胡泰然，曹鵬彬，陳緒兵,2

(1. 武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430200； 2. 東莞市華科制造工程研究院有限公司，廣東 東莞 523000)

?

基于RFID與XBEE的CIRCLE智慧圖書館的設(shè)計(jì)與開發(fā)*

胡泰然1，曹鵬彬1，陳緒兵1,2

(1. 武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430200； 2. 東莞市華科制造工程研究院有限公司，廣東 東莞 523000)

為了解決傳統(tǒng)圖書館智能程度低、管理模式落后、借書效率低下等問題，基于RFID和XBEE，將物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用到圖書館系統(tǒng)中，提出了CIRCLE智慧圖書館的一整套解決方案。該方案包括智能門禁、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能監(jiān)控、智能安防、智能借閱以及座位管理系統(tǒng)，同時(shí)以云端數(shù)據(jù)為中心，通過B/S與C/S多方面交互集成，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備智能調(diào)控、信息多平臺(tái)管理、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和座位智能管理等功能。

CIRCLE智慧圖書館;RFID;XBEE;物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以智能家居為載體逐漸走進(jìn)千家萬戶，隨著“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代的來臨，射頻識(shí)別(RFID)與ZigBee分別作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的核心支撐技術(shù)之一，得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可和關(guān)注[1]。目前RFID技術(shù)也正被大量運(yùn)用在各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，涵蓋了物流、倉(cāng)庫(kù)管理、安全訪問、目標(biāo)監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的雙向無線通信新技術(shù)[2]，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以滿足對(duì)小型廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制。本系統(tǒng)所采用的XBEE是復(fù)合IEEE 802.15.4的標(biāo)準(zhǔn)Zigbee產(chǎn)品，為此系統(tǒng)的無線通信提供了條件[3]。

物聯(lián)網(wǎng)在圖書館的應(yīng)用，目前主要集中在基于RFID技術(shù)對(duì)館藏進(jìn)行智能管理。1998年美國(guó)洛克菲勒大學(xué)圖書館率先安裝了RFID系統(tǒng)，2002年新加坡國(guó)家圖書館在世界上首次采用了RFID技術(shù)的圖書管理系統(tǒng)，隨后美國(guó)、德國(guó)、荷蘭、英國(guó)等國(guó)的圖書館也相繼使用。當(dāng)前，我國(guó)圖書館由于各種原因，RFID技術(shù)還沒有能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用，尤其是在高等院校的圖書館，具體體現(xiàn)在RFID標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一且互不兼容，RFID技術(shù)應(yīng)用不穩(wěn)定，圖書損壞監(jiān)管不及時(shí)甚至無法識(shí)別，與圖書館傳統(tǒng)系統(tǒng)整合有難度，讀者自動(dòng)識(shí)別與進(jìn)出館記錄有待完善。同時(shí)，隨著我國(guó)相關(guān)企業(yè)對(duì)解碼技術(shù)、讀寫器以及芯片的制造技術(shù)越來越熟悉后，RFID技術(shù)成本也會(huì)越來越低。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來看，基于RFID技術(shù)的智能圖書館是圖書館今后的發(fā)展趨勢(shì)[4]。

高校圖書館座位資源短缺問題多年來一直存在，為此圖書館很早就在嘗試使用各種不同的方法來解決占座問題[5]。有些圖書館提出了采用計(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)圖書館座位的管理，但以硬件技術(shù)為主開發(fā)的座位管理系統(tǒng)存在成本高、功能弱、系統(tǒng)擴(kuò)展性差等問題[6]。近年來，一些圖書館開始轉(zhuǎn)向采用軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)座位管理，有些圖書館還使用指紋來替代校園卡。

針對(duì)國(guó)內(nèi)外RFID的研究現(xiàn)狀以及現(xiàn)有RFID圖書館系統(tǒng)功能不夠完善的問題，本文采用了RFID和XBEE技術(shù)設(shè)計(jì)的CIRCLE智慧圖書館系統(tǒng)，針對(duì)圖書館的借書方式、管理方式、運(yùn)作模式進(jìn)行了革命性創(chuàng)新。對(duì)圖書館的環(huán)境運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)的思想，融入XBEE技術(shù)將一切可控制及監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)云端統(tǒng)一控制、調(diào)節(jié)[7]，大大改善了圖書館的閱讀環(huán)境和自習(xí)室的使用狀態(tài)，將智能、人性化等因素充分考慮進(jìn)去，真正地將智慧生活體現(xiàn)在圖書館中。

