楊恒源，陳宇，姚晨彧，孟祥祥，胡驍原

（合肥工業大學 機械工程學院，合肥 230009）

0 引言

RFID技術可以通過射頻識別的方式實現非接觸雙向信息識別。RFID技術具有存儲信息量大、使用壽命長等優點[1]。近年來，在書本管理方面，RFID技術憑借其電子標簽體積小、記憶容量大、響應迅速及可穿透等特點，實現了圖書館24 h自助借還、智能書本清點等無人值守操作，但在書本分類歸還入庫方面應用尚少，目前市場上書本分揀多采用人工分揀或條形碼識別分揀等傳統分揀方式，分揀效率較低。

本文在現有RFID技術應用的基礎上設計了一種用于書本分揀的系統，以樹莓派為控制核心，能夠實現書本的分離、識別、分揀等功能，實現書本的自動化管理，減少書本管理的成本，提高管理工作效率，具有較好的發展空間。

1 整體結構

1.1 系統整體結構設計

本文設計的系統結構主要由用于分離書本的分離模塊、RFID讀寫模塊、控制模塊及執行機構組成[3]，總體結構框架如圖1所示。

圖1 系統模塊關系

如圖2所示，在執行系統中，系統分離模塊主要用于將整摞書分離開來，以方便后續書本分揀工作的進行。書本傳送模塊承上啟下，分離模塊將書本推送至傳送帶上，由傳送帶將書本送至各個分揀模塊，進行書本的分揀工作，在此期間，書本經過RFID讀寫器，并讀取書本內含的電子標簽中的唯一UID編碼，以檢索書本的類別信息。控制系統對相關信息進行分析，下達書本的分離指令。

圖2 系統整體結構

書本分揀模塊通過在傳送模塊中間設立若干分揀口以實現不同類別書本的分揀，當書本匹配到正確的分揀口時，由樹莓派控制分揀模塊將書本分揀完畢。

1.2 系統工作流程

在書本內頁中貼上電子標簽，通過電子標簽UID的唯一性進行書本識別，UID編碼方案采取基于ISO/IEC15962的編碼方案，可以在128字節的基本代碼長度中存儲書本信息。系統采用模塊化的系統設計管理方法，采用13.56 MHz頻段，并按照ISO 15693標準要求進行系統設計[6]。在書本管理員將書本放置在自動分揀系統中后，由書本分離模塊將整摞書分離開來，書本將在傳送過程中經過RFID讀寫器讀取到UID編碼，并由終端在數據庫中檢索到書本的相關信息，以確定書本的最終分揀口，待書本傳送至相應分揀口后，由樹莓派控制書本分揀模塊相應電動機，從而實現書本的分揀，具體工作流程如圖3所示。

圖3 系統工作流程

2 系統硬件設計

系統硬件設計主要分為控制系統的設計與RFID讀寫系統的設計。其中，控制系統采用樹莓派開發板作為嵌入式Linux板卡，與傳統的單片機等微型嵌入式控制器相比，樹莓派具有更加靈活多樣的設計能力，擁有較高的開發水平，在開發語言的選擇上也有更大的空間。采取RFID讀寫器進行書本的掃描識別，主控核心接有迪文串口屏，以方便用戶管理操作，并連有Big Fish擴展板，擴展板與各傳感器和驅動電動機通過RS-485 協議接口連接，具體連接方式如圖4所示[4]。

圖4 控制系統連接示意圖

而在RFID 讀寫系統中，RFID讀寫器在射頻識別系統中負責讀取或寫入電子標簽上的信息。由于電子標簽的非接觸性質，必須借助位于樹莓派控制終端中的控制系統與電子標簽之間的RFID讀寫器來完成通信的建立。

在系統結構中，樹莓派作為主動方向RFID讀寫器發出讀寫指令，而讀寫器則作為從動方對操作指令做出響應。在讀寫器接收到相關操作指令后，回應的結果就是在空間中產生高頻發射能量，激活電子標簽并為其供能。由于RFID讀寫系統采用全雙工的工作模式，當讀寫器的接收電路在接收來自電子標簽反饋的微弱信號時，發射電路本身也在同時維持相對較大功率的無調制載波，給電子標簽提供能量，建立通信控制關系。因此，相對于電子標簽而言，讀寫器變成指令的主動方[6]，如圖5所示。

