基于uhf的物聯(lián)網(wǎng)圖書館智能架架結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

0智能設(shè)備互聯(lián)互通在過去的很長一段時間里，圖書和文件的管理仍然是圖書館運營和管理的中心任務(wù)。目前普遍使用的圖書管理系統(tǒng)是以條碼技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的第二代系統(tǒng),它在實現(xiàn)圖書管理高度自動化的同時,仍存在著圖書歸架、查找和流通等環(huán)節(jié)人工干預(yù)過多的缺點。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的智能圖書館是現(xiàn)代圖書館發(fā)展的必然趨勢,可以很好解決上述問題。物聯(lián)網(wǎng)圖書館能夠?qū)崿F(xiàn)所有館藏圖書與圖書管理中心的實時網(wǎng)絡(luò)連接,從而實現(xiàn)館藏圖書的自動定位,其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和基礎(chǔ)設(shè)施是基于射頻識別(RFID)技術(shù)的智能書架系統(tǒng)。智能書架的概念早已提出,相關(guān)技術(shù)也已得到廣泛研究,但已有工作多偏重于針對圖書銷售等一般應(yīng)用場合。針對物聯(lián)網(wǎng)圖書館特定應(yīng)用的智能書架尚需作進(jìn)一步系統(tǒng)化的研究與設(shè)計。本文以物聯(lián)網(wǎng)圖書館智能書架的結(jié)構(gòu)化、通用化設(shè)計為目標(biāo),采用超高頻RFID技術(shù),首先進(jìn)行系統(tǒng)需求分析,在此基礎(chǔ)上提出總體設(shè)計方案,并進(jìn)一步給出其中關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)方案。初步試驗測試表明,該設(shè)計具有先進(jìn)性,所實現(xiàn)功能及性能指標(biāo)滿足實用化要求。1圖書館智能書架的需求分析1.1藏書圖書位置信息數(shù)據(jù)庫為確定物聯(lián)網(wǎng)圖書館智能書架的功能需求,須首先了解圖書管理物聯(lián)網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)、相關(guān)功能以及智能書架所處的位置,要點如下。(1)如圖1所示,圖書館物聯(lián)網(wǎng)由三層子網(wǎng)絡(luò)組成,分別是:圖書管理上層網(wǎng)絡(luò)、閱覽室/書庫網(wǎng)絡(luò)和RFID書架網(wǎng)絡(luò)。其中的“閱覽室/書庫網(wǎng)主機(jī)”和“書架網(wǎng)主機(jī)”實際上是上下層網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)。這樣的網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)對應(yīng)著圖書館的實際物理結(jié)構(gòu)。一個圖書館由若干閱覽室/書庫組成,而一個閱覽室/書庫中又置有許多書架。(2)每層子網(wǎng)絡(luò)都采用主從式結(jié)構(gòu),主站與各從站以總線方式連接。各層網(wǎng)絡(luò)主機(jī)具有本層網(wǎng)絡(luò)通信主站的功能,主站獨立輪詢各從站的數(shù)據(jù),這樣,圖書館中任何一本圖書的位置信息最終都被實時地收集到圖書管理中心主機(jī),形成“館藏圖書位置動態(tài)數(shù)據(jù)庫”。(3)書架網(wǎng)主機(jī)具有“閱覽室/書庫網(wǎng)從站”、“書架網(wǎng)主站”和“架上圖書定位”等功能,而書架網(wǎng)主站(RFID閱讀器)與許多從站(粘貼在圖書上的電子標(biāo)簽)構(gòu)成RFID書架網(wǎng)絡(luò)。具有RFID網(wǎng)絡(luò)、能夠完成架上圖書自動定位、架上圖書位置信息上傳等功能的書架稱為“物聯(lián)網(wǎng)圖書館智能書架”。(4)管理中心主站形成的館藏圖書位置動態(tài)數(shù)據(jù)庫中,包含所有在館圖書的實時記錄。