基于RFID技术的图书馆管理系统构建

杨建峰

（三明市图书馆 福建 三明 365000）

0 引言

社会的持续进步使得人们的物质需求得到极大满足，于是开始转向对精神文化的强烈追求，图书馆汇集了各个学科领域的文化资源及科研成果，成为人们社会活动的新选择。但传统图书馆管理模式面对不同人群的阅读服务需求倍感压力，引入先进技术建立先进的智能化图书馆管理系统，实现服务内容及服务方式的全面变革是图书馆现代化发展的必然趋势和重要出路，射频识别（radio frequency identification，RFID）技术在这方面具有较大优势。因此，具体分析RFID技术在图书馆管理系统中的实际应用。

1 RFID技术及工作原理

1.1 RFID技术概念

RFID技术一方面与条码技术有类似之处，均是使用专用的读写器将数据信号进行传输和扫描识别。另一方面RFID技术的独特处在于它通过无线电信号来识别特定目标的同时对相关数据进行读写，突破了识别系统必须与特定目标之间具有机械或光学接触的限制。这种非接触识别，不仅适用于只读工作模式也能用于读写工作模式，即便是在有污渍及遮挡物等恶劣环境下，也能实现无接触性的数据信号准确识别和高度集成[1]。此外，RFID技术具有极高的防侵入、防干扰及防篡改性能，因此适用的范围非常广，诸如物流快递配送、交通运输管理、工业生产流水线、门禁管理系统，食品和药品安全溯源、图书借还馆等，尤其适用于自动化控制领域。

1.2 RFID技术的工作原理

将RFID视作一种无线电技术，其信号附着于实物的数据标签上，通过无线电频率的电磁场进行传送，可以对物品进行自动辨识与追踪。其工作原理为：解读器发出的射频信号被磁场中的RFID标签所接收，借助感应电流的能量通过信号天线将存储在芯片中的无源和被动标签（Passive tag）信息及时送出，也可以主动发送有源和主动标签（Active tag）信息；标签信息被解读器读取并解码后，立即传递给中央信息系统（PC工作端）并对相关数据进行处理[2]。RFID工作流程如图1所示，可以看出，基于RFID技术的完整管理系统，包括3个主要部分，分别为读写器（Reader）、射频标签（RFID tag）及信号天线（antenna）。射频标签tag是由耦合元件和芯片所构成，与标签所对应的是电子编码，具有唯一性，标签附着在目标物体上作为其身份标识。射频标签中的数据信息具有固定格式，通过附带的内置天线与无线信号接收器进行通信。读写器Reader经过空间信道向射频标签发送无线电波指令，标签在接收指令后随即做出响应从而实现射频识别。读写器既可以读取数据信息也可以进行信息写入，比较常见的使用形式有手持式和固定式，通过自动识别读取射频标签中的信号数据，实现对目标对象的追踪管理。Reader可以通过RS232或RS485接口与PC进行连接，也可以利用WLAN技术将读取的信号传送给PC端，以便于对数据进行处理。Antenna通过接收和发送信号实现标签与读写器之间的进行有效连通。

图1 RFID工作流程

2 基于RFID技术的图书馆管理系统设计

2.1 图书管理系统总体架构

RFID技术良好的数据信息识别功能是构建智能图书管理系统的关键。本文设计中的图书管理系统主要包括系统服务器、图书盘点和制作工作站、柜台工作站，自助还书箱和借还书机，以及电子侦测门。而智能图书馆的管理系统功能由各种应用软件来实现，所构成的应用系统包括：流通标签转换系统、图书管理员工作平台、读者自助借还书系统、查询、顺架和图书盘点系统等。基于RFID技术的智能图书馆系统总体架构，如图2所示。

图2 基于RFID技术的智能图书馆系统总体架构

2.1.1 系统服务器

系统服务器主要负责图书盘点统计、图书信息检索和用户账户管理。图书管理员可以通过系统提供的库存图书统计表进行盘点和图书清理。管理员通过系统对库藏图书的原始信息、借阅和归还信息等进行查询，阅读者也可以通过检索系统按需查找所需的图书信息，包括图书的库存位置、是否可借等，还可以查询相关管理设备的运行状态。账号管理方面，通过管理系统账户信息数据库，可以对读者账户身份进行辨别，对读者账户使用状态进行监测。

2.1.2 电子侦测门

电子侦测门一般有单通道或多通道，可侦测的有效距离在90 cm以上，它主要通过监测图书的数据标签对进出图书馆的人员进行侦测，防止图书未经规范手续而流出。监测系统配有信号触发接点，未办理借阅手续的书籍在读者进出门禁时没有电子标签安全码，当被监测器检测到时，门禁随之限制通行并发出警示。

2.1.3 柜台（前台）工作站

柜台工作支持图书借还、借阅时间续期等操作，在该模块上还可以进行标签安全码的设置、变换和解除等操作。此外如果图书管理系统支持离线作业，则该工作站也能够离线工作。

2.1.4 自助借还书机

为保证图书服务系统的持续工作，系统设计时多采用高性能主机，同时配备热感应打印机，为用户打印图书借还单据。图书标签被系统自主扫描识别，便于读者一次借还多本书籍，而需要逐本登记，从而提高借还效率[2]。

2.1.5 盘点工作站

盘点工作站采用独特的手持式RFID读写器及手持插入式天线盒来扫描书籍，只需在书架的书籍间隙处插入手持式天线就可以获得准确的图书信息，可以极大地提升图书盘点工作效率和准确度。同时将终端设备系统接入图书管理系统，便于管理员随时查看库藏图书信息，及时进行图书盘点。

