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基于物联网的智能图书馆系统设计

发布时间:2018-12-15 22:16:12 文章来源:未来智讯    
    基于物联网的智能图书馆系统设计作者:未知   摘 要: 传统图书馆管理系统难以正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,通过多卡识别技能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,选取手推盘点车和手持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,联合ZigBee的无线传感器网络技能实现对图书馆环境的实时检测。结果证明,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本能。
  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�I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总体水平[1?2]。如何有效并以全新形式的信息技能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,大多数高校图书馆选取条码加词条的作业方式,借书与还书环节需要利用馆内事务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,且需要馆内事务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如意度[4?5]。为解决上述问题,文献[6]提出了智能书架的观念,联合超高频RFID技能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,利用微波传动带抑制阅读器与书籍类别标签间的有效识别区域。文献[7]选取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,以部分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技能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。然而现阶段的智能图书馆还不过处于试验阶段,即使开发出了智能图书馆系统,所选取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]。   为解决上述问题,本文将图书馆智能管理系统与物联网RFID技能、嵌入式技能以及网络通讯技能相融合,完成新型智能图书馆系统的设计,结果证明,该系统书架上图书信息刷新频率可以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 智能图书馆系统整体设计
  依据模块化设计思维,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选取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,扫描图书选取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。选取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,最后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。选取手推盘点车和手持RFID读写器设备与读者证的超高频标签联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。常常情况下,基于物联网的智能图书馆的书架选取矩阵状排列,符合选取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。设图书馆指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,阅读器在正常事务模式下可设定事务频率为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�⒖急昵┑淖�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,再联合报警器构成平安门子系统,平安门子系统中的RFID读写器设备将读入的书籍标签信息通过通讯接口传输到馆员PC机上,在此基础上辅以支持ZigBee的无线传感器网络技能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给出的智能图书馆整体结构,设计智能图书馆系统的硬件平台结构,射频标签采用图书馆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、书架选取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,基于物联网技能下的图书馆系统每本书均选取64位的UID射频标签标识,能够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采用的读卡器硬件电路没有差别,在实际应用过程中,微抑制器的抑制机制与盘点设备的通讯稍有差别。RFID读写器主要由抑制器与串口模块、液晶显示与触摸抑制、存储模块和射频模块6个局部构成。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机之间的通讯桥梁,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芯片适用于事务频率为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,能够直接驱动短距离可操作的天线。为了滤波处理调制过程中变成的高次谐波,模块中选取支持ZigBee协议的天线匹配电路。在利用该芯片事务时,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讯数据接口,由主PC机抑制器完成读取。用于书籍自助借还的读卡器需要与盘点设备通讯,常常由多个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机进行通讯时,为有效保障通讯的书籍信息平安可靠,选用ZLG9518S多串口扩展芯片实现组网,ZLG9518S芯片的协议较为大略,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
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