每條記錄對應(yīng)一本圖書,記錄著該圖書的ID號和當(dāng)前位置信息。在館圖書的位置信息包括圖書所在的閱覽室/書庫號,書架號,書架的面、層、區(qū)的編號。書架一般有A、B兩面,每面若干層,每層又可分若干區(qū)。由于圖書管理物聯(lián)網(wǎng)中的閱覽室/書庫網(wǎng)主機(jī)和書架網(wǎng)主機(jī)都有固定編號(地址),圖書位置信息中的閱覽室/書庫號和書架號在數(shù)據(jù)輪詢時自然可以確定,而位置信息中書架面、層、區(qū)編號的確定由書架網(wǎng)主機(jī)中的架上圖書定位功能完成。1.2圖書館智能書架的功能需求據(jù)以上對圖書管理物聯(lián)網(wǎng)的描述,其中的智能書架應(yīng)具有如下功能。(1)確定文本架地的位置信息智能書架的核心功能是架上圖書定位,即確定架上每本圖書的架上位置信息。架上位置信息指圖書所在的書架面、面中的層和層中的區(qū)。圖書的自動定位依靠RFID技術(shù)完成。(2)主站與眾多標(biāo)簽的rfid連接RFID書架網(wǎng)絡(luò)由一個書架網(wǎng)主站和許多從站構(gòu)成,完成架上圖書ID的收集。書架網(wǎng)主站即RFID閱讀器,從站則是圖書標(biāo)簽。主站與眾多標(biāo)簽之間通過RFID無線信道連接?？梢钥吹?架上圖書定位功能與RFID書架網(wǎng)絡(luò)功能的物理實現(xiàn)均依賴RFID技術(shù),但在智能書架系統(tǒng)的功能分析和認(rèn)識上應(yīng)將二者分開,以利于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計。(3)藏書/藏書網(wǎng)從站由圖1知,書架網(wǎng)主機(jī)是上下層網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān),還應(yīng)包括“閱覽室/書庫網(wǎng)從站”的功能,在收到閱覽室/書庫網(wǎng)主站的數(shù)據(jù)召喚命令時,將架上圖書ID號及位置信息發(fā)送至閱覽室/書庫網(wǎng)主站。(4)館藏圖書信息館藏圖書的存放位置都有嚴(yán)格規(guī)定,圖書規(guī)定存放位置可由圖書管理中心的“館藏圖書規(guī)定存放位置信息表”體現(xiàn)。當(dāng)架上圖書實際位置與規(guī)定位置不符的情況時,智能書架應(yīng)能夠?qū)崟r檢測到并發(fā)出告警。(5)人類界面功能智能書架應(yīng)具有簡單但必需的人機(jī)界面功能,如顯示本書架編號、存放圖書類別與結(jié)構(gòu)等信息,給出架上圖書錯位信息及告警信號等。1.3性能要求物聯(lián)網(wǎng)圖書館書架性能衡量包括以下方面:(1)信息的實時性也可等效地以架上圖書一次掃描、定位架上所有圖書所需時間表示。這一性能指標(biāo)最為重要,因為它決定了圖書信息的實時性,也決定了圖書錯位告警的反應(yīng)速度。實際設(shè)計中當(dāng)然應(yīng)追求盡量短的掃描定位時間。(2)定位信息應(yīng)誤使用時定位信息應(yīng)誤自明所確定的架上圖書位置信息應(yīng)足夠準(zhǔn)確。首先,圖書所在面、層的定位信息應(yīng)準(zhǔn)確無誤。其次,書架的每層可分為左、中、右三個區(qū),圖書所在區(qū)的定位信息也應(yīng)足夠準(zhǔn)確,但考慮到實際應(yīng)用需求,在兩區(qū)交界處的圖書,區(qū)定位信息有一定模糊是允許的。(3)圖書丟失檢率設(shè)計不當(dāng)時會發(fā)生在架圖書未能檢測到的情況(標(biāo)簽故障的情況除外)。智能書架須提出圖書漏檢率為0的嚴(yán)格要求。(4)機(jī)械結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度智能書架的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)保證其連續(xù)正常工作,為此,應(yīng)周密考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)、功耗、散熱、軟硬件抗干擾、故障或異常自恢復(fù)等方面的設(shè)計。至于使用壽命,在設(shè)計合理的條件下主要取決于元器件及部件的選擇。1.4其他需求除功能需求與性能指標(biāo)外,物聯(lián)網(wǎng)圖書館智能書架的需求還應(yīng)考慮以下重要方面。