基于RFID的图书馆自动借还系统设计

肖亚迪，贺成佳，李俐萍

(成都理工大学信息科学与技术学院，四川成都 610059)

随着社会信息的快速发展，RFID作为一种快速、远距离、非接触式的自动识别技术，已成功应用于国内外部分图书馆［1］。目前，仍有许多图书馆采用条码加磁条的方式进行图书管理［2－4］。这种管理方式存在图书管理员工作量大、用户借还书程序繁琐、图书查找困难等问题。目前已有许多国家图书馆和公共图书馆采用自动化图书管理系统，但这对于中、小型图书馆而言，其具有成本高、后期维护投入大［3］等问题。因此，针对小型图书馆，设计一种简易、便携式自动借还机系统是必要的。本文设计的基于RFID［5］的图书馆自动借还系统可以实现无人看守、自动借还书籍等功能，从而减少图书管理员的劳动量，并且方便用户操作。若在整个图书馆每层楼设置多个图书借还终端，可达到减缓用户借还拥挤等情况的目的。向RFID电子标签写入位置信息还可以实现图书定位，方便用户查找和图书管理员整架［6］。

1 系统工作原理

1.1 高频RFID电子标签原理及特点

电子标签的工作频段可分为低频(125 kHz)、高频(13.5 MHz)、超高频(850～910 MHz)和微波(2.45 GHz)4种。

低频标签能耗小、穿透能力强、适用近距离读卡;超高频功耗大、能量易被干扰、穿透能力弱、存储容量小，一般为256 kB，与同容量的高频标签相比，价格较高，适用于远距离读卡。高频工作模式为近耦合，波形图为球形波形，较好控制，通过天线面积可有效控制读取范围，在自动借还机附近也不会发生读取非操作读者手持书籍的问题［7］，且其价格适当、技术成熟、能与磁条系统兼容。故在本系统中采用高频频段作为电子标签的工作频段，其在1～10 cm的范围内即可进行读卡工作，满足图书读取距离要求。其较条码加磁条方式的图书管理具有管理人员工作量大幅降低、用户借还书程序简便、图书查找明了方便等优点。

根据制作标签的材料，RFID标签分为软标签和硬标签。软标签可作为图书的电子标签，硬标签可作为学生的借阅证。目前，全球有3大RFID协议标准:欧美的EPC标准，日本的UID标准和国际标准组织ISO/IEC标准，这些标准相互之间不兼容［6］。由于生产厂家已在RFID标签内部写入了满足某一标准协议并且具有全球唯一的序列号，所以针对同一个读卡器选用不同的协议，这将决定所选择的标签类型不同。在中国大部分地区，RFID标签协议采用国际标准，在此选择国际组织ISO14443_A/B协议标准。且只需饭卡、图书借阅证等标签复合ISO14443_A/B协议标准，即可在学校内实现校园一卡通功能。

1.2 读卡器工作原理

读卡器主要由RFID读写系统、电子标签和天线构成，其中RFID读写系统又由读写单元和电子收发器组成。软件编程可以使读写单元开启天线并发送一定频率的信号。当电子标签进入到读卡器发射天线工作区域内就会产生感应电流，电子标签从休眠状态进入激活状态。激活后，电子标签通过内置天线将自身编码等信息调制后发射出去。读卡器系统的接收天线接收到电子标签的信息后传输给读卡器。读卡器对信息进行解调和解码等操作，最终传送给主系统的MCU进行相关处理，执行某一命令。

2 系统电路设计

2.1 系统总体设计方案

如图1所示为图书自动借还机设计框图，该系统由RFID(Radio Frequency Identification)标签、读卡器、MCU、液晶显示部分、SD(Secure Digital Memory Card)卡等模块组成。RFID标签贴在书表面作为图书身份标识，并携带书籍的许多属性信息以及定位信息。读卡器通过SPI接口与MCU进行通信，控制RFID阅读器主要用于获取用户和书籍的身份，并将信息传给MCU处理。液晶显示部分主要显示借还书的操作步骤以及操作结果。SD卡作为数据信息的存储媒介，采用同步传输方式进行SPI与MCU通信。SD卡主要存储书籍以及学生的信息，当用户每进行一次借还操作后都会更新卡内的用户以及书籍信息。

图1 图书自动借还书系统框图

2.2 SD卡电路设计

SD卡作为信息存储的媒介，相比于其他可移动存储设备具有体积小便于携带、价格低、电路设计简单等优点。在该系统中，可以大量存储书籍与用户的身份信息，其芯片电路设计如图2所示，SD卡驱动芯片与MCU通信采用标准的SPI接口。在时钟引脚SCLK的驱使下，每个时钟周期传输一个命令或者数据位，频率可在0～25 MHz之间变化。CS引脚控制片选，低电平有效。SPI模式时，这些信号需要在主机端用 10～100 kΩ的电阻上拉。SPI总线使用2通道传输比特数据，通过SMOSI引脚主机向SD卡中存储数据，并以SMISO引脚主机读取数据。