圖5 系統硬件通信關系

3 系統軟件設計

3.1 系統運行總體架構

如圖6所示，在上述的系統硬件基礎結構的設計基礎上，考慮RFID書本分揀系統的用戶數據處理需求，將整個系統劃分為表現層（UI）、業務邏輯層（DAL）和數據訪問層（DAL），以此實現整個系統的“高內聚，低耦合”[2]。表現層向用戶提供系統界面，即用戶使用整個系統時的所見所得；業務邏輯層能夠根據用戶的具體需求，采取對整個數據層的直接操作，對數據業務進行邏輯處理；數據訪問層能夠直接操作數據庫，針對書本信息數據進行增、刪、改、查。

圖6 系統運行總體架構

3.2 RFID讀寫模塊

3.2.1 防碰撞算法

在書本信息讀取過程中，會出現存在多個電子標簽位于同一個讀寫器的可讀范圍內的情況，或出現外界干擾影響數據傳輸的完整性和正確性。圖7所示為標簽碰撞的產生過程，為防止這些碰撞的產生，需要在RFID系統中設置相關命令，這些操作和命令稱為防碰撞命令或算法（Anti-collision Algorithms）。

圖7 電子標簽的碰撞

為有效防止標簽中的數據包在讀寫器中互相碰撞影響，本文采取基于輪詢辦法[6]的二進制防碰撞算法，其基本原理如圖8所示，將處在碰撞狀態中的2個電子標簽分為左右2個子集0和1，首先對子集0進行查詢，若沒有發生碰撞，則正確識別；若發生碰撞，則繼續分裂，將子集0分成00 和01兩個子集，依此類推，直至能夠正確識別出子集0中的所有電子標簽，再按此程序查詢子集1[8]。

圖8 二進制防碰撞算法模型

3.2.2 程序設計

RFID讀寫器控制程序主要由通信握手、數據的接收與發送、譯碼糾錯、RS-232通信、讀取電子標簽數據及控制執行模塊子程序組成。其中關鍵在于讀取書本電子標簽數據及控制執行模塊子程序。

電子標簽讀寫程序的主要功能是讀取RFID電子標簽中的標簽信息，并將這些信息存入文本文檔中；然后程序將解析這個文件，并獲取標簽的UID；最后程序將該電子標簽的UID與數據庫進行比較，得到書本類別信息，并調用相應控制執行模塊子程序。

3.3 數據庫搭建

3.3.1 數據庫概念結構設計

在本文的應用場景中，首先需要設計書本卡片信息實體[5]，由RFID讀寫器讀取電子標簽的UID，對應檢索到書本的卡片信息，其中包含書本類別編號、名稱、作者、出版社等相關信息。

數據庫管理程序主要完成數據庫中數據的實時查詢、設置，負責接收從讀寫器傳來的數據并進行相應處理操作。

3.3.2 數據庫邏輯結構設計

在數據庫邏輯結構設計中，需要解決的核心技術問題在于如何通過最高效、最合理的方式實現對書本信息的存取與查詢操作。本文對數據存取的操作流程如圖9所示。

圖9 書本信息存取操作流程

3.3.3 系統表現層設計

如圖10所示，為方便管理員的操作與管理，需要對系統進行表現層設計，該管理系統能夠執行的操作有書本信息的讀取和錄入、書本分揀情況統計、故障報警等。在進行書本數據信息錄入及處理時，讀取數據由在程序運行時就已經創建的線程在后臺完成，RFID讀寫器將數據傳送存放至程序緩沖區中，該緩沖區由程序初始化時分配。當檢測到程序緩沖區傳來數據時，直接進行數據處理后寫入數據庫。

圖10 系統軟件流程圖

4 結語

基于RFID技術與樹莓派的智能書本分揀系統具有讀取快、準確率高等優點，可有效降低書本分揀領域的人力成本。本文研究了電子標簽防碰撞、硬件設計、數據庫搭建、軟件設計等問題，以實現書本的自動化分揀。同時，該系統具有較好的開發性，可適應不同的分揀情景，在大規模分揀領域具有良好的發展前景。