基于超高频RFID技术的联合体数字图书管理系统的研究与设计

张骄 姜军 沈家辉 唐健健

摘要：随着教育和经济的发展，中國受教育人数和国民平均阅读量逐年上升，对图书资源的需求也随之增大，图书馆作为信息传播和知识辐射的重要基地，为国家文化教育科研发展提供知识保障。旧式的图书馆管理技术和管理系统已经不能满足广大读者的需求。今天RFID技术和互联网技术已经相当成熟，我们将这两种先进的技术融合，构建基于RFID技术的图书管理系统，探索出适合我国教育背景的图书管理方法，实现真正的知识共享。

关键词：RFID技术;互联网;移动借阅;大数据;图书管理;物联网

1.引言

近年来，随着人均阅读量的增加，大型图书馆高速发展，现在大多数的图书馆还是以图书管理员为主，图书系统为辅。图书资源浩如烟海，图书馆管理员承担了购买，整理，咨询，清点，借阅，等繁杂的工作，一个图书馆管理员毕竟知识和能力有限，不可能对所有专业所有知识领域都有所了解那就跟更谈不上精通，所以不可能满足对兴趣和需求不同的读者做到个性化服务[1]。今天RFID技术目前已经相当成熟，利用RFID技术建立新型管理系统，轻松实现图书分类、图书扫描、图书定位、图书错架丢失统计、图书借阅、图书清点，已借图书归还、续借、图书记录查询、24小时自动借还服务等服务难题。同时读者对于图书馆专业图书的库存和上架数量很不满足，因为一个图书馆同一专业的图书数量有限，同时一些科研单位的图书馆中的一些专业图书少有人问津，读者和图书都不可能突破时空的限制，以上这些都是我们不得不承认的现实[2]。目前将RFID技术应用于图书馆的普及率不到27%，而实现图书馆服务联合体的局部实现也只有北京高校图书馆联合体，全市图书馆联合体计划也只有厦门市提出并且还未实现[3]。能将超高频RFID技术和互联网技术两项技术融合的图书馆还没有得到过准确的报道。在国内基于超高频RFID技术的图书馆联合体系统还处于空白，但是对于图书资源共享和实时了解图书馆存情况的需求没有得到有效的解决办法，所以我们设计了基于RFID技术的联合体图书管理系统。

2.系统功能模块的介绍

2.1RFID概述

射频识别是无线电频识别（Radio Frequency Identification，RFID）的简称，即通过无线电波进行识别，一种无线通信技术，利用射频信号空间祸合，实现对被识别物体的自动识别和数据信息交换。识别过程不需要物理接触，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据。RFID技术可以实现对运动目标和多目标的识别。同时RFID标签（应答器）可以读写携带大量数据，保密性极强，可以适应特别严酷的环境如多灰尘，有泥渍等。

RFID应用系统由应答器，阅读器和高层等部件组成，如图所示：

标签通常是由一组耦合原件与一个电子芯片组成，应答器与阅读器的电感耦合方式如下图：

2.2基于“互联网+图书馆管理”技术的联合体图书馆

互联网可谓是这个时代的主流词，人们越来越依赖互联网，人们在互联网上购物，点餐，甚至借助互联网出行，随着互联网的普及，将来许多事情都能依托互联网实现，图书管理也不例外，如果互联网+技术应用在图书管理上，图书资源的流通和利用率将大大提升。成员图书馆资源得到整合，联合体图书馆也将得到实现和普及。

2.3大数据技术提升完善图书馆系统功能

大数据（BIG DATA）技术采用分布式架构，能对海量数据进行分布式数据挖掘，依托云计算的分布式处理，分布式数据库，云存储，虚拟化技术经过特殊的技术，以有效地处理大量的容忍经过时间内的数据。实现大规模并行处理数据库。处理分布式文件，联通互联网实现可扩展的存储。从而提高对数据的加工。

图书馆本来就是一个集教学和科研的知识载体，是一个巨大的信息库，信息时代的到来帮助图书馆进行了有效的信息化管理服务的建设，利用大数据技术，我们可以实现对当前的海量的图书数据进行存储、挖掘、分析、整理，将所有繁杂的图书数据信息都进行分析和整体运算，形成一个完整的数据库供人们所用，提高图书馆对大量、复杂的图书的管理能力。能够有效地发挥图书馆在广泛与深刻地进行信息传播的作用，体现出现代图书馆资源数字化的特点，实现真正网络化的信息传递与交流，实现全市图书资源共建、共享，让其发挥最大的社会效益和教育意义，因此大数据技术应用于联合体图书馆系统是非常必要的。

