基于超高頻RFID技術(shù)的聯(lián)合體數(shù)字圖書管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計

張驕 姜軍 沈家輝 唐健健

摘要：隨著教育和經(jīng)濟的發(fā)展，中國受教育人數(shù)和國民平均閱讀量逐年上升，對圖書資源的需求也隨之增大，圖書館作為信息傳播和知識輻射的重要基地，為國家文化教育科研發(fā)展提供知識保障。舊式的圖書館管理技術(shù)和管理系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足廣大讀者的需求。今天RFID技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)相當成熟，我們將這兩種先進的技術(shù)融合，構(gòu)建基于RFID技術(shù)的圖書管理系統(tǒng)，探索出適合我國教育背景的圖書管理方法，實現(xiàn)真正的知識共享。

關(guān)鍵詞：RFID技術(shù);互聯(lián)網(wǎng);移動借閱;大數(shù)據(jù);圖書管理;物聯(lián)網(wǎng)

1.引言

近年來，隨著人均閱讀量的增加，大型圖書館高速發(fā)展，現(xiàn)在大多數(shù)的圖書館還是以圖書管理員為主，圖書系統(tǒng)為輔。圖書資源浩如煙海，圖書館管理員承擔了購買，整理，咨詢，清點，借閱，等繁雜的工作，一個圖書館管理員畢竟知識和能力有限，不可能對所有專業(yè)所有知識領(lǐng)域都有所了解那就跟更談不上精通，所以不可能滿足對興趣和需求不同的讀者做到個性化服務(wù)[1]。今天RFID技術(shù)目前已經(jīng)相當成熟，利用RFID技術(shù)建立新型管理系統(tǒng)，輕松實現(xiàn)圖書分類、圖書掃描、圖書定位、圖書錯架丟失統(tǒng)計、圖書借閱、圖書清點，已借圖書歸還、續(xù)借、圖書記錄查詢、24小時自動借還服務(wù)等服務(wù)難題。同時讀者對于圖書館專業(yè)圖書的庫存和上架數(shù)量很不滿足，因為一個圖書館同一專業(yè)的圖書數(shù)量有限，同時一些科研單位的圖書館中的一些專業(yè)圖書少有人問津，讀者和圖書都不可能突破時空的限制，以上這些都是我們不得不承認的現(xiàn)實[2]。目前將RFID技術(shù)應(yīng)用于圖書館的普及率不到27%，而實現(xiàn)圖書館服務(wù)聯(lián)合體的局部實現(xiàn)也只有北京高校圖書館聯(lián)合體，全市圖書館聯(lián)合體計劃也只有廈門市提出并且還未實現(xiàn)[3]。能將超高頻RFID技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)兩項技術(shù)融合的圖書館還沒有得到過準確的報道。在國內(nèi)基于超高頻RFID技術(shù)的圖書館聯(lián)合體系統(tǒng)還處于空白，但是對于圖書資源共享和實時了解圖書館存情況的需求沒有得到有效的解決辦法，所以我們設(shè)計了基于RFID技術(shù)的聯(lián)合體圖書管理系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)功能模塊的介紹

2.1RFID概述

射頻識別是無線電頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）的簡稱，即通過無線電波進行識別，一種無線通信技術(shù)，利用射頻信號空間禍合，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別和數(shù)據(jù)信息交換。識別過程不需要物理接觸，可以通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID技術(shù)可以實現(xiàn)對運動目標和多目標的識別。同時RFID標簽（應(yīng)答器）可以讀寫攜帶大量數(shù)據(jù)，保密性極強，可以適應(yīng)特別嚴酷的環(huán)境如多灰塵，有泥漬等。

RFID應(yīng)用系統(tǒng)由應(yīng)答器，閱讀器和高層等部件組成，如圖所示：

標簽通常是由一組耦合原件與一個電子芯片組成，應(yīng)答器與閱讀器的電感耦合方式如下圖：

2.2基于“互聯(lián)網(wǎng)+圖書館管理”技術(shù)的聯(lián)合體圖書館

互聯(lián)網(wǎng)可謂是這個時代的主流詞，人們越來越依賴互聯(lián)網(wǎng)，人們在互聯(lián)網(wǎng)上購物，點餐，甚至借助互聯(lián)網(wǎng)出行，隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，將來許多事情都能依托互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)，圖書管理也不例外，如果互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)應(yīng)用在圖書管理上，圖書資源的流通和利用率將大大提升。成員圖書館資源得到整合，聯(lián)合體圖書館也將得到實現(xiàn)和普及。

