西安電子科技大學電子工程學院 呂登鋒 喬九印 榮云翔

基于RFID的數(shù)字圖書館雛形設(shè)計與實現(xiàn)

西安電子科技大學電子工程學院 呂登鋒 喬九印 榮云翔

圖書館作為重要的基礎(chǔ)文化設(shè)施，目前面臨信息量大、管理難度大、人工操作狀態(tài)下難以及時到位等壓力，圖書典藏和流通方面的工作越來越繁重，如何進一步提高工作效率，提高圖書館運營水平，滿足圖書流通要求，協(xié)調(diào)現(xiàn)代化技術(shù)和低成本人力資源之間的矛盾，是圖書館智能管理系統(tǒng)的主要任務(wù)。RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)即射頻識別技術(shù)，是一種通過微波射頻信號快速、遠距離、非接觸式的自動識別技術(shù)。該技術(shù)日趨成熟，被廣泛應(yīng)用于物流、倉庫管理等行業(yè)。與此同時，傳統(tǒng)圖書館已經(jīng)進入了數(shù)字圖書館建設(shè)階段?；诖?，提出了基于RFID技術(shù)進行數(shù)字圖書館雛形設(shè)計與手持式終端的實現(xiàn)。

RFID；EasyARM1138；電子標簽；液晶屏

0 引言

現(xiàn)代化的高新技術(shù)在圖書館領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了圖書管理模式和服務(wù)方式的變革。電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展?jié)B透到圖書館服務(wù)領(lǐng)域中的各個環(huán)節(jié)。最近無線射頻識別技術(shù)以其特有的優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景引起了國內(nèi)外圖書館屆的廣泛關(guān)注。

射頻識別技術(shù)是一種重要的新興的自動識別技術(shù)[1]。由于RFID不需要視距通信，能夠承受嚴重的物理環(huán)境，并能保證低成本和高效能操作以及多標簽的同時識別能力。其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。一個典型的RFID系統(tǒng)由應(yīng)用主機、RFID閱讀器、電子標簽以及RFID中間件組成[2]。RFID技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢，逐漸地被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化和交通控制管理等領(lǐng)域。本設(shè)計是RFID技術(shù)在圖書館管理領(lǐng)域是的一項具體應(yīng)用，設(shè)計實現(xiàn)了一款手持式圖書檢測設(shè)備。

1 圖書管理系統(tǒng)的總體概述

本文所設(shè)計的手持式終端包含ARM微處理器、Zigbee模塊、UART、RS232、RFID讀卡器、液晶顯示屏、電子標簽、電源模塊、矩陣鍵盤等部分，系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。首先通過鍵盤選擇要尋找的物品名稱，當附著有電子標簽的物品在讀卡器檢測范圍之內(nèi)時，通過電磁耦合，RFID標簽被無線電信號激活獲得能量，進而自動把自身ID號及附加信息通過無線電信號發(fā)送至讀寫器；其次，讀寫器通過串口把接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至ARM1138，ARM1138主控制器對接收到的信息進行比對、處理，如果蜂鳴器鳴叫，說明接收到的信息與所要尋找的物品信息符合，找到了所要尋找的圖書，若蜂鳴器不鳴叫，說明接收到的信息與所要尋找的圖書信息不符合。同時通過12864液晶顯示讀寫器檢測到圖書的ID號、RFID標簽類型、附加信息。

圖1 圖書管理系統(tǒng)框圖

2 手持式終端的硬件設(shè)計

2.1 微處理器

本次設(shè)計的微處理器選用的是EasyARM138的核心MCU是Luminary Micro公司的Stellaris系列的LM3S1138，該處理器選用Cortex-M3處理器，具有豐富的外設(shè)資源以及較高的系統(tǒng)時鐘。其內(nèi)部嵌有USB接口的下載仿真器，它具有三合一的功能即：5V供電、程序下載、在線仿真以及UART串行通信，無需額外的接口電路。

2.2 電源模塊設(shè)計

由于系統(tǒng)設(shè)計的是手持式終端因此需要設(shè)計出獨立的系統(tǒng)供電模塊電路，本系統(tǒng)的供電電源選用的是4節(jié)干電池供電。由于系統(tǒng)需要的是穩(wěn)定的5V電壓，在該設(shè)計中選用了LM7805作為穩(wěn)壓芯片，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓輸出，電源模塊的設(shè)計原理圖。

2.3 RFID讀寫器

閱讀器又稱讀頭、讀寫器等，主要負責與電子標簽的雙向通信，同時接受來自主機系統(tǒng)的控制命令。閱讀器的頻率決定了RFID系統(tǒng)工作的頻段，其功率決定了射頻識別的有效距離，它是RFID系統(tǒng)信息控制和處理中心。閱讀器通常由射頻接口、邏輯控制單元和天線三部分組成[3]。本次設(shè)計采用的射頻電路部分由LPC922單片機和RC522射頻芯片組成，下位機LPC922單片機控制RC522射頻芯片發(fā)出13.56MHz的高頻電磁波，作為和射頻標簽的無線連接和能量傳遞。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件流程設(shè)計