1 CIRCLE智慧圖書館的系統(tǒng)方案及功能

1.1 系統(tǒng)方案

CIRCLE智慧圖書館是一整套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字化智慧圖書館服務(wù)系統(tǒng)。從系統(tǒng)功能來說，智慧圖書館主要由四大系統(tǒng)組成：基于NFC技術(shù)和二維碼識(shí)別的門禁系統(tǒng)、基于XBEE圖書館智能化管理系統(tǒng)、基于RFID的圖書自助借閱系統(tǒng)、自習(xí)室座位管理系統(tǒng)。從系統(tǒng)架構(gòu)及通訊方式來看，整個(gè)智慧圖書館的系統(tǒng)又分為兩大塊：一是入館出館系統(tǒng)，該塊有少量的通信和控制，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較??；二是智能控制系統(tǒng)，通過智能控制中心，實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)作。根據(jù)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，各部分之間的聯(lián)系如圖1所示。

圖1 智能圖書館系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能

智慧圖書館的系統(tǒng)包括：智能門禁系統(tǒng)、環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)、智能借閱系統(tǒng)、座位管理系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)思想和云端概念，所有數(shù)據(jù)都通過云端數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和各個(gè)終端的數(shù)據(jù)同步。

圖2 系統(tǒng)整體功能圖

智慧圖書館的具體功能如下：

(1)智能門禁系統(tǒng)：帶有NFC標(biāo)簽的學(xué)生卡刷卡或者手機(jī)APP合成的二維碼，進(jìn)行掃描身份識(shí)別。

(2)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：在各層借閱室，自習(xí)室，電子閱覽室中安裝溫濕度傳感器、PM2.5探測(cè)器，傳感器將檢測(cè)的信息上傳至云端。

(3)智能監(jiān)控系統(tǒng)：通過無線IP攝像頭，將室內(nèi)信息上傳至云端。

(4)智能安防系統(tǒng)：室內(nèi)安裝了煙霧傳感器、聲光報(bào)警器，一旦室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，立即報(bào)警并發(fā)出警鳴，同時(shí)室內(nèi)安裝有門磁和人體紅外傳感器，配合聲光報(bào)警器聯(lián)動(dòng)報(bào)警。

(5)智能借閱系統(tǒng)：出口處安裝超高頻RFID模塊，貼有UHF電子標(biāo)簽的書籍出館時(shí)會(huì)被自動(dòng)掃描，并在顯示屏上顯示，刷卡確認(rèn)借閱離館即可。同時(shí)進(jìn)行了圖書信息編碼的改造，采用地區(qū)、書架、層三級(jí)編碼，使借書還書更加快捷方便。

(6)座位管理系統(tǒng)：在自習(xí)室門口設(shè)置取號(hào)機(jī)，讀者刷卡或者刷APP生成的二維碼獲取對(duì)應(yīng)的座位號(hào)，在取號(hào)機(jī)屏幕上顯示并同步至各個(gè)終端，保證學(xué)生的權(quán)益同時(shí)提高了自習(xí)室的利用率。

2 系統(tǒng)方案軟硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 信息傳送處理中心

采用RaspberryPi2作為協(xié)調(diào)器，嵌入Linux操作系統(tǒng)，接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，構(gòu)成信息傳送處理中心。協(xié)調(diào)器將接收到的信息傳至云端，同時(shí)接收服務(wù)器傳來的指令，轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。

2.2 系統(tǒng)硬件終端

(1)數(shù)據(jù)采集終端

終端節(jié)點(diǎn)是四個(gè)以XBEE模塊為核心的無線傳輸設(shè)備，分別通過STC12C5A60S2單片機(jī)連接AM2301/DHT21電容式數(shù)字溫濕度傳感器、MQ-2可燃?xì)怏w傳感器、煙霧傳感器以及光敏傳感器。整個(gè)模塊就是采集數(shù)據(jù)并利用XBEE與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。

