肖亞迪，賀成佳，李俐萍

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610059)

隨著社會(huì)信息的快速發(fā)展，RFID作為一種快速、遠(yuǎn)距離、非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外部分圖書(shū)館［1］。目前，仍有許多圖書(shū)館采用條碼加磁條的方式進(jìn)行圖書(shū)管理［2－4］。這種管理方式存在圖書(shū)管理員工作量大、用戶借還書(shū)程序繁瑣、圖書(shū)查找困難等問(wèn)題。目前已有許多國(guó)家圖書(shū)館和公共圖書(shū)館采用自動(dòng)化圖書(shū)管理系統(tǒng)，但這對(duì)于中、小型圖書(shū)館而言，其具有成本高、后期維護(hù)投入大［3］等問(wèn)題。因此，針對(duì)小型圖書(shū)館，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)易、便攜式自動(dòng)借還機(jī)系統(tǒng)是必要的。本文設(shè)計(jì)的基于RFID［5］的圖書(shū)館自動(dòng)借還系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人看守、自動(dòng)借還書(shū)籍等功能，從而減少圖書(shū)管理員的勞動(dòng)量，并且方便用戶操作。若在整個(gè)圖書(shū)館每層樓設(shè)置多個(gè)圖書(shū)借還終端，可達(dá)到減緩用戶借還擁擠等情況的目的。向RFID電子標(biāo)簽寫(xiě)入位置信息還可以實(shí)現(xiàn)圖書(shū)定位，方便用戶查找和圖書(shū)管理員整架［6］。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 高頻RFID電子標(biāo)簽原理及特點(diǎn)

電子標(biāo)簽的工作頻段可分為低頻(125 kHz)、高頻(13.5 MHz)、超高頻(850～910 MHz)和微波(2.45 GHz)4種。

低頻標(biāo)簽?zāi)芎男?、穿透能力?qiáng)、適用近距離讀卡;超高頻功耗大、能量易被干擾、穿透能力弱、存儲(chǔ)容量小，一般為256 kB，與同容量的高頻標(biāo)簽相比，價(jià)格較高，適用于遠(yuǎn)距離讀卡。高頻工作模式為近耦合，波形圖為球形波形，較好控制，通過(guò)天線面積可有效控制讀取范圍，在自動(dòng)借還機(jī)附近也不會(huì)發(fā)生讀取非操作讀者手持書(shū)籍的問(wèn)題［7］，且其價(jià)格適當(dāng)、技術(shù)成熟、能與磁條系統(tǒng)兼容。故在本系統(tǒng)中采用高頻頻段作為電子標(biāo)簽的工作頻段，其在1～10 cm的范圍內(nèi)即可進(jìn)行讀卡工作，滿足圖書(shū)讀取距離要求。其較條碼加磁條方式的圖書(shū)管理具有管理人員工作量大幅降低、用戶借還書(shū)程序簡(jiǎn)便、圖書(shū)查找明了方便等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)制作標(biāo)簽的材料，RFID標(biāo)簽分為軟標(biāo)簽和硬標(biāo)簽。軟標(biāo)簽可作為圖書(shū)的電子標(biāo)簽，硬標(biāo)簽可作為學(xué)生的借閱證。目前，全球有3大RFID協(xié)議標(biāo)準(zhǔn):歐美的EPC標(biāo)準(zhǔn)，日本的UID標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)相互之間不兼容［6］。由于生產(chǎn)廠家已在RFID標(biāo)簽內(nèi)部寫(xiě)入了滿足某一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議并且具有全球唯一的序列號(hào)，所以針對(duì)同一個(gè)讀卡器選用不同的協(xié)議，這將決定所選擇的標(biāo)簽類(lèi)型不同。在中國(guó)大部分地區(qū)，RFID標(biāo)簽協(xié)議采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，在此選擇國(guó)際組織ISO14443_A/B協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。且只需飯卡、圖書(shū)借閱證等標(biāo)簽復(fù)合ISO14443_A/B協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，即可在學(xué)校內(nèi)實(shí)現(xiàn)校園一卡通功能。

1.2 讀卡器工作原理

讀卡器主要由RFID讀寫(xiě)系統(tǒng)、電子標(biāo)簽和天線構(gòu)成，其中RFID讀寫(xiě)系統(tǒng)又由讀寫(xiě)單元和電子收發(fā)器組成。軟件編程可以使讀寫(xiě)單元開(kāi)啟天線并發(fā)送一定頻率的信號(hào)。當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入到讀卡器發(fā)射天線工作區(qū)域內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，電子標(biāo)簽從休眠狀態(tài)進(jìn)入激活狀態(tài)。激活后，電子標(biāo)簽通過(guò)內(nèi)置天線將自身編碼等信息調(diào)制后發(fā)射出去。讀卡器系統(tǒng)的接收天線接收到電子標(biāo)簽的信息后傳輸給讀卡器。讀卡器對(duì)信息進(jìn)行解調(diào)和解碼等操作，最終傳送給主系統(tǒng)的MCU進(jìn)行相關(guān)處理，執(zhí)行某一命令。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