(1)圖書館智能邊界超高頻rfid應(yīng)用場景選擇電子標(biāo)簽分為有源(自帶電池)和無源兩種。從成本和應(yīng)用要求考慮,圖書電子標(biāo)簽應(yīng)選擇無源的方案,毋庸贅述。RFID技術(shù)方案分為電感耦合方式和電磁波后向散射方式兩類,前者閱讀器作用距離很近,而后者的閱讀器作用距離較遠(yuǎn)。對于向散射方式RFID,電磁波頻段有UHF860-960MHz以及微波2.45GHz可供選擇。超高頻RFID系統(tǒng)的突出特點有二。其一,RFID閱讀器作用距離較遠(yuǎn),可達(dá)幾米甚至十幾米。其二,采用適當(dāng)?shù)臉?biāo)簽閱讀防碰撞算法,可支持閱讀器作用范圍內(nèi)多標(biāo)簽,甚至是大量標(biāo)簽的同時快速閱讀。此外,超高頻RFID還具有抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長以及可穿透非金屬材料等特點。隨著超高頻RFID國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC18000-C的推廣應(yīng)用,超高頻RFID技術(shù)已趨成熟,且廣泛應(yīng)用于車輛管理、物流管理、人員進(jìn)出管理、工礦企業(yè)自動化與信息化管理等場合。單從圖書館智能書架應(yīng)用角度看,選擇電感耦合方式RFID也是可行的,但圖書館的RFID應(yīng)用還包括圖書自動借還、歸還圖書歸架前分揀以及門禁等環(huán)節(jié)。就智能書架而言,其存放圖書數(shù)量大,且與閱讀器之間有一定空間距離,符合超高頻RFID應(yīng)用場景特征。綜合考慮,超高頻RFID技術(shù)方案是圖書館智能書架應(yīng)用的最合理選擇。綜上所述,物聯(lián)網(wǎng)圖書館智能書架的RFID技術(shù)方案應(yīng)選擇超高頻860-960MHz無源標(biāo)簽RFID系統(tǒng)。(2)環(huán)境適應(yīng)性閱覽室/書庫均為室內(nèi)環(huán)境,電源取得以及布線較為方便,但智能書架設(shè)計也應(yīng)考慮低溫和高溫等極端情況,以滿足通用性要求。(3)復(fù)雜和成本以滿足功能與性能需求為前提,盡量降低技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜度與成本。例如書架網(wǎng)主機(jī)采用性能滿足需要的單片機(jī)系統(tǒng)即可。(4)可維護(hù)系統(tǒng)維護(hù),包括故障排除,應(yīng)做到簡單、便捷。(5)技術(shù)升級相對穩(wěn)定須充分考慮與原書架基本結(jié)構(gòu)、原使用習(xí)慣方式的繼承性。須充分考慮技術(shù)升級的可能性,做到基本結(jié)構(gòu)、接口標(biāo)準(zhǔn)相對穩(wěn)定,各部分、模塊可以靈活升級,以適應(yīng)技術(shù)發(fā)展和功能增強(qiáng)的需要。(6)城市化和廣泛使用滿足可靠性、成本、可維護(hù)性以及技術(shù)升級需求的根本途徑在于結(jié)構(gòu)化和通用化設(shè)計,而且這也是用戶對產(chǎn)品的內(nèi)在要求,設(shè)計時須周密考慮。2rfid網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)以上述功能需求為主要依據(jù),綜合考慮其他各方面需求,可確定物聯(lián)網(wǎng)圖書館智能書架的總體方案,如圖2所示。方案中體現(xiàn)了硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),說明如下。(1)圖2中除圖書電子標(biāo)簽之外,其余部分構(gòu)成圖1中所謂書架網(wǎng)主機(jī)。(2)書架每面的每層左右側(cè)都設(shè)有貼片天線,各天線以射頻多路開關(guān)與RFID閱讀器相連接。閱讀器讀取架上圖書標(biāo)簽信息時,以每面的每層為基本單位。這是本設(shè)計中的RFID網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)。(3)書架網(wǎng)主機(jī)的核心采用單片機(jī)系統(tǒng),包括CPU和擴(kuò)展存儲器。