基于RFID智能卡的高校圖書館自助式門禁系統(tǒng)

　　0 前言

　　圖書館門禁系統(tǒng)是保障圖書資源安全，提高圖書館管理效率、管理水平的控制系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、目標(biāo)識別技術(shù)的支撐下，目前已有名目繁多的圖書館門禁系統(tǒng)上市，但這些門禁系統(tǒng)多是根據(jù)不同的圖書館信息化條件而定制研發(fā)的，由于原有的圖書館管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各不相同，造成門禁系統(tǒng)與圖書館其他管理系統(tǒng)之間的鏈接非常不便。并且，多數(shù)圖書館門禁系統(tǒng)的功能停留在安全管理、自動借還的層面上。為了實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)與各種數(shù)字圖書館之間的無縫鏈接，擴(kuò)展門禁系統(tǒng)的功能，提高圖書館的自助服務(wù)水平，我們構(gòu)建了一套基于RFID智能卡的高校圖書館自助式門禁系統(tǒng)。

　　1 RFID技術(shù)及在圖書館的應(yīng)用簡介

　　1.1 RFID技術(shù)

　　RFID(射頻識別)技術(shù)，是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)。其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對被識別物體的自動識別。作為條形碼的無線版本，RFID技術(shù)具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、智能卡上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量更大、存儲信息更加自如等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被世界公認(rèn)為本世紀(jì)十大重要技術(shù)之一。一個(gè)最基本的RFID系統(tǒng)，一般包括以下幾個(gè)部份：一個(gè)載有目標(biāo)物相關(guān)信息的智能卡即RFID智能卡、在讀寫器及RFID單元間傳輸RF信號的天線、一個(gè)接收從RFID智能卡返回的RF信號并將解碼的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng)以供處理的RFID讀寫器。目前，RFID系統(tǒng)已在交通管理、倉儲管理、物流管理、生產(chǎn)線追蹤等領(lǐng)域大展身手。

　　1.2 RFID技術(shù)在圖書館的應(yīng)用簡介

　　RFID技術(shù)憑其特有的特點(diǎn)已經(jīng)引起國內(nèi)外圖書館界的關(guān)注。新加坡國立圖書館在1998年后期開始使用RFID技術(shù)，成為世界上第一個(gè)應(yīng)用此技術(shù)的圖書館。隨后，美國、澳大利亞、中國等也相繼采用了該技術(shù)。2006年，我國第一家RFID智能圖書館一一集美大學(xué)誠毅學(xué)院圖書館建成并投入使用。目前深圳圖書館新館、國家圖書館、上海市長寧區(qū)圖書館等多家圖書館也引用了這一技術(shù)。綜合上述使用RFID技術(shù)的圖書館，其實(shí)現(xiàn)的功能大致包括：

　　●自助借還書系統(tǒng)：為讀者提供自助借書、還書操作，無需圖書館管理人員干預(yù);

　　●圖書整理：實(shí)現(xiàn)對館藏資料的自動盤點(diǎn)、排架、順架，從而達(dá)到通借通還的目的;

　　●RFID安全檢測：對未辦理完借出手續(xù)或禁止借出的圖書，在出門時(shí)安檢裝置會報(bào)警，提醒管理人員及時(shí)阻止。

　　通過RFID技術(shù)，圖書館在有效提高管理精度、改善服務(wù)形象、拓展延伸服務(wù)等方面為圖書館行業(yè)創(chuàng)造了巨大的社會效益并得到了廣大同仁的認(rèn)可。

　　2 RFID智能卡

　　智能卡又稱集成電路卡即IC卡，它是將一個(gè)集成電路芯片鑲嵌于塑料基片中，封裝成卡的形式。1977年，Motorola與它的一個(gè)計(jì)算機(jī)客戶合作開發(fā)了世界上第一張智能卡，自此，智能卡就以其薄且小的體積、先進(jìn)的集成電路芯片技術(shù)、無法被破譯和仿造的特點(diǎn)受到普遍歡迎，并在世界范圍內(nèi)得到了空前的發(fā)展。目前，各種智能卡正越來越多地應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域并深入到居民的日常生活當(dāng)中。