如圖1所示為圖書(shū)自動(dòng)借還機(jī)設(shè)計(jì)框圖，該系統(tǒng)由RFID(Radio Frequency Identification)標(biāo)簽、讀卡器、MCU、液晶顯示部分、SD(Secure Digital Memory Card)卡等模塊組成。RFID標(biāo)簽貼在書(shū)表面作為圖書(shū)身份標(biāo)識(shí)，并攜帶書(shū)籍的許多屬性信息以及定位信息。讀卡器通過(guò)SPI接口與MCU進(jìn)行通信，控制RFID閱讀器主要用于獲取用戶和書(shū)籍的身份，并將信息傳給MCU處理。液晶顯示部分主要顯示借還書(shū)的操作步驟以及操作結(jié)果。SD卡作為數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)媒介，采用同步傳輸方式進(jìn)行SPI與MCU通信。SD卡主要存儲(chǔ)書(shū)籍以及學(xué)生的信息，當(dāng)用戶每進(jìn)行一次借還操作后都會(huì)更新卡內(nèi)的用戶以及書(shū)籍信息。

圖1 圖書(shū)自動(dòng)借還書(shū)系統(tǒng)框圖

2.2 SD卡電路設(shè)計(jì)

SD卡作為信息存儲(chǔ)的媒介，相比于其他可移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備具有體積小便于攜帶、價(jià)格低、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在該系統(tǒng)中，可以大量存儲(chǔ)書(shū)籍與用戶的身份信息，其芯片電路設(shè)計(jì)如圖2所示，SD卡驅(qū)動(dòng)芯片與MCU通信采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口。在時(shí)鐘引腳SCLK的驅(qū)使下，每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一個(gè)命令或者數(shù)據(jù)位，頻率可在0～25 MHz之間變化。CS引腳控制片選，低電平有效。SPI模式時(shí)，這些信號(hào)需要在主機(jī)端用 10～100 kΩ的電阻上拉。SPI總線使用2通道傳輸比特?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)SMOSI引腳主機(jī)向SD卡中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并以SMISO引腳主機(jī)讀取數(shù)據(jù)。

圖2 讀卡器和SD卡原圖理

2.3 讀卡器電路設(shè)計(jì)

讀卡器主要用于獲取用戶和圖書(shū)的身份，不同類(lèi)型的RFID卡，由于采用的通信協(xié)議不同，相應(yīng)的射頻讀寫(xiě)芯片也不同。在此RFID卡采用ISO14443_A協(xié)議，支持ISO/IEC 14443_A協(xié)議的射頻讀寫(xiě)芯片中，MF RC522的性價(jià)比最高，市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛，購(gòu)買(mǎi)也最方便。其讀寫(xiě)芯片MF RC522負(fù)責(zé)接收主控MCU的控制信息并完成與RFID卡的通信操作。為了正常工作，射頻讀寫(xiě)芯片須選用合適的接口與MCU連接。而為了發(fā)送、接收穩(wěn)定的高頻信號(hào)，射頻讀寫(xiě)芯片要通過(guò)高頻濾波電路與天線部分連接。讀卡器與MCU采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口通信。在讀寫(xiě)模塊的硬件設(shè)計(jì)中，有兩個(gè)關(guān)鍵部分:(1)MCU與MF RC522芯片的連接，這是實(shí)現(xiàn)MCU控制MF RC522正常工作的硬件基礎(chǔ)。(2)讀寫(xiě)模塊天線部分的設(shè)計(jì)及其與射頻讀寫(xiě)芯片的連接。這部分的性能將直接決定射頻讀寫(xiě)操作能否正常進(jìn)行。MF RC522正常工作時(shí)，需3.3 V電源供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖書(shū)自動(dòng)借還軟件流程如圖3所示，首先上電后會(huì)進(jìn)行程序初始化，使SD卡、液晶、MCU和讀卡器處于默認(rèn)工作狀態(tài)，此刻液晶顯示主頁(yè)信息“歡迎使用借還書(shū)終端”字樣。當(dāng)用戶刷卡、讀卡器獲取到用戶的ID時(shí)，液晶顯示借還書(shū)操作步驟:借書(shū)刷卡、還書(shū)刷書(shū)、等待用戶刷卡操作。在軟件設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于借閱證和圖書(shū)標(biāo)簽滿足同一種協(xié)議(ISO14443_A)，因此設(shè)定兩次刷卡獲取的序列號(hào)不一致規(guī)定為還書(shū)狀態(tài)，否則為借書(shū)狀態(tài)。當(dāng)MCU獲取到用戶的兩次ID一致時(shí)默認(rèn)為借書(shū)狀態(tài)，然后讀卡器等待用戶刷書(shū)，獲取到書(shū)的ID后判定該書(shū)是否可外借，若可以外借，且該用戶已借書(shū)數(shù)量沒(méi)有超過(guò)限制，則這本書(shū)就外借成功，否則外借失敗。外借成功后該書(shū)籍的狀態(tài)也將隨之改變，隨后建立用戶與書(shū)信息一對(duì)多的關(guān)系，最后將修改過(guò)的圖書(shū)信息和用戶借書(shū)信息傳給SD卡并更新卡內(nèi)信息。在進(jìn)入還書(shū)狀態(tài)時(shí)，讀卡器將獲取到的書(shū)ID傳給MCU，MCU查詢SD卡中的數(shù)據(jù)信息，并判斷該書(shū)狀態(tài)。若該書(shū)為可還狀態(tài)，MCU進(jìn)行還書(shū)操作處理，液晶顯示此次操作結(jié)果;若操作成功，則此次操作結(jié)束;如果操作失敗，液晶顯示操作結(jié)果，并提示用戶錯(cuò)誤信息，告知下一步操作步驟。

