要采用實體關系圖（E?R圖），UML類圖通過一定的映射規則得到關系數據庫的模型，每個數據庫表都有一個對象類與之對應，對象的每個屬性對應數據庫表中的每一列，其主要屬性對應數據庫表的主鍵，對象類的操作對應數據庫的存儲過程和觸發器。圖書館自習室座位管理系統主要實體類包括賬號信息（Student Account）、用戶信息（Student）、學生使用座位信息（Student seat）、座位信息（Seat）、座位狀態（Seat status）、黑名單（Blacklist）、管理員信息（Manager）七張表，數據庫E?R圖4所示。

圖4 數據庫E?R圖

4 結 語

本文對基于RFID的圖書館自習室座位管理系統進行設計與測試。在設計過程中采用了串行通信技術、射頻識別技術，將自動化識別技術與現代信息技術相結合，提高了圖書館的服務質量和安全管理水平，特別是座位信息的在線查詢預訂功能，通過瀏覽器方式為讀者帶來了便利，方便讀者合理安排自習時間。

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[11] 任橋，熊璋，張舒，等.基于硬件協議棧的網絡化射頻標簽識別系統[J].計算機工程，2007（2）：214?216.

2 座位管理系統設計

2.1 在線預訂系統設計

本在線訂座系統采用三層體系結構對系統框架進行設計，即表示層、業務邏輯層和數據存儲層。在中間層處理業務規則、數據訪問即合法性校驗等工作。由中間層向外提供接口，用戶頁面通過網頁請求方式與中間層進行連接，通過中間層才能與數據庫進行交互。

系統中間層業務處理模塊劃分如圖1 所示，系統分為4大模塊，10小模塊，每個模塊雖然功能各不相同，但相互關聯。其中座位信息模塊記錄了座位的使用情況及預訂情況；用戶信息模塊會對用戶合法性進行校驗，識別用戶身份；違規記錄模塊記錄了用戶的誠信額度，違規占座次數達到一定限度后系統將禁止用戶在一段時間內預定座位；門禁系統模塊主要記錄從門禁系統收集的用戶對座位使用情況，包括入座記錄、離座記錄和續座記錄；管理員管理系統模塊主要記錄了管理員的個人信息和對系統的維護操作。

2.2 系統硬件組成及工作原理

系統硬件部分主要為門禁系統[8]，其結構圖如圖2所示。本設計的門禁系統主要由PC機、串口轉換器、和智能門禁控制模塊組成。智能門禁控制模塊是由微控制器、射頻讀卡器、門閘開關和報警器4個部分組成。在門禁系統中，主要利用了RFID（射頻識別）和串口通信等關鍵技術。

根據門禁控制器低功耗，使用壽命長的特點，選定Philip公司的P87LPC767作為門禁系統的微控制器[9]，主要負責對射頻卡的數據信息進行處理（解碼、組織控制命令等），然后將處理的數據信號傳回PC機。在設計過程中，使用Philip公司的MF RC500芯片作為讀/寫操作芯片。該芯片的工作頻率為13.56 MHz，支持ISO 14443A所有層的通信協議。結合MF RC500的特性，選擇小環天線作為讀卡器天線。

圖1 座位管理系統功能結構圖

圖2 門禁系統結構圖

本系統中使用的RS 232與RS 485都是采用串行數據接口標準，MCU與射頻識別卡、讀卡器之間連成一個總線型網絡拓撲結構[10?11]，采用了RS 485半雙工通信方式。計算機與MCU之間通過串口轉換器將信號轉換后進行通信。

2.3 系統主要工作流程設計

本系統設計分為門禁系統和座位管理系統兩個部分，門禁系統主要負責對用戶進出自習室的管理及信息收集，座位管理系統不僅要收集門禁系統傳來的用戶信息，還要包括處理用戶對座位的預定、退訂等管理功能。

門禁系統工作流程圖如圖3所示。系統上電后首先進行初始化，接著系統自動檢查是否首次上電，若檢測是首次上電則自動調用默認參數，記錄相關信息。系統設定好后，程序開始進入循環狀態，讀取校園卡信息并通過系統后臺的座位管理系統對射頻卡信息做出判斷，判別是有效卡后查看卡片狀態。若校園卡正常使用，則由PC機發送驅動門禁命令給門禁控制模塊的MCU，由MCU發送高電平到繼電器，從而控制閘門的開啟；若校園卡因處在掛失或違規禁用時間段，則PC機發送驅動報警命令給門禁控制模塊的MCU，由MCU發送高電平到繼電器啟動報警。記錄完每次的相關信息后返回。

圖3 門禁系統工作流程圖

3 數據庫設計

本座位管理系統是在Microsoft Visual Studio.NET 2010開發平臺下開發的，系統對數據庫配置進行統一管理。利用SQL Server 2008系統創建數據庫，實現對數據庫中數據的查詢、設置，同時要負責接收從讀卡器傳來的數據并進行相應處理操作。

主要采用實體關系圖（E?R圖），UML類圖通過一定的映射規則得到關系數據庫的模型，每個數據庫表都有一個對象類與之對應，對象的每個屬性對應數據庫表中的每一列，其主要屬性對應數據庫表的主鍵，對象類的操作對應數據庫的存儲過程和觸發器。圖書館自習室座位管理系統主要實體類包括賬號信息（Student Account）、用戶信息（Student）、學生使用座位信息（Student seat）、座位信息（Seat）、座位狀態（Seat status）、黑名單（Blacklist）、管理員信息（Manager）七張表，數據庫E?R圖4所示。

圖4 數據庫E?R圖

4 結 語

本文對基于RFID的圖書館自習室座位管理系統進行設計與測試。在設計過程中采用了串行通信技術、射頻識別技術，將自動化識別技術與現代信息技術相結合，提高了圖書館的服務質量和安全管理水平，特別是座位信息的在線查詢預訂功能，通過瀏覽器方式為讀者帶來了便利，方便讀者合理安排自習時間。

參考文獻

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[10] 徐成，曾祺，魏峰.無線傳感網絡中通用傳感器節點硬件結構設計[J].計算機工程與應用，2007（8）：103?105.

[11] 任橋，熊璋，張舒，等.基于硬件協議棧的網絡化射頻標簽識別系統[J].計算機工程，2007（2）：214?216.