基于RFID与XBEE的CIRCLE智慧图书馆的设计与开发*

胡泰然，曹鹏彬，陈绪兵,2

(1. 武汉工程大学 机电工程学院，湖北 武汉 430200； 2. 东莞市华科制造工程研究院有限公司，广东 东莞 523000)



基于RFID与XBEE的CIRCLE智慧图书馆的设计与开发*

胡泰然1，曹鹏彬1，陈绪兵1,2

(1. 武汉工程大学 机电工程学院，湖北 武汉 430200； 2. 东莞市华科制造工程研究院有限公司，广东 东莞 523000)

为了解决传统图书馆智能程度低、管理模式落后、借书效率低下等问题，基于RFID和XBEE，将物联网创新技术应用到图书馆系统中，提出了CIRCLE智慧图书馆的一整套解决方案。该方案包括智能门禁、环境监测、智能监控、智能安防、智能借阅以及座位管理系统，同时以云端数据为中心，通过B/S与C/S多方面交互集成，实现了设备智能调控、信息多平台管理、数据实时监测和座位智能管理等功能。

CIRCLE智慧图书馆;RFID;XBEE;物联网

0 引言

近年来，物联网技术飞速发展，物联网技术以智能家居为载体逐渐走进千家万户，随着“物联网”时代的来临，射频识别(RFID)与ZigBee分别作为物联网应用的核心支撑技术之一，得到了业界的广泛认可和关注[1]。目前RFID技术也正被大量运用在各种物联网应用中，涵盖了物流、仓库管理、安全访问、目标监测等多个领域。ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信新技术[2]，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以满足对小型廉价设备的无线联网和控制。本系统所采用的XBEE是复合IEEE 802.15.4的标准Zigbee产品，为此系统的无线通信提供了条件[3]。

物联网在图书馆的应用，目前主要集中在基于RFID技术对馆藏进行智能管理。1998年美国洛克菲勒大学图书馆率先安装了RFID系统，2002年新加坡国家图书馆在世界上首次采用了RFID技术的图书管理系统，随后美国、德国、荷兰、英国等国的图书馆也相继使用。当前，我国图书馆由于各种原因，RFID技术还没有能够实现广泛应用，尤其是在高等院校的图书馆，具体体现在RFID标准不统一且互不兼容，RFID技术应用不稳定，图书损坏监管不及时甚至无法识别，与图书馆传统系统整合有难度，读者自动识别与进出馆记录有待完善。同时，随着我国相关企业对解码技术、读写器以及芯片的制造技术越来越熟悉后，RFID技术成本也会越来越低。从长远的角度来看，基于RFID技术的智能图书馆是图书馆今后的发展趋势[4]。

高校图书馆座位资源短缺问题多年来一直存在，为此图书馆很早就在尝试使用各种不同的方法来解决占座问题[5]。有些图书馆提出了采用计算机硬件实现对图书馆座位的管理，但以硬件技术为主开发的座位管理系统存在成本高、功能弱、系统扩展性差等问题[6]。近年来，一些图书馆开始转向采用软件技术实现座位管理，有些图书馆还使用指纹来替代校园卡。

针对国内外RFID的研究现状以及现有RFID图书馆系统功能不够完善的问题，本文采用了RFID和XBEE技术设计的CIRCLE智慧图书馆系统，针对图书馆的借书方式、管理方式、运作模式进行了革命性创新。对图书馆的环境运用物联网的思想，融入XBEE技术将一切可控制及监测设备进行联网云端统一控制、调节[7]，大大改善了图书馆的阅读环境和自习室的使用状态，将智能、人性化等因素充分考虑进去，真正地将智慧生活体现在图书馆中。

1 CIRCLE智慧图书馆的系统方案及功能

1.1 系统方案

CIRCLE智慧图书馆是一整套基于物联网技术的数字化智慧图书馆服务系统。从系统功能来说，智慧图书馆主要由四大系统组成：基于NFC技术和二维码识别的门禁系统、基于XBEE图书馆智能化管理系统、基于RFID的图书自助借阅系统、自习室座位管理系统。从系统架构及通讯方式来看，整个智慧图书馆的系统又分为两大块：一是入馆出馆系统，该块有少量的通信和控制，传输的数据量较小；二是智能控制系统，通过智能控制中心，实现各个机构的正常运作。根据设计方案设计出系统的结构图，各部分之间的联系如图1所示。

