《基于超高頻RFID的圖書館管理系統的設計與實現》開題報告

一、研究背景與意義

1.研究背景

????????隨著信息化時代的到來，運用計算機科學技術實現圖書館的管理工作已成為優勢。更加科學地管理圖書館會大大提高工作效率。我國的圖書管理體系發展經歷了三個階段：傳統圖書管理模式、現代圖書管理模式以及基于無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術的智能圖書管理模式。2023年末，全國公共圖書館數量達3246個；全國公共圖書館的總藏量為14.4億冊，同比增長5.6%。圖書館是一個涉及大量圖書資料流通、管理和服務的場所，傳統的圖書管理方式主要依靠條形碼或磁條等技術。條形碼是館藏圖書的唯一標識和相關圖書信息的載體，在圖書借還管理中起著重要作用；安全磁條則是配合防盜門起防盜作用、保證館藏圖書安全。“條形碼+安全磁條”的管理方式可以實現圖書信息的自動化識別，在一定程度上提高了圖書館中圖書館里的工作效率，但是其缺點也是非常明顯的。條形碼技術的實現是基于光學原理，利用條形碼掃描器中的光電元件將光信號轉化為電信號，這就意味著條形碼的掃描識別必須是接觸式的，一次只能掃描一個目標條形碼，效率低下。因此存在一些問題，比如：自動化程度低，需要人工參與每個環節，效率低下，易出錯；信息存儲容量有限，不能滿足多元化和個性化的需求；信息讀寫速度慢，需要逐一掃描每本圖書，不能實現批量處理；信息安全性差易受外界干擾和破壞，難以防止盜竊或誤借；服務質量低，不能提供便捷、靈活、智能的服務方式，影響讀者滿意度等問題。而RFID技術能夠很好的解決條形碼技術識別效率低下的問題。RFID是一種用于自動實時識別的無線通信技術，電子標簽與閱讀器不需要機械或者光學接觸，通過空間磁場或電磁場耦合來進行識別特定目標、讀寫相關數據、信息交換。

2.研究意義

????????射頻識別技術（RFID）作為物聯網的關鍵支撐技術之一，是物聯網對物理世界進行智能感知、信息采集和自動控制的橋梁。RFID系統由讀寫器、標簽和終端服務器組成。本文采用的超高頻RFID是指工作頻率為860MHz~960MHz的RFID技術，超高頻RFID系統因具有移動式、遠距離、多目標快速識別等優勢，在降低生產成本、提高工作效率和促進物流信息化等方面發揮了重要作用。在空中接口協議ISO/IEC 18000-6系列的推動下，超高頻RFID系統的實用性、可靠性與兼容性得到了質的提升，成為了最具前景的無線射頻識別技術。同時，生產工藝和相關技術的提升進一步降低了超高頻 RFID標簽的部署成本，使其在可視化人員、物品的智能監控與追溯等領域得到了廣泛應用。引入超高頻RFID技術，能夠顯著提高信息收集的效率和準確性，尤其是在移動環境中，RFID技術能夠更快捷、更有效地識讀和保存數據，確保數據主體身份信息的唯一性。基于超高頻RFID技術的圖書館管理系統能夠顯著提高圖書的入庫、出庫、借閱、歸還以及盤點等管理環節的效率。RFID可以自動記錄圖書的流轉信息，生成詳細的管理數據。這些數據能夠幫助管理者更好地掌握圖書的使用情況，進行統計分析，輔助決策。一方面可以優化圖書館的藏書結構，另一方面可以支持對讀者需求的分析，以改善服務質量。因此，該系統的實現不僅能夠提高圖書館管理的效率和準確性，還能促進圖書館服務模式的轉變，提升圖書館的整體服務水平，具有廣闊的應用前景和發展潛力。

二、國內外研究現狀

1.國外研究現狀

????????國內研究主要集中在提高圖書管理系統的自動化和智能化水平。例如自助借還書系統、圖書防盜檢測等。這些系統通過減少人工操作，提高了圖書館服務的效率和安全性。研究還涉及到RFID技術與其他技術的結合，如Wi-Fi無線通信技術，以實現更高效的圖書管理和定位。在2018年的一項研究中，設計了一種基于ARM內核和Linux操作系統的便攜式圖書管理系統。該系統結合了RFID和Wi-Fi技術，不僅減輕了圖書管理人員的勞動強度，提高了工作效率，還為讀者的借還書操作提供了便利，為構建數字化圖書館提供了技術支持。最近的一項研究探索了基于物聯網(IOT)和射頻識別(RFID)技術的智慧圖書館管理系統。該系統采用無線傳感器網絡(WSN)檢測跟蹤的對象，并生成與對象的地理區域或位置相關的詳細報告日志。此外，提出了一種創新型RFID天線子系統，其基帶信號通過雙絞線傳輸，具有部署成本低、電纜布線方便等優點。

2.國內研究現狀

????????在東非共同體（EAC）地區，RFID技術被應用于圖書館管理，特別是防盜系統。該系統利用超高頻RFID技術，使得借還書操作更加便捷，同時通過監控和記錄圖書館活動，有效防止未借出的圖書離開圖書館。硬件設計方面，國外系統可能更注重高性能處理器和高級存儲芯片的使用，如Intel I7-7700 CPU處理器和Texas Instruments的存儲芯片。國外研究也關注于RFID技術的創新應用，如使用功能納米材料的超高頻RFID標簽，這些標簽具有更好的耐用性和更高的數據存儲能力。