3.构建RFID技术的成员图书馆系统

3.1进馆身份确认原理

基于RFID技术的底层系统旨在产生开放式智能成员图书馆，在人口处不设门禁，可携带已借图书馆书籍进入馆内阅读，解除了普通图书馆对带入书籍的限制，方便了需要准备考试和复习阅读的人群。

首先读者需要在手机移动端APP上输入书籍名称或编号，以查询书籍状态（是否可借）和所在书架号。确认可借后方可在APP上申请借书，申请后待系统后端确认读者信息（身份确认）和书籍信息 （书籍名和所在书架号）后，RFID系统下的成员图书馆数据库与APP后台数据库同时更新，数据库得到更改。书籍信息和读者信息实现对接。还书则通过RFID书架机进行标签确认，标签确认完之后进行读书定位，如果标签和位置信息都正确则还书成功。然后成员图书馆的RFID数据库和APP后台数据库实现更新。移动端后台数据库更新后，数据更新的时候大数据分析中心将进行计算分析。APP页面将显示还书成功，并显示可以在借书籍数量，推送你可能喜欢的书系。

3.2出馆工作原理

当读者距离图书馆门口3米的距离时候，RFID图书管理系统的出馆子系统将激活读卡器群对读者进行360度检测。如果检测到读者携带标签，子系统将标签信息返回成员图书馆中心，图书馆系统中心核对数据库，如果数据库核对信息为已借，则读者顺利通过，如果为未借，出馆子系统发出语音提示，同时管理员系统提示图书管理员进行处理，子系统也会向手机移动端传递出馆数据，手机发出短信提示。如果读者强行出馆则手机上留下逃借记录，图书联合体中心将记录下信用不良记录，定期向手机移动端发出还书提示。如果出馆子系统没有检测到标签，读者也可以顺利出馆。

3.3硬件组成

硬件組成主要基于RFID的图书馆自助借还一体化智能书架及出口检测圈系统，柜台先进综合服务系统硬件，成员图书馆主机服务器系统。

3.3.1自助借还一体化智能书架

3.3.1.1自助借还一体化智能书架的功能设计

自助借还一体化智能书架的功能要实现对图书分层，分面，分书架的读取和定位，对错位书籍报警还要实现图书的实时盘点，读者查询，遗失错架报表生成等功能。

3.3.1.2自助借还一体化智能书架的特性要求

工作频率：13.56MHZ

支持协议：ISO15693

检测性能：厚度达2MM以上的图书

单架检测速度：约60本/S，支持多架同时检测

通信接口：TCP/IP

3.3.1.3自助借还一体化智能书架中的超高频RFID电子标签

超高频RFID 电子标签标准统一采用6C或者6D标准：ISO/IEC 18000-6C（63）.ISO/IEC18000-6D（64）频段采用中国频段：840-844MHZ和920-924MHZ

工作距离：统一为1M

开发要求：能供二次开发

3.3.1.4自助借还一体化智能书架中的超高频RFID读卡器

超高频RFID读卡器标准采用ISO/IEC18000-6C标准

读卡器芯片要包括电压控制震荡器，接收滤波器，功率发大器，支持跳频，低级传输编码，低级别解码，数据框架。

读卡器接受信号强度为I和Q信号，能屏蔽附近的干扰频率

3.3.2图书馆系统柜台综合服务硬件和出口检测圈硬件硬件主要包括STM32为主板连接无线模块、网络接口、柜台工作站的PC上位机、出口检测读卡器以及作数据库的SD卡。所示是系统主机硬件框图。

3.3.3成员图书馆主机服务器

成员图书馆的服务器采用联想万全服务器。其配置介绍如下：

处理器：700MHZ

二级缓存：1M/2M

内存：16个DIMM插槽，512MBECCRrgistered SDRAM，16GBSMP

外部系统总线主频：100MHZ

上面是例举了万全服务器的一部分配置，便可以知道服务器可以处理极大的数据量，正好为成员图书馆建立高效的数据通道。并且该服务器的数据恢复能力极强。万一图书馆发生意外。比如火灾等。图书馆就可以恢复数据对照统计损失。最主要的是采用万全服务器联合体控制中心可以实现远程管理。

3.4RFID技术下的成员图书馆的软件设计

由于RFID技术要和互联网技术融合，所以所以所有的程序都采用高效的C语言或者c++语言来编写。程序设计以借还书机程序，读卡器集群控制程序和柜台综合服务程序，成员图书馆数据库管理程序为主。

