基于物联网的智能图书馆系统设计

2017-11-10鹿玉红刘颖段丽薛韡

现代电子技术 2017年21期

鹿玉红++刘颖++段丽++薛韡

摘要：传统图书馆管理系统难以准确提供图书当前位置信息，存在馆内图书借还效率低问题，为此设计了基于物联网的智能图书馆系统。利用RFID无线射频读写设备读取书架上图书书名、读者等信息，通过多卡识别技术查询图书借阅归还信息并写入数据库中完成书籍的自助借还操作，利用超高频标签信息以及架上图书信息建立图书馆后台数据库，采用手推盘点车和手持RFID读写器设备与后台数据库中的信息进行匹配，根据上位机程序的提示进行图书定位，结合ZigBee的无线传感器网络技术实现对图书馆环境的实时检测。结果表明，该系统能有效实现图书馆管理与监控的实时化和智能化，具有较高的图书定位精度，充分提高了智能图书馆的信息自动化性能。

关键词：物联网；智能图书馆；图书馆系统；信息自动化

中图分类号： TN911?34； TP391.44 文獻标识码： A 文章编号： 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

图书馆作为高校信息化和社会网络化的重要基地，作为高校文献信息管理中心，从某种角度来说，它的水平体现了学校的整体水平[1?2]。如何有效并以全新形式的信息技术来提高高校图书馆的管理质量以及服务质量，成为现代高校图书馆全方位发展所需面临的首要问题[3]。

目前，大多数高校图书馆采用条码加词条的作业方式，借书与还书环节需要利用馆内工作人员在前台对书籍进行扫描，此操作过程容易造成馆内进出口堵塞，借还书流程效率低，且需要馆内工作人员对归还的书籍进行分类整理，实现书籍上架，整个过程耗时耗力，容易出现上架错误，导致在给定的书籍类别架上找不到相应书籍，为读者带来较大的不便，降低了读者对图书馆的满意度[4?5]。为解决上述问题，文献[6]提出了智能书架的概念，结合超高频RFID技术的电子标签和阅读器对图书馆智能书架的阅读范围进行设定，利用微波传动带控制阅读器与书籍类别标签间的有效识别区域。文献[7]采用无线射频识别阅读器与图书类别标签之间的交互信号强度，以局部一致性误差训练径向神经网络输出图书的位置坐标。文献[8]利用高频的RFID技术开发了智能图书馆系统，统计馆内智能书架上各种期刊的取阅次数、阅览时间以及规划时间等。但是现阶段的智能图书馆还只是处于试验阶段，即使开发出了智能图书馆系统，所采用的书籍定位过程也较为繁琐，存在定位精度较低、成本较高的问题[9]。endprint

为解决上述问题，本文将图书馆智能管理系统与物联网RFID技术、嵌入式技术以及网络通信技术相融合，完成新型智能图书馆系统的设计，结果表明，该系统书架上图书信息刷新频率能够满足多数高校图书馆实用化要求，图书定位精度高。

1 基于物联网的智能图书馆系统设计

1.1 智能图书馆系统总体设计

依据模块化设计思想，将基于物联网的RFID智能图书馆系统分为6个子系统，各个子系统之间利用高校校园网络与数据服务器、应用服务器之间的连接实现图书信息数据交互与发布服务。整个智能图书馆管理系统依据SIP2协议同其他高校图书馆的管理软件实现无缝链接，由此实现智能图书馆图书数据的共享与转换，智能图书馆系统结构图如图1所示。

如图1所示，基于物联网的智能图书馆系统采用RFID无线射频读写设备读取架上图书信息来取代传统图书“纸质条形码+磁条”的方式，扫描图书采用RFID读写器，RFID读写器主要负责读取或写入图书借阅与归还标签信息，并实现图书信息数据的显示和处理，即图书标签转换装置。采用射频标签标记图书作者、出版单位、检索书号等信息，射频场区内的射频读卡器作为自动借还机，对学生借书卡进行身份验证后，读卡器发射电磁波，接收到周围有效书籍射频标签后，对读取的RFID射频标签数据进行处理，将处理结果经过RS 232串口发送到自助借阅与归还子系统中，最终由它将图书借阅归还信息查询写入数据库中完成书籍的自助借还操作。采用手推盘点车和手持RFID读写器设备与读者证的超高频标签结合使用实现图书的手动上下架功能，依据自动盘点装置完成书籍的自动上下架及乱架图书的自动定位等功能。通常情况下，基于物联网的智能图书馆的书架采用矩阵状排列，适合采用基于接收信号强度的模糊匹配法对书架上图书信息、后台数据库信息进行匹配，当图书信息与后台数据信息出现不匹配情况时，上位机程序则会进行提示，从而完成图书定位。设图书馆目标图书定位区域内包含[u]个阅读器，[m]个参考标签和[n]个待检测标签，[P]代表参考标签相应的返回信号强度矢量，[Q]代表待测标签相应的返回信号强度矢量，则依据矢量距离公式可获得描述两种标签的几何距离远近关系表达式：