圖3 RC522讀卡器原理圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 系統(tǒng)軟硬件測(cè)試結(jié)果

針對(duì)上述設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際軟硬件讀卡測(cè)試，當(dāng)讀卡器供電電壓為+3.3 V，空曠環(huán)境使用ISO14443_A協(xié)議識(shí)別高頻電子標(biāo)簽時(shí)，部分測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。表中數(shù)據(jù)是經(jīng)500次測(cè)試后求得的平均值。測(cè)試上下距離的條件是標(biāo)簽正對(duì)讀卡器天線，左右距離是標(biāo)簽離讀卡器天線邊緣的距離。

表1 程序測(cè)試結(jié)果

4.2 運(yùn)行結(jié)果

借還書(shū)成功操作如圖4所示。首先用戶找到要借還的圖書(shū)，根據(jù)液晶顯示提示步驟操作，借書(shū)先刷借閱證，還書(shū)直接刷書(shū)。當(dāng)?shù)谝淮嗡⒔栝喿C或者圖書(shū)標(biāo)簽后，液晶顯示身份驗(yàn)證，需要用戶再刷一次借閱證。刷完借閱證后系統(tǒng)自動(dòng)判斷為借書(shū)或者還書(shū)流程，顯示開(kāi)始借書(shū)或者還書(shū)。讀取圖書(shū)標(biāo)簽，等待操作結(jié)果。如果操作成功液晶顯示借書(shū)或者還書(shū)成功。數(shù)據(jù)庫(kù)中將書(shū)籍信息與學(xué)生信息掛/脫鉤。用戶可以進(jìn)行繼續(xù)借還書(shū)操作。

錯(cuò)誤操作當(dāng)用戶借還書(shū)失敗時(shí)，液晶顯示如圖4所示。此次操作失敗，請(qǐng)?jiān)俅尾僮?，并顯示本人已借的書(shū)籍?dāng)?shù)量。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)在以下4種情況會(huì)出現(xiàn)操作錯(cuò)誤:(1)未在指定書(shū)架終端操作。(2)操作步驟錯(cuò)誤。(3)書(shū)籍不可借/還。(4)超過(guò)借閱權(quán)限。

圖4 借還書(shū)操作結(jié)

5 結(jié)束語(yǔ)

從RFID技術(shù)在圖書(shū)管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)看，其用RFID電子標(biāo)簽替代條碼，大幅減輕了圖書(shū)管理員的工作量，節(jié)約工作時(shí)間、方便用戶自動(dòng)借還圖書(shū)。RFID技術(shù)在圖書(shū)館的運(yùn)用是實(shí)現(xiàn)圖書(shū)自動(dòng)盤(pán)點(diǎn)、圖書(shū)區(qū)域定位、圖書(shū)自動(dòng)分揀的有效方法。當(dāng)然，該系統(tǒng)的性能還有待于提高，如用戶界面的人性化，讀取標(biāo)簽的間隔設(shè)定，防止碰撞等。最終將RFID技術(shù)運(yùn)用于圖書(shū)管理，是圖書(shū)館由傳統(tǒng)管理模式向智能化管理模式轉(zhuǎn)變的必要過(guò)程。

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