基于RFID技術(shù)的高校智能圖書館系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

管勝波，王瑞勇

（1湖北國土資源職業(yè)學(xué)院信息與傳媒學(xué)院 湖北 武漢 430092）

（2湖北國土資源職業(yè)學(xué)院汽車與機(jī)電學(xué)院 湖北 武漢 430092）

0 引言

隨著科技革命的到來，信息技術(shù)呈現(xiàn)裂變式發(fā)展態(tài)勢(shì)，并逐漸運(yùn)用于各行各業(yè)的細(xì)分領(lǐng)域中。在高校圖書館中，信息技術(shù)同樣被廣泛應(yīng)用。近年來，高校圖書館文獻(xiàn)數(shù)量不斷增加，管理與服務(wù)的矛盾隨之凸顯，具體表現(xiàn)在高校圖書查找困難、圖書館管理模式低下、盜竊書籍現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，一定程度上阻滯了高校圖書館管理工作的正常開展。此時(shí)，RFID(Radio Frequency Identification，即射頻識(shí)別)技術(shù)逐漸趨于成熟，將其應(yīng)用于高校圖書館中能夠有效解決條形碼識(shí)別效率低下等問題，使圖書館管理服務(wù)功能提升到新高度。分析現(xiàn)有文獻(xiàn)可知，關(guān)于高校智能圖書館系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要集中于門禁安全系統(tǒng)。陳孝東（2018）[1]基于RFID技術(shù)，從電子標(biāo)簽轉(zhuǎn)換、智能分析模塊、門禁系統(tǒng)等方面設(shè)計(jì)圖書館管理系統(tǒng)。毛薇（2020）[2]在研究中指出，RFID技術(shù)能夠有效提高高校圖書館門禁安檢系統(tǒng)的安全性。李博（2021）[3]基于人臉識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)高校智能門禁系統(tǒng)，極大提高了高校圖書館的安全性。綜上所述，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要研究大多集中于高校智能圖書館門禁系統(tǒng)方面，缺乏RFID技術(shù)在內(nèi)部圖書查找、管理等方面的運(yùn)用。為此，本文基于高校圖書館系統(tǒng)優(yōu)化需求，從圖書查找、圖書管理以及圖書安全3方面出發(fā)，設(shè)計(jì)基于RFID技術(shù)的高校智能圖書館系統(tǒng)，以提高查找效率、維護(hù)圖書安全，提高工作效率。

1 基于RFID技術(shù)的高校智能圖書館系統(tǒng)需求

早在20世紀(jì)中期，射頻識(shí)別技術(shù)就已得到初步發(fā)展。至今，此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用已有較長(zhǎng)時(shí)間，且在國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r良好。該技術(shù)擁有感應(yīng)式電子晶片或感應(yīng)卡、電子標(biāo)簽、電子條碼等諸多別稱。其是一種現(xiàn)代化的信息技術(shù)，具有極大發(fā)展?jié)摿?。該技術(shù)通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，并對(duì)記錄媒體進(jìn)行讀寫，從而達(dá)到識(shí)別目標(biāo)和數(shù)據(jù)交換目的[4-6]?，F(xiàn)階段，RFID應(yīng)用于高校圖書館有著十分迫切的現(xiàn)實(shí)需求。（1）圖書查找需求。雖然高校中大多配備了自助查詢機(jī)，但搜索功能并不智能。借助RFID技術(shù)電磁波這一特性，在整個(gè)圖書館范圍內(nèi)讀取圖書中電子標(biāo)簽芯片信息，并利用管理系統(tǒng)的解讀器將書號(hào)與條形碼信息進(jìn)行處理，并且實(shí)時(shí)反饋至讀者，實(shí)現(xiàn)圖書的快速定位，可有效解決這一問題[7]。（2）圖書管理需求。當(dāng)高校圖書館承擔(dān)超過自身能力的館藏圖書時(shí)，在信息管理方面就會(huì)消耗大量人力與物力，呈現(xiàn)管理效率不佳的狀況[8-9]。而RFID技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)快速盤點(diǎn)書架內(nèi)的圖書信息，及時(shí)為管理員反饋每列書架中缺失或多余的書籍，有效降低圖書管理盤點(diǎn)難度。（3）系統(tǒng)安全需求。由于高校圖書館條形碼與磁性檢測(cè)技術(shù)較難實(shí)現(xiàn)安全防控，為此可利用RFID技術(shù)進(jìn)行圖書管理。圖書中的RFID標(biāo)簽可在掃碼器磁場(chǎng)范圍內(nèi)做出反應(yīng)，在管理員系統(tǒng)中反映此圖書信息[10]。基于此，圖書電子標(biāo)簽的信息更加不易更改與偽造，故而安全性更高，可有效減少圖書盜竊行為發(fā)生。