[Ej=i=1u（Pi-Qi）2， j∈（1，m）] （1）

式中：[Pi]和[Qi]代表两种标签在定位区域内第[i]个阅读器的信号强度。

一个智能图书馆书架上安装一台阅读器，阅读器在正常工作模式下可设定工作频率为50 s检测一次，对于各个待测标签[Q，][P]为参考标签，依据式（1）推导出各个参考标签与待测标签之间的距离关系：

[Ej=PP-QQ， j∈（1，m）] （2）

式中，[Ej]越小说明参考标签与待测标签之间的距离越短。

对于一个待测未知的图书标签，它的坐标可表示为：

[（x，y）=i=1kWi（xi，yi）] （3）

式中：[（xi，yi）]代表參考标签的坐标位置；[k]代表设定的邻居标签的数量；[Wi]代表第[i]个邻居的权重，其表达式如下：

[Wi=1E2ii=1k1E2i] （4）

其中，[E2i]代表各个参考标签与待测标签之间的区间阈值。

完成书籍的自动上下架及乱架图书的自动定位后，再结合报警器构成安全门子系统，安全门子系统中的RFID读写器设备将读入的书籍标签信息通过通信接口传输到馆员PC机上，在此基础上辅以支持ZigBee的无线传感器网络技术实现对图书馆环境的自动监控，书籍管理模块设计结构如图2所示。

1.2 智能图书馆系统硬件设计

依据1.1节图1给出的智能图书馆总体结构，设计智能图书馆系统的硬件平台结构，射频标签选取图书馆ISO/IEC14443协议的RFID 17.85 MHz高频无源标签，读卡器为高频无源标签供应能量，图书、书架采用ISO15693标准的RFID标签，主要负责书籍多标签识别与短距离识别，识别距离在0～2 m内。在以2～4 kHz的波特率正常识别状态下，可在相同时段内读取10～12个书籍射频标签数据，基于物联网技术下的图书馆系统每本书均采用64位的UID射频标签标识，可以满足目前多数高校图书馆的馆藏书籍量的要求。

图书馆自助借还机所选取的读卡器硬件电路没有差别，在实际应用过程中，微控制器的控制机制与盘点设备的通信稍有差别。RFID读写器主要由控制器与串口模块、液晶显示与触摸控制、存储模块和射频模块6个部分构成。RFID射频模块是整个智能图书馆系统重要的终端之一，主要负责对书籍电子标签实现读写、改写处理，是电子标签与馆员PC机之间的通信桥梁，主要由MFRC632芯片、匹配电路以及天线构成，智能图书馆系统射频电路如图3所示。

基于物联网的智能图书馆系统中的MFRC632芯片适用于工作频率为13.56 MHz的RFID非接触标签，其内部结构包含编码、解码以及调制解调电路，可以直接驱动短距离可操作的天线。为了滤波处理调制过程中形成的高次谐波，模块中采用支持ZigBee协议的天线匹配电路。在利用该芯片工作时，需要传送的无线信号由发送缓冲区中的数据进行调制处理后，以天线发射电磁波的形式进行发送，当另一天线接收到频射标签发射的响应信号后，将无线信号通过天线匹配电路处理后发送至接收端，通过接收缓冲器对无线信号进行检测与解调处理，将处理后的数据发送至并行通信数据接口，由主PC机控制器完成读取。用于书籍自助借还的读卡器需要与盘点设备通信，通常由多个PC上位机上的数据库组成。在实际智能图书馆系统应用过程中，多个RFID读写器与同一台PC机进行通信时，为有效保障通信的书籍信息安全可靠，选用ZLG9518S多串口扩展芯片实现组网，ZLG9518S芯片的协议较为简单，可有效满足目前多数串口的系统应用。