　　RFID智能卡是一種非接觸式的IC卡。具有體積小、容量大、壽命長、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，可支持快速讀寫、非可視識別、移動識別、多目標(biāo)識別、定位及長期跟蹤管理。

　　2.1 智能卡的基本結(jié)構(gòu)

　　RFID智能卡主要由天線、射頻接口、微控制單元組成。各組成部分包括的模塊及其功能如下：

　　天線：用來接收RFID讀寫器發(fā)送的信號，并把數(shù)據(jù)信息回傳給RFID讀寫器。

　　射頻接口電路：主要包括有波形變換器、調(diào)制/解調(diào)器、整流器、電壓調(diào)節(jié)器、振蕩器等。波形變換器接收讀寫器上的無線電調(diào)制信號，一方面送調(diào)制/解調(diào)模塊，另一方面進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，然后對其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊對電壓進(jìn)行進(jìn)一步的處理，如穩(wěn)壓等，最終輸出供給卡片上的各工作電路。振蕩器產(chǎn)生用于調(diào)制/解調(diào)的高頻信號和微控制單元的時(shí)鐘信號。

　　微控制單元：實(shí)現(xiàn)智能卡的識別和執(zhí)行讀寫器的指令。包括邏輯控制單元、請求應(yīng)答單元、防碰撞單元、數(shù)據(jù)加密單元、存儲單元(包括E2PROM與ROM)等。

　　請求應(yīng)答單元：當(dāng)有RFID智能卡處在讀寫器天線的工作范圍之內(nèi)時(shí)，讀寫器向RFID智能卡發(fā)出命令后，請求應(yīng)答單元將被啟動，將智能卡的卡號傳送給讀寫器，建立智能卡與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。否則，讀寫器對智能卡的其他讀寫操作將不會進(jìn)行。

　　防碰撞單元：當(dāng)有多張RFID智能卡進(jìn)入讀寫器操作范圍時(shí)，防碰撞單元會從其中選擇一張進(jìn)行操作，未選中的則處于空閑模式等待下一次選卡，該過程會返回被選卡的序列號。

　　邏輯控制單元：用來譯碼RFID讀寫器送來的信號，并按要求回送數(shù)據(jù)給RFID讀寫器。

　　數(shù)據(jù)加密單元：完成對數(shù)據(jù)的加密處理及密碼保護(hù)。

　　存儲單元：包括E2PROM與ROM，主要用于存儲數(shù)據(jù)，用戶所要存儲的數(shù)據(jù)(讀者個(gè)人信息，如姓名、專業(yè)、愛好、借還書記錄等，還可以存儲個(gè)人賬戶)被存放在該單元中。E2PROM中的數(shù)據(jù)在智能卡失掉電源后、智能卡離開讀寫器天線的有效工作范圍時(shí)仍將被保持。

　　2.2 智能卡的讀寫原理

　　智能卡的讀寫原理是：RFID讀寫器向RFID智能卡發(fā)射一組固定頻率的電磁波，在電磁波的激勵下，RFID智能卡內(nèi)的LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷，在這個(gè)電容的另一端，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖茫瑢㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2V時(shí)，此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓，將卡內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收RFID讀寫器的數(shù)據(jù)。

　　3 圖書館自助服務(wù)與高校讀者群

　　圖書館一切活動的目的都是為讀者提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，幫助讀者獲取信息、利用信息，從而產(chǎn)生知識。圖書館發(fā)展的歷史就是為不斷提升讀者服務(wù)質(zhì)量而努力的過程。與傳統(tǒng)圖書館相比，數(shù)字圖書館在相關(guān)技術(shù)的支撐下，在服務(wù)內(nèi)容、服務(wù)方式、服務(wù)手段等方面都具有了新的特點(diǎn)，而自助服務(wù)正是當(dāng)前圖書館數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中出現(xiàn)的一種新的服務(wù)形式，它是在一定的硬件環(huán)境和系統(tǒng)平臺上，讀者根據(jù)自己的閱讀興趣、需要偏好、研究重點(diǎn)，自主地完成書目查詢、藏書借還、文獻(xiàn)復(fù)印等活動，從而實(shí)現(xiàn)閱讀和研究目的的一種自助服務(wù)方式。圖書館通過自助服務(wù)，讀者的一切信息利用活動和問題的解決都可在自助服務(wù)系統(tǒng)上自主自助地進(jìn)行，使讀者在圖書館閱讀和研究中實(shí)現(xiàn)自我、方便自我、滿足自我。