2 基于RFID技術(shù)的高校智能圖書館系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 構(gòu)建圖書館應(yīng)用系統(tǒng)

需確定智能圖書館系統(tǒng)的功能性需求與非功能性需求后才能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)能夠以詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)定為基調(diào)，方便后續(xù)更新及完善。本文設(shè)計(jì)的智能圖書館應(yīng)用體系大致能夠分為3層，分別是系統(tǒng)應(yīng)用層（智能圖書館管理系統(tǒng)）、通信層（通信網(wǎng)絡(luò)）、數(shù)據(jù)采集層（中間件、RFID讀?。?，見圖1。值得注意的是，數(shù)據(jù)采集層是本系統(tǒng)中RFID讀卡器收集RFID標(biāo)簽信息的關(guān)鍵。系統(tǒng)應(yīng)用層是整個(gè)高校智能圖書館管理系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最終處理的應(yīng)用層，所有圖書數(shù)據(jù)將在這一層被最終處理后進(jìn)行儲(chǔ)存，并在需要的時(shí)候回饋給圖書館用戶。為降低系統(tǒng)開發(fā)成本，本系統(tǒng)將采取B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)，以瀏覽器形式為客戶端服務(wù)器，不再額外開發(fā)應(yīng)用程序。同時(shí)使用Java作為后端開發(fā)語言，以降低系統(tǒng)耦合，實(shí)現(xiàn)更多拓展功能加入[11]。

2.2 構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)

智能圖書館通信網(wǎng)絡(luò)將借助校園WLAN與圖書館內(nèi)的有線局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)。鑒于數(shù)據(jù)采集層只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的工作，而不能進(jìn)行后續(xù)處理，需要通過通信層將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給系統(tǒng)應(yīng)用層。因此，通信層是在數(shù)據(jù)采集層對(duì)圖書數(shù)據(jù)采集完成后，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的后續(xù)處理工作，同時(shí)通信層還負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)應(yīng)用層。

2.3 完善數(shù)據(jù)采集

鑒于RFID技術(shù)具有可識(shí)別特性，能夠自動(dòng)識(shí)別被貼有標(biāo)簽的圖書及雜志，更加智能性，而識(shí)別到的數(shù)據(jù)會(huì)借助網(wǎng)絡(luò)上傳至智能圖書館中，從而實(shí)現(xiàn)后續(xù)的計(jì)算、儲(chǔ)存、更新、系統(tǒng)優(yōu)化的信息化與智能化。數(shù)據(jù)采集主要是利用手持式或固定式的RFID讀卡器收集貼有RFID標(biāo)簽圖書的信息，讀卡器對(duì)識(shí)別范圍內(nèi)的標(biāo)簽進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，相較以往的人工登記方式更為智能。在基于RFID技術(shù)的智能圖書館系統(tǒng)中，圖書管理員采用RFID閱讀器自主識(shí)別圖書館內(nèi)電子標(biāo)簽信息，同時(shí)使用計(jì)算器以及閱讀器讀取圖書、雜志、期刊的RFID電子標(biāo)簽內(nèi)相關(guān)信息，并將其傳輸至圖書館信息管理系統(tǒng)已完成具體租借的業(yè)務(wù)操作。

