基于RFID技術(shù)的圖書館管理系統(tǒng)構(gòu)建

楊建峰

（三明市圖書館 福建 三明 365000）

0 引言

社會的持續(xù)進步使得人們的物質(zhì)需求得到極大滿足，于是開始轉(zhuǎn)向?qū)裎幕膹娏易非螅瑘D書館匯集了各個學(xué)科領(lǐng)域的文化資源及科研成果，成為人們社會活動的新選擇。但傳統(tǒng)圖書館管理模式面對不同人群的閱讀服務(wù)需求倍感壓力，引入先進技術(shù)建立先進的智能化圖書館管理系統(tǒng)，實現(xiàn)服務(wù)內(nèi)容及服務(wù)方式的全面變革是圖書館現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢和重要出路，射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術(shù)在這方面具有較大優(yōu)勢。因此，具體分析RFID技術(shù)在圖書館管理系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。

1 RFID技術(shù)及工作原理

1.1 RFID技術(shù)概念

RFID技術(shù)一方面與條碼技術(shù)有類似之處，均是使用專用的讀寫器將數(shù)據(jù)信號進行傳輸和掃描識別。另一方面RFID技術(shù)的獨特處在于它通過無線電信號來識別特定目標的同時對相關(guān)數(shù)據(jù)進行讀寫，突破了識別系統(tǒng)必須與特定目標之間具有機械或光學(xué)接觸的限制。這種非接觸識別，不僅適用于只讀工作模式也能用于讀寫工作模式，即便是在有污漬及遮擋物等惡劣環(huán)境下，也能實現(xiàn)無接觸性的數(shù)據(jù)信號準確識別和高度集成[1]。此外，RFID技術(shù)具有極高的防侵入、防干擾及防篡改性能，因此適用的范圍非常廣，諸如物流快遞配送、交通運輸管理、工業(yè)生產(chǎn)流水線、門禁管理系統(tǒng)，食品和藥品安全溯源、圖書借還館等，尤其適用于自動化控制領(lǐng)域。

1.2 RFID技術(shù)的工作原理

將RFID視作一種無線電技術(shù)，其信號附著于實物的數(shù)據(jù)標簽上，通過無線電頻率的電磁場進行傳送，可以對物品進行自動辨識與追蹤。其工作原理為：解讀器發(fā)出的射頻信號被磁場中的RFID標簽所接收，借助感應(yīng)電流的能量通過信號天線將存儲在芯片中的無源和被動標簽（Passive tag）信息及時送出，也可以主動發(fā)送有源和主動標簽（Active tag）信息；標簽信息被解讀器讀取并解碼后，立即傳遞給中央信息系統(tǒng)（PC工作端）并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行處理[2]。RFID工作流程如圖1所示，可以看出，基于RFID技術(shù)的完整管理系統(tǒng)，包括3個主要部分，分別為讀寫器（Reader）、射頻標簽（RFID tag）及信號天線（antenna）。射頻標簽tag是由耦合元件和芯片所構(gòu)成，與標簽所對應(yīng)的是電子編碼，具有唯一性，標簽附著在目標物體上作為其身份標識。射頻標簽中的數(shù)據(jù)信息具有固定格式，通過附帶的內(nèi)置天線與無線信號接收器進行通信。讀寫器Reader經(jīng)過空間信道向射頻標簽發(fā)送無線電波指令，標簽在接收指令后隨即做出響應(yīng)從而實現(xiàn)射頻識別。讀寫器既可以讀取數(shù)據(jù)信息也可以進行信息寫入，比較常見的使用形式有手持式和固定式，通過自動識別讀取射頻標簽中的信號數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對目標對象的追蹤管理。Reader可以通過RS232或RS485接口與PC進行連接，也可以利用WLAN技術(shù)將讀取的信號傳送給PC端，以便于對數(shù)據(jù)進行處理。Antenna通過接收和發(fā)送信號實現(xiàn)標簽與讀寫器之間的進行有效連通。

圖1 RFID工作流程

2 基于RFID技術(shù)的圖書館管理系統(tǒng)設(shè)計

2.1 圖書管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

RFID技術(shù)良好的數(shù)據(jù)信息識別功能是構(gòu)建智能圖書管理系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文設(shè)計中的圖書管理系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)服務(wù)器、圖書盤點和制作工作站、柜臺工作站，自助還書箱和借還書機，以及電子偵測門。而智能圖書館的管理系統(tǒng)功能由各種應(yīng)用軟件來實現(xiàn)，所構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)包括：流通標簽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、圖書管理員工作平臺、讀者自助借還書系統(tǒng)、查詢、順架和圖書盤點系統(tǒng)等。基于RFID技術(shù)的智能圖書館系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 基于RFID技術(shù)的智能圖書館系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1.1 系統(tǒng)服務(wù)器