2.3大數(shù)據(jù)技術(shù)提升完善圖書館系統(tǒng)功能

大數(shù)據(jù)（BIG DATA）技術(shù)采用分布式架構(gòu)，能對海量數(shù)據(jù)進行分布式數(shù)據(jù)挖掘，依托云計算的分布式處理，分布式數(shù)據(jù)庫，云存儲，虛擬化技術(shù)經(jīng)過特殊的技術(shù)，以有效地處理大量的容忍經(jīng)過時間內(nèi)的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)大規(guī)模并行處理數(shù)據(jù)庫。處理分布式文件，聯(lián)通互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)可擴展的存儲。從而提高對數(shù)據(jù)的加工。

圖書館本來就是一個集教學(xué)和科研的知識載體，是一個巨大的信息庫，信息時代的到來幫助圖書館進行了有效的信息化管理服務(wù)的建設(shè)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，我們可以實現(xiàn)對當前的海量的圖書數(shù)據(jù)進行存儲、挖掘、分析、整理，將所有繁雜的圖書數(shù)據(jù)信息都進行分析和整體運算，形成一個完整的數(shù)據(jù)庫供人們所用，提高圖書館對大量、復(fù)雜的圖書的管理能力。能夠有效地發(fā)揮圖書館在廣泛與深刻地進行信息傳播的作用，體現(xiàn)出現(xiàn)代圖書館資源數(shù)字化的特點，實現(xiàn)真正網(wǎng)絡(luò)化的信息傳遞與交流，實現(xiàn)全市圖書資源共建、共享，讓其發(fā)揮最大的社會效益和教育意義，因此大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于聯(lián)合體圖書館系統(tǒng)是非常必要的。

3.構(gòu)建RFID技術(shù)的成員圖書館系統(tǒng)

3.1進館身份確認原理

基于RFID技術(shù)的底層系統(tǒng)旨在產(chǎn)生開放式智能成員圖書館，在人口處不設(shè)門禁，可攜帶已借圖書館書籍進入館內(nèi)閱讀，解除了普通圖書館對帶入書籍的限制，方便了需要準備考試和復(fù)習閱讀的人群。

首先讀者需要在手機移動端APP上輸入書籍名稱或編號，以查詢書籍狀態(tài)（是否可借）和所在書架號。確認可借后方可在APP上申請借書，申請后待系統(tǒng)后端確認讀者信息（身份確認）和書籍信息 （書籍名和所在書架號）后，RFID系統(tǒng)下的成員圖書館數(shù)據(jù)庫與APP后臺數(shù)據(jù)庫同時更新，數(shù)據(jù)庫得到更改。書籍信息和讀者信息實現(xiàn)對接。還書則通過RFID書架機進行標簽確認，標簽確認完之后進行讀書定位，如果標簽和位置信息都正確則還書成功。然后成員圖書館的RFID數(shù)據(jù)庫和APP后臺數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)更新。移動端后臺數(shù)據(jù)庫更新后，數(shù)據(jù)更新的時候大數(shù)據(jù)分析中心將進行計算分析。APP頁面將顯示還書成功，并顯示可以在借書籍數(shù)量，推送你可能喜歡的書系。

3.2出館工作原理

當讀者距離圖書館門口3米的距離時候，RFID圖書管理系統(tǒng)的出館子系統(tǒng)將激活讀卡器群對讀者進行360度檢測。如果檢測到讀者攜帶標簽，子系統(tǒng)將標簽信息返回成員圖書館中心，圖書館系統(tǒng)中心核對數(shù)據(jù)庫，如果數(shù)據(jù)庫核對信息為已借，則讀者順利通過，如果為未借，出館子系統(tǒng)發(fā)出語音提示，同時管理員系統(tǒng)提示圖書管理員進行處理，子系統(tǒng)也會向手機移動端傳遞出館數(shù)據(jù)，手機發(fā)出短信提示。如果讀者強行出館則手機上留下逃借記錄，圖書聯(lián)合體中心將記錄下信用不良記錄，定期向手機移動端發(fā)出還書提示。如果出館子系統(tǒng)沒有檢測到標簽，讀者也可以順利出館。

3.3硬件組成

硬件組成主要基于RFID的圖書館自助借還一體化智能書架及出口檢測圈系統(tǒng)，柜臺先進綜合服務(wù)系統(tǒng)硬件，成員圖書館主機服務(wù)器系統(tǒng)。

3.3.1自助借還一體化智能書架

3.3.1.1自助借還一體化智能書架的功能設(shè)計

自助借還一體化智能書架的功能要實現(xiàn)對圖書分層，分面，分書架的讀取和定位，對錯位書籍報警還要實現(xiàn)圖書的實時盤點，讀者查詢，遺失錯架報表生成等功能。

