毕业设计（论文）-智能图书馆的设计与模拟实现.docx

存档日期： 存档编号： 本 科 生 毕 业 设 计题 目： 智能图书馆的设计与模拟实现 学 号： 姓 名： 联 系 电 话： 电 子 邮 箱： ： 学 院： 计算机科学与技术学院 专 业： 计算机科学与技术（物联网） 年 级 、 班 级： 11计81 指 导 教 师： 江苏师范大学教务处印制 江苏师范大学计算机学院学士学位毕业设计原创性声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计说明书智能图书馆的设计与模拟实现 是本人在导师指导下，在江苏师范大学计算机学院学习期间，进行毕业设计时取得的成果。本人知道，除文中已经标明引用的内容外，本毕业设计说明书不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。班级： 11计81 学号： 学生签名： 年 月 日智能图书馆的设计与模拟实现摘 要： 现如今已经是一个“知识爆炸”的时代，图书的数量越来越多，图书馆也变得越来越大，传统的图书馆在图书管理、读者管理、图书馆环境管理等方面愈来愈不堪重负，智能图书馆利用现在日渐成熟射频识别（RFID）、传感器、网络通信等技术，可以实现图书馆的智能化，极大的提高工作人员的工作效率，降低劳动强度，简化图书的管理流程，提高读者的体验度。本文首先介绍了智能图书馆在国内外的研究现状和应用发展，以及本课题的研究目的和意义，在实地考察我们学校的图书馆的基础上，分析了智能图书馆的用户需求和业务需求，达到读者在图书馆中可以快速寻找图书，工作人员管理图书更加方便的目的。为达到此目的，分析了智能图书馆的模块和业务流程，然后总结智能图书馆所使用的主要技术，包括网联网技术、RFID技术、传感器技术、网络通信技术。利用实验室的实验器材，动手操作并了解原理，在实验的基础上设计智能图书馆的RFID图书管理、传感器信息采集等功能，最后利用实验室器材对智能图书馆的部分功能进行了模拟实现。以上研究为智能图书馆提供了设计思路，具有一定的现实意义。 关键词： 物联网；RFID；传感器；Zigbee；智能图书馆 The Design and Simulation Implementation of Intelligent LibraryAbstract: The 21st century has been a knowledge explosion era, the increasing number of books, the library has become more and more large, the traditional library in the library management, reader management, library management and other aspects of the environment increasingly overwhelmed, intelligent library using radio frequency identification(RFID), sensor, network and communication technologies, can realize the intelligent library, improve the staffs working efficiency greatly, reduce labor intensity, simplifying the management process, improve the readers experience.The thesis first introduce the research status and the development of intelligent library at home and abroad, the purpose and significance of the research topic, visit our school library, analyzes the intelligent library user needs and business