基于单片机的无线图书借阅系统设计

袁连余

（盐城生物工程高等职业技术学校，224051）

0 引言

目前，国内大多数图书馆中图书借记终端较少（一般为2-5台），且图书借记工作大都需要图书馆工作人员参与完成。本文设计一套智能化自助式图书借记系统。该系统包含一个主控存储中心、多个图书借记网点，各网点与主控存储中心之间采用无线方式进行数据传输，可实现多网点、24小时自助服务。

1 系统总体设计

本系统拟以微控制器芯片为核心搭建各服务网点。各网点以便携式可移动设备形式实现，具有独立的自助借书还书功能，并可以将读者信息、借书还书信息等通过无线网络发送

给控制存储中心存储。

本文所设计的自助式图书借记系统整体框图如图1所示：

假设图书馆共分三层，每层配置5台图书借记终端，每台借记终端都可以独立工作，实现自助借书还书功能。每台借记终端读取到读者信息、借书还书信息后首先进行本地存储，然后三层共15台借记终端（1-15号）按照规定好的时间顺序依次向控制存储中心中借记终端（0号）发送读者借记信息，0号借记终端将收到的借记信息通过RS232串口发送给图书管理系统。

2 硬件设计

2.1 硬件选型

1）微控制器

微控制器芯片是智能化自助式图书借记系统的核心器件，其性能的好坏直接影响到整个系统的性能，在其型号的选择上要考虑到它的价格、运算速度、内存量等方面。可供选择的微控制器有单片机、FPGA、DSP、ARM 等。

单片机具有较高的运算速度，C 语言编程，有利于程序开发和移植，控制功能很强，且体积小、价格低、功耗低，但是一般的单片机内存和通用寄存器都不太丰富[1]。考虑到上述因素，本系统选取内存（256K）较大的STM32F103作为核心芯片。此款芯片片上外设丰富，可大大减少系统电路中除处理器以外的元器件配置，精减系统成本，256K 内存可用来存储读者借书还书信息。

2）无线通讯模块

目前，六种无线网络技术正在成为业界讨论的热点，它们分别是无线局域网（Wi-Fi）、超宽带通信（UWB）、近场通信（NFC）、蓝牙（Bluetooth）、红外线数据通信IrDA 和Zigbee 技术[2]。Zigbee 联盟制定的Zigbee 方式与其他无线数据传输方式相比，具有功耗低、数据传输可靠、兼容性好、实现成本低、组网方便等优点，非常适合低成本、且对传输速率要求不高的无线网络。因此，本文选取Zigbee 方式进行无线数据传输。

图1 系统整体框图

图2 无线模块与单片机连接图

图3 AT86RF212外围硬件电路

图4 软件流程图

图5 串口接收信息

本系统中，无线Zigbee模块选择AT86RF212。它是一款专为低成本的IEEE802.15.4标准Zigbee 技术与高数据传输率的ISM 应用而设计的低功耗、低电压700/800/900MHz 频段收发器。单片AT86RF212收发器提供了天线和微控制器间的完整接口，包括时间和频率同步的数字调制和解调，以及数据缓冲功能，且与微控制器的接口为同步串行SPI 接口，保证了与微控制器的快速通信。芯片的接受灵敏度高达-110DBm，可编程TX 输出功率高达+10DBm，工作电压从1.8V 到3.6V，保证了数据的高传输速率和低功耗性能。芯片的上述特性满足了整个系统对低功耗、低成本、以及数据传输速率的要求；简单的外围电路可以降低硬件设计的难度，加快开发的进度。

2.2 硬件系统设计

用单片机进行信息收发处理需经过RS232以及SPI 接口。STM32F103包含2个SPI 同步串行接口（18Mb/s），3个USART 异步串行接口（4.5Mb/s）。RS232接口只需外接电瓶转换芯片后即可与PC 机或条形码扫描仪相连，电路比较简单，这里不再赘述。下面主要介绍Zigbee 无线通信模块的实现。

在此模块设计中，用到的芯片主要包括微控制器主控芯片STM32F103VCT6、AT86RF212。AT86RF212与主控芯片采用SPI总线接口方式，在这种模式下，主控芯片与Zigbee 芯片只要几根线就能够完成复杂的通信。STM32F103VCT6与AT86RF212的SPI总线连接图如图2所示。

选择STM32F103VCT6为SPI主模式，AT86RF212为SPI 从模式，在SPI 总线模式下的配置复用输入输出接口的PA5、PA6、PA7、PE12分别为SCLK、MISO、MOSI、SCS（SPI 从模式低电平有效）信号线直接相连，并且软件配置管脚的输出速度为50MHz，SPI 速率为4.5MHz，STM32F103通过SPI 端口对Zigbee 芯片进行读写操作和相应配置。其中Zigbee 通信模块AT86RF212外围硬件电路图如图3所示：

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括单片机与PC 机程序编写。其中PC机中软件只需把由串口接收到的信息接入已有的图书馆管理系统即可，下面主要介绍单片机中程序编写。

本系统中设置1-15号设备按照规定好的时间顺序向0号设备发送信息。1-15号设备需要根据不同的输入信息做出不同后续动作，具体软件流程如图4所示：

上电初始化后条形码扫描仪一直处于工作状态，读者借书或者还书时首先扫描自己的图书馆证件进行身份识别，身份识别成功后输入需要结借书数量N，然后依次扫描录入N本图书条形码信息。扫描完成后借记终端存储读者借记信息，判断是否可以向控制存储中心发送，同时继续读取借记信息。若判断结果为不可以向外发送则继续判断，直至可以向外发送时使能Zigbee 无线模块，向外发送存储好的借记信息，发送成功后清空已成功发送的借记信息所占存储区域。

4 实验分析

本文所述智能自助式图书借记系统已完成借记终端硬件设计实现工作，可以根据作者预先设定好的规则录入读者信息，书本条形码信息等。仿真过程中，在教学楼内一至三层楼道内分别布置了5台终端，三层共15台图书借记终端，控制存储中心设于一层实验室内。预设15台设备以15分钟为一周期，轮流向控制中心发送数据，即每台借记终端间隔15分钟发送一次数据，每次发送时间一分钟，一分钟后关闭本设备Zigbee 无线模块，并使能下一设备无线模块。0号机的串口调试助手接收信息如图5所示：

图5中显示读者test（ID：aa）从本系统借书一本（Num：1），借出书籍条形码信息为45465476882。系统仿真实验结果显示上位机可以准确完整的接收到借记终端发出的借记信息，只需将相应信息接入已有图书馆管理系统数据库，即可实现24小时自助借记服务。

5 结论

本文所述基于微控制器与无线模块设计的智能图书借记系统可以实现24小时自助借书还书服务。图书馆若需实现自主借书还书功能，只需将本系统中与PC 相连借记终端输出信息接入已有图书管理系统即可。要实现扩展功能只需添适量借记终端并修改原有发送时间周期。后续工作主要是结合实际情况，对该系统进行优化升级，进一步完善系统功能。如：修改无线通信模式，使各借记终端直接接入以太网（如Wi-Fi）并受控于图书管理系统；外接液晶显示屏方便实时本地查看图书借记信息等。

[1]何秋生，杨希卓，张邵敏，卞梦超.基于单片机的无线远程实时显示系统[J].自动化技术与应用，2011，30（12）：17-20.

[2]顾瑞红，张宏科.基于ZigBee的无线网络技术及其应用[J].电子技术应用，2005，31（6）：89-95.