3.3.1.2自助借還一體化智能書架的特性要求

工作頻率：13.56MHZ

支持協(xié)議：ISO15693

檢測性能：厚度達2MM以上的圖書

單架檢測速度：約60本/S，支持多架同時檢測

通信接口：TCP/IP

3.3.1.3自助借還一體化智能書架中的超高頻RFID電子標簽

超高頻RFID 電子標簽標準統(tǒng)一采用6C或者6D標準：ISO/IEC 18000-6C（63）.ISO/IEC18000-6D（64）頻段采用中國頻段：840-844MHZ和920-924MHZ

工作距離：統(tǒng)一為1M

開發(fā)要求：能供二次開發(fā)

3.3.1.4自助借還一體化智能書架中的超高頻RFID讀卡器

超高頻RFID讀卡器標準采用ISO/IEC18000-6C標準

讀卡器芯片要包括電壓控制震蕩器，接收濾波器，功率發(fā)大器，支持跳頻，低級傳輸編碼，低級別解碼，數(shù)據(jù)框架。

讀卡器接受信號強度為I和Q信號，能屏蔽附近的干擾頻率

3.3.2圖書館系統(tǒng)柜臺綜合服務(wù)硬件和出口檢測圈硬件硬件主要包括STM32為主板連接無線模塊、網(wǎng)絡(luò)接口、柜臺工作站的PC上位機、出口檢測讀卡器以及作數(shù)據(jù)庫的SD卡。所示是系統(tǒng)主機硬件框圖。

3.3.3成員圖書館主機服務(wù)器

成員圖書館的服務(wù)器采用聯(lián)想萬全服務(wù)器。其配置介紹如下：

處理器：700MHZ

二級緩存：1M/2M

內(nèi)存：16個DIMM插槽，512MBECCRrgistered SDRAM，16GBSMP

外部系統(tǒng)總線主頻：100MHZ

上面是例舉了萬全服務(wù)器的一部分配置，便可以知道服務(wù)器可以處理極大的數(shù)據(jù)量，正好為成員圖書館建立高效的數(shù)據(jù)通道。并且該服務(wù)器的數(shù)據(jù)恢復(fù)能力極強。萬一圖書館發(fā)生意外。比如火災(zāi)等。圖書館就可以恢復(fù)數(shù)據(jù)對照統(tǒng)計損失。最主要的是采用萬全服務(wù)器聯(lián)合體控制中心可以實現(xiàn)遠程管理。

3.4RFID技術(shù)下的成員圖書館的軟件設(shè)計

由于RFID技術(shù)要和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，所以所以所有的程序都采用高效的C語言或者c++語言來編寫。程序設(shè)計以借還書機程序，讀卡器集群控制程序和柜臺綜合服務(wù)程序，成員圖書館數(shù)據(jù)庫管理程序為主。

3.4.1成員圖書館數(shù)據(jù)庫管理程序

數(shù)據(jù)庫管理程序由兩部分組成：圖書信息數(shù)據(jù)庫與讀者信息數(shù)據(jù)庫，兩個數(shù)據(jù)庫都同時負責接收存儲從讀卡器集群系統(tǒng)采集和大數(shù)據(jù)中心傳回來的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)要能實時進行相應(yīng)處理操作和更新。圖書信息數(shù)據(jù)庫的建立：由書籍標簽序列號、書籍名稱、所在書架號、作者、出版社、出版日期及借閱狀態(tài)等字段組成;讀者信息數(shù)據(jù)庫建立：由身份證登記號、姓名及所借書籍名稱、序列號、所在書架號、借閱時間、期限、允許再次借閱的書籍數(shù)目、借書信用等字段組成。兩個數(shù)據(jù)庫都設(shè)計為只有在有權(quán)限的條件下進行添加、修改、刪除等操作;權(quán)限分成員圖書館權(quán)限和大數(shù)據(jù)中心權(quán)限。但是成員圖書館和大數(shù)據(jù)分析中心權(quán)限有所不同。數(shù)據(jù)接收及處理：讀取數(shù)據(jù)由后臺線程完成，線程在程序運行時即創(chuàng)建。讀卡器集群采集的數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)分析中心傳回來的數(shù)據(jù)存放在程序數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，緩沖區(qū)已在程序初始化時分配。緩沖區(qū)初始化分配與數(shù)據(jù)讀取同時進行。讀取處理后立刻寫入數(shù)據(jù)庫中。

4.構(gòu)建區(qū)域聯(lián)合體圖書館系統(tǒng)