requirements, the reader can quickly find the books in the library, library management staff more convenient, then analysis of the business process module and intelligent library, and then summarize the main technology of the intelligent library , including network technology, RFID technology, sensor technology, network communication technology.Using the experimental equipment of the laboratory, to understand the operating principle, On the basis of the experimental design of the intelligent library RFID books management, the sensor information acquisition, the use of laboratory equipment for intelligent simulation of part function of the library. These results provide design for intelligent library, has the practical significance.Keywords: The Internet of things;RFID;sensor;Zigbee;intelligent library目 录第1章 绪论11.1智能图书馆的研究背景和意义11.2 智能图书馆的国内外进展21.2.1 智能图书馆的国内进展21.2.2 智能图书馆的国外进展31.3 本文研究内容及主要贡献4第2章 智能图书馆的分析52.1 智能图书馆的需求分析52.1.1 智能图书馆的用户需求52.1.2 智能图书馆的业务需求52.2 智能图书馆的模块和业务流程分析62.2.1 智能图书馆的模块62.2.2 智能图书馆的业务流程72.3 本章小结10第3章 智能图书馆的关键技术113.1 物联网和RFID技术113.1.1 物联网技术113.1.2 RFID技术113.2 传感器和网络通信技术143.2.1 传感器技术143.2.2 网络通信技术153.3 本章小结18第4章 智能图书馆的设计194.1 RFID图书管理的设计194.1.1 RFID系统的工作原理194.1.2 125KHz RFID可读可写卡简介194.1.3 RFID卡图书信息管理204.2 传感器信息采集的设计214.2.1 温湿度传感器的硬件结构和组成214.2.2 温湿度采集主要代码224.3 本章小结25第5章 智能图书馆的模拟实现265.1模拟实现的运行需求265.1.1 软件需求265.1.2 硬件需求295.2 智能图书馆的信息采集与操作305.2.1 环境数据的采集305.2.2 RFID卡的信息采集与操作315.3 本章小结33第6章 总结与展望346.1 总结346.2 展望34毕业设计体会35致谢36参考文献37英文翻译资料3943第1章 绪论21世纪人类已经进入了信息时代，信息时代的特点是：用纸记录信息和知识，通过书本传递知识。有了电视、电话、互联网。传播速度加快，信息量增大,知识爆炸。变化加快，技术含量增大，复杂性增加。传统图书馆的馆藏越来越多，收藏信息的形式也更多变。高新技术在社会各方面都产生了深刻的影响，图书馆的发展也深受影响。读者的文化信息需求日益增长，传统图书馆管理和服务方式越来越不能适应新的需求。一方面，图书馆的工作人员对图书的收录、整理等业务难度增加，手工方式难以满足需求，并且耗费大量的时间，另一方面，读者面对大量的书籍难以寻找和选择，借阅图书的流程更加复杂，使得读者体验降低。随着图书馆图书馆藏不断增多，人们开始思考利用先进的物联网等高新技术改变现在图书馆现状，改善图书馆的管理模式，提高图书馆的服务水平和用户体验度 1。