基于RFID射频标签的智能书架

付 敏，李 怡，冯永亮

（西安文理学院 信息工程学院，陕西 西安 710065）

0 引 言

目前，高校图书馆中师生借阅图书时虽然可通过学校配置的图书查询软件系统查找书籍信息，系统会显示图书馆是否存在该书以及书籍馆藏所在位置，如楼层及具体书架；但是，读者仍须在若干个书架中按照书架编号寻找，之后再从体积较大的书架中逐层查找所需图书，这需要花费读者较长的时间。已有学者提出了智能书架的解决方案，可借助无线射频（Radio Frequency Identification, RFID）技术进行书架定位，然而该定位仅可定位到书架且无法弹出书籍。鉴于此，本文借助RFID，设计了一款具有书籍查询、快速定位及弹出等功能的智能书架，可大大节约人们查找书籍的宝贵时间。

1 系统整体设计框架

本文设计的基于RFID射频标签的智能书架系统主要由书籍信息管理模块、主控模块、书籍弹出模块这三部分组成，如图1所示。书籍信息管理模块主要用于进行人机交互，当用户输入书籍名称后，若书籍存在，则显示书籍基本信息及所在书架的位置信息；若用户想进一步获取该图书，则确认弹出指令，控制电机驱动模块通过电机运行弹出用户所需书籍；若未查找到用户所需书籍，则系统提示查无此书的信息。

图1 系统组成框图

2 系统硬件构成

本文设计的智能书架系统的硬件主要由RFID读写器模块和电机模块组成。

2.1 RFID读写器模块

RFID读写器模块主要由贴纸式RFID标签和RFID读写器组成，贴纸式RFID标签由面层、芯片与天线电路层、胶层与底层组成。贴纸式RFID标签价格低廉，具有可粘贴功能，可以直接粘贴在书籍上。用户每存放一本书时，会将书籍基本信息和在架位置信息存入书籍上粘贴的RFID标签里。对于RFID读写器，选择的是JT-928R20000四通道读写器，可外接四个天线；全面支持ISO 18000-6C（EPC G2）协议；同时也可以支持RS 232、RS 485、TCP/IP、WiFi等数据接口；可满足图书馆这一应用场景，且性价比较高。当用户查询书籍信息时，RFID读写器会扫描RFID标签，并且将识别到的书籍基本信息和在架位置信息传送到主控模块中。RFID读写器工作原理如图2所示。

图2 RFID读写器工作原理

2.2 伺服电机模块

伺服电机模块主要由STM32单片机的3个I/O口进行输出控制，当单片机接收到主控模块发出的弹出书籍指令时，将会启动电机并自动弹出书籍。这里可选择安川伺服电机SGD7S-R90A00A002，该电机适合各种环境，且动作较为稳定，不会因为环境震动而影响其工作机制，可满足高校图书馆书架的应用。为了能将书籍弹出，书架每一层均装有螺旋形的弹簧货道，产品内部也会安装电动马达，通过马达转动带动弹簧、螺旋形的货道原地转动，从而将放在螺距空档的书籍弹出来；在装置最下端设置由电磁机构控制的出书口，当书籍被传送到底部时，出书口在电磁机构的控制下打开，从而将书籍从书架上送出来，完成书籍的自动弹出功能。智能书架书籍自动弹出硬件系统的工作流程如图3所示。

图3 智能书架书籍自动弹出硬件系统的工作流程

3 系统软件系统设计

本文设计的智能书架书籍信息管理系统采用Java SSM框架、HTML5前端设计、MySQL数据库等方法，通过设计多个管理模块实现图书信息的输入、存储、删除、显示等功能。用户在书籍信息管理系统输入书名、点击查询，数据库管理系统（Date Base Management System, DBMS）将访问数据库中的数据，同时书架上安装的RFID读写器可以追踪书架上的书籍，而书上所贴RFID标签则可提供图书的基本信息和所在书架的位置信息，从而筛选出符合条件的数据，以供用户查询和使用。智能书架的软件系统主要由书籍信息管理模块、信息查询模块和定位模块组成。

3.1 书籍信息管理模块

用户将书籍的基本信息以及在架位置信息按照书籍信息管理系统的标准格式录入。当用户查询图书时，则通过DBMS访问数据库中的数据。这里可使用MySQL编写实现图书信息数据库。

3.2 信息查询模块

用户查询书籍时，可以在书籍信息管理系统中输入自己所需书籍的基本信息进行查询，点击查询后DBMS将会访问数据库中的数据，从而筛选出符合条件的数据，以供用户查询和使用。

3.3 定位模块

系统中图书的定位主要通过高频架天线来追踪图书上贴纸式RFID标签，通过图书定位算法实现智能定位与管理。该定位系统借助贴纸式RFID标签、JT-928R20000四通道读写器将图书的信息与检索系统相连。当图书上粘贴的标签接收到读写器发射的射频信号并识别后，它会被激活，此时标签内部的天线就会将存储在标签内的相关数据信息传至读写器，读写器接受并解码和调解标签返回的射频信号以获取相应编码信息，最后将信息传至书籍信息管理系统中。

4 系统主要功能及特点

4.1 自动识别、快速清点

本文设计的系统通过JT-928R20000四通道读写器、贴纸式RFID标签等设备，可以检测和定位书本当前在书架中的具体位置。每一本图书上附着一个RFID标签，标签内包含图书信息以及初始架位信息，当阅读器扫描后可读取图书标签，从而获取书籍的位置信息，实现快速查找和定位。

4.2 书籍的自动掉落

智能书架收到弹出书籍的指令后，电机的齿轮转动带动漩涡条（书籍轨道）360°旋转，使书籍弹出。书籍弹出的过程中会经过安装在书架底部的红外线扫描器，若检测到书籍穿过红外线，系统将会提示用户书籍已经弹出，这样便完成了书籍的弹出。

5 系统测试与实现

与传统书架相比，本文设计的基于RFID射频标签的智能书架在书籍定位与获取方面，明显优于传统书架，使用智能书架查询书籍时用户只需要输入书名，若入库了则该书籍可自动弹出，从而减少了人工定位及获取图书的时间。

6 结 语

本文设计了基于RFID射频标签的智能书架，主要基于贴纸式RFID标签、JT-928R20000四通道读写器、电机、STM32单片机等实现，可实现查找书籍信息、定位及弹出书籍等功能，具有获取书籍快速、高效的特点，特别适合于高校图书馆及藏书量很大的家庭使用，可节约人们获取图书的时间，从而提供更多的便捷。