图2 读卡器和SD卡原图理

2.3 读卡器电路设计

读卡器主要用于获取用户和图书的身份，不同类型的RFID卡，由于采用的通信协议不同，相应的射频读写芯片也不同。在此RFID卡采用ISO14443_A协议，支持ISO/IEC 14443_A协议的射频读写芯片中，MF RC522的性价比最高，市场应用最广泛，购买也最方便。其读写芯片MF RC522负责接收主控MCU的控制信息并完成与RFID卡的通信操作。为了正常工作，射频读写芯片须选用合适的接口与MCU连接。而为了发送、接收稳定的高频信号，射频读写芯片要通过高频滤波电路与天线部分连接。读卡器与MCU采用标准的SPI接口通信。在读写模块的硬件设计中，有两个关键部分:(1)MCU与MF RC522芯片的连接，这是实现MCU控制MF RC522正常工作的硬件基础。(2)读写模块天线部分的设计及其与射频读写芯片的连接。这部分的性能将直接决定射频读写操作能否正常进行。MF RC522正常工作时，需3.3 V电源供电。

3 系统软件设计

图书自动借还软件流程如图3所示，首先上电后会进行程序初始化，使SD卡、液晶、MCU和读卡器处于默认工作状态，此刻液晶显示主页信息“欢迎使用借还书终端”字样。当用户刷卡、读卡器获取到用户的ID时，液晶显示借还书操作步骤:借书刷卡、还书刷书、等待用户刷卡操作。在软件设计功能实现时，由于借阅证和图书标签满足同一种协议(ISO14443_A)，因此设定两次刷卡获取的序列号不一致规定为还书状态，否则为借书状态。当MCU获取到用户的两次ID一致时默认为借书状态，然后读卡器等待用户刷书，获取到书的ID后判定该书是否可外借，若可以外借，且该用户已借书数量没有超过限制，则这本书就外借成功，否则外借失败。外借成功后该书籍的状态也将随之改变，随后建立用户与书信息一对多的关系，最后将修改过的图书信息和用户借书信息传给SD卡并更新卡内信息。在进入还书状态时，读卡器将获取到的书ID传给MCU，MCU查询SD卡中的数据信息，并判断该书状态。若该书为可还状态，MCU进行还书操作处理，液晶显示此次操作结果;若操作成功，则此次操作结束;如果操作失败，液晶显示操作结果，并提示用户错误信息，告知下一步操作步骤。

图3 RC522读卡器原理图

4 系统测试

4.1 系统软硬件测试结果

针对上述设计的系统进行实际软硬件读卡测试，当读卡器供电电压为+3.3 V，空旷环境使用ISO14443_A协议识别高频电子标签时，部分测试数据结果如表1所示。表中数据是经500次测试后求得的平均值。测试上下距离的条件是标签正对读卡器天线，左右距离是标签离读卡器天线边缘的距离。

表1 程序测试结果

4.2 运行结果

借还书成功操作如图4所示。首先用户找到要借还的图书，根据液晶显示提示步骤操作，借书先刷借阅证，还书直接刷书。当第一次刷借阅证或者图书标签后，液晶显示身份验证，需要用户再刷一次借阅证。刷完借阅证后系统自动判断为借书或者还书流程，显示开始借书或者还书。读取图书标签，等待操作结果。如果操作成功液晶显示借书或者还书成功。数据库中将书籍信息与学生信息挂/脱钩。用户可以进行继续借还书操作。

错误操作当用户借还书失败时，液晶显示如图4所示。此次操作失败，请再次操作，并显示本人已借的书籍数量。此系统设计在以下4种情况会出现操作错误:(1)未在指定书架终端操作。(2)操作步骤错误。(3)书籍不可借/还。(4)超过借阅权限。

图4 借还书操作结

5 结束语

从RFID技术在图书管理系统中实现的功能来看，其用RFID电子标签替代条码，大幅减轻了图书管理员的工作量，节约工作时间、方便用户自动借还图书。RFID技术在图书馆的运用是实现图书自动盘点、图书区域定位、图书自动分拣的有效方法。当然，该系统的性能还有待于提高，如用户界面的人性化，读取标签的间隔设定，防止碰撞等。最终将RFID技术运用于图书管理，是图书馆由传统管理模式向智能化管理模式转变的必要过程。

［1］刘莉莉，张澜宇，唐彬.基于RFID图书管理系统［J］.现代情报，2011(2):152－153.

［2］林晓玲，杨明华.RFID图书管理系统中图书定位排架方式探析［J］.图书馆论坛，2012，32(3):102 －104.

［3］杨海珍.RFID技术在图书馆中的应用现状［J］.科技视界，2011(23):147－148.

［4］Ahmad Tarmizi，Bin Abdullah，Imarani Binti Ismail.Library shelf management system using RFID technology［C］.IEEE International Conference on System Engineering and Technology，2011.

［5］Chawla V，Dong Sam H，An overview of passive RFID［J］.Communications Magazine，IEEE，2007，45(9):11 －17.

［6］王莉.图书馆RFID标签应用比较研究［J］.图书馆理论与实践，2013(3):89－91.

［7］撖立军.RFID技术在图书馆的应用现状与问题分析［J］.物联网技术，2012(12):79－80，83.