2.1.6 制作工作站

工作站设有专用的制作人员账户并赋予相关操作权限，能够随时查看书籍的制作时间、进程及等信息，避免因重复工作而浪费时间。工作站支持书籍电子标签的批量制作，系统授权下支持多次修改标签内容，图书名称、条形码、馆号及借还信息等标签采用安全编码进行写入，防止对标签内容的随意篡改。可根据图书制作人员的使用习惯对制作接口进行合理调整，工作站可与多类系统硬件及操作系统相配对使用。

2.2 核心硬件设计与实现

2.2.1 自助借还机硬件

本文系统的图书自助借还机（图3）包括多个模块，主要构成部分有主控MCU、显示器、信号收发模块（无线）、射频读写芯片及天线及电路等。主控MCU应用嵌入式单片机（STM32）以支持显示器、读写芯片及无线信号收发模块的正常运行。射频读写芯片搭配亿百特RC522工业级模块，采用非接触式通信协议，适用于符合ISO14443A标准的多种应用[3]。读写芯片通过高频电路与信号天线连接，同时稳定接收主控MCU发出的高频信号并与RFID标签建立通信。信号天线是帮助读写模块实现射频通信的基本工具，它配有线圈和与之对应的电路，RFID的工作电源来自天线产生的磁通量，数据信息在RFID卡与读写模块之间进行传送；显示器为12864图形点阵液晶显示器，支持四行显示，显示内容包括：自助借还信息、用户名、书籍名、系统运行状态。无线收发模块采用JF24D模块，该模块通过整合高斯频移键控（gauss frequency shift keying，GFSK）的收发电路功能，可实现数据信号的高速传输，作为一种超高性能的射频收发器它支持多种场合下的短距离无线通信。设计的自助借还机不仅体积小、耗能低而且传输距离远，信号质量高。

图3 自助借还机的硬件组成

2.2.2 工作站和电子侦测门硬件

本文系统的主板MCU采用STM32，将其与柜台工作站的PC上位机、网络接口、无线模块、电子侦测门的读写器及数据库SD卡等逐一连接，MCU通过接收天线发出指令后被侦测器所接收，利用数据库资源进行数据标签信息的比对分析，最后通过网络通道传送到PC上位机进行数据的进一步处理[4]。

电子侦测门的读写器也包括多个重要部件，主要有控制核心MCUP89LPC932、数据存储器AT45DB021、非接触通信卡MFRC632、实时时钟芯片PCF8563。电子侦测门硬件配置，如图4所示。

图4 电子侦测门硬件配置

MCU通过对存储器的系统设置信息进行读取，并根据需要对整个系统内容进行初始化设置和调整，主要涉及到设备的ID位置，主站、从站、开关机时间、数据信息的存储形式等。读者在借还书时使用非接触通信卡通过无线接收天线与系统进行信息交互，从而实现高效地自动借书还书。

人员通过电子侦测门时，如果读卡器未扫描到任何图书标签信息，则表明不存在借书情况，人员可以顺利通行。扫描到标签信息有2种情况，一种是已借书籍带入和带出，另一种是未借状态，系统则提醒制定借还书进行登记，若未经办理借书手续而携书出门则会发出报警提示。电子侦测门工作流程，如图5所示。

图5 电子侦测门工作流程

3 运行程序的设计和实现

基于RFID技术的智能图书馆管理系统，其运行程序主要有数据库管理程序和位于读卡器模块的控制程序。

3.1 读卡器模块控制程序

本文系统设计时先对主控MCU内容进行编程处理，再按照ISO/IEC14443A协议建立RFID卡与读写芯片之间的射频通信关系，以此实现对RFID卡的相关操作，最后以函数形式对相关操作进行封装处理。控制程序的主要功能包括：数据读取和发送、RC522通信、数据接收中断、译码纠错和液晶显示控制等，这些控制程序均采用C语言编写并在单片机上实现。

3.2 数据库中的管理程序

数据库管理程序也使用C语言来编写，主要功能为支持数据库的建立，为查询设置数据库数据提供帮助，此外还可以对来自读卡器的相关数据进行操作处理[5]。数据库中需要建立2张表，分别记录的是馆内书籍的信息和用户信息，包括馆藏图书类型、数量、书架位置、出版社、在库或借阅状态等。以及用户的姓名、性别、身份证号、真实头像等基础信息，还包括个人借阅归还图书的次数和信誉、出入馆状态、图书的可借权限、续借缓还的日期等情况[6]。图书管理系统的后台操作人员可以在授权范围内根据管理需要对记录表中部分信息进行修改、删除和更新等操作，以保证系统中的数据信息准确、完整、信息查询的权限完全公开，分管理员和读者2个账号，可以按用户名、图书号、序列号、关键字等进行信息检索[7]。系统程序在运行时即创建后台线程，主要负责对数据进行读取处理。在程序初始化时分配出一个缓冲区，负责对来自于读卡器的相关数据进行统一存放，系统在检测发现程序缓冲区中的数据时会主动对这些数据进行读取和处理，然后将其准确写入数据资源库中，以备核对和调用。

4 结语

图书馆智能化管理可以满足不同读者的个性化需求，智能化的主要业务是图书自动借还及管理服务，本文所提图书馆智能管理系统以RFID技术为核心支持，系统主板采用STM32。系统指令通过无线天线模块进行及时传递，检测模块接收信息后与数据库资料进行比对，读者通过电子侦测门时，凡符合借还书规范程序的则畅通无阻，未按规定程序办理借还书手续的则收到相关提醒或发出告警信号。基于RFID技术的智能化图书管理系统不仅可以为读者的借还书带来巨大便利，还能大大提升图书管理员的工作效率，这也是未来图书馆的发展趋势。