现在很多图书馆利用条形码技术，每个文献都有相对应的条形码，条形码有一个世界唯一的编码包含文献的具体信息。当对该图书进行操作时，只需用条形码扫描设备扫描条形码进行操作即可，每本图书上贴有磁条，借还图书时对图书进行充磁或者消磁处理，在一定程度上避免图书的丢失情况。但是随着社会的不断发展进步，越来越多的人有文化需求，图书馆成为了很多人的阅读学习获取信息的地方。很多大学、城市的图书馆每天有很多人进出，再加上图书馆文献数量多，常常遇到图书丢失，读者借还书需要长时间等待的情况，工作人员还要花费大量的时间盘点图书、整理图书。此外，由于图书馆越来越大，对书籍的保护更为严格的要求，需要时刻监控书库的温度、湿度等环境情况。本文介绍的智能图书馆将现在越来越成熟的RFID技术以及传感器，网络通信等技术结合在一起，能够及时获取图书馆的环境、图书资源、设备资产和读者等关键数据；图书馆的各种管理软件处理和分析获取到的关键数据；工作人员根据关键数据的分析处理结果进行及时迅速的处理 2。使得图书馆更加适应新的需求，更加智能。1.1 智能图书馆的研究背景和意义2009 年一月，IBM 首次提出智慧地球”的概念，成为物联网发展历史上的一个重要事件，在全球引起强烈反响，各国纷纷推出自己的智慧国家战略，同年，温总理提出“感知中国”，物联网行业已成为五大国家战略新兴产业之一，随着网络、RFID等有关技术的不断发展， 智慧地球”的概念也将会深刻影响着智能图书馆的发展。3许多国家利用此契机将传统的图书馆向智能图书馆演进，实现智慧化的服务和管理。传统的图书馆大多采用条形码作为图书的识别标签，利用磁条防止图书的丢失。条形码技术和RFID技术比较具有标签容量小，读写速度慢，读写距离近，磁条容易失磁，标签污损导致不能识别，馆藏清点很不方便，图书查找困难等缺点。条形码与RFID技术的对比如图1-1所示4：图1-1条形码与RFID技术比对智能图书馆具有更大的革新，首先文献管理更加的智能化，每一份文献都有自己的RFID标签，标签不仅包含文献的信息，而且还具有感知通信、简单的信息处理能力。其次智能图书馆的服务内容更加智能化，智能图书馆可以处理分析读者的阅读使用信息，通过基于“云计算”的后端处理平台，可以针对不一样的读者推荐阅读书目，提高读者的体验度。服务方式也会变得更加智能化，读者随身携带的RFID卡和图书的RFID标签都是唯一的，可以随时知晓读者和图书的位置信息，从而更加方便工作人员的服务和管理。辅助管理也将会更加智能化，在智能图书馆中需要管理不仅仅是图书、读者，还包括整个图书馆的建筑，硬件设施的环境管理，通过各种传感器可以采集到所需要的各种数据，经过处理后实现对图书馆辅助管理的智能化控制5。1.2 智能图书馆的国内外进展1.2.1 智能图书馆的国内进展伴随着智慧城市”的发展，国内出现智能图书馆”相关名词。当前，我国已经发表的和智能图书馆有关的论文有几十篇，大多从建设和技术方面研究图书馆的实施。如张洁、李瑾在2000年发表的智能图书馆文章中提出， 21世纪的现代化图书馆应建成智能楼宇，智能图书馆就是把智能化的相关技术运用在图书馆建设当中，它是前端技术如计算机、多媒体、网络通讯、智能安防、环境监测等，与建筑艺术的有机结合体6。2006年，陈鸿鹄在智能图书馆设计思想及结构初探也提出，智能图书馆是智慧建筑和自动化管理的图书馆的有机结合与创新，它同时具备两者的设计思想、基本要素、特征和功能。这些关于智能图书馆的初期研究，体现了我国图书馆界对信息技术的敏感性与前瞻性，未来除了技术领域，我们还应对智能图书馆的灵魂与精髓进行深入研究。2006年2月，厦门集美大学建成诚毅学院图书馆综合书库并投入使用，图书馆采用的“RFID智能馆藏系统”成为国内第一个使用RFID技术管理图书的智能化图书馆。智能图书馆给读者带来了全新的图书借阅模式，极大改善了图书的借阅流程，大幅度提升了图书馆的管理水平和服务水平，让工作人员和读者都感受到智能化图书馆的先进服务和人文关怀。2006年7月，深圳图书馆将RFID技术运用到新图书馆的建设中去，图书馆采用13.56MHz频率的无源标签作为图书标签和借书卡标签，工作人员不再进行大量的体力劳动，有更多的时间和精力将工作重心放到服务中去，学习先进的管理经验，举办讲座等，提高了工作人员的管理技术水平和服务水平78。