(2)安防系統(tǒng)終端

安防系統(tǒng)硬件終端包括IP攝像頭和以XBEE為核心的無線傳輸模塊，通過單片機(jī)連接人體紅外傳感器、聲光報(bào)警器和門磁感應(yīng)器等。IP攝像頭直接通過WLAN接入安防網(wǎng)絡(luò)中，其他模塊則通過XBEE與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。

(3)圖書數(shù)據(jù)的采集與識(shí)別控制終端硬件

通過RFID讀寫模塊將圖書信息寫入電子標(biāo)簽中，并上傳至云端。借閱時(shí)，通過RFID讀寫器模塊對(duì)圖書上標(biāo)簽進(jìn)行掃描，將信息顯示在顯示屏上，最后刷卡或者掃描APP中個(gè)人二維碼確認(rèn)借閱。

2.3 軟件的設(shè)計(jì)流程

圖3 系統(tǒng)軟件流程

根據(jù)圖書館各項(xiàng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅O(shè)計(jì)了圖3所示的軟件流程。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，Raspberry Pi協(xié)調(diào)器開始搜索館內(nèi)所有XBEE節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行匹配、組網(wǎng)，組網(wǎng)成功后，每15 s向節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求一次數(shù)據(jù)，遇到突發(fā)情況或者讀者刷卡進(jìn)館、借書出館、自習(xí)室作為請(qǐng)求等，節(jié)點(diǎn)主動(dòng)向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，然后由協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器進(jìn)行處理下發(fā)控制指令。

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)測(cè)試

完成設(shè)計(jì)后對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試方法如下:

(1)智能門禁系統(tǒng)的測(cè)試

RFID讀卡器：在給讀卡器供電后之后，將讀卡器的數(shù)據(jù)線接入同XBEE開發(fā)板的普通I/O口上，在刷卡之后，會(huì)將該卡的ID號(hào)序列通過UART將其顯示在PC機(jī)上。

門緊鎖：用直流電源給門禁鎖供電，然后用XBEE的I/O口上的高低電平通過控制電磁繼電器來選通門禁鎖的工作電流。

(2)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試

溫濕度傳感器：給溫濕度傳感器供電之后，將其數(shù)據(jù)線接入XBEE的I/O口上，通過UART將其所采集的溫度和濕度的數(shù)據(jù)上傳至云端。

MQ-2傳感器：給其供電之后，將其數(shù)據(jù)線接在示波器上，然后將打火機(jī)里面的液化氣釋放在該傳感器的周圍，當(dāng)達(dá)到一定濃度后，示波器原來顯示的高電平會(huì)降低。

IP攝像頭：將攝像頭供電后，將其數(shù)據(jù)接入XBEE的I/O口上，通過UART將其采集數(shù)據(jù)上傳至云端，并監(jiān)控。

(3)智能借閱系統(tǒng)的測(cè)試

UHF RFID讀寫模塊：將模塊供電之后，將模塊的數(shù)據(jù)接入XBEE開發(fā)板的普通I/O口上，在掃描電子標(biāo)簽后，會(huì)將標(biāo)簽信息顯示在PC機(jī)上，上傳至云端。

NFC讀寫模塊測(cè)試：將NFC供電后，將模塊的數(shù)據(jù)接入XBEE的開發(fā)板的普通I/O口上，在掃描校園卡后，信息會(huì)通過XBEE傳送至協(xié)調(diào)器，最后保存至云端服務(wù)器。

(4)XBEE傳輸距離的測(cè)試

對(duì)XBEE進(jìn)行傳輸距離的測(cè)量采用固定一點(diǎn)，移動(dòng)另一點(diǎn)，實(shí)時(shí)查看通信狀況。

3.2 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)測(cè)試

(1)軟件簡(jiǎn)介

CIRCLE智慧圖書館是一款在保留傳統(tǒng)圖書館基本功能的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的手機(jī)軟件。軟件基于Android系統(tǒng)開發(fā)，支持實(shí)時(shí)圖書信息查詢、圖書續(xù)借、二維碼合成、掃碼驗(yàn)證進(jìn)入圖書館等多項(xiàng)便捷功能。后期迭代升級(jí)會(huì)支持監(jiān)控功能，館內(nèi)實(shí)時(shí)信息推送等功能。這是一款改善圖書館功能和服務(wù)的便捷軟件，軟件的開發(fā)會(huì)積極采集讀者的需求并進(jìn)行改進(jìn)。