射頻多路開關(guān)、RFID閱讀器和顯示告警單元可看作單片機(jī)系統(tǒng)的外部設(shè)備,這體現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。主機(jī)體積可以做到很小且成本低廉。(4)RFID閱讀控制、圖書定位、圖書錯位檢測、上層網(wǎng)通信控制及通信過程、顯示告警控制等功能均由單片機(jī)軟件實現(xiàn),圖2中相關(guān)部分的連接關(guān)系體現(xiàn)了軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。(5)智能書架的人機(jī)界面只需書架簡單信息的顯示以及圖書錯位告警,可采用小型液晶顯示屏及LED指示燈實現(xiàn)。(6)須特別指出,圖2所示結(jié)構(gòu)為每個書架網(wǎng)主機(jī)對應(yīng)一個書架,實際應(yīng)用中,每一書架網(wǎng)主機(jī)也可以連接、控制多個書架,視具體情況而定。這時,只需增加射頻多路開關(guān)的設(shè)計路數(shù),并且在軟件設(shè)計中考慮系統(tǒng)可配置,以滿足通用化要求。3實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的目標(biāo)、計劃和驗證3.1有限空間id(1)限定空間rfid的實現(xiàn)方案實現(xiàn)架上圖書定位的關(guān)鍵在于采用限定空間RFID方案。該方案把待閱讀標(biāo)簽的分布空間劃分為多個子空間,RFID閱讀器一次讀取一個子空間中的標(biāo)簽,子空間即RFID閱讀的限定空間。本設(shè)計中,閱讀器的一次讀取空間范圍限定在書架的特定面的特定層,即以書架一面的層空間為一次讀取的限定空間。本設(shè)計中限定空間RFID的實現(xiàn)方法是層兩側(cè)設(shè)置方向性貼片天線,讀取特定層內(nèi)的圖書標(biāo)簽時,射頻多路開關(guān)將該層的天線與閱讀器相連接。RFID的電磁波信號被限制在層空間之內(nèi),保證可靠通信的同時,對外泄漏得到嚴(yán)格控制。限定空間RFID還有其他方案,例如在書架層的底部或背部裝設(shè)微帶天線,貫通整層,向?qū)觾?nèi)圖書標(biāo)簽輻射電磁波并接收后向散射波。微帶天線方案不能區(qū)分層的左、中、右區(qū),且安裝稍復(fù)雜,因此本設(shè)計不予采用。(2)空間rfid設(shè)計方法圓極化貼片天線的方向性滿足智能書架限定空間RFID要求,用印刷電路板制作,成本低廉。其設(shè)計方法在文獻(xiàn)中有詳盡描述。本設(shè)計中所采用貼片天線參數(shù)如圖3所示。(3)膠片天線的控制如圖2所示,本設(shè)計中須使用N對1的可控射頻多路開關(guān),即N條引線(連接N個貼片天線)在特定二進(jìn)制編碼的控制下,其中1條引線與公共引線端(連接RFID閱讀器)相連接。這種射頻多路開關(guān)可采用通用的射頻開關(guān)芯片進(jìn)行組合,并附加適當(dāng)?shù)臄?shù)字控制電路實現(xiàn)。例如,通用射頻開關(guān)芯片可采用美國Skyworks公司產(chǎn)品。(4)rfid分布基于限定空間RFID,書架RFID網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點是,書架每面的每層構(gòu)成一個RFID子網(wǎng),許多個子網(wǎng)通過射頻多路開關(guān)的切換,共用一個閱讀器,如圖4所示。(5)標(biāo)簽的定位與讀者信息前面需求分析中已述及,物聯(lián)網(wǎng)圖書館智能書架應(yīng)選擇UHF860-960MHz無源標(biāo)簽RFID系統(tǒng)。圖書電子標(biāo)簽以及閱讀器可采用一般的通用產(chǎn)品,但要求閱讀器在提供所閱讀的標(biāo)簽ID信息的同時,提供接收信號強(qiáng)度指示(RSSI),以便對圖書進(jìn)行定位。閱讀器每次讀取的限定空間為書架一面的一層,閱讀器至標(biāo)簽的最遠(yuǎn)距離一般約為1米(書架寬度);每面每層的圖書標(biāo)簽數(shù)量一般為50—80。而目前UHFRFID系統(tǒng)閱讀作用距離可達(dá)十幾米,能夠同時閱讀上千個電子標(biāo)簽(采用適當(dāng)?shù)拈喿x防碰撞算法),對于智能書架應(yīng)用來說,性能指標(biāo)非常充裕。