1.3 智能图书馆系统上位机软件设计endprint

为了实现智能图书馆系统终端上位机软件设计，完成数据的接收、处理，用ZigBee的无线传感网络实现系统终端上位机软件设计，通过ZigBee的无线传感网络RS 232串行通信协议与系统终端上位机通信，图书馆系统网关利用Socket进程通信结合多线程机制完成与智能图书馆系统终端上位机的通信，详细设计如下。

（1）基于物联网技术的智能图书馆系统UI层，即智能图书馆系统用户界面，其主要功能是实现智能图书馆系统与读者的有机交互，其中包含书籍借阅、归还、查询交互、读者信息管理、用户界面属性配置等设计。UI层与逻辑业务层（UI层服务的提供层）相连，本文设计的基于物联网技术的智能图书馆系统UI层包含采用ISO/IEC14443协议的RFID标签读写组件和用户界面组件两部分，其中采用ISO/IEC14443协议的RFID标签读写组件实质是PC机与RFID射频终端接口部分，实现RFID射频终端的数据读写功能，UI层界面组件的设计主要包含书籍借阅管理模块、读者信息管理模块、书籍自身ID信息管理模块以及系统参数属性设置等，如图4所示。

（2）基于物联网技术的智能图书馆系统逻辑业务层主要功能是实现读者和管理者全部的逻辑操作处理。

（3）基于物联网技术的智能图书馆系统数据访问层为读者和管理者全部的逻辑操作处理过程提供服务，主要负责智能图书馆系统数据库的数据存取。

2 系统测试与分析

以广东省某高校图书馆为例说明具体应用，将880 m2面积的图书馆作为实际布署环境，整个图书馆区配置一台服务器，多个与之匹配的路由器和交换机，一个图书馆每个区域设置一个ZigBee协调器节点，其余为路由器节点或是RFID识别节点，智能图书馆系统数据采集节点实时采集图书馆的书籍借阅信息，最后将全部感知数据传输至系统移动终端，实现对整个图书馆系统网络节点信息的数据采集。

（1）架上图书的实时定位测试。对图书馆社会科学区域内的架上图书进行实时定位实验，设定社会科学专题类别区域间隔为1.2 m，即图书定位误差最大为1.2 m，给出3组图书标签，均采用ISO15693标准的RFID标签，验证基于模糊匹配法完成书架上图书信息与后台数据库信息的高精度匹配，当图书信息与后台数据信息不匹配时，上位机程序会对其做出提示，从而完成图书定位，判断图书定位过程是否正确可行，如图5所示。

分析图5可知，本文设计的基于物联网的智能图书馆系统能够实现架上图书的实时定位，并且定位误差在社会科学专题类别区间阈值范围内，说明本文设计的智能图书馆系统采用基于接收信号强度的模糊匹配法进行图书定位是可行的。设定智能图书馆系统阅读器的工作频率为每50 s检测一次，当图书发生错架时，马上对其进行定位，将计算结果自动更新至馆员PC机上，使得所提设计系统方案图书定位精度较高，可实现图书的智能管理。

（2）架上图书信息刷新频率。智能图书馆系统阅读器的工作频率为每50 s检测一次，读者查询相关图书信息时不产生等待时间，将实际数据库更新频率与本设计方案相应的图书信息更新频率之间的时间差定义为更新时延（单位：s），如图6所示。

分析图6可知，本文设计的基于物联网的智能图书馆系统架上图书信息刷新频率能够满足该高校图书馆实用化要求，系统更新时延保持在0.8 s以内，可有效实现架上图书清点、归架以及查询流通等多个环节，极大地提高了系统工作效率，且智能图书馆系统的复杂度以及系统成本均较低。

图6 智能图书馆系统图书信息更新时延

3 结语

本文对基于RFID技术、ZigBee的无线传感网络技术等设计的智能图书馆系统在实际应用过程中存在的问题进行实验分析与研究，完成了自助借阅与归还、推车式盘点、安全门、监控中心以及RFID后台管理等子系统的设计，实现了图书馆管理的自动化和智能化，简化了读者借还书环节，提高了图书馆的整体服务水平。

参考文献

[1] 王政军，董晓梅，俞小怡，等.图书馆智能化研修间系统的设计与实现[J].现代情报，2016，36（8）：79?83.

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