基于RFID技术的图书馆文献智能管理系统研究

乔雅, 刘洋, 张文都

(陕西交通职业技术学院 1.图书馆，2.建筑与测绘工程学院，3.轨道交通学院,西安 710018)

0 引言

图书馆文献因为种类繁多、数量巨大、借阅周转快捷等特点，其智能化管理迫切的需要一更完善的系统解决方案。据调研分析，很多大型的图书馆的管理已经不再是纯手工的方式，应用了计算机软件技术、条形识别码等，逐步向数字化管理过度。但是数字化管理水平还不高，当前的图书馆文献管理存在借还、查找、盘点效率低的现象，这阻碍了图书馆进一步提高管理和服务水平，因此，应该设计出智能化图书文献管理系统。系统中应用了先进的RFID技术[1-2]，为读者提供更加便利快捷的图书借还书、查询等服务等智能化服务，实现全信息化流程的统一管理，提高了图书馆管理效率。

1 RFID技术原理

RFID技术主要是由电子标签、天线和读写器组成的。其中电子标签主要是由耦合元件和芯片两个部分构成。每一个不同的电子标签都对应着不同的电子编码，在电子标签当中详细存储着物品的信息。其中对电子标签进行详细分析，可以将电子标签详细划分为有源和无源标签两种。读写器，读写器的主要功能是读取存储在电子标签内部的关于物品的详细信息，一般而言可以将读写器划分为手持读写器和固定式读写器。天线的起到了中介作用，其主要作用是传递射频信号，进而确保RFID读写器能够准确、及时的读取存放在电子标签内部的关于物品的信息。此外，RFID系统在使用的过程中还能够进行梳理处理、数据存储等工作，并实现对电子标签的读写控制。

2 系统整体架构设计

2.1 网络结构

基于射频识别(RFID)的高校图书馆文献智能管理系统，其应用的主要环境是图书馆，其网络结构见图,如图1所示。

2.2 系统整体架构

图书馆文献智能管理系统基于物联网技术架构模型，该系统的主要功能是文献管理及安全监控，整体结构图如图2所示。

无线ZigBee通信网络选择CC2530F256芯片，在芯片的内部有一个周期的8051内核，并且还装了性能很高的射频收发器。设计芯片选择了低电压和低功耗设计，在系统内部装置了256KB的系统编程Flash。

图1 系统整体网络结构

图2 图书馆文献智能管理系统整体架构图

2.3 系统功能详细设计

基于RFID技术的图书馆文献智能管理系统，主要是将文献的相关信息存储在RFID电子标签中，通过RFID阅读器读取RFID电子标签、读者的RFID一卡通借书证上的信息，借助于图书馆后台管理模块集成文献智能管理系统[3-4]，实现文献上架管理模块、文献借还管理、定位管理、安全监控模块，具体如下所述。

1) 文献上架管理模块

在文献上架之前，图书馆文献管理人员需要登陆图书馆文献智能管理系统，将文献的类别等信息输入系统中，并对RFID标签信息进行绑定，在标签上写入数据并将这些数据存储到数据库当中，完成电子标签黏贴；系统对文献进行空间分配，对文献发出入库指令之后读取文献的信息，通过计算机总线传输给文献管理人员；按照系统指定的位置放置文献之后，RFID阅读器对RFID标签进行识别，并将识别结果反馈到管理系统中，这样文献上架操作就完成了。

2) 文献借还管理

借还管理模块主要是实现读者对于文献的借还操作。读者带着借阅的文献离开图书馆时，可以通过RFID一卡通安全通过门禁，安装在门禁处的RFID 阅读器会对RFID一卡通中的信息进行自动识别，判别读者身份的有效性及是否借阅了该文献，如果信息正确符合借阅条件则读者可以成功借阅顺利通过门禁；如果信息不符则读者不能通过门禁，门禁系统会自动发出警报。借阅成功之后，图书馆系统会采用电子邮件的方式将借阅信息发送给读者。

3) 文献定位管理

定点定位的文献管理系统有利于提高文献使用效率,对文献存放架进行改造，在每一层上都安装阅读器，每一个文献盒上黏贴RFID电子标签。在文献盒放到文献存放架上时，文献盒的信息能够被系统主动识别，并将其信息传输到后台服务器，如果文献没有被放置在指定的位置，系统文献存放架指示灯能够指出位置错误，并在后台系统中进行提示，避免因为随意放置引起管理混乱的情况；在文献盒被取走之后，系统通过扫描也能够及时获取文献盒离位信息。需要对文献进行定位时，在WEB完成查询后，位于文献处的文献灯会亮，这样可以方便对用户进行迅速定位。