(6)合理的q算法智能書架系統(tǒng)運行時,RFID閱讀器總是在按層循環(huán)閱讀書架上的圖書ID號。智能書架數(shù)據(jù)的實時性體現(xiàn)在架上圖書信息刷新頻率,或者以讀取書架的一面上的圖書標(biāo)簽所需時間來衡量。若RFID防碰撞算法采用ISO/IEC18000-C國際標(biāo)準(zhǔn)推薦的Q算法,閱讀器時間基準(zhǔn)Tari(決定符號周期的基本參數(shù))取25μs(微秒),圖書標(biāo)簽ID采用72位二進(jìn)制編碼(自定義),書架每面每層放置50—80冊圖書,測試表明,閱讀器讀取書架的每面每層圖書標(biāo)簽的平均時間為393.5ms(毫秒)。書架通常有6層,這樣,閱讀器讀取書架的一面上的圖書標(biāo)簽所需時間為6×393.5/1000=2.36s(秒)。這樣的實時性是完全滿足實際應(yīng)用需求的。3.2閱讀器發(fā)送功率架上圖書位置信息包括所在面、層和區(qū)。RFID閱讀時,控制多路開關(guān)連接到書架的特定面的特定層,以便讀取該處的圖書標(biāo)簽信息,這樣自然能夠確定架上圖書的所在面以及層的信息。每層又分為左中右3區(qū)。圖書所在區(qū)的信息,是靠閱讀器提供的標(biāo)簽后向散射信號強(qiáng)度RSSI確定的。眾所周知,RSSI隨傳播距離的增大而減小,這一特性可用來進(jìn)行標(biāo)簽定位。當(dāng)使用層的左側(cè)天線發(fā)送并接收(控制射頻多路開關(guān)的連接)時,左區(qū)圖書標(biāo)簽的后向散射信號RSSI最強(qiáng),中區(qū)的次之,右區(qū)的最弱,設(shè)置兩個信號強(qiáng)度門限,將收到的標(biāo)簽后向散射信號強(qiáng)度與門限比較,即可確定圖書所在的區(qū)。為提高圖書定位的準(zhǔn)確性,同時避免漏檢,層的右側(cè)也對稱設(shè)有貼片天線。再使用右側(cè)的天線發(fā)送并接收,得到層內(nèi)圖書標(biāo)簽RSSI信息。兩次結(jié)果進(jìn)行綜合,可以得到關(guān)于圖書所在區(qū)的更加準(zhǔn)確的信息。閱讀器發(fā)送功率是至關(guān)重要的參數(shù)。發(fā)送功率過大,會造成信號越出限定的空間;而發(fā)送功率太小又造成漏檢。解決的辦法是在層的左右兩側(cè)加貼參考標(biāo)簽(與圖書標(biāo)簽性能相同但寫入特定的已知信息)。左側(cè)天線發(fā)送、接收時,右側(cè)參考標(biāo)簽的應(yīng)答信號最弱。能夠使該信號的強(qiáng)度符合要求的發(fā)送功率則是最合適的。實際設(shè)計中,根據(jù)參考標(biāo)簽后向散射的RSSI自動調(diào)整設(shè)定閱讀器發(fā)送功率。測試表明,閱讀器發(fā)送功率一般在300mW以內(nèi),即可保證架上圖書不出現(xiàn)漏檢。3.3架段的顯示圖書錯位檢測原理如下:(1)即使是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能圖書館,其館藏圖書的存放位置也是嚴(yán)格規(guī)定的。在圖書管理中心存有“館藏圖書規(guī)定存放位置信息表”。由此表可以得到館內(nèi)任一書架的“架上圖書規(guī)定存放位置信息表”。(2)圖書管理中心主站在系統(tǒng)初始化時,將館內(nèi)所有書架的架上圖書規(guī)定位置信息表發(fā)送給各書架網(wǎng)主站。這樣,智能書架在本地存有本書架的架上圖書規(guī)定位置信息表。(3)架上圖書不斷被RFID閱讀器掃描并定位,以獲得實際的架上圖書位置信息表。每次獲得該表后,都與架上圖書規(guī)定位置信息表進(jìn)行比較,即可檢測出架上圖書錯位的情況,有錯位情況時給出指示和告警。顯然,圖書錯位發(fā)生至被檢測的延時決定于架上圖書的刷新頻率。3.4軟件架構(gòu)設(shè)計如圖2所示,智能書架上的書架網(wǎng)主機(jī)包括單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)可選用較通用的機(jī)型,如F80C51F120。單片機(jī)上的串行通信口配以RS485接口芯片,可連接閱覽室/書庫網(wǎng)總線,完成與閱覽室/書庫網(wǎng)主站的通信。以結(jié)構(gòu)化