楊恒源，陳宇，姚晨彧，孟祥祥，胡驍原

（合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

RFID技術(shù)可以通過射頻識別的方式實現(xiàn)非接觸雙向信息識別。RFID技術(shù)具有存儲信息量大、使用壽命長等優(yōu)點[1]。近年來，在書本管理方面，RFID技術(shù)憑借其電子標(biāo)簽體積小、記憶容量大、響應(yīng)迅速及可穿透等特點，實現(xiàn)了圖書館24 h自助借還、智能書本清點等無人值守操作，但在書本分類歸還入庫方面應(yīng)用尚少，目前市場上書本分揀多采用人工分揀或條形碼識別分揀等傳統(tǒng)分揀方式，分揀效率較低。

本文在現(xiàn)有RFID技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種用于書本分揀的系統(tǒng)，以樹莓派為控制核心，能夠?qū)崿F(xiàn)書本的分離、識別、分揀等功能，實現(xiàn)書本的自動化管理，減少書本管理的成本，提高管理工作效率，具有較好的發(fā)展空間。

1 整體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由用于分離書本的分離模塊、RFID讀寫模塊、控制模塊及執(zhí)行機構(gòu)組成[3]，總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊關(guān)系

如圖2所示，在執(zhí)行系統(tǒng)中，系統(tǒng)分離模塊主要用于將整摞書分離開來，以方便后續(xù)書本分揀工作的進行。書本傳送模塊承上啟下，分離模塊將書本推送至傳送帶上，由傳送帶將書本送至各個分揀模塊，進行書本的分揀工作，在此期間，書本經(jīng)過RFID讀寫器，并讀取書本內(nèi)含的電子標(biāo)簽中的唯一UID編碼，以檢索書本的類別信息。控制系統(tǒng)對相關(guān)信息進行分析，下達(dá)書本的分離指令。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

書本分揀模塊通過在傳送模塊中間設(shè)立若干分揀口以實現(xiàn)不同類別書本的分揀，當(dāng)書本匹配到正確的分揀口時，由樹莓派控制分揀模塊將書本分揀完畢。

1.2 系統(tǒng)工作流程

在書本內(nèi)頁中貼上電子標(biāo)簽，通過電子標(biāo)簽UID的唯一性進行書本識別，UID編碼方案采取基于ISO/IEC15962的編碼方案，可以在128字節(jié)的基本代碼長度中存儲書本信息。系統(tǒng)采用模塊化的系統(tǒng)設(shè)計管理方法，采用13.56 MHz頻段，并按照ISO 15693標(biāo)準(zhǔn)要求進行系統(tǒng)設(shè)計[6]。在書本管理員將書本放置在自動分揀系統(tǒng)中后，由書本分離模塊將整摞書分離開來，書本將在傳送過程中經(jīng)過RFID讀寫器讀取到UID編碼，并由終端在數(shù)據(jù)庫中檢索到書本的相關(guān)信息，以確定書本的最終分揀口，待書本傳送至相應(yīng)分揀口后，由樹莓派控制書本分揀模塊相應(yīng)電動機，從而實現(xiàn)書本的分揀，具體工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要分為控制系統(tǒng)的設(shè)計與RFID讀寫系統(tǒng)的設(shè)計。其中，控制系統(tǒng)采用樹莓派開發(fā)板作為嵌入式Linux板卡，與傳統(tǒng)的單片機等微型嵌入式控制器相比，樹莓派具有更加靈活多樣的設(shè)計能力，擁有較高的開發(fā)水平，在開發(fā)語言的選擇上也有更大的空間。采取RFID讀寫器進行書本的掃描識別，主控核心接有迪文串口屏，以方便用戶管理操作，并連有Big Fish擴展板，擴展板與各傳感器和驅(qū)動電動機通過RS-485 協(xié)議接口連接，具體連接方式如圖4所示[4]。

圖4 控制系統(tǒng)連接示意圖

而在RFID 讀寫系統(tǒng)中，RFID讀寫器在射頻識別系統(tǒng)中負(fù)責(zé)讀取或?qū)懭腚娮訕?biāo)簽上的信息。由于電子標(biāo)簽的非接觸性質(zhì)，必須借助位于樹莓派控制終端中的控制系統(tǒng)與電子標(biāo)簽之間的RFID讀寫器來完成通信的建立。

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，樹莓派作為主動方向RFID讀寫器發(fā)出讀寫指令，而讀寫器則作為從動方對操作指令做出響應(yīng)。在讀寫器接收到相關(guān)操作指令后，回應(yīng)的結(jié)果就是在空間中產(chǎn)生高頻發(fā)射能量，激活電子標(biāo)簽并為其供能。由于RFID讀寫系統(tǒng)采用全雙工的工作模式，當(dāng)讀寫器的接收電路在接收來自電子標(biāo)簽反饋的微弱信號時，發(fā)射電路本身也在同時維持相對較大功率的無調(diào)制載波，給電子標(biāo)簽提供能量，建立通信控制關(guān)系。因此，相對于電子標(biāo)簽而言，讀寫器變成指令的主動方[6]，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件通信關(guān)系

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)運行總體架構(gòu)