區(qū)域聯(lián)合體數(shù)字圖書館聯(lián)合體是指一定區(qū)域內(nèi)各種類型的圖書館之間，通過多方合作，共享共建的多種資源來提高區(qū)域綜合能力的圖書館聯(lián)合體。打破各圖書館資源分割的堡壘，建設(shè)整體規(guī)劃，統(tǒng)一標準，共建共享，共同發(fā)展的區(qū)域性圖書館聯(lián)盟，可以發(fā)揮不同類型圖書館合作共享后的綜合實力，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，促進圖書館事業(yè)的區(qū)域整體發(fā)展。

4.1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建數(shù)據(jù)通道

4.1.2系統(tǒng)功能模塊圖

4.1.3借還書系統(tǒng)流程圖

4.2搭建基于大數(shù)據(jù)分析和互聯(lián)網(wǎng)+中心的聯(lián)合體圖書館控制中心

4.2.1.大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的聯(lián)合體數(shù)字圖書館控制中心的主體設(shè)計

建立一個以教育部門主管的獨立大數(shù)據(jù)處理中心。建立規(guī)模龐大的并行處理（MMP）數(shù)據(jù)庫（NOSQL數(shù)據(jù)庫為主），完善的數(shù)據(jù)挖掘電網(wǎng)。以成員圖書館數(shù)據(jù)庫為分布式文件系統(tǒng)。借用云計算平臺。并將中心網(wǎng)絡(luò)接到互聯(lián)網(wǎng)。大數(shù)據(jù)控制中心接收三個方向的數(shù)據(jù)：互聯(lián)網(wǎng)上的圖書數(shù)據(jù)，成員圖書館的數(shù)據(jù)，和手機移動端的數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)接收完成后控制中心再進行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析。大數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)對海量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析后。進而為國家或一定區(qū)域的文化教育科研走向進行分析預(yù)測，為單體成員圖書館服務(wù)的模式、發(fā)展趨勢提供分析與預(yù)測。為讀者看書做出推薦。數(shù)字聯(lián)合圖書館將做到從成員圖書館查找到藏書樓逐層查找的精確查找模式、通過互聯(lián)網(wǎng)解決人們的閱讀需求的大數(shù)據(jù)圖書館時代，讀者通過手機APP或數(shù)字聯(lián)合圖書館網(wǎng)頁便可以訪問圖書館，查詢?nèi)兴脠D書館的資源。

4.2.2大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的聯(lián)合體圖書館控制中心的工作原理

大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的聯(lián)合體圖書館控制中心將從成員圖書館數(shù)據(jù)庫和手機移動端數(shù)據(jù)庫提取數(shù)據(jù)并保存，然后對數(shù)據(jù)進行加工分析后將整理完的數(shù)據(jù)傳回手機移動端和成員圖書館數(shù)據(jù)庫，在聯(lián)合體圖書館數(shù)據(jù)分析中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)的標準和規(guī)范、圖書館資源（含聲、像、圖、文）的通用型加工、語法層次的大容量圖書信息自動采集、成員圖書館數(shù)據(jù)的聚集、超大規(guī)模圖書資源得以長久保存、歸檔和存儲管理。實現(xiàn)將聯(lián)合體的圖書資源數(shù)字化、讀者服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化、圖書管理方管理知識化，圖書館從圖書的保管者成為面向服務(wù)的信息提供者，從單一紙媒體到多媒體，從本館收藏到聯(lián)合體圖書館，從我們到圖書館去到圖書館來到我們中間，從按時提供到及時提供。下面是工作原理圖：

4.2.3大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的聯(lián)合體圖書館控制中心的管理方向

主要是信息資源管理（館藏實體資源和虛擬資源）和人力資源管理（館員和讀者），大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的聯(lián)合體圖書館控制中心提供互聯(lián)網(wǎng)平臺和圖書資源信息，完成動態(tài)的、主動的服務(wù)，通過互聯(lián)網(wǎng)精確管理，實現(xiàn)為讀者找書和為書找讀者實現(xiàn)圖書館的可持續(xù)發(fā)展。

4.2.4大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的聯(lián)合體圖書館控制中心的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)

數(shù)字聯(lián)合體圖書館的的設(shè)計就是最大化的滿足讀者需求和最大范圍地傳播文化，這就得為讀者搭建信息高速公路，以網(wǎng)絡(luò)化為核心，在有限條件下盡可能開通更多網(wǎng)絡(luò)接口，增加讀者數(shù)量，讓萬千讀者可以輕松地透過控制中心下的成員圖書館獲取所需的書籍。