3.4.1成员图书馆数据库管理程序

数据库管理程序由两部分组成：图书信息数据库与读者信息数据库，两个数据库都同时负责接收存储从读卡器集群系统采集和大数据中心传回来的数据，数据要能实时进行相应处理操作和更新。图书信息数据库的建立：由书籍标签序列号、书籍名称、所在书架号、作者、出版社、出版日期及借阅状态等字段组成;读者信息数据库建立：由身份证登记号、姓名及所借书籍名称、序列号、所在书架号、借阅时间、期限、允许再次借阅的书籍数目、借书信用等字段组成。两个数据库都设计为只有在有权限的条件下进行添加、修改、删除等操作;权限分成员图书馆权限和大数据中心权限。但是成员图书馆和大数据分析中心权限有所不同。数据接收及处理：读取数据由后台线程完成，线程在程序运行时即创建。读卡器集群采集的数据和大数据分析中心传回来的数据存放在程序数据缓冲区中，缓冲区已在程序初始化时分配。缓冲区初始化分配与数据读取同时进行。读取处理后立刻写入数据库中。

4.构建区域联合体图书馆系统

区域联合体数字图书馆联合体是指一定区域内各种类型的图书馆之间，通过多方合作，共享共建的多种资源来提高区域综合能力的图书馆联合体。打破各图书馆资源分割的堡垒，建设整体规划，统一标准，共建共享，共同发展的区域性图书馆联盟，可以发挥不同类型图书馆合作共享后的综合实力，实现优势互补，促进图书馆事业的区域整体发展。

4.1.系统结构图：互联网技术搭建数据通道

4.1.2系统功能模块图

4.1.3借还书系统流程图

4.2搭建基于大数据分析和互联网+中心的联合体图书馆控制中心

4.2.1.大数据和互联网技术下的联合体数字图书馆控制中心的主体设计

建立一个以教育部门主管的独立大数据处理中心。建立规模庞大的并行处理（MMP）数据库（NOSQL数据库为主），完善的数据挖掘电网。以成员图书馆数据库为分布式文件系统。借用云计算平台。并将中心网络接到互联网。大数据控制中心接收三个方向的数据：互联网上的图书数据，成员图书馆的数据，和手机移动端的数据。当数据接收完成后控制中心再进行数据存储、数据挖掘、数据分析。大数据中心系统对海量的非结构化数据、半结构化数据进行数据分析后。进而为国家或一定区域的文化教育科研走向进行分析预测，为单体成员图书馆服务的模式、发展趋势提供分析与预测。为读者看书做出推荐。数字联合图书馆将做到从成员图书馆查找到藏书楼逐层查找的精确查找模式、通过互联网解决人们的阅读需求的大数据图书馆时代，读者通过手机APP或数字联合图书馆网页便可以访问图书馆，查询全市所用图书馆的资源。

4.2.2大数据和互联网技术下的联合体图书馆控制中心的工作原理

大数据和互联网技术下的联合体图书馆控制中心将从成员图书馆数据库和手机移动端数据库提取数据并保存，然后对数据进行加工分析后将整理完的数据传回手机移动端和成员图书馆数据库，在联合体图书馆数据分析中心实现数据的标准和规范、图书馆资源（含声、像、图、文）的通用型加工、语法层次的大容量图书信息自动采集、成员图书馆数据的聚集、超大规模图书资源得以长久保存、归档和存储管理。实现将联合体的图书资源数字化、读者服务网络化、图书管理方管理知识化，图书馆从图书的保管者成为面向服务的信息提供者，从单一纸媒体到多媒体，从本馆收藏到联合体图书馆，从我们到图书馆去到图书馆来到我们中间，从按时提供到及时提供。下面是工作原理图：

4.2.3大数据和互联网技术下的联合体图书馆控制中心的管理方向

主要是信息资源管理（馆藏实体资源和虚拟资源）和人力资源管理（馆员和读者），大数据和互联网技术下的联合体图书馆控制中心提供互联网平台和图书资源信息，完成动态的、主动的服务，通过互联网精确管理，实现为读者找书和为书找读者实现图书馆的可持续发展。

4.2.4大数据和互联网技术下的联合体图书馆控制中心的网络化建设

数字联合体图书馆的的设计就是最大化的满足读者需求和最大范围地传播文化，这就得为读者搭建信息高速公路，以网络化为核心，在有限条件下尽可能开通更多网络接口，增加读者数量，让万千读者可以轻松地透过控制中心下的成员图书馆获取所需的书籍。

