鹿玉紅++劉穎++段麗++薛韡

摘 要： 傳統(tǒng)圖書館管理系統(tǒng)難以準(zhǔn)確提供圖書當(dāng)前位置信息，存在館內(nèi)圖書借還效率低問題，為此設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能圖書館系統(tǒng)。利用RFID無線射頻讀寫設(shè)備讀取書架上圖書書名、讀者等信息，通過多卡識(shí)別技術(shù)查詢圖書借閱歸還信息并寫入數(shù)據(jù)庫中完成書籍的自助借還操作，利用超高頻標(biāo)簽信息以及架上圖書信息建立圖書館后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，采用手推盤點(diǎn)車和手持RFID讀寫器設(shè)備與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行匹配，根據(jù)上位機(jī)程序的提示進(jìn)行圖書定位，結(jié)合ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖書館環(huán)境的實(shí)時(shí)檢測(cè)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)圖書館管理與監(jiān)控的實(shí)時(shí)化和智能化，具有較高的圖書定位精度，充分提高了智能圖書館的信息自動(dòng)化性能。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 智能圖書館； 圖書館系統(tǒng)； 信息自動(dòng)化

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP391.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）21?0035?04

Design of intelligent library system based on Internet of Things

LU Yuhong， LIU Ying， DUAN Li， XUE Wei

（Department of Disaster Information Engineering， Institute of Disaster Prevention， Sanhe 065201， China）

Abstract： Since the traditional library management system is difficult to provide the current accurate position information of books and has low efficiency of library book borrowing and returning， an intelligent library system based on Internet of Things is designed， in which the RFID read?write device is used to read the name， reader and other information of the book on the bookshelf， the multi?card identification technology is adopted to query and write the borrowing and returning information of the book in its database to realize the self?help borrowing and returning operations of the book， the ultrahigh frequency label information and the information of books on bookshelf are used to establish the backend database of library， the hand?pushing cart and handheld RFID read?write device are employed to match the information in backend database， the book is located according to the reminder of the host computer program， and the ZigBee wireless sensor network technology is combined to detect the library environment in real time. The results show that the system can effectively realize the real?time and intelligent library management and monitoring， improve the information automation of intelligent library， and has high positioning accuracy for books.

Keywords： Internet of Things； intelligent library； library system； information automation

0 引 言

圖書館作為高校信息化和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)化的重要基地，作為高校文獻(xiàn)信息管理中心，從某種角度來說，它的水平體現(xiàn)了學(xué)校的整體水平[1?2]。如何有效并以全新形式的信息技術(shù)來提高高校圖書館的管理質(zhì)量以及服務(wù)質(zhì)量，成為現(xiàn)代高校圖書館全方位發(fā)展所需面臨的首要問題[3]。

目前，大多數(shù)高校圖書館采用條碼加詞條的作業(yè)方式，借書與還書環(huán)節(jié)需要利用館內(nèi)工作人員在前臺(tái)對(duì)書籍進(jìn)行掃描，此操作過程容易造成館內(nèi)進(jìn)出口堵塞，借還書流程效率低，且需要館內(nèi)工作人員對(duì)歸還的書籍進(jìn)行分類整理，實(shí)現(xiàn)書籍上架，整個(gè)過程耗時(shí)耗力，容易出現(xiàn)上架錯(cuò)誤，導(dǎo)致在給定的書籍類別架上找不到相應(yīng)書籍，為讀者帶來較大的不便，降低了讀者對(duì)圖書館的滿意度[4?5]。為解決上述問題，文獻(xiàn)[6]提出了智能書架的概念，結(jié)合超高頻RFID技術(shù)的電子標(biāo)簽和閱讀器對(duì)圖書館智能書架的閱讀范圍進(jìn)行設(shè)定，利用微波傳動(dòng)帶控制閱讀器與書籍類別標(biāo)簽間的有效識(shí)別區(qū)域。文獻(xiàn)[7]采用無線射頻識(shí)別閱讀器與圖書類別標(biāo)簽之間的交互信號(hào)強(qiáng)度，以局部一致性誤差訓(xùn)練徑向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出圖書的位置坐標(biāo)。文獻(xiàn)[8]利用高頻的RFID技術(shù)開發(fā)了智能圖書館系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)館內(nèi)智能書架上各種期刊的取閱次數(shù)、閱覽時(shí)間以及規(guī)劃時(shí)間等。但是現(xiàn)階段的智能圖書館還只是處于試驗(yàn)階段，即使開發(fā)出了智能圖書館系統(tǒng)，所采用的書籍定位過程也較為繁瑣，存在定位精度較低、成本較高的問題[9]。endprint

為解決上述問題，本文將圖書館智能管理系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相融合，完成新型智能圖書館系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)書架上圖書信息刷新頻率能夠滿足多數(shù)高校圖書館實(shí)用化要求，圖書定位精度高。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能圖書館系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 智能圖書館系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