(2)軟件功能

2.4 藥物不良反應(yīng) 所有患兒治療前后肝腎功能、尿常規(guī)、心電圖無明顯變化，觀察組患兒未見服用順爾寧引起的不良反應(yīng)。

軟件提供了圖書查詢、借書查詢、最新動(dòng)態(tài)、免證入館等功能。學(xué)生通過學(xué)號(hào)登錄后即可查詢各種信息以及生成驗(yàn)證二維碼以通過圖書館門禁系統(tǒng)。APP應(yīng)用功能如圖4所示。

圖4 APP應(yīng)用功能

3.3 Web使用說明

進(jìn)入library.itjesse.cn頁面，通過權(quán)限賬號(hào)登錄智慧圖書館界面可進(jìn)行操作，如圖5所示。同時(shí)可以在界面上查詢環(huán)境監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)(溫濕度、PM2.5、光強(qiáng)、煙霧等)，并且還可以查詢到人體紅外、痛風(fēng)扇、門磁傳感器、聲光報(bào)警器的狀態(tài)以及攝像頭的監(jiān)控畫面。

圖5 智慧圖書館總覽界面

3.4 圖書錄入和借閱使用說明

在有新書籍錄入或有需要更改的舊書籍時(shí)，為了便于圖書管理員的錄入，開發(fā)了相應(yīng)的Web端錄入系統(tǒng)，只需要經(jīng)過3個(gè)步驟即可快速完成圖書的錄入管理，操作方法如下：

(1)進(jìn)入初始頁面，將新的貼有RFID標(biāo)簽的書籍放在RFID讀取天線上面讀取標(biāo)簽的信息；

(2)將圖書信息按照ISBN、出版社、書名、圖樣、簡(jiǎn)介和作者寫入，或者直接掃描條碼自動(dòng)填入，確認(rèn)信息無誤后提交即完成圖書錄入；

(3)打開相關(guān)圖書便可查詢錄入的圖書信息及入庫(kù)時(shí)間，可以隨時(shí)進(jìn)行修改。

借書功能是本圖書館系統(tǒng)最大特色之一，完全實(shí)現(xiàn)了書籍自助借閱與書籍快速借閱的目的，將Web界面開發(fā)成簡(jiǎn)潔易操作的模式，使讀者容易使用該套系統(tǒng)，操作方式如下：

(1)將書籍放在裝有天線的閘機(jī)上，閘機(jī)上顯示屏?xí)@示當(dāng)前所借的書籍信息；

(2)設(shè)置了借書上限為5本，如果超過會(huì)提示錯(cuò)誤，需要重新進(jìn)行掃描；

(3)確認(rèn)書籍信息后，刷校園卡或者使用APP中的二維碼來開啟閘機(jī)離開，借書即完成。

4 結(jié)論

本文依據(jù)國(guó)內(nèi)外圖書館的現(xiàn)狀，提出了基于RFID與XBEE的CIRCLE智慧圖書館一整套解決方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)館內(nèi)環(huán)境(溫濕度、光強(qiáng)、PM2.5、煙霧等)的監(jiān)測(cè)、館內(nèi)的安防控制等，同時(shí)融合了B/S和B/S架構(gòu)，分別開發(fā)了Web端、PC管理端和手機(jī)APP三種終端，實(shí)現(xiàn)了書籍快速錄入、自助借閱平臺(tái)、手機(jī)APP取代校園卡等功能，讀者能實(shí)時(shí)在APP或者Web端查看當(dāng)前借閱信息以及館內(nèi)環(huán)境安防信息，管理人員能通過Web端查看當(dāng)前狀態(tài)并對(duì)圖書館進(jìn)行管理。

[1] 謝磊,殷亞鳳,陳曦，等.RFID數(shù)據(jù)管理:算法、協(xié)議與性能評(píng)測(cè)[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2013,36(3):457-470.

[2] 楊瑋, 呂科, 張棟, 等. 基于ZigBee技術(shù)的溫室無線智能控制終端開發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010，26(3): 198-202.