網(wǎng)絡(luò)化包括先進的成員圖書館定位導(dǎo)航系統(tǒng)、適用于TB級數(shù)據(jù)的高效圖書搜索引擎、開發(fā)實用的多語言、多文字多渠道個性化用戶界面（比如網(wǎng)頁 APP 微信小程序），將圖書信息資源融通到各種教育信息庫，各種數(shù)字應(yīng)用端。完善隱私權(quán)保護系統(tǒng)，確保讀者隱私得到保護，最終實現(xiàn)聯(lián)合體圖書館與成員圖書館的集成性服務(wù)。

5.具體分析構(gòu)建基于安卓的讀者移動端APP

圖書館APP是聯(lián)合體數(shù)字圖書館的移動終端，APP的設(shè)計和功能要符合讀者大眾要求。達到方便，快捷，實用的目的。

下面是聯(lián)合體圖書館APP功能設(shè)計：

5.1登錄

賬號和初始密碼都是身份證號。甚至憑借APP上的個人信息和有效身份證件不用刷卡也能進入圖書館。

5.2資源檢索

各成員館結(jié)合自己的實際情況將館藏資源鏈接到APP提供的檢索入口里（能夠?qū)崿F(xiàn)跨庫檢索）。檢索設(shè)計以O(shè)PAC檢索為主，OPAC支持大范圍圖書檢索，目前OPAC檢索技術(shù)是最先進的圖書檢索技術(shù)，檢索以書名，作者，出版社，年限為主要檢索關(guān)鍵詞，系統(tǒng)應(yīng)該告知離他最近的哪個圖書館有這本書。當進行OPAC檢索完畢后，界面提供該書所在圖書館的地圖，還可以提供新書的預(yù)約、借書排行榜等。還可以提供圖書到期提醒聯(lián)合體控制中心要定期按提供資源被點擊的數(shù)量給各個成員館排名，排在前面的可獲得政府更多的資金支持。

5.3即時通訊和在線咨詢

即時通訊可以提高APP的打開次數(shù)，在線咨詢可以是圖書館館員也可以是互聯(lián)網(wǎng)上的讀者像百度知道強調(diào)集體智慧。

5.4主動推送信息服務(wù)

每個聯(lián)合體成員館都有權(quán)限推送信息，并且聯(lián)合體控制中心有權(quán)進行管理，消息以大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果為主，但只限于一定范圍內(nèi)的IP地址。推送頻率有限制。這里推送的是圖書館日常信息如開閉館時間、館藏介紹、講座通知和最火圖書年度好書等。

5.5組建讀者社區(qū)

讀者社區(qū)以QQ微信等主流社交軟件為依托，共同制定行為規(guī)范、進行信息交流。社區(qū)的功能主要為：讀書心得交流，圖書館管理建議，知名作家討論，發(fā)現(xiàn)圖書錯誤，讀者作家暢談吧等。社區(qū)的主要作用在于幫助用戶完成信息分享、興趣交流、情感溝通、合作探索和知名作家追蹤。聯(lián)合體圖書館控制中心要保證社區(qū)的教育性、開放性、平等性。

6.總結(jié)與展望

本文研究的系統(tǒng)是一種大型圖書系統(tǒng)，系統(tǒng)的難點在于將分布的成員圖書館子系統(tǒng)和控制中心系統(tǒng)連接成一種既統(tǒng)一又分離的系統(tǒng)同時將數(shù)據(jù)中心要實現(xiàn)并網(wǎng)工作，現(xiàn)將大概的研究內(nèi)容作如下闡述：

主要分析了基于RFID技術(shù)的成員圖書館的設(shè)計結(jié)構(gòu)和硬件和軟件的組合，大數(shù)據(jù)分析中心的構(gòu)架原理和聯(lián)合體數(shù)字圖書館帶來的優(yōu)勢。

專注系統(tǒng)原理的探究，對系統(tǒng)的設(shè)計主要表現(xiàn)在實用性，可行性上，對系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)都進行仔細分析。

相信將來聯(lián)合體數(shù)字圖書館一定會得以實現(xiàn)和普及，為了系統(tǒng)的健壯，還需要對系統(tǒng)進行優(yōu)化，研究提高管理效率，研究進一步擴展圖書信息資源的辦法[4]。同時本系統(tǒng)是面向整個市的圖書館信息資源，因為圖書館屬于公共資源，并且圖書館有一套相對成熟的管理程序[5]。但是好的圖書資源部一定都存在于圖書館，也有可能存于各大書城或者民間圖書收藏者手中。但是這些圖書資源部容易被發(fā)現(xiàn)。所以將來也考慮將這方面的圖書數(shù)據(jù)采集到本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，建立一種相對全面的圖書借閱系統(tǒng)，滿足對讀者對各種個性化圖書的需求。

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（作者單位：西藏大學(xué)）