依據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思想，將基于物聯(lián)網(wǎng)的RFID智能圖書館系統(tǒng)分為6個(gè)子系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)之間利用高校校園網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器之間的連接實(shí)現(xiàn)圖書信息數(shù)據(jù)交互與發(fā)布服務(wù)。整個(gè)智能圖書館管理系統(tǒng)依據(jù)SIP2協(xié)議同其他高校圖書館的管理軟件實(shí)現(xiàn)無縫鏈接，由此實(shí)現(xiàn)智能圖書館圖書數(shù)據(jù)的共享與轉(zhuǎn)換，智能圖書館系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

如圖1所示，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能圖書館系統(tǒng)采用RFID無線射頻讀寫設(shè)備讀取架上圖書信息來取代傳統(tǒng)圖書“紙質(zhì)條形碼+磁條”的方式，掃描圖書采用RFID讀寫器，RFID讀寫器主要負(fù)責(zé)讀取或?qū)懭雸D書借閱與歸還標(biāo)簽信息，并實(shí)現(xiàn)圖書信息數(shù)據(jù)的顯示和處理，即圖書標(biāo)簽轉(zhuǎn)換裝置。采用射頻標(biāo)簽標(biāo)記圖書作者、出版單位、檢索書號(hào)等信息，射頻場(chǎng)區(qū)內(nèi)的射頻讀卡器作為自動(dòng)借還機(jī)，對(duì)學(xué)生借書卡進(jìn)行身份驗(yàn)證后，讀卡器發(fā)射電磁波，接收到周圍有效書籍射頻標(biāo)簽后，對(duì)讀取的RFID射頻標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理結(jié)果經(jīng)過RS 232串口發(fā)送到自助借閱與歸還子系統(tǒng)中，最終由它將圖書借閱歸還信息查詢寫入數(shù)據(jù)庫中完成書籍的自助借還操作。采用手推盤點(diǎn)車和手持RFID讀寫器設(shè)備與讀者證的超高頻標(biāo)簽結(jié)合使用實(shí)現(xiàn)圖書的手動(dòng)上下架功能，依據(jù)自動(dòng)盤點(diǎn)裝置完成書籍的自動(dòng)上下架及亂架圖書的自動(dòng)定位等功能。通常情況下，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能圖書館的書架采用矩陣狀排列，適合采用基于接收信號(hào)強(qiáng)度的模糊匹配法對(duì)書架上圖書信息、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行匹配，當(dāng)圖書信息與后臺(tái)數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)不匹配情況時(shí)，上位機(jī)程序則會(huì)進(jìn)行提示，從而完成圖書定位。設(shè)圖書館目標(biāo)圖書定位區(qū)域內(nèi)包含[u]個(gè)閱讀器，[m]個(gè)參考標(biāo)簽和[n]個(gè)待檢測(cè)標(biāo)簽，[P]代表參考標(biāo)簽相應(yīng)的返回信號(hào)強(qiáng)度矢量，[Q]代表待測(cè)標(biāo)簽相應(yīng)的返回信號(hào)強(qiáng)度矢量，則依據(jù)矢量距離公式可獲得描述兩種標(biāo)簽的幾何距離遠(yuǎn)近關(guān)系表達(dá)式：

[Ej=i=1u（Pi-Qi）2， j∈（1，m）] （1）

式中：[Pi]和[Qi]代表兩種標(biāo)簽在定位區(qū)域內(nèi)第[i]個(gè)閱讀器的信號(hào)強(qiáng)度。

一個(gè)智能圖書館書架上安裝一臺(tái)閱讀器，閱讀器在正常工作模式下可設(shè)定工作頻率為50 s檢測(cè)一次，對(duì)于各個(gè)待測(cè)標(biāo)簽[Q，][P]為參考標(biāo)簽，依據(jù)式（1）推導(dǎo)出各個(gè)參考標(biāo)簽與待測(cè)標(biāo)簽之間的距離關(guān)系：

[Ej=PP-QQ， j∈（1，m）] （2）

式中，[Ej]越小說明參考標(biāo)簽與待測(cè)標(biāo)簽之間的距離越短。

對(duì)于一個(gè)待測(cè)未知的圖書標(biāo)簽，它的坐標(biāo)可表示為：

[（x，y）=i=1kWi（xi，yi）] （3）

式中：[（xi，yi）]代表參考標(biāo)簽的坐標(biāo)位置；[k]代表設(shè)定的鄰居標(biāo)簽的數(shù)量；[Wi]代表第[i]個(gè)鄰居的權(quán)重，其表達(dá)式如下：