[3] RYOO J, CHOO J, CHOO H. Novel UHF RFID Tag antenna for metallic foil packages[J]. Antennas and Propagation, 2012, 60(1): 377-379.

[4] 陳嘉懿. 智慧圖書館的構(gòu)建之道——淺談高校圖書館RFID技術(shù)應(yīng)用新思路[J]. 大學(xué)圖書館學(xué)報(bào), 2013，31(1): 54-58.

[5] 胡晶宇,付志遠(yuǎn),陳緒兵，等.基于RFID的圖書館自習(xí)室座位管理系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014,37(20):38-40.

[6] 王孝亮, 胡軍, 王威, 等. 圖書館座位在線預(yù)約系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)——以中國(guó)藥科大學(xué)圖書館為例[J]. 農(nóng)業(yè)圖書情報(bào)學(xué)刊, 2014, 26(5): 36-39.

[7] 唐廣耀,李勇,張以帥,等. 基于RFID與PLC的倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用,2016,35(8):89-92.

2017年SISS上海國(guó)際智能工業(yè)解決方案研討會(huì)暨展覽會(huì)圓滿落幕

第二屆SISS上海國(guó)際智能工業(yè)解決方案研討會(huì)暨展覽會(huì)已于6月29日?qǐng)A滿閉幕，為期三天的研討會(huì)云集中外各地的工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)專家，聚首交流及展望中國(guó)相關(guān)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。本屆研討會(huì)再度由上海浦東國(guó)際展覽公司、廣州光亞法蘭克福展覽有限公司和德國(guó)美賽高法蘭克福展覽有限公司攜手呈獻(xiàn)，為華東地區(qū)帶來一站式的智能工業(yè)生產(chǎn)交流平臺(tái)。

今年SISS研討會(huì)共獲得391位專業(yè)觀眾蒞臨參與，與會(huì)者包括智能工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)的決策階層、資深經(jīng)理及專業(yè)工程師等，來自中外六個(gè)國(guó)家。研討會(huì)邀請(qǐng)多位工業(yè)自動(dòng)化專家主講，討論題目超過50個(gè)，內(nèi)容涵蓋業(yè)內(nèi)多個(gè)領(lǐng)域。除研討會(huì)之外，今年大會(huì)繼續(xù)設(shè)立專門的智能工業(yè)解決方案展示區(qū)，展出貝加萊自動(dòng)化、倍福中國(guó)和菲尼克斯電氣等行業(yè)巨擘在工業(yè)自動(dòng)化、智能生產(chǎn)和解決方案等相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)品及服務(wù)，促進(jìn)業(yè)界交流。

(法蘭克福展覽公司供稿)

Design and development of CIRCLE wisdom library based on RFID & XBEE

Hu Tairan1，Cao Pengbin1，Chen Xubing1,2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205, China;
2. DG-HUST Manufacturing Engineeting Institute Co.,Ltd., Dongguan 523000, China)

In order to solve the problem of the traditional library such as the low-level intelligence, outdated management mode and inefficient borrow books etc., this article proposes a complete solution of CIRCLE wisdom library based on RFID & XBEE by using innovative technology of Internet of Things into library system. The solution includes the systems of intelligent entrance guard, environmental monitoring, intelligent supervisory, intelligent borrowing and seat-management. Meanwhile, it focuses on Cloud database and achieves the function of intelligent equipment control, multi-platform information management, real-time data monitoring and so on by various interactive integration of B/S and C/S.

CIRCLE wisdom library; RFID; XBEE; Internet of Things

廣東省第一批戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)基金項(xiàng)目(2011168027)；武漢工程大學(xué)第八屆研究生教育創(chuàng)新基金(CX2016028)

TP368.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.14.030

胡泰然，曹鵬彬，陳緒兵.基于RFID與XBEE的CIRCLE智慧圖書館的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(14)：98-101.

2016-12-28)

胡泰然(1993-)，男，碩士，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用。

曹鵬彬(1974-)，通信作者，女，博士，副教授，主要研究方向：智能機(jī)器人、機(jī)電系統(tǒng)智能控制。E-mail: caopengbin@wit.edu.cn。