3 基于RFID技術(shù)的高校智能圖書館系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 RFID操作實(shí)現(xiàn)

通過上述RFID技術(shù)與條形碼技術(shù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)RFID技術(shù)更有利于圖書館管理。采用VC++計(jì)算機(jī)語言有助于實(shí)現(xiàn)基于RFID電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)讀取與識(shí)別操作。值得注意的是，使用VC++技術(shù)控制閱讀器向電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫時(shí)，必須先初始化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，防止存儲(chǔ)空間原有數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾。

初始化過程中，需向RFID電子標(biāo)簽傳輸一個(gè)電子標(biāo)簽初始化數(shù)據(jù)幀，在其收到數(shù)據(jù)幀后，會(huì)自動(dòng)對(duì)存儲(chǔ)空間進(jìn)行清理。RFID閱讀器傳輸向電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間進(jìn)行初始化的初始幀格式設(shè)計(jì)見表1。其中，03位初始命令類型，04代表電子標(biāo)簽類型，共計(jì)可發(fā)出99字節(jié)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，checksum則表示數(shù)據(jù)幀效驗(yàn)和。以此確保數(shù)據(jù)傳輸過程中不會(huì)受到外界環(huán)境干擾，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。

表1 RFID電子標(biāo)簽初始化幀設(shè)置

RFID具體數(shù)據(jù)寫入。在電子標(biāo)簽存儲(chǔ)空間中還具體劃分為保留區(qū)、EPC分區(qū)、用戶區(qū)與TID分區(qū)。其中用戶可直接操作EPC分區(qū)、TID分區(qū)與用戶區(qū)，而電子標(biāo)簽存儲(chǔ)空間中的保留區(qū)則用于電子標(biāo)簽的鎖定操作，在其出廠時(shí)寫入于電子標(biāo)簽內(nèi)的編號(hào)信息，且為鎖定寫入信息，所以無法更改。

電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀取。在電子標(biāo)簽寫入具體數(shù)據(jù)之后，可使用閱讀器讀取電子標(biāo)簽內(nèi)的具體信息，RFID閱讀器讀取電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)幀格式具體定義見表2，省略具體代碼設(shè)計(jì)步驟。

表2 電子標(biāo)簽讀寫數(shù)據(jù)幀格式

3.2 標(biāo)簽捆綁與圖書信息入錄

基于RFID技術(shù)的智能圖書館系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)是完成圖書館圖書與RFID標(biāo)簽捆綁。本文所要實(shí)現(xiàn)的是基于RFID技術(shù)的智能圖書館管理系統(tǒng)，依托RFID技術(shù)的快速收集信息的能力，建立RFID 標(biāo)簽與需要被標(biāo)記的對(duì)象之間的聯(lián)系。因此，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)必須要先將圖書信息與RFID標(biāo)簽進(jìn)行捆綁。圖書與RFID標(biāo)簽捆綁不但要將RFID標(biāo)簽寫入圖書內(nèi)側(cè)，還要將包括圖書信息輸入數(shù)據(jù)庫。具體流程見圖2。圖書入館后，需在圖書內(nèi)側(cè)貼上RFID電子標(biāo)簽。標(biāo)簽完成捆綁后，圖書館相關(guān)管理人員將通過RFID讀取器將圖書信息輸入至數(shù)據(jù)庫，每本圖書對(duì)應(yīng)有一條記錄。

3.3 自動(dòng)借還功能實(shí)現(xiàn)