图1 智能图书馆系统方案结构

1.2 系统功能

智慧图书馆的系统包括：智能门禁系统、环境检测系统、智能监控系统、智能安防系统、智能借阅系统、座位管理系统，如图2所示。该系统采用物联网思想和云端概念，所有数据都通过云端数据中心进行处理和存储，实现整个系统的稳定和各个终端的数据同步。

图2 系统整体功能图

智慧图书馆的具体功能如下：

(1)智能门禁系统：带有NFC标签的学生卡刷卡或者手机APP合成的二维码，进行扫描身份识别。

(2)环境监测系统：在各层借阅室，自习室，电子阅览室中安装温湿度传感器、PM2.5探测器，传感器将检测的信息上传至云端。

(3)智能监控系统：通过无线IP摄像头，将室内信息上传至云端。

(4)智能安防系统：室内安装了烟雾传感器、声光报警器，一旦室内发生火灾，立即报警并发出警鸣，同时室内安装有门磁和人体红外传感器，配合声光报警器联动报警。

(5)智能借阅系统：出口处安装超高频RFID模块，贴有UHF电子标签的书籍出馆时会被自动扫描，并在显示屏上显示，刷卡确认借阅离馆即可。同时进行了图书信息编码的改造，采用地区、书架、层三级编码，使借书还书更加快捷方便。

(6)座位管理系统：在自习室门口设置取号机，读者刷卡或者刷APP生成的二维码获取对应的座位号，在取号机屏幕上显示并同步至各个终端，保证学生的权益同时提高了自习室的利用率。

2 系统方案软硬件的设计与实现

2.1 信息传送处理中心

采用RaspberryPi2作为协调器，嵌入Linux操作系统，接收各个节点发送过来的数据，构成信息传送处理中心。协调器将接收到的信息传至云端，同时接收服务器传来的指令，转发给对应的节点。

2.2 系统硬件终端

(1)数据采集终端

终端节点是四个以XBEE模块为核心的无线传输设备，分别通过STC12C5A60S2单片机连接AM2301/DHT21电容式数字温湿度传感器、MQ-2可燃气体传感器、烟雾传感器以及光敏传感器。整个模块就是采集数据并利用XBEE与协调器进行通信。

(2)安防系统终端

安防系统硬件终端包括IP摄像头和以XBEE为核心的无线传输模块，通过单片机连接人体红外传感器、声光报警器和门磁感应器等。IP摄像头直接通过WLAN接入安防网络中，其他模块则通过XBEE与协调器进行通信。

(3)图书数据的采集与识别控制终端硬件

通过RFID读写模块将图书信息写入电子标签中，并上传至云端。借阅时，通过RFID读写器模块对图书上标签进行扫描，将信息显示在显示屏上，最后刷卡或者扫描APP中个人二维码确认借阅。

2.3 软件的设计流程

图3 系统软件流程

根据图书馆各项监测、数据传输的需求，设计了图3所示的软件流程。

系统启动后，Raspberry Pi协调器开始搜索馆内所有XBEE节点，进行匹配、组网，组网成功后，每15 s向节点请求一次数据，遇到突发情况或者读者刷卡进馆、借书出馆、自习室作为请求等，节点主动向协调器发送数据，然后由协调器将数据上传服务器进行处理下发控制指令。

3 系统测试结果与分析

3.1 系统节点测试

完成设计后对各个模块进行了测试，测试方法如下:

(1)智能门禁系统的测试

RFID读卡器：在给读卡器供电后之后，将读卡器的数据线接入同XBEE开发板的普通I/O口上，在刷卡之后，会将该卡的ID号序列通过UART将其显示在PC机上。

门紧锁：用直流电源给门禁锁供电，然后用XBEE的I/O口上的高低电平通过控制电磁继电器来选通门禁锁的工作电流。

(2)智能监测系统的测试

温湿度传感器：给温湿度传感器供电之后，将其数据线接入XBEE的I/O口上，通过UART将其所采集的温度和湿度的数据上传至云端。

MQ-2传感器：给其供电之后，将其数据线接在示波器上，然后将打火机里面的液化气释放在该传感器的周围，当达到一定浓度后，示波器原来显示的高电平会降低。

IP摄像头：将摄像头供电后，将其数据接入XBEE的I/O口上，通过UART将其采集数据上传至云端，并监控。

(3)智能借阅系统的测试

UHF RFID读写模块：将模块供电之后，将模块的数据接入XBEE开发板的普通I/O口上，在扫描电子标签后，会将标签信息显示在PC机上，上传至云端。

NFC读写模块测试：将NFC供电后，将模块的数据接入XBEE的开发板的普通I/O口上，在扫描校园卡后，信息会通过XBEE传送至协调器，最后保存至云端服务器。

(4)XBEE传输距离的测试

对XBEE进行传输距离的测量采用固定一点，移动另一点，实时查看通信状况。

3.2 系统节点测试

(1)软件简介

CIRCLE智慧图书馆是一款在保留传统图书馆基本功能的基础上加以改进的手机软件。软件基于Android系统开发，支持实时图书信息查询、图书续借、二维码合成、扫码验证进入图书馆等多项便捷功能。后期迭代升级会支持监控功能，馆内实时信息推送等功能。这是一款改善图书馆功能和服务的便捷软件，软件的开发会积极采集读者的需求并进行改进。

(2)软件功能

2.4 药物不良反应 所有患儿治疗前后肝肾功能、尿常规、心电图无明显变化，观察组患儿未见服用顺尔宁引起的不良反应。

软件提供了图书查询、借书查询、最新动态、免证入馆等功能。学生通过学号登录后即可查询各种信息以及生成验证二维码以通过图书馆门禁系统。APP应用功能如图4所示。

图4 APP应用功能

3.3 Web使用说明

进入library.itjesse.cn页面，通过权限账号登录智慧图书馆界面可进行操作，如图5所示。同时可以在界面上查询环境监测的各项数据(温湿度、PM2.5、光强、烟雾等)，并且还可以查询到人体红外、痛风扇、门磁传感器、声光报警器的状态以及摄像头的监控画面。

图5 智慧图书馆总览界面

3.4 图书录入和借阅使用说明

在有新书籍录入或有需要更改的旧书籍时，为了便于图书管理员的录入，开发了相应的Web端录入系统，只需要经过3个步骤即可快速完成图书的录入管理，操作方法如下：

(1)进入初始页面，将新的贴有RFID标签的书籍放在RFID读取天线上面读取标签的信息；

(2)将图书信息按照ISBN、出版社、书名、图样、简介和作者写入，或者直接扫描条码自动填入，确认信息无误后提交即完成图书录入；

(3)打开相关图书便可查询录入的图书信息及入库时间，可以随时进行修改。

借书功能是本图书馆系统最大特色之一，完全实现了书籍自助借阅与书籍快速借阅的目的，将Web界面开发成简洁易操作的模式，使读者容易使用该套系统，操作方式如下：

(1)将书籍放在装有天线的闸机上，闸机上显示屏会显示当前所借的书籍信息；

(2)设置了借书上限为5本，如果超过会提示错误，需要重新进行扫描；

(3)确认书籍信息后，刷校园卡或者使用APP中的二维码来开启闸机离开，借书即完成。

4 结论

本文依据国内外图书馆的现状，提出了基于RFID与XBEE的CIRCLE智慧图书馆一整套解决方案，实现了对馆内环境(温湿度、光强、PM2.5、烟雾等)的监测、馆内的安防控制等，同时融合了B/S和B/S架构，分别开发了Web端、PC管理端和手机APP三种终端，实现了书籍快速录入、自助借阅平台、手机APP取代校园卡等功能，读者能实时在APP或者Web端查看当前借阅信息以及馆内环境安防信息，管理人员能通过Web端查看当前状态并对图书馆进行管理。

[1] 谢磊,殷亚凤,陈曦，等.RFID数据管理:算法、协议与性能评测[J].计算机学报,2013,36(3):457-470.