2008年，武汉图书馆也进行了了智能图书馆建设，新建成的武汉图书馆不再是以前的借还管理和典藏管理模式，大大降低了工作人员的工作量，提高了读者的体验度。促进了公共图书馆的联网建设，改善了图书借还流程和时间，营造出“随处可见”的阅读环境，满足人们的文化需求。图书馆RFID智能图书管理系统包括图书自助借还系统、馆藏架位管理系统、智能安全门、柜台工作站、图书编目系统和标签标识系统等。读者在自助终端按照系统显示的操作步骤就能完成自助借还书等工作，工作人员节约了很大一部分时间去给每一个人实施借还操作；通过馆藏架位管理系统，图书馆工作人员上架和整理图书时更加方便省力，减轻了他们的工作负担；智能安全门能够识别经过图书的信息，判断其是否出借，有效防止了图书被盗的情况发生；RFID读者证和图书借还等一系列工作则通过柜台工作站完成；编目工作站的工作人员则将馆内图书贴上RFID标签，填写相关信息到标签和服务器数据库中。2008年9月，经过三年多的建设，国家图书馆二期暨国家数字图书馆正式投入使用。数字图书馆新馆建筑面积达到80000多平方米，安放了接近3000个读者座位，每天能接待读者近万人，国家图书馆馆舍总面积也超过了25万平方米，在世界图书馆中排到第三位。新图书馆的主要服务方式有：无线覆盖整个图书馆。读者可以携带自己的移动设备，在馆内任何区域都能连上网络浏览信息；图书馆配有四百多台台电脑，其中有两百多台在四楼，其他电脑则被布置在图书馆其他的位置，读者可以快速方便的在电脑上浏览信息；采用无线射频识别技术（RFID），实现智能图书导航，读者通过查询可以迅速准确地找到自己需要的图书；成立了一个特别的视觉障碍的服务区，视障人士可以通过电脑键盘控制电脑，就能像正常的读者一样阅读图书，满足他们的文化需求；图书馆还推出国家图书馆服务平台移动终端应用，读者通过手机、平板等移动设备就可以获得图书馆的各种信息，比如图书馆新闻、动态、文化速递，推荐图书，资源检索等内容，而且能够经常更新，适应移动生活；国家图书馆还有独特的展示系统可以让使用者了解熟悉数字图书馆，展现国家数字图书馆的建设成果和特点。1.2.2 智能图书馆的国外进展国外很早就有对智能图书馆的应用研究，拥有不少研究成果，很多发达国家有比较丰富的智能图书馆建设和应用经验。(1) 美国的智能图书馆建设和发展情况1999年,美国在洛克菲勒大学图书馆使用RFID技术，实现了图书馆的智能化11。美国图书馆协会在每年的年会上都会有用高新技术建设智能图书馆的议题，具有很高的参考意义12。2007年，圣安东尼奥州在其城市所有的公共图书馆使用了新的自助图书借还系统，读者可以随时随地借还图书，实现24小时自助服务，州内图书流通实现了快速无缝化。2010年，阿肯色州的12家中央图书馆分馆在图书馆中实施了RFID技术，实现图书馆的智能化，美国达到智能图书馆标准的现代化图书馆已经超过了300个。 (2) 智能图书馆建设在亚洲的发展情况新加坡是亚洲第一个建设并且实现智能图书馆的国家。1998年,新加坡在Bukit Batok社区图书馆使用RFID技术。通过几年的发展，新加坡在全国建设智能图书馆并取得显著效果，据估算实现智能化图书馆每年能节省几千个劳动力，每年可以节省两千多万美元资金并且图书借阅次数达到以前的三倍多。新加坡还利用先进的物流系统实现全国的图书资源整合，形成一个图书网络，读者借阅归还图书可以在任何一个图书馆进行，读者归还的图书可以在一天之内到原来的地方，不受地域的限制。通过先进的技术实现了图书馆的智能化，让图书无处不在，还大大方便了读者，提高了读者满意度和体验度,得到了社会各界的赞扬910。在日本，也有较多的智能图书馆的探索建设，比如日本的图书出版商小学馆通过在其出售的图书上粘贴RFID标签来识别图书,简化了出售图书的流程,减少了退货现象的发生。(3 ) 英国智能图书馆建设和发展情况2007年,英国的东英吉利大学图书馆在图书馆里引进了RFID技术实现图书馆的智能化，图书馆在馆里有自助借还终端，在馆外有自助还书终端，读者可以随时进行相关借还书的操作，不受时间限制；读者办理完还书后可以将书籍放在馆内专门的传送带上，分拣处的阅读器根据图书的RFID标签信息将书籍放到对应的书库书架推车里，如果这本书被其他人预约了，还可以将它放到专门的推车里，让预约的读者可以更快的得到它13。