网络化包括先进的成员图书馆定位导航系统、适用于TB级数据的高效图书搜索引擎、开发实用的多语言、多文字多渠道个性化用户界面（比如网页 APP 微信小程序），将图书信息资源融通到各种教育信息库，各种数字应用端。完善隐私权保护系统，确保读者隐私得到保护，最终实现联合体图书馆与成员图书馆的集成性服务。

5.具体分析构建基于安卓的读者移动端APP

图书馆APP是联合体数字图书馆的移动终端，APP的设计和功能要符合读者大众要求。达到方便，快捷，实用的目的。

下面是联合体图书馆APP功能设计：

5.1登录

账号和初始密码都是身份证号。甚至凭借APP上的个人信息和有效身份证件不用刷卡也能进入图书馆。

5.2资源检索

各成员馆结合自己的实际情况将馆藏资源链接到APP提供的检索入口里（能够实现跨库检索）。检索设计以OPAC检索为主，OPAC支持大范围图书检索，目前OPAC检索技术是最先进的图书检索技术，检索以书名，作者，出版社，年限为主要检索关键词，系統应该告知离他最近的哪个图书馆有这本书。当进行OPAC检索完毕后，界面提供该书所在图书馆的地图，还可以提供新书的预约、借书排行榜等。还可以提供图书到期提醒联合体控制中心要定期按提供资源被点击的数量给各个成员馆排名，排在前面的可获得政府更多的资金支持。

5.3即时通讯和在线咨询

即时通讯可以提高APP的打开次数，在线咨询可以是图书馆馆员也可以是互联网上的读者像百度知道强调集体智慧。

5.4主动推送信息服务

每个联合体成员馆都有权限推送信息，并且联合体控制中心有权进行管理，消息以大数据分析的结果为主，但只限于一定范围内的IP地址。推送频率有限制。这里推送的是图书馆日常信息如开闭馆时间、馆藏介绍、讲座通知和最火图书年度好书等。

5.5组建读者社区

读者社区以QQ微信等主流社交软件为依托，共同制定行为规范、进行信息交流。社区的功能主要为：读书心得交流，图书馆管理建议，知名作家讨论，发现图书错误，读者作家畅谈吧等。社区的主要作用在于帮助用户完成信息分享、兴趣交流、情感沟通、合作探索和知名作家追踪。联合体图书馆控制中心要保证社区的教育性、开放性、平等性。

6.总结与展望

本文研究的系统是一种大型图书系统，系统的难点在于将分布的成员图书馆子系统和控制中心系统连接成一种既统一又分离的系统同时将数据中心要实现并网工作，现将大概的研究内容作如下阐述：

主要分析了基于RFID技术的成员图书馆的设计结构和硬件和软件的组合，大数据分析中心的构架原理和联合体数字图书馆带来的优势。

专注系统原理的探究，对系统的设计主要表现在实用性，可行性上，对系统设计的技术都进行仔细分析。

相信将来联合体数字图书馆一定会得以实现和普及，为了系统的健壮，还需要对系统进行优化，研究提高管理效率，研究进一步扩展图书信息资源的办法[4]。同时本系统是面向整个市的图书馆信息资源，因为图书馆属于公共资源，并且图书馆有一套相对成熟的管理程序[5]。但是好的图书资源部一定都存在于图书馆，也有可能存于各大书城或者民间图书收藏者手中。但是这些图书资源部容易被发现。所以将来也考虑将这方面的图书数据采集到本系统的数据库中，建立一种相对全面的图书借阅系统，满足对读者对各种个性化图书的需求。

参考文献

[1] 王磊. 浅谈数字化图书馆及高校数字化图书馆发展[J]. 科学中国人，2014，0（11S）.

[2] 李馨. 浅谈提高数字化图书馆服务的方法[J]. 黑龙江史志，2014，0（18）.

[3] 高春影. RFID技术应用于图书馆管理的探讨——以北京市石景山区图书馆为例[J].办公室业务，2014，0（11S）.

[4] 李卿.基于计算机应用的现代图书管理系统和数字图书系统[J].数字化用户，2018，24（32）：166.

[5] 李逦.数字图书馆的数字资源管理和服务系统探析[J].无线互联科技，2015，（17）：129-130，146. DOI：10.3969/j.issn.1672-6944.2015.17.054.

（作者单位：西藏大学）