　　高校圖書館是為教學(xué)和科研服務(wù)的學(xué)術(shù)性服務(wù)機(jī)構(gòu)，它的讀者群主要是教師和學(xué)生。他們大多已具備一定的科研能力，其閱讀特點(diǎn)具有比較明確的專業(yè)性、目的性、時(shí)效性，閱讀范圍比較集中系統(tǒng)。高校讀者群的信息特點(diǎn)(使用習(xí)慣、偏好、背景、要求等)，使高校圖書館的自助服務(wù)在很大程度上具有了可預(yù)測性，決定了高校圖書館自助門禁系統(tǒng)的構(gòu)建原則和功能內(nèi)容的取舍。

　　4 高校圖書館自助式門禁系統(tǒng)

　　高校圖書館自助服務(wù)要求一切活動由讀者自己操作，所以圖書館本身必須有適合此項(xiàng)特性的技術(shù)與設(shè)施。只有完善技術(shù)配套，才能讓圖書館自助服務(wù)這一新的服務(wù)方式發(fā)揮出最大效益。

　　4.1 高校圖書館自助式門禁系統(tǒng)構(gòu)建原則

　　根據(jù)高校讀者群的特點(diǎn)，結(jié)合高校數(shù)字圖書館服務(wù)的特征，高校圖書館自助式門禁系統(tǒng)的構(gòu)建應(yīng)遵循以下原則：

　　(1)學(xué)科性原則：要以學(xué)科設(shè)置和需求為基礎(chǔ)，以教學(xué)科研為目標(biāo);

　　(2)讀者主導(dǎo)性原則：要充分考慮讀者需求，注意收集存儲讀者反饋的信息;

　　(3)科學(xué)性原則：要以現(xiàn)代技術(shù)為支撐，確保系統(tǒng)科學(xué)、可靠、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用;

　　(4)集成性原則：要考慮與本館其他系統(tǒng)的集成，考慮與外部共享環(huán)境的鏈接;

　　4.2 基于RFID智能卡的高校圖書館自助式門禁系統(tǒng)

　　根據(jù)高校讀者群的特點(diǎn)，以讀者為中心，我們構(gòu)建的高校圖書館自助式門禁系統(tǒng)具有如下功能：身份識別功能、鍵盤輸入功能、即時(shí)顯示功能、非法報(bào)警功能、信息存儲功能、與主機(jī)通信的功能等。它是以微處理器為中央控制模塊、以非接觸式RFID讀寫器為核心的多模塊讀寫控制系統(tǒng)，包括的模塊及實(shí)現(xiàn)的功能如下：

　　RFID讀寫器模塊：是本系統(tǒng)最為關(guān)鍵的模塊，主要用于完成RFID智能卡的讀、寫一一自動讀取RFID智能卡的相關(guān)信息(如識別入庫讀者的身份)：配合鍵盤輸入模塊向RFID智能卡寫入或修改具有修改權(quán)限的個(gè)人信息;配合主機(jī)對RFID智能卡內(nèi)的個(gè)人賬戶實(shí)現(xiàn)管理。如果圖書館內(nèi)的圖書全部內(nèi)嵌了電子標(biāo)簽，還可以通過讀取電子標(biāo)簽自動完成圖書的借還，極大地改善了借還口學(xué)生排隊(duì)等候的現(xiàn)象。

　　鍵盤輸入模塊、聲光報(bào)警模塊：與主機(jī)的顯示器共同構(gòu)成人機(jī)交互模塊。通過人機(jī)交互模塊，用戶可根據(jù)具體使用要求對系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作;寫入或修改具有修改權(quán)限的個(gè)人信息;寫入個(gè)人需求的信息，完成圖書預(yù)約，并可及時(shí)獲得信息的反饋;當(dāng)修改權(quán)限外的信息、非法用戶入庫、未辦理借出手續(xù)或禁止借出的圖書出庫時(shí)，能自動實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。人機(jī)交互模塊的引入體現(xiàn)了該系統(tǒng)的高效性和互操作性。

