《基于超高频RFID的图书馆管理系统的设计与实现》开题报告

一、研究背景与意义

1.研究背景

随着信息化时代的到来，运用计算机科学技术实现图书馆的管理工作已成为优势。更加科学地管理图书馆会大大提高工作效率。我国的图书管理体系发展经历了三个阶段：传统图书管理模式、现代图书管理模式以及基于无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术的智能图书管理模式。2023年末，全国公共图书馆数量达3246个；全国公共图书馆的总藏量为14.4亿册，同比增长5.6%。图书馆是一个涉及大量图书资料流通、管理和服务的场所，传统的图书管理方式主要依靠条形码或磁条等技术。条形码是馆藏图书的唯一标识和相关图书信息的载体，在图书借还管理中起着重要作用；安全磁条则是配合防盗门起防盗作用、保证馆藏图书安全。“条形码+安全磁条”的管理方式可以实现图书信息的自动化识别，在一定程度上提高了图书馆中图书馆里的工作效率，但是其缺点也是非常明显的。条形码技术的实现是基于光学原理，利用条形码扫描器中的光电元件将光信号转化为电信号，这就意味着条形码的扫描识别必须是接触式的，一次只能扫描一个目标条形码，效率低下。因此存在一些问题，比如：自动化程度低，需要人工参与每个环节，效率低下，易出错；信息存储容量有限，不能满足多元化和个性化的需求；信息读写速度慢，需要逐一扫描每本图书，不能实现批量处理；信息安全性差易受外界干扰和破坏，难以防止盗窃或误借；服务质量低，不能提供便捷、灵活、智能的服务方式，影响读者满意度等问题。而RFID技术能够很好的解决条形码技术识别效率低下的问题。RFID是一种用于自动实时识别的无线通信技术，电子标签与阅读器不需要机械或者光学接触，通过空间磁场或电磁场耦合来进行识别特定目标、读写相关数据、信息交换。

2.研究意义

射频识别技术（RFID）作为物联网的关键支撑技术之一，是物联网对物理世界进行智能感知、信息采集和自动控制的桥梁。RFID系统由读写器、标签和终端服务器组成。本文采用的超高频RFID是指工作频率为860MHz~960MHz的RFID技术，超高频RFID系统因具有移动式、远距离、多目标快速识别等优势，在降低生产成本、提高工作效率和促进物流信息化等方面发挥了重要作用。在空中接口协议ISO/IEC 18000-6系列的推动下，超高频RFID系统的实用性、可靠性与兼容性得到了质的提升，成为了最具前景的无线射频识别技术。同时，生产工艺和相关技术的提升进一步降低了超高频 RFID标签的部署成本，使其在可视化人员、物品的智能监控与追溯等领域得到了广泛应用。引入超高频RFID技术，能够显著提高信息收集的效率和准确性，尤其是在移动环境中，RFID技术能够更快捷、更有效地识读和保存数据，确保数据主体身份信息的唯一性。基于超高频RFID技术的图书馆管理系统能够显著提高图书的入库、出库、借阅、归还以及盘点等管理环节的效率。RFID可以自动记录图书的流转信息，生成详细的管理数据。这些数据能够帮助管理者更好地掌握图书的使用情况，进行统计分析，辅助决策。一方面可以优化图书馆的藏书结构，另一方面可以支持对读者需求的分析，以改善服务质量。因此，该系统的实现不仅能够提高图书馆管理的效率和准确性，还能促进图书馆服务模式的转变，提升图书馆的整体服务水平，具有广阔的应用前景和发展潜力。

二、国内外研究现状

1.国外研究现状

国内研究主要集中在提高图书管理系统的自动化和智能化水平。例如自助借还书系统、图书防盗检测等。这些系统通过减少人工操作，提高了图书馆服务的效率和安全性。研究还涉及到RFID技术与其他技术的结合，如Wi-Fi无线通信技术，以实现更高效的图书管理和定位。在2018年的一项研究中，设计了一种基于ARM内核和Linux操作系统的便携式图书管理系统。该系统结合了RFID和Wi-Fi技术，不仅减轻了图书管理人员的劳动强度，提高了工作效率，还为读者的借还书操作提供了便利，为构建数字化图书馆提供了技术支持。最近的一项研究探索了基于物联网(IOT)和射频识别(RFID)技术的智慧图书馆管理系统。该系统采用无线传感器网络(WSN)检测跟踪的对象，并生成与对象的地理区域或位置相关的详细报告日志。此外，提出了一种创新型RFID天线子系统，其基带信号通过双绞线传输，具有部署成本低、电缆布线方便等优点。

2.国内研究现状

在东非共同体（EAC）地区，RFID技术被应用于图书馆管理，特别是防盗系统。该系统利用超高频RFID技术，使得借还书操作更加便捷，同时通过监控和记录图书馆活动，有效防止未借出的图书离开图书馆。硬件设计方面，国外系统可能更注重高性能处理器和高级存储芯片的使用，如Intel I7-7700 CPU处理器和Texas Instruments的存储芯片。国外研究也关注于RFID技术的创新应用，如使用功能纳米材料的超高频RFID标签，这些标签具有更好的耐用性和更高的数据存储能力。