[Wi=1E2ii=1k1E2i] （4）

其中，[E2i]代表各個(gè)參考標(biāo)簽與待測(cè)標(biāo)簽之間的區(qū)間閾值。

完成書籍的自動(dòng)上下架及亂架圖書的自動(dòng)定位后，再結(jié)合報(bào)警器構(gòu)成安全門子系統(tǒng)，安全門子系統(tǒng)中的RFID讀寫器設(shè)備將讀入的書籍標(biāo)簽信息通過通信接口傳輸?shù)金^員PC機(jī)上，在此基礎(chǔ)上輔以支持ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖書館環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)控，書籍管理模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 智能圖書館系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)1.1節(jié)圖1給出的智能圖書館總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)智能圖書館系統(tǒng)的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)，射頻標(biāo)簽選取圖書館ISO/IEC14443協(xié)議的RFID 17.85 MHz高頻無源標(biāo)簽，讀卡器為高頻無源標(biāo)簽供應(yīng)能量，圖書、書架采用ISO15693標(biāo)準(zhǔn)的RFID標(biāo)簽，主要負(fù)責(zé)書籍多標(biāo)簽識(shí)別與短距離識(shí)別，識(shí)別距離在0～2 m內(nèi)。在以2～4 kHz的波特率正常識(shí)別狀態(tài)下，可在相同時(shí)段內(nèi)讀取10～12個(gè)書籍射頻標(biāo)簽數(shù)據(jù)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的圖書館系統(tǒng)每本書均采用64位的UID射頻標(biāo)簽標(biāo)識(shí)，可以滿足目前多數(shù)高校圖書館的館藏書籍量的要求。

圖書館自助借還機(jī)所選取的讀卡器硬件電路沒有差別，在實(shí)際應(yīng)用過程中，微控制器的控制機(jī)制與盤點(diǎn)設(shè)備的通信稍有差別。RFID讀寫器主要由控制器與串口模塊、液晶顯示與觸摸控制、存儲(chǔ)模塊和射頻模塊6個(gè)部分構(gòu)成。RFID射頻模塊是整個(gè)智能圖書館系統(tǒng)重要的終端之一，主要負(fù)責(zé)對(duì)書籍電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)讀寫、改寫處理，是電子標(biāo)簽與館員PC機(jī)之間的通信橋梁，主要由MFRC632芯片、匹配電路以及天線構(gòu)成，智能圖書館系統(tǒng)射頻電路如圖3所示。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能圖書館系統(tǒng)中的MFRC632芯片適用于工作頻率為13.56 MHz的RFID非接觸標(biāo)簽，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含編碼、解碼以及調(diào)制解調(diào)電路，可以直接驅(qū)動(dòng)短距離可操作的天線。為了濾波處理調(diào)制過程中形成的高次諧波，模塊中采用支持ZigBee協(xié)議的天線匹配電路。在利用該芯片工作時(shí)，需要傳送的無線信號(hào)由發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制處理后，以天線發(fā)射電磁波的形式進(jìn)行發(fā)送，當(dāng)另一天線接收到頻射標(biāo)簽發(fā)射的響應(yīng)信號(hào)后，將無線信號(hào)通過天線匹配電路處理后發(fā)送至接收端，通過接收緩沖器對(duì)無線信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與解調(diào)處理，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至并行通信數(shù)據(jù)接口，由主PC機(jī)控制器完成讀取。用于書籍自助借還的讀卡器需要與盤點(diǎn)設(shè)備通信，通常由多個(gè)PC上位機(jī)上的數(shù)據(jù)庫組成。在實(shí)際智能圖書館系統(tǒng)應(yīng)用過程中，多個(gè)RFID讀寫器與同一臺(tái)PC機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，為有效保障通信的書籍信息安全可靠，選用ZLG9518S多串口擴(kuò)展芯片實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，ZLG9518S芯片的協(xié)議較為簡單，可有效滿足目前多數(shù)串口的系統(tǒng)應(yīng)用。

1.3 智能圖書館系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)endprint

為了實(shí)現(xiàn)智能圖書館系統(tǒng)終端上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，完成數(shù)據(jù)的接收、處理，用ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)終端上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，通過ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)RS 232串行通信協(xié)議與系統(tǒng)終端上位機(jī)通信，圖書館系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)利用Socket進(jìn)程通信結(jié)合多線程機(jī)制完成與智能圖書館系統(tǒng)終端上位機(jī)的通信，詳細(xì)設(shè)計(jì)如下。

