基于RFID技术的智能书本分拣系统

2022-11-17杨恒源陈宇姚晨彧孟祥祥胡骁原

机械工程师 2022年10期

杨恒源，陈宇，姚晨彧，孟祥祥，胡骁原

（合肥工业大学机械工程学院，合肥 230009）

0 引言

RFID技术可以通过射频识别的方式实现非接触双向信息识别。RFID技术具有存储信息量大、使用寿命长等优点[1]。近年来，在书本管理方面，RFID技术凭借其电子标签体积小、记忆容量大、响应迅速及可穿透等特点，实现了图书馆24 h自助借还、智能书本清点等无人值守操作，但在书本分类归还入库方面应用尚少，目前市场上书本分拣多采用人工分拣或条形码识别分拣等传统分拣方式，分拣效率较低。

本文在现有RFID技术应用的基础上设计了一种用于书本分拣的系统，以树莓派为控制核心，能够实现书本的分离、识别、分拣等功能，实现书本的自动化管理，减少书本管理的成本，提高管理工作效率，具有较好的发展空间。

1 整体结构

1.1 系统整体结构设计

本文设计的系统结构主要由用于分离书本的分离模块、RFID读写模块、控制模块及执行机构组成[3]，总体结构框架如图1所示。

图1 系统模块关系

如图2所示，在执行系统中，系统分离模块主要用于将整摞书分离开来，以方便后续书本分拣工作的进行。书本传送模块承上启下，分离模块将书本推送至传送带上，由传送带将书本送至各个分拣模块，进行书本的分拣工作，在此期间，书本经过RFID读写器，并读取书本内含的电子标签中的唯一UID编码，以检索书本的类别信息。控制系统对相关信息进行分析，下达书本的分离指令。

图2 系统整体结构

书本分拣模块通过在传送模块中间设立若干分拣口以实现不同类别书本的分拣，当书本匹配到正确的分拣口时，由树莓派控制分拣模块将书本分拣完毕。

1.2 系统工作流程

在书本内页中贴上电子标签，通过电子标签UID的唯一性进行书本识别，UID编码方案采取基于ISO/IEC15962的编码方案，可以在128字节的基本代码长度中存储书本信息。系统采用模块化的系统设计管理方法，采用13.56 MHz频段，并按照ISO 15693标准要求进行系统设计[6]。在书本管理员将书本放置在自动分拣系统中后，由书本分离模块将整摞书分离开来，书本将在传送过程中经过RFID读写器读取到UID编码，并由终端在数据库中检索到书本的相关信息，以确定书本的最终分拣口，待书本传送至相应分拣口后，由树莓派控制书本分拣模块相应电动机，从而实现书本的分拣，具体工作流程如图3所示。

图3 系统工作流程

2 系统硬件设计

系统硬件设计主要分为控制系统的设计与RFID读写系统的设计。其中，控制系统采用树莓派开发板作为嵌入式Linux板卡，与传统的单片机等微型嵌入式控制器相比，树莓派具有更加灵活多样的设计能力，拥有较高的开发水平，在开发语言的选择上也有更大的空间。采取RFID读写器进行书本的扫描识别，主控核心接有迪文串口屏，以方便用户管理操作，并连有Big Fish扩展板，扩展板与各传感器和驱动电动机通过RS-485 协议接口连接，具体连接方式如图4所示[4]。

图4 控制系统连接示意图

而在RFID 读写系统中，RFID读写器在射频识别系统中负责读取或写入电子标签上的信息。由于电子标签的非接触性质，必须借助位于树莓派控制终端中的控制系统与电子标签之间的RFID读写器来完成通信的建立。

在系统结构中，树莓派作为主动方向RFID读写器发出读写指令，而读写器则作为从动方对操作指令做出响应。在读写器接收到相关操作指令后，回应的结果就是在空间中产生高频发射能量，激活电子标签并为其供能。由于RFID读写系统采用全双工的工作模式，当读写器的接收电路在接收来自电子标签反馈的微弱信号时，发射电路本身也在同时维持相对较大功率的无调制载波，给电子标签提供能量，建立通信控制关系。因此，相对于电子标签而言，读写器变成指令的主动方[6]，如图5所示。

图5 系统硬件通信关系

3 系统软件设计

3.1 系统运行总体架构

如图6所示，在上述的系统硬件基础结构的设计基础上，考虑RFID书本分拣系统的用户数据处理需求，将整个系统划分为表现层（UI）、业务逻辑层（DAL）和数据访问层（DAL），以此实现整个系统的“高内聚，低耦合”[2]。表现层向用户提供系统界面，即用户使用整个系统时的所见所得；业务逻辑层能够根据用户的具体需求，采取对整个数据层的直接操作，对数据业务进行逻辑处理；数据访问层能够直接操作数据库，针对书本信息数据进行增、删、改、查。

图6 系统运行总体架构

3.2 RFID读写模块

3.2.1 防碰撞算法

在书本信息读取过程中，会出现存在多个电子标签位于同一个读写器的可读范围内的情况，或出现外界干扰影响数据传输的完整性和正确性。图7所示为标签碰撞的产生过程，为防止这些碰撞的产生，需要在RFID系统中设置相关命令，这些操作和命令称为防碰撞命令或算法（Anti-collision Algorithms）。

图7 电子标签的碰撞

为有效防止标签中的数据包在读写器中互相碰撞影响，本文采取基于轮询办法[6]的二进制防碰撞算法，其基本原理如图8所示，将处在碰撞状态中的2个电子标签分为左右2个子集0和1，首先对子集0进行查询，若没有发生碰撞，则正确识别；若发生碰撞，则继续分裂，将子集0分成00 和01两个子集，依此类推，直至能够正确识别出子集0中的所有电子标签，再按此程序查询子集1[8]。

图8 二进制防碰撞算法模型

3.2.2 程序设计

RFID读写器控制程序主要由通信握手、数据的接收与发送、译码纠错、RS-232通信、读取电子标签数据及控制执行模块子程序组成。其中关键在于读取书本电子标签数据及控制执行模块子程序。

电子标签读写程序的主要功能是读取RFID电子标签中的标签信息，并将这些信息存入文本文档中；然后程序将解析这个文件，并获取标签的UID；最后程序将该电子标签的UID与数据库进行比较，得到书本类别信息，并调用相应控制执行模块子程序。

3.3 数据库搭建

3.3.1 数据库概念结构设计

在本文的应用场景中，首先需要设计书本卡片信息实体[5]，由RFID读写器读取电子标签的UID，对应检索到书本的卡片信息，其中包含书本类别编号、名称、作者、出版社等相关信息。

数据库管理程序主要完成数据库中数据的实时查询、设置，负责接收从读写器传来的数据并进行相应处理操作。

3.3.2 数据库逻辑结构设计

在数据库逻辑结构设计中，需要解决的核心技术问题在于如何通过最高效、最合理的方式实现对书本信息的存取与查询操作。本文对数据存取的操作流程如图9所示。

图9 书本信息存取操作流程

3.3.3 系统表现层设计

如图10所示，为方便管理员的操作与管理，需要对系统进行表现层设计，该管理系统能够执行的操作有书本信息的读取和录入、书本分拣情况统计、故障报警等。在进行书本数据信息录入及处理时，读取数据由在程序运行时就已经创建的线程在后台完成，RFID读写器将数据传送存放至程序缓冲区中，该缓冲区由程序初始化时分配。当检测到程序缓冲区传来数据时，直接进行数据处理后写入数据库。