1.3 本文研究内容及主要贡献本文主要研究了智能图书馆的国内外发展、需求、模块和业务流程。重点对智能图书馆所涉及的物联网技术、RFID技术、传感器技术、网络通信技术进行了研究，结合我校的图书馆实际情况，提出智能图书馆的RFID系统的设计和传感器部分的设计。主要贡献如下：（1）通过大量阅读有关图书馆建设的相关文献，研究了智能图书馆的国内外的进展和实际应用。（2）分析了智能图书馆的用户需求、业务需求，同时对智能图书馆的模块和业务流程作出具体说明。（3）深入研究了智能图书馆的关键技术，包括物联网技术、RFID技术、传感器技术和网络通信技术。（4）介绍了RFID系统的工作原理，详细介绍了本文所使用的RFID卡的标准，RFID图书管理系统。同时分析智能图书馆用到的传感器和主要的代码。（5）根据实际的实验室条件，提出智能图书馆的软硬件需求，模拟实现图书馆环境数据的采集显示和RFID卡的信息采集和操作功能，分了智能图书馆的可行性。最后总结本文并提出展望。第2章 智能图书馆的分析2.1 智能图书馆的需求分析2.1.1 智能图书馆的用户需求以江苏师范大学图书馆为例，学校通过最近几十年的大力发展，学校规模越来越大，人员越来越多，仅仅一个敬文图书馆就有两栋好几层的楼，其中的图书更是浩如烟海。很多读者面对庞大的图书馆不知所措，想寻找一本心目中的图书是一件非常困难的事情。目前大多数做法是在系统中查找图书的位置，但是往往查找到的消息不是实时的，可能别人放错了位置，或者读者本身并不熟悉图书馆的分布，不知道书籍专业分类号，不知何去何从，因此必须有更高效的方法来寻找读者所需的书籍。另一方面，知道了图书的位置，读者也希望能直接得到从查询点到图书所在位置的路线。对于读者来说，当他进入到图书馆，通过附近的RFID阅读器能够感受到读者RFID卡的信息和位置。如果读者在自助终端寻找图书，系统首先会通过RFID和网络得到目标图书和读者的所在位置，然后设计出读者到目标图书的路线，读者根据显示的路线，就能找到图书，提高寻找书籍的效率。2.1.2 智能图书馆的业务需求智能图书馆是智慧校园的一个重要组成部分。智能图书馆研究和利用物联网的相关技术，例如RFID技术、传感器技术、计算机技术、网络技术、通信技术，实现图书馆建设的智能化和管理的智能化，更加方便读者，提高工作人员效率。本文以江苏师范大学为例，说明它的业务需求：（1） RFID图书信息采集要实时知晓图书的位置，首先需要收集并且实时更新图书的相关信息。现在的图书馆都是书架式的，数量巨大，流动性大，不可能由人工去实时更新图书的信息和位置，通过RFID技术就能很好的解决这个问题，RFID设备体积较小，天线可以做成书立形状，毫不起眼，不影响外观，同时粘在图书上的电子标签价格也不高，而且也很不起眼，并且读取效率和准确度都很高，最关键的是RFID阅读器还能同时读取多个图书的RFID标签信息。通过RFID技术改造现在的书架，图书使用RFID电子标签就能实现书籍位置的实时读取14。（2） RFID读者信息采集读者是图书馆的服务对象，读者进入图书馆，就应该知晓其位置，了解其身份信息，知道他在图书馆内操作，了解个人阅读习惯和喜好，通过RFID、物联网等技术不仅可以实现上述功能，还能实现对馆内读者整体动态的掌握，统计实时流量，可以防范预知风险，做出针对读者的个性化服务。（3） 图书馆安全管理智能图书馆的安全管理包括物理安全和数据安全，物理安全包括图书馆环境的温湿度，空调通风的监控，防盗等，通过RFID技术和传感器技术，对图书馆建筑的环境和馆内物品实现有效的监控。数据安全指各种系统软件的安全，可以通过工作人员的日常工作加以防范15。2.2 智能图书馆的模块和业务流程分析2.2.1 智能图书馆的模块智能图书馆主要是在图书馆环境中使用RFID、传感器等物联网技术，提高读者的使用效率和工作人员的管理效率。以江苏师范大学图书馆为例：智能图书馆主要实现以下功能：（1）图书馆中每个书架上的RFID阅读器周期性的扫描书架上的图书信息，获得图书位置信息，并实时更新图书馆的图书信息库。（2）自助终端的RFID阅读器周期性的读取周围读者的信息，包括读者的个人信息，在图书馆中操作信息、读者的位置信息。（3）读者在自助终端寻找图书时，可以给出读者到图书的路线信息。（4）工作人员操作RFID信息卡，对其中的各种信息进行操作。