軟件流程包括系統(tǒng)主程序的設(shè)計、RFID讀寫模塊的設(shè)計以及數(shù)據(jù)庫后臺線程設(shè)計。應(yīng)用軟件啟動后首先進行各個模塊的初始化，包括通信模塊的初始化、數(shù)據(jù)庫初始化、日志記錄等等。初始化完成后就是進行RFID讀寫，LCD液晶屏上顯示讀到的標簽信息并且利用RS232完成手持終端與上位機的通信，在后臺完成數(shù)據(jù)庫的增刪改查操作，如此循環(huán)操作。

從本次設(shè)計的總體軟件流程圖可知，借閱圖書人員通過用戶界面的按鍵來選擇借還書的相應(yīng)操作，此時通過ARM的GPIO口來讀取按鍵的值；向RFID模塊發(fā)命令任務(wù)首先將讀取的到的按鍵值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的RFID模塊操作命令序列，然后將這個命令序列通過串行總線發(fā)給RFID模塊，使RFID模塊完成對RFID卡片的相應(yīng)寫操作；當RFID模塊完成寫操作后，它將通過串行總線將應(yīng)答數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器，此時由接受RFID模塊來完成RFID卡片應(yīng)答數(shù)據(jù)的接受，并且將接受到的應(yīng)答數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的LCD顯示碼加以顯示[4,5]。

3.2 讀卡模塊軟件設(shè)計

讀卡模塊設(shè)計是實現(xiàn)對RFID標簽的類型、ID號、寫入RFID標簽的附加信息的讀取。通過射頻信號的空間耦合，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，實現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換。讀卡模塊流程，RFID標簽在讀卡器檢測范圍內(nèi)時，首先進行密鑰驗證，當密鑰驗證成功后，讀卡器向RFID標簽發(fā)送讀指令。其次，RFID標簽就自動循環(huán)發(fā)送其內(nèi)部信息，當讀寫器感應(yīng)到信息之后，經(jīng)過耦合、濾波、解調(diào)等處理后，傳送給ARM1138主控制器的都是以一定編碼格式、速率傳輸?shù)臄?shù)字基帶碼流，主控制器只要根據(jù)編碼特征，正確同步和接受即可。

3.3 人機界面的設(shè)計

本次畢業(yè)設(shè)計是以IAR Embedded Workbench 5.4為平臺，結(jié)合四個普通按鍵和12864液晶屏，設(shè)計了人機交互界面。本次本次畢業(yè)設(shè)計所做的用戶界面，四個按鍵分別的作用分別是電源開關(guān)、1#選擇鍵（下鍵）、2#選擇鍵（上鍵）。另外，12864液晶屏顯示器可提供方便的交互模式。本系統(tǒng)從應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用方便的角度考慮，我們設(shè)計成的手持式設(shè)備。

4 總結(jié)

數(shù)字圖書館為教育提供最重要的資源平臺，真正實現(xiàn)人類文明資源共享。無論對技術(shù)發(fā)展、終生學習和社會公共教育和學習，數(shù)字圖書館將成為未來重要的電子學習平臺。通過對系統(tǒng)軟硬件的調(diào)試，系統(tǒng)的運行正常且能夠?qū)λ璧膱D書進行正確的檢驗。該款手持式設(shè)備可以正確的對圖書的信息進讀操作，通過驗證系統(tǒng)運行穩(wěn)定且錯誤的幾率較小。該款手持式設(shè)備的設(shè)計成功極大的提高了圖書管理的工作效率，無論是對于借閱者還是圖書管理者來說，本系統(tǒng)都有著很好的發(fā)展前景。

[1]張輝．RFID技術(shù)及其應(yīng)用的研究[J]．微計算機信息, 2007,23(4-2)．

[2]譚學鵬．便攜式RFID尋物裝置[P]．實用新型中華人民共和國知識產(chǎn)權(quán)局．2010．

[3]周曉光,周曉雄．多功能物流手持終端集群通信方式的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．電子技術(shù)應(yīng)用,2007,33(2):97-99．

[4]張榮輝．RFID應(yīng)用于圖書館的尋書定位服務(wù)[J]．國立成功大學工程科學系碩士論文．

[5]基于射頻識別技術(shù)的考勤系統(tǒng)[D]．河北:河北科技大學,2010．

呂登鋒（1989-），男，研究方向：檢測與傳感技術(shù)、無線短距離通信技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。