3.研究現狀綜述

????????在現代圖書館中，隨著規模的擴大，讀者找書難、圖書管理員工作量大等問題日益突出。基于高頻RFID的圖書定位系統通過提高圖書定位準確率、縮短圖書盤點時間和優化圖書沖突檢測時間，顯著提高了圖書管理的效率和準確性。引入RFID技術后，圖書館工作人員需要接受相應的培訓，以熟悉新系統的操作和維護。此外，應提供持續的技術支持，幫助解決在實際應用中遇到的問題。

三、擬研究的主要內容與思路

1.研究內容

????????本課題按照物聯網設計要求，從實用性，先進性，標準化角度出發，自頂向下設計基于超高頻RFID的圖書館管理系統。根據需求分析，本文設計的系統，將系統分成三個子系統進行了設計，如圖1所示。主要包括感知子系統、通信子系統、應用子系統。其中感知子系統主要是閱讀器和電子標簽之間實現能量的傳遞和數據的交換，從而完成圖書管理系統中的自動識別和數據管理功能。通信子系統主要功能是實現設備之間的無線數據傳輸和互聯網連接。而應用子系統主要負責系統后臺數據信息的維護，包含自助借還、圖書查詢、圖書盤點和數據庫設計四個子模塊。

圖1 基于RFID技術的圖書館管理系統的功能模塊

2.研究思路

????????本次設計的硬件部分用到了STM32F103C8T6單片機、ESP8266模塊、RC200射頻模塊及CH340模塊。

（一）下位機RC200模塊讀取電子標簽

????????首先，初始化RC200模塊，RC200模塊初始化后會進入尋卡模式，若沒有檢測到卡片，便會一直尋卡，直到檢測到電子標簽。當有電子標簽靠近 RC200模塊時，RC200模塊會自動識別卡片，并且會防沖突選卡，當讀取到電子標簽信息時，將電子標簽信息通過WiFi模塊發送給上位機。上位機暫時儲存電子標簽信息，在需要時調用電子標簽發送的信息。電子標簽讀取流程如圖2所示。

圖2 電子標簽讀取流程圖

（二）上位機獲取電子標簽信息

????????打開上位機軟件，首先要打開串口，連接串口，確定硬件可以發送信息。當RC200模塊掃描到電子標簽時，會有電子標簽信息發送到上位機。點擊“尋卡”，可以獲取到電子標簽的卡號。若沒有獲取到電子標簽的卡號，系統會提示“請重刷”。

（三）圖書查詢

????????基于RFID技術的圖書館管理系統可快速實現圖書的定位。根據圖書館的實際情況，可在每個書架或每隔一段距離安置RFID閱讀器，用于存放圖書信息及所放位置。查詢者可在安裝有相應軟件的終端設備（計算機、平板、智能手機等）輸入圖書信息，如書名、作者名等信息，通過無線網絡發送給系統服務器，然后服務器會將處理后的信息反饋到終端設備，查詢者可看到圖書的出版社、索書號等詳細信息，并生成詳細的圖書位置方便查詢者尋找。通過RFID技術可隨時精確地定位圖書的位置，解決了因圖書錯放、亂放及書架標識不清造成的查詢困難的問題，提高了圖書查詢的效率。

（四）圖書借還

????????讀者可在自助借閱機前刷借閱證以確定借閱者的信息，然后通過自助借閱機上的超高頻RFID閱讀器讀取所要借閱書籍的電子標簽，終端設備會顯示讀者的信息以及圖書的信息，若圖書符合借閱條件，經過讀者確認，讀者信息及圖書信息相關聯后一起發送給系統后臺數據庫，讀者根據圖書存放位置可自行閱,同時，圖書的借閱信息將被修改，當讀者借閱成功后經過圖書館RFID檢測門時就不會發出報警。還書時，讀者可掃描圖書的電子標簽，確定圖書的存放位置，可完成圖書的自助歸還功能，同時，后臺數據庫將對圖書的借閱信息進行修改。圖３為自助圖書借閱的流程。

圖3 自助借還圖書流程圖

（五）圖書盤點

????????圖書館藏書眾多，人工盤點任務量巨大，通過RFID技術，圖書管理員可以通過RFID閱讀器讀取圖書標簽信息，獲取圖書存放的精確位置及圖書的相關信息，方便管理員查詢、盤點等工作。此外，圖書借還和存放的位置是即時反饋給服務器，并在后臺數據庫進行相應修改，管理員也可以通過對數據庫的查詢獲取圖書的實時信息及存放位置，提高圖書管理工作的效率。

（六）數據庫設計

????????本文采用MySQL數據庫存放圖書管理系統中的數據信息。數據庫中包含圖書信息表、讀者信息表、圖書借閱記錄信息表、管理員權限信息表等。以圖書信息表為例，其包括圖書的名稱(char型)、作者的名稱(char型)、出版社的信息(char型)、圖書的價格(char型)、圖書的條形碼(char型)等信息，這些信息都被存放在表中。在基于RFID的圖書管理系統中，當代表圖書唯一標識的電子標簽被閱讀器讀取時，系統將確定相應的數據信息，并在數據庫中進行相應的操作。?