3.研究现状综述

在现代图书馆中，随着规模的扩大，读者找书难、图书管理员工作量大等问题日益突出。基于高频RFID的图书定位系统通过提高图书定位准确率、缩短图书盘点时间和优化图书冲突检测时间，显著提高了图书管理的效率和准确性。引入RFID技术后，图书馆工作人员需要接受相应的培训，以熟悉新系统的操作和维护。此外，应提供持续的技术支持，帮助解决在实际应用中遇到的问题。

三、拟研究的主要内容与思路

1.研究内容

本课题按照物联网设计要求，从实用性，先进性，标准化角度出发，自顶向下设计基于超高频RFID的图书馆管理系统。根据需求分析，本文设计的系统，将系统分成三个子系统进行了设计，如图1所示。主要包括感知子系统、通信子系统、应用子系统。其中感知子系统主要是阅读器和电子标签之间实现能量的传递和数据的交换，从而完成图书管理系统中的自动识别和数据管理功能。通信子系统主要功能是实现设备之间的无线数据传输和互联网连接。而应用子系统主要负责系统后台数据信息的维护，包含自助借还、图书查询、图书盘点和数据库设计四个子模块。

图1 基于RFID技术的图书馆管理系统的功能模块

2.研究思路

本次设计的硬件部分用到了STM32F103C8T6单片机、ESP8266模块、RC200射频模块及CH340模块。

（一）下位机RC200模块读取电子标签

首先，初始化RC200模块，RC200模块初始化后会进入寻卡模式，若没有检测到卡片，便会一直寻卡，直到检测到电子标签。当有电子标签靠近 RC200模块时，RC200模块会自动识别卡片，并且会防冲突选卡，当读取到电子标签信息时，将电子标签信息通过WiFi模块发送给上位机。上位机暂时储存电子标签信息，在需要时调用电子标签发送的信息。电子标签读取流程如图2所示。

图2 电子标签读取流程图

（二）上位机获取电子标签信息

打开上位机软件，首先要打开串口，连接串口，确定硬件可以发送信息。当RC200模块扫描到电子标签时，会有电子标签信息发送到上位机。点击“寻卡”，可以获取到电子标签的卡号。若没有获取到电子标签的卡号，系统会提示“请重刷”。

（三）图书查询

基于RFID技术的图书馆管理系统可快速实现图书的定位。根据图书馆的实际情况，可在每个书架或每隔一段距离安置RFID阅读器，用于存放图书信息及所放位置。查询者可在安装有相应软件的终端设备（计算机、平板、智能手机等）输入图书信息，如书名、作者名等信息，通过无线网络发送给系统服务器，然后服务器会将处理后的信息反馈到终端设备，查询者可看到图书的出版社、索书号等详细信息，并生成详细的图书位置方便查询者寻找。通过RFID技术可随时精确地定位图书的位置，解决了因图书错放、乱放及书架标识不清造成的查询困难的问题，提高了图书查询的效率。

（四）图书借还

读者可在自助借阅机前刷借阅证以确定借阅者的信息，然后通过自助借阅机上的超高频RFID阅读器读取所要借阅书籍的电子标签，终端设备会显示读者的信息以及图书的信息，若图书符合借阅条件，经过读者确认，读者信息及图书信息相关联后一起发送给系统后台数据库，读者根据图书存放位置可自行阅,同时，图书的借阅信息将被修改，当读者借阅成功后经过图书馆RFID检测门时就不会发出报警。还书时，读者可扫描图书的电子标签，确定图书的存放位置，可完成图书的自助归还功能，同时，后台数据库将对图书的借阅信息进行修改。图３为自助图书借阅的流程。

图3 自助借还图书流程图

（五）图书盘点

图书馆藏书众多，人工盘点任务量巨大，通过RFID技术，图书管理员可以通过RFID阅读器读取图书标签信息，获取图书存放的精确位置及图书的相关信息，方便管理员查询、盘点等工作。此外，图书借还和存放的位置是即时反馈给服务器，并在后台数据库进行相应修改，管理员也可以通过对数据库的查询获取图书的实时信息及存放位置，提高图书管理工作的效率。

（六）数据库设计

本文采用MySQL数据库存放图书管理系统中的数据信息。数据库中包含图书信息表、读者信息表、图书借阅记录信息表、管理员权限信息表等。以图书信息表为例，其包括图书的名称(char型)、作者的名称(char型)、出版社的信息(char型)、图书的价格(char型)、图书的条形码(char型)等信息，这些信息都被存放在表中。在基于RFID的图书管理系统中，当代表图书唯一标识的电子标签被阅读器读取时，系统将确定相应的数据信息，并在数据库中进行相应的操作。