系統(tǒng)服務(wù)器主要負責(zé)圖書盤點統(tǒng)計、圖書信息檢索和用戶賬戶管理。圖書管理員可以通過系統(tǒng)提供的庫存圖書統(tǒng)計表進行盤點和圖書清理。管理員通過系統(tǒng)對庫藏圖書的原始信息、借閱和歸還信息等進行查詢，閱讀者也可以通過檢索系統(tǒng)按需查找所需的圖書信息，包括圖書的庫存位置、是否可借等，還可以查詢相關(guān)管理設(shè)備的運行狀態(tài)。賬號管理方面，通過管理系統(tǒng)賬戶信息數(shù)據(jù)庫，可以對讀者賬戶身份進行辨別，對讀者賬戶使用狀態(tài)進行監(jiān)測。

2.1.2 電子偵測門

電子偵測門一般有單通道或多通道，可偵測的有效距離在90 cm以上，它主要通過監(jiān)測圖書的數(shù)據(jù)標簽對進出圖書館的人員進行偵測，防止圖書未經(jīng)規(guī)范手續(xù)而流出。監(jiān)測系統(tǒng)配有信號觸發(fā)接點，未辦理借閱手續(xù)的書籍在讀者進出門禁時沒有電子標簽安全碼，當(dāng)被監(jiān)測器檢測到時，門禁隨之限制通行并發(fā)出警示。

2.1.3 柜臺（前臺）工作站

柜臺工作支持圖書借還、借閱時間續(xù)期等操作，在該模塊上還可以進行標簽安全碼的設(shè)置、變換和解除等操作。此外如果圖書管理系統(tǒng)支持離線作業(yè)，則該工作站也能夠離線工作。

2.1.4 自助借還書機

為保證圖書服務(wù)系統(tǒng)的持續(xù)工作，系統(tǒng)設(shè)計時多采用高性能主機，同時配備熱感應(yīng)打印機，為用戶打印圖書借還單據(jù)。圖書標簽被系統(tǒng)自主掃描識別，便于讀者一次借還多本書籍，而需要逐本登記，從而提高借還效率[2]。

2.1.5 盤點工作站

盤點工作站采用獨特的手持式RFID讀寫器及手持插入式天線盒來掃描書籍，只需在書架的書籍間隙處插入手持式天線就可以獲得準確的圖書信息，可以極大地提升圖書盤點工作效率和準確度。同時將終端設(shè)備系統(tǒng)接入圖書管理系統(tǒng)，便于管理員隨時查看庫藏圖書信息，及時進行圖書盤點。

2.1.6 制作工作站

工作站設(shè)有專用的制作人員賬戶并賦予相關(guān)操作權(quán)限，能夠隨時查看書籍的制作時間、進程及等信息，避免因重復(fù)工作而浪費時間。工作站支持書籍電子標簽的批量制作，系統(tǒng)授權(quán)下支持多次修改標簽內(nèi)容，圖書名稱、條形碼、館號及借還信息等標簽采用安全編碼進行寫入，防止對標簽內(nèi)容的隨意篡改。可根據(jù)圖書制作人員的使用習(xí)慣對制作接口進行合理調(diào)整，工作站可與多類系統(tǒng)硬件及操作系統(tǒng)相配對使用。

2.2 核心硬件設(shè)計與實現(xiàn)

2.2.1 自助借還機硬件

本文系統(tǒng)的圖書自助借還機（圖3）包括多個模塊，主要構(gòu)成部分有主控MCU、顯示器、信號收發(fā)模塊（無線）、射頻讀寫芯片及天線及電路等。主控MCU應(yīng)用嵌入式單片機（STM32）以支持顯示器、讀寫芯片及無線信號收發(fā)模塊的正常運行。射頻讀寫芯片搭配億百特RC522工業(yè)級模塊，采用非接觸式通信協(xié)議，適用于符合ISO14443A標準的多種應(yīng)用[3]。讀寫芯片通過高頻電路與信號天線連接，同時穩(wěn)定接收主控MCU發(fā)出的高頻信號并與RFID標簽建立通信。信號天線是幫助讀寫模塊實現(xiàn)射頻通信的基本工具，它配有線圈和與之對應(yīng)的電路，RFID的工作電源來自天線產(chǎn)生的磁通量，數(shù)據(jù)信息在RFID卡與讀寫模塊之間進行傳送；顯示器為12864圖形點陣液晶顯示器，支持四行顯示，顯示內(nèi)容包括：自助借還信息、用戶名、書籍名、系統(tǒng)運行狀態(tài)。無線收發(fā)模塊采用JF24D模塊，該模塊通過整合高斯頻移鍵控（gauss frequency shift keying，GFSK）的收發(fā)電路功能，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的高速傳輸，作為一種超高性能的射頻收發(fā)器它支持多種場合下的短距離無線通信。設(shè)計的自助借還機不僅體積小、耗能低而且傳輸距離遠，信號質(zhì)量高。

圖3 自助借還機的硬件組成

2.2.2 工作站和電子偵測門硬件

本文系統(tǒng)的主板MCU采用STM32，將其與柜臺工作站的PC上位機、網(wǎng)絡(luò)接口、無線模塊、電子偵測門的讀寫器及數(shù)據(jù)庫SD卡等逐一連接，MCU通過接收天線發(fā)出指令后被偵測器所接收，利用數(shù)據(jù)庫資源進行數(shù)據(jù)標簽信息的比對分析，最后通過網(wǎng)絡(luò)通道傳送到PC上位機進行數(shù)據(jù)的進一步處理[4]。