[2] 杨玮, 吕科, 张栋, 等. 基于ZigBee技术的温室无线智能控制终端开发[J]. 农业工程学报, 2010，26(3): 198-202.

[3] RYOO J, CHOO J, CHOO H. Novel UHF RFID Tag antenna for metallic foil packages[J]. Antennas and Propagation, 2012, 60(1): 377-379.

[4] 陈嘉懿. 智慧图书馆的构建之道——浅谈高校图书馆RFID技术应用新思路[J]. 大学图书馆学报, 2013，31(1): 54-58.

[5] 胡晶宇,付志远,陈绪兵，等.基于RFID的图书馆自习室座位管理系统的研究[J].现代电子技术,2014,37(20):38-40.

[6] 王孝亮, 胡军, 王威, 等. 图书馆座位在线预约系统的设计与实现——以中国药科大学图书馆为例[J]. 农业图书情报学刊, 2014, 26(5): 36-39.

[7] 唐广耀,李勇,张以帅,等. 基于RFID与PLC的仓储物流系统设计[J]. 微型机与应用,2016,35(8):89-92.

2017年SISS上海国际智能工业解决方案研讨会暨展览会圆满落幕

第二届SISS上海国际智能工业解决方案研讨会暨展览会已于6月29日圆满闭幕，为期三天的研讨会云集中外各地的工业自动化行业专家，聚首交流及展望中国相关市场的发展趋势。本届研讨会再度由上海浦东国际展览公司、广州光亚法兰克福展览有限公司和德国美赛高法兰克福展览有限公司携手呈献，为华东地区带来一站式的智能工业生产交流平台。

今年SISS研讨会共获得391位专业观众莅临参与，与会者包括智能工业生产行业的决策阶层、资深经理及专业工程师等，来自中外六个国家。研讨会邀请多位工业自动化专家主讲，讨论题目超过50个，内容涵盖业内多个领域。除研讨会之外，今年大会继续设立专门的智能工业解决方案展示区，展出贝加莱自动化、倍福中国和菲尼克斯电气等行业巨擘在工业自动化、智能生产和解决方案等相关领域的产品及服务，促进业界交流。

(法兰克福展览公司供稿)

Design and development of CIRCLE wisdom library based on RFID & XBEE

Hu Tairan1，Cao Pengbin1，Chen Xubing1,2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205, China;
2. DG-HUST Manufacturing Engineeting Institute Co.,Ltd., Dongguan 523000, China)

In order to solve the problem of the traditional library such as the low-level intelligence, outdated management mode and inefficient borrow books etc., this article proposes a complete solution of CIRCLE wisdom library based on RFID & XBEE by using innovative technology of Internet of Things into library system. The solution includes the systems of intelligent entrance guard, environmental monitoring, intelligent supervisory, intelligent borrowing and seat-management. Meanwhile, it focuses on Cloud database and achieves the function of intelligent equipment control, multi-platform information management, real-time data monitoring and so on by various interactive integration of B/S and C/S.

CIRCLE wisdom library; RFID; XBEE; Internet of Things

广东省第一批战略新兴产业发展专项基金项目(2011168027)；武汉工程大学第八届研究生教育创新基金(CX2016028)

TP368.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.14.030

胡泰然，曹鹏彬，陈绪兵.基于RFID与XBEE的CIRCLE智慧图书馆的设计与开发[J].微型机与应用，2017,36(14)：98-101.

2016-12-28)

胡泰然(1993-)，男，硕士，主要研究方向：物联网技术及应用。

曹鹏彬(1974-)，通信作者，女，博士，副教授，主要研究方向：智能机器人、机电系统智能控制。E-mail: caopengbin@wit.edu.cn。