（1） 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能圖書館系統(tǒng)UI層，即智能圖書館系統(tǒng)用戶界面，其主要功能是實(shí)現(xiàn)智能圖書館系統(tǒng)與讀者的有機(jī)交互，其中包含書籍借閱、歸還、查詢交互、讀者信息管理、用戶界面屬性配置等設(shè)計(jì)。UI層與邏輯業(yè)務(wù)層（UI層服務(wù)的提供層）相連，本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能圖書館系統(tǒng)UI層包含采用ISO/IEC14443協(xié)議的RFID標(biāo)簽讀寫組件和用戶界面組件兩部分，其中采用ISO/IEC14443協(xié)議的RFID標(biāo)簽讀寫組件實(shí)質(zhì)是PC機(jī)與RFID射頻終端接口部分，實(shí)現(xiàn)RFID射頻終端的數(shù)據(jù)讀寫功能，UI層界面組件的設(shè)計(jì)主要包含書籍借閱管理模塊、讀者信息管理模塊、書籍自身ID信息管理模塊以及系統(tǒng)參數(shù)屬性設(shè)置等，如圖4所示。

（2） 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能圖書館系統(tǒng)邏輯業(yè)務(wù)層主要功能是實(shí)現(xiàn)讀者和管理者全部的邏輯操作處理。

（3） 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能圖書館系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問層為讀者和管理者全部的邏輯操作處理過程提供服務(wù)，主要負(fù)責(zé)智能圖書館系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存取。

2 系統(tǒng)測(cè)試與分析

以廣東省某高校圖書館為例說明具體應(yīng)用，將880 m2面積的圖書館作為實(shí)際布署環(huán)境，整個(gè)圖書館區(qū)配置一臺(tái)服務(wù)器，多個(gè)與之匹配的路由器和交換機(jī)，一個(gè)圖書館每個(gè)區(qū)域設(shè)置一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，其余為路由器節(jié)點(diǎn)或是RFID識(shí)別節(jié)點(diǎn)，智能圖書館系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集圖書館的書籍借閱信息，最后將全部感知數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)圖書館系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息的數(shù)據(jù)采集。

（1） 架上圖書的實(shí)時(shí)定位測(cè)試。對(duì)圖書館社會(huì)科學(xué)區(qū)域內(nèi)的架上圖書進(jìn)行實(shí)時(shí)定位實(shí)驗(yàn)，設(shè)定社會(huì)科學(xué)專題類別區(qū)域間隔為1.2 m，即圖書定位誤差最大為1.2 m，給出3組圖書標(biāo)簽，均采用ISO15693標(biāo)準(zhǔn)的RFID標(biāo)簽，驗(yàn)證基于模糊匹配法完成書架上圖書信息與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫信息的高精度匹配，當(dāng)圖書信息與后臺(tái)數(shù)據(jù)信息不匹配時(shí)，上位機(jī)程序會(huì)對(duì)其做出提示，從而完成圖書定位，判斷圖書定位過程是否正確可行，如圖5所示。

分析圖5可知，本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能圖書館系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)架上圖書的實(shí)時(shí)定位，并且定位誤差在社會(huì)科學(xué)專題類別區(qū)間閾值范圍內(nèi)，說明本文設(shè)計(jì)的智能圖書館系統(tǒng)采用基于接收信號(hào)強(qiáng)度的模糊匹配法進(jìn)行圖書定位是可行的。設(shè)定智能圖書館系統(tǒng)閱讀器的工作頻率為每50 s檢測(cè)一次，當(dāng)圖書發(fā)生錯(cuò)架時(shí)，馬上對(duì)其進(jìn)行定位，將計(jì)算結(jié)果自動(dòng)更新至館員PC機(jī)上，使得所提設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案圖書定位精度較高，可實(shí)現(xiàn)圖書的智能管理。

（2） 架上圖書信息刷新頻率。智能圖書館系統(tǒng)閱讀器的工作頻率為每50 s檢測(cè)一次，讀者查詢相關(guān)圖書信息時(shí)不產(chǎn)生等待時(shí)間，將實(shí)際數(shù)據(jù)庫更新頻率與本設(shè)計(jì)方案相應(yīng)的圖書信息更新頻率之間的時(shí)間差定義為更新時(shí)延（單位：s），如圖6所示。

分析圖6可知，本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能圖書館系統(tǒng)架上圖書信息刷新頻率能夠滿足該高校圖書館實(shí)用化要求，系統(tǒng)更新時(shí)延保持在0.8 s以內(nèi)，可有效實(shí)現(xiàn)架上圖書清點(diǎn)、歸架以及查詢流通等多個(gè)環(huán)節(jié)，極大地提高了系統(tǒng)工作效率，且智能圖書館系統(tǒng)的復(fù)雜度以及系統(tǒng)成本均較低。

圖6 智能圖書館系統(tǒng)圖書信息更新時(shí)延

3 結(jié) 語

本文對(duì)基于RFID技術(shù)、ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等設(shè)計(jì)的智能圖書館系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中存在的問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析與研究，完成了自助借閱與歸還、推車式盤點(diǎn)、安全門、監(jiān)控中心以及RFID后臺(tái)管理等子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了圖書館管理的自動(dòng)化和智能化，簡化了讀者借還書環(huán)節(jié)，提高了圖書館的整體服務(wù)水平。

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