在基于RFID技術(shù)智能圖書館系統(tǒng)中，圖書館的門禁系統(tǒng)能夠?qū)D書、雜志的電子標(biāo)簽的檢查與識(shí)別。因此，可以在不需要圖書管理員參與下進(jìn)行圖書出館與入館的管理，實(shí)現(xiàn)圖書、雜志的自動(dòng)借還管理，從而強(qiáng)化了智能圖書館圖書借還的效率，而且減少了管理成本。圖書自動(dòng)借功能的實(shí)現(xiàn)主要是通過系統(tǒng)檢測(cè)圖書出館時(shí)的電子標(biāo)簽信息，如果書籍與雜志貼有的電子標(biāo)簽內(nèi)的信息未有辦理租借的信息，而且租借者將該書籍帶出圖書館，那么門禁系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)或提升聲音；如果租借者攜帶的書籍、雜志電子標(biāo)簽內(nèi)辦理租借信息，那么系統(tǒng)就會(huì)按照租借信息查詢租借者是否為本校學(xué)校等借出條件，若條件滿足將會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)圖書租借工作。RFID讀卡器讀取RFID標(biāo)簽后將數(shù)據(jù)傳輸至PC端口數(shù)據(jù)庫，以確認(rèn)用戶賬戶信息。該功能的實(shí)現(xiàn)不僅方便了智能圖書館的借閱管理，還極大程度上提升了圖書館的安全，減少了圖書館書籍流失現(xiàn)象。

3.4 圖書推薦功能

在基于RFID技術(shù)智能圖書館系統(tǒng)中，用戶登錄系統(tǒng)后將進(jìn)入用戶模塊首頁，系統(tǒng)能夠參照以往該用戶借閱數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行圖書推薦。通常而言采用較多的是基于內(nèi)容、關(guān)聯(lián)規(guī)制、協(xié)同過濾等混合型技術(shù)進(jìn)行推薦。其中應(yīng)用最廣泛的是協(xié)同過濾算法。該方法主要根據(jù)用戶以往數(shù)據(jù)過濾出可能產(chǎn)生興趣的書籍，屬于一種用已知數(shù)據(jù)推算未知的推薦方式。當(dāng)基于RFID技術(shù)智能圖書館系統(tǒng)用戶較多時(shí)，數(shù)據(jù)更新將更為頻繁，采用實(shí)時(shí)推薦提升圖書館借閱效率是有必要的。為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)推薦功能，主要設(shè)計(jì)了包含門戶前段、數(shù)據(jù)發(fā)布更新、實(shí)時(shí)查詢、數(shù)據(jù)倉庫、推薦計(jì)算5層結(jié)構(gòu)。

門戶前端主要是用于系統(tǒng)與用戶交互的介質(zhì)，用以向用戶展示更多數(shù)據(jù)存儲(chǔ)信息。數(shù)據(jù)發(fā)布及更新是當(dāng)系統(tǒng)收到用戶的請(qǐng)求后對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)布與更新的系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取至門戶前端，為其提供數(shù)據(jù)服務(wù)。實(shí)時(shí)查詢是數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的部分，存有大量推薦計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，屬于一個(gè)緩存系統(tǒng)，方便提升數(shù)據(jù)調(diào)取速度。數(shù)據(jù)倉庫則是一個(gè)基礎(chǔ)倉庫，所有推薦計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)均在此儲(chǔ)存。推薦計(jì)算則分為實(shí)時(shí)計(jì)算與離線計(jì)算兩種，本系統(tǒng)將使用Strom進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算部分，使用Hadoop負(fù)責(zé)離線計(jì)算部分。具體實(shí)時(shí)推薦系統(tǒng)流程見圖3。

4 結(jié)語

相較于圖書館常用的條形碼技術(shù)來說，RFID技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理與技術(shù)搭建要更加繁雜且成本更高，而RFID技術(shù)的識(shí)別能力、信息處理能力以及識(shí)別效率等方面的表現(xiàn)均遠(yuǎn)超條形碼技術(shù)。隨著RFID技術(shù)不斷成熟，以及高校圖書館對(duì)具有更高效率的管理系統(tǒng)的需求，RFID技術(shù)最終會(huì)在大部分高校圖書館得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用RFID技術(shù)，既是高校圖書館發(fā)展需求也是滿足學(xué)生讀者日益增長(zhǎng)的需求需要。高效率、人性化、科技化的高校圖書館服務(wù)已成為未來發(fā)展的大趨勢(shì)。