如圖6所示，在上述的系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計基礎(chǔ)上，考慮RFID書本分揀系統(tǒng)的用戶數(shù)據(jù)處理需求，將整個系統(tǒng)劃分為表現(xiàn)層（UI）、業(yè)務(wù)邏輯層（DAL）和數(shù)據(jù)訪問層（DAL），以此實現(xiàn)整個系統(tǒng)的“高內(nèi)聚，低耦合”[2]。表現(xiàn)層向用戶提供系統(tǒng)界面，即用戶使用整個系統(tǒng)時的所見所得；業(yè)務(wù)邏輯層能夠根據(jù)用戶的具體需求，采取對整個數(shù)據(jù)層的直接操作，對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進行邏輯處理；數(shù)據(jù)訪問層能夠直接操作數(shù)據(jù)庫，針對書本信息數(shù)據(jù)進行增、刪、改、查。

圖6 系統(tǒng)運行總體架構(gòu)

3.2 RFID讀寫模塊

3.2.1 防碰撞算法

在書本信息讀取過程中，會出現(xiàn)存在多個電子標(biāo)簽位于同一個讀寫器的可讀范圍內(nèi)的情況，或出現(xiàn)外界干擾影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院驼_性。圖7所示為標(biāo)簽碰撞的產(chǎn)生過程，為防止這些碰撞的產(chǎn)生，需要在RFID系統(tǒng)中設(shè)置相關(guān)命令，這些操作和命令稱為防碰撞命令或算法（Anti-collision Algorithms）。

圖7 電子標(biāo)簽的碰撞

為有效防止標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)包在讀寫器中互相碰撞影響，本文采取基于輪詢辦法[6]的二進制防碰撞算法，其基本原理如圖8所示，將處在碰撞狀態(tài)中的2個電子標(biāo)簽分為左右2個子集0和1，首先對子集0進行查詢，若沒有發(fā)生碰撞，則正確識別；若發(fā)生碰撞，則繼續(xù)分裂，將子集0分成00 和01兩個子集，依此類推，直至能夠正確識別出子集0中的所有電子標(biāo)簽，再按此程序查詢子集1[8]。

圖8 二進制防碰撞算法模型

3.2.2 程序設(shè)計

RFID讀寫器控制程序主要由通信握手、數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送、譯碼糾錯、RS-232通信、讀取電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)及控制執(zhí)行模塊子程序組成。其中關(guān)鍵在于讀取書本電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)及控制執(zhí)行模塊子程序。

電子標(biāo)簽讀寫程序的主要功能是讀取RFID電子標(biāo)簽中的標(biāo)簽信息，并將這些信息存入文本文檔中；然后程序?qū)⒔馕鲞@個文件，并獲取標(biāo)簽的UID；最后程序?qū)⒃撾娮訕?biāo)簽的UID與數(shù)據(jù)庫進行比較，得到書本類別信息，并調(diào)用相應(yīng)控制執(zhí)行模塊子程序。

3.3 數(shù)據(jù)庫搭建

3.3.1 數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計

在本文的應(yīng)用場景中，首先需要設(shè)計書本卡片信息實體[5]，由RFID讀寫器讀取電子標(biāo)簽的UID，對應(yīng)檢索到書本的卡片信息，其中包含書本類別編號、名稱、作者、出版社等相關(guān)信息。

數(shù)據(jù)庫管理程序主要完成數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的實時查詢、設(shè)置，負(fù)責(zé)接收從讀寫器傳來的數(shù)據(jù)并進行相應(yīng)處理操作。

3.3.2 數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

在數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要解決的核心技術(shù)問題在于如何通過最高效、最合理的方式實現(xiàn)對書本信息的存取與查詢操作。本文對數(shù)據(jù)存取的操作流程如圖9所示。

圖9 書本信息存取操作流程

3.3.3 系統(tǒng)表現(xiàn)層設(shè)計

如圖10所示，為方便管理員的操作與管理，需要對系統(tǒng)進行表現(xiàn)層設(shè)計，該管理系統(tǒng)能夠執(zhí)行的操作有書本信息的讀取和錄入、書本分揀情況統(tǒng)計、故障報警等。在進行書本數(shù)據(jù)信息錄入及處理時，讀取數(shù)據(jù)由在程序運行時就已經(jīng)創(chuàng)建的線程在后臺完成，RFID讀寫器將數(shù)據(jù)傳送存放至程序緩沖區(qū)中，該緩沖區(qū)由程序初始化時分配。當(dāng)檢測到程序緩沖區(qū)傳來數(shù)據(jù)時，直接進行數(shù)據(jù)處理后寫入數(shù)據(jù)庫。

圖10 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)語

基于RFID技術(shù)與樹莓派的智能書本分揀系統(tǒng)具有讀取快、準(zhǔn)確率高等優(yōu)點，可有效降低書本分揀領(lǐng)域的人力成本。本文研究了電子標(biāo)簽防碰撞、硬件設(shè)計、數(shù)據(jù)庫搭建、軟件設(shè)計等問題，以實現(xiàn)書本的自動化分揀。同時，該系統(tǒng)具有較好的開發(fā)性，可適應(yīng)不同的分揀情景，在大規(guī)模分揀領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。