電子偵測門的讀寫器也包括多個重要部件，主要有控制核心MCUP89LPC932、數(shù)據(jù)存儲器AT45DB021、非接觸通信卡MFRC632、實時時鐘芯片PCF8563。電子偵測門硬件配置，如圖4所示。

圖4 電子偵測門硬件配置

MCU通過對存儲器的系統(tǒng)設(shè)置信息進行讀取，并根據(jù)需要對整個系統(tǒng)內(nèi)容進行初始化設(shè)置和調(diào)整，主要涉及到設(shè)備的ID位置，主站、從站、開關(guān)機時間、數(shù)據(jù)信息的存儲形式等。讀者在借還書時使用非接觸通信卡通過無線接收天線與系統(tǒng)進行信息交互，從而實現(xiàn)高效地自動借書還書。

人員通過電子偵測門時，如果讀卡器未掃描到任何圖書標簽信息，則表明不存在借書情況，人員可以順利通行。掃描到標簽信息有2種情況，一種是已借書籍帶入和帶出，另一種是未借狀態(tài)，系統(tǒng)則提醒制定借還書進行登記，若未經(jīng)辦理借書手續(xù)而攜書出門則會發(fā)出報警提示。電子偵測門工作流程，如圖5所示。

圖5 電子偵測門工作流程

3 運行程序的設(shè)計和實現(xiàn)

基于RFID技術(shù)的智能圖書館管理系統(tǒng)，其運行程序主要有數(shù)據(jù)庫管理程序和位于讀卡器模塊的控制程序。

3.1 讀卡器模塊控制程序

本文系統(tǒng)設(shè)計時先對主控MCU內(nèi)容進行編程處理，再按照ISO/IEC14443A協(xié)議建立RFID卡與讀寫芯片之間的射頻通信關(guān)系，以此實現(xiàn)對RFID卡的相關(guān)操作，最后以函數(shù)形式對相關(guān)操作進行封裝處理。控制程序的主要功能包括：數(shù)據(jù)讀取和發(fā)送、RC522通信、數(shù)據(jù)接收中斷、譯碼糾錯和液晶顯示控制等，這些控制程序均采用C語言編寫并在單片機上實現(xiàn)。

3.2 數(shù)據(jù)庫中的管理程序

數(shù)據(jù)庫管理程序也使用C語言來編寫，主要功能為支持數(shù)據(jù)庫的建立，為查詢設(shè)置數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)提供幫助，此外還可以對來自讀卡器的相關(guān)數(shù)據(jù)進行操作處理[5]。數(shù)據(jù)庫中需要建立2張表，分別記錄的是館內(nèi)書籍的信息和用戶信息，包括館藏圖書類型、數(shù)量、書架位置、出版社、在庫或借閱狀態(tài)等。以及用戶的姓名、性別、身份證號、真實頭像等基礎(chǔ)信息，還包括個人借閱歸還圖書的次數(shù)和信譽、出入館狀態(tài)、圖書的可借權(quán)限、續(xù)借緩還的日期等情況[6]。圖書管理系統(tǒng)的后臺操作人員可以在授權(quán)范圍內(nèi)根據(jù)管理需要對記錄表中部分信息進行修改、刪除和更新等操作，以保證系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息準確、完整、信息查詢的權(quán)限完全公開，分管理員和讀者2個賬號，可以按用戶名、圖書號、序列號、關(guān)鍵字等進行信息檢索[7]。系統(tǒng)程序在運行時即創(chuàng)建后臺線程，主要負責(zé)對數(shù)據(jù)進行讀取處理。在程序初始化時分配出一個緩沖區(qū)，負責(zé)對來自于讀卡器的相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存放，系統(tǒng)在檢測發(fā)現(xiàn)程序緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)時會主動對這些數(shù)據(jù)進行讀取和處理，然后將其準確寫入數(shù)據(jù)資源庫中，以備核對和調(diào)用。

4 結(jié)語

圖書館智能化管理可以滿足不同讀者的個性化需求，智能化的主要業(yè)務(wù)是圖書自動借還及管理服務(wù)，本文所提圖書館智能管理系統(tǒng)以RFID技術(shù)為核心支持，系統(tǒng)主板采用STM32。系統(tǒng)指令通過無線天線模塊進行及時傳遞，檢測模塊接收信息后與數(shù)據(jù)庫資料進行比對，讀者通過電子偵測門時，凡符合借還書規(guī)范程序的則暢通無阻，未按規(guī)定程序辦理借還書手續(xù)的則收到相關(guān)提醒或發(fā)出告警信號。基于RFID技術(shù)的智能化圖書管理系統(tǒng)不僅可以為讀者的借還書帶來巨大便利，還能大大提升圖書管理員的工作效率，這也是未來圖書館的發(fā)展趨勢。