　　主機(jī)顯示器：在RFID讀寫器讀取到RFID智能卡的信息時(shí)，主機(jī)顯示器就會即時(shí)顯示智能卡內(nèi)部的讀者個(gè)人信息;顯示讀者通過鍵盤寫入或修改的信息;顯示讀者預(yù)約圖書的狀態(tài);顯示圖書館提供的各種推送服務(wù)內(nèi)容(如根據(jù)讀者的專業(yè)特點(diǎn)、研究方向、興趣愛好等對讀者進(jìn)行新書推薦)。

　　在主機(jī)讀者管理系統(tǒng)中嵌入讀者偏好分析模塊，通過對讀者借閱圖書歷史記錄的分析，將圖書關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類，產(chǎn)生讀者偏好頻繁項(xiàng)集，從而定義讀者興趣模型，由主機(jī)顯示器顯示讀者需求圖書所在的書架編號，并通過超鏈接進(jìn)入智能架位導(dǎo)航系統(tǒng)，進(jìn)入目標(biāo)圖書價(jià)位的三維分布圖，明確提示目標(biāo)架位所在的位置，并給出最佳路線導(dǎo)引，以方便讀者迅速獲得目標(biāo)文獻(xiàn)。

　　打印模塊：可由微處理器和主機(jī)分時(shí)控制。當(dāng)需要打印借還書信息或圖書館推送的信息時(shí)，由微處理器控制免費(fèi)打印;當(dāng)需要打印館藏?cái)?shù)字資源或網(wǎng)上數(shù)字資源時(shí)，由主機(jī)控制打印，費(fèi)用通過RFID讀寫器對讀者的RFID智能卡進(jìn)行扣款和費(fèi)用結(jié)算。

　　微處理器模塊：是圖書館自助式門禁系統(tǒng)的中樞，接收并處理RFID讀寫器采集到的RFID智能卡的信息;隨時(shí)向RFID智能卡寫入圖書館推送的信息;控制聲光報(bào)警模塊對非法讀者或讀者的非法操作及時(shí)報(bào)警;接收、處理、存儲鍵盤輸入模塊輸入的信息;控制打印模塊實(shí)現(xiàn)打印功能;控制串行通信模塊與主機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

　　我們采用IBM RFID中間件作為本自助式門禁系統(tǒng)與圖書館管理系統(tǒng)的紐帶，可以方便地將本系統(tǒng)與圖書館管理系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來。IBM RFID中間件具有對下屏蔽RFID設(shè)備的硬件差異，對上屏蔽操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫的差異的功能，有效地驅(qū)動了后端圖書館管理應(yīng)用系統(tǒng)，形成了統(tǒng)一、協(xié)調(diào)的運(yùn)作過程;并且在本系統(tǒng)與現(xiàn)有的數(shù)字圖書管理系統(tǒng)得以完好融合的同時(shí)，還能夠保證兩者的獨(dú)立性和健全性。

　　5 結(jié)語

　　本文構(gòu)建的基于RFID智能卡的高校圖書館門禁系統(tǒng)使讀者在入庫時(shí)就能享受到全新的服務(wù)流程，用戶的一切信息活動和問題的解決都可在該系統(tǒng)上自主自助地進(jìn)行。實(shí)現(xiàn)了便利、快捷、人性化的服務(wù);系統(tǒng)因利用微處理器為控制中心，可以通過擴(kuò)展I/O口來增加圖書館自助門禁系統(tǒng)的其它功能;系統(tǒng)利用RFID中間件，可以實(shí)現(xiàn)與圖書館原有管理系統(tǒng)的無縫鏈接;系統(tǒng)的RFID智能卡，還可以擴(kuò)展成校園一卡通?？梢哉f，本系統(tǒng)的構(gòu)建具有很高的實(shí)用意義和推廣價(jià)值。