4) 安全管理模块

安全管理模块主要有两方面的功能，一是，摄像头；二是，门禁管理。利用物联网技术对图书馆进行全方位的视频监控，预防安全事故发生，视频监控系统通过分布于图书馆内部和周边的摄像头；门禁管理通过RFID系统实现，相关人员进入图书馆需要进行RFID身份认证。摄像头采用的是威士达康科公司出品的C7837WIP摄像头，该摄像头内置ARM926440MHz和高速视频协处理器，采集的数据采用WPS安全加密，具有CBR/VBR两种码率控制模式，且输出码率范围为128～4 096 kbps。

3 RFID系统设计

3.1 电子标签的选择

RFID电子标签的参数选择由系统设计决定的，本系统中的RFID电子标签选择GAO 116058，它由常州高特科技公司生产，是一种超高频长条状抗金属标签，具有性价比高、读卡距离远、防冲突性能好等优点。

3.2 多天线循环扫描读写器的整体设计

多天线循环扫描读写器的逻辑框图,如图3所示。

图3 多天线循环扫阅读器逻辑框图

读写器包括天线模块、RFID天线切换模块、RFID读卡模块、核心控制模块四部分，天线模块包含多个天线，通过RFID天线切换模块循环实现不同天线之间的切换。

多天线读写器的硬件部分包括主控芯片MC9S08AW60、RFID射频芯片(TRF7970A)，射频切换开关(AS179-92LF)及周边元器件，程序的设计以主控芯片MC9S08AW60为主，设计的阅读器整体硬件结构,如图4所示。

图4 多天线阅读条整体架构

每个天线的尺寸为6*8，因此左右两侧天线板长度都是48 cm，再加上之间的空虚，其长度共1m，为了实现两块电路板的无缝对接，需将主控板单独开板，并用排针连接两块天线板，如图中“○”所示，在每块天线板的靠里侧各安排一个天线，合并出的2个天线的空间满足主控板的布板需求。

3.3 多天线读写器嵌入式软件设计

(1) 主控MCU和TRF7970A数据通信

MC9S08AW60与TRF7960之间可以采用SPI或并行通信方式，在设计时采用SPI接口。

(2) TRF7970A射频识别流程

TRF7970A芯片内部具有发送器模拟单元和发送器数字单元、接收器的数字模拟单元。

接收器包括：AGC增益和滤波、数字输出处理模块、RF探测进程及RSSI测量单元(测量信号强度)。发送器的数字单元包含一个128字节的FIFO缓冲区，该缓冲区可以接收微控制器的数据，接收之后在这些数据中添加SOF、EOF等特殊信号，根据协议微控制器发送数字信号命令至芯片TRF7970A。TRF7970A芯片的射频识别工作流程,如图5所示。

图5 完整的射频识别工作流程图

3.4 读写器的工作方式

当前的RFID标签包括有源和无源，本系统采用的是无源RFID标签，采用跳频工作模式，抗干扰能力较好，通常情况下，电子标签处于无源状态不进行工作，而读写器在RTF(Reader Talks First，读写器先发言)模式下工作，读写器发出能量在无源RFID标签接收范围之内时，电子标签便进入“接收”状态，接收读写器发出的命令之后进行相应的处理，处理结果返回读写器。

3.5 防碰撞技术

由于图书馆中文献较多，RFID读写器可能会出现同时读取多个标签信息的现象，这些信息在接收过程中可能会发生冲突，因此，系统设计时需要采取防碰撞技术，如果没有防碰撞功能可能会出现读取错误的情况，目前，根据ISO 18000 Type A标准规定防碰撞技术可以采用使用Aloha算法及二进制树搜索算法，本系统选择自适应Aloha算法[5]。

4 系统实现与测试

4.1 系统实现

系统基于物联网技术架构模型，采用 Visual C++技术和ADO技术，对RFID阅读器对电子标签的读写及系统的各个流程进行设计，包括文献的上架流程、借还流程、定位流程等，以自动还文献为例进行论述。自动还文献时，不需要对读者的RFID卡信息进行判断。自动还书功能的实现如下所示。

BOOL scancard(int num,string fid,string uid){if(num==0){//如果读者身上没有携带任何附加电子标签的物件,则放行。return true;}for(int i=0;i

4.2 系统软硬件测试结果

针对系统设计的RFID系统测试其读卡功能，读卡器供电电压为+3.3 V，使用 ISO14443_A协议在空旷环境下识别高频电子标签时，测试500次之后取平均值，得到的测试结果为：读卡相应时间为20 mS，读卡上下距离(标签正对读卡器天线的距离)为5.75 cm，读卡左右距离(标签离读卡器天线边缘的距离)为4.25 cm，读卡正确率达到了99.9%。

5 总结

随着信息技术的发展，图书馆文献管理的智能化水平不断提高，由于条形码在应用过程中智能化水平不高，导致图书馆管理人员的工作量较大，而RFID技术的出现，尤其是随着RFID电子标签、计算机技术及无线电技术的不断成熟，使得图书馆文献管理的智能化水平大大提高。文章基于RFID技术设计了图书馆文献智能管理系统，为图书馆文献的智能管理提供了一个平台，方便读者文献的借阅，应用价值较高。