（4）图书馆各处的传感器实时将监控的各种环境信息传给监控主机。（5）图书馆门口的RFID门禁负责人员进出验证和图书防盗。（6）通过Zigbee、串口、互联网实现通信交流。根据智能图书馆实现的功能，可以将系统分成3个模块，如图2-1所示。智能图书馆网络通信环境信息采集监测RFID卡信息读取和操作图2-1 智能图书馆3个模块 RFID卡内信息的采集和操作包括阅读器读取RFID读者卡的信息、RFID图书卡的信息；工作人员对RFID图书卡的处理，有查询、图书管理，个人管理和权限管理；工作人员对RFID读者卡进行借还图书管理、信息更改等等功能。环境信息采集检测主要采集检测图书馆的环境状况，分布在图书馆各个地方的传感器，将收集到的温湿度、烟雾等数据传给主机处理，达到对图书馆环境的监测，减少工作人员的巡查力度，实现环境的智能监控。网络通信包括图书馆内与馆内外的互联网通信、资讯浏览，馆内环境、人数等数据通过Zigbee、RFID、串口等方式通信和获取。2.2.2 智能图书馆的业务流程以江苏师范大学图书馆为例来介绍图书馆的业务流程：某读者进入图书馆，首先经过RFID门禁，阅读器读取读者的RFID卡的个人信息，确认其是否可以进入图书馆，如果可以进入，则放行，不然就需要通过登记通过其他方式进入图书馆，同时读取到读者的位置。然后不管是他处于自助终端或者书库的书架旁，位于自助终端或者书架上的RFID阅读器都能及时读取到他的位置信息，工作人员可以知晓其动向。读者在自助终端查找图书时，使用自助终端的图书检索系统，输入检索词，选择检索方式，分类学科后开始检索，图书检索系统根据读者的选择向服务器发出检索请求，服务器收到检索请求后将结果返回，包括图书的书名、作者、出版日期、版本、出版社等信息。读者找到目标图书后，点击目标图书信息，图书检索系统根据选择向服务器请求目标图书的具体信息，比如图书条码、索书号、流通状态、剩余图书信息、借书要求等信息。如果读者要知道图书所在位置，自助终端的系统则向服务器请求目标图书的具体位置，包括所在楼层，所在书库具体的书架的列和边。要是读者不清楚具体位置，选择路线查询，自助终端显示出从读者所位于的自助终端到目标图书的路线图。图书查询流程如图2-2所示：图2-2 图书查询图图书馆的工作人员对每一本新来的图书要将图书信息填入到这本书的RFID卡中去，包括书名、作者、出版社、价格、图书位置等信息。如图2-3所示：图2-3 添加图书操作图同时，工作人员需要随时知晓图书馆的环境状态，在主机上打开显示环境数据软件，选择需要知道的数据，比如图书馆温度、湿度、烟雾浓度状况等等。软件根据选择与传感器通信，获得传感器的数据并处理，然后将结果显示在屏幕上。如图2-4所示：图2-4 环境数据查询图2.3 本章小结本章以江苏师范大学为例，详细说明了所设计的智能图书馆的用户需求，以寻找图书为主。然后说明了智能图书馆的业务需求，主要包括RFID图书信息采集、读者信息采集、图书馆安全管理。接着分析了智能图书馆的模块，包含RFID卡信息读取和操作、环境信息采集监测两块。最后详细介绍了图书馆的业务流程，为智能图书馆的具体设计提供思路。第3章 智能图书馆的关键技术3.1 物联网和RFID技术3.1.1 物联网技术物联网（Internet of Things）是在互联网的基础上，通过智能感知、识别技术、无线数据通信，传感器网络、普适计算等通信感知技术，将用户端延伸和扩展到任何物品和物品之间，进行信息交换和通信的网络。简单地说，就是物物相连的网络16。典型的网络结构自上而下分为3层：感知层，网络层和应用层。（1） 感知层：感知层实现物联网全面感知的能力，通过传感器采集所需信息。是物联网的关键技术，目前感知层需要发展的首先是提高感知的精确度，同时降低元件的成本、元件的功耗，实现元件的小型化。（2） 网络层：网络层主要是以移动通信网络覆盖为基础，是物联网技术中发展比较成熟方面，网络层主要发展目标是多网络进行优化，让其更加适合物联网应用，从而形成系统感知的网络。（3） 应用层：应用层提供海量的应用，将物联网技术和行业信息化需求紧密结合，提供成熟的智能化应用解决方案，关键在于行业融合、信息资源的整合利用、低成本高质量的解决方案、有保障的安全和有效商业模式的开发。物联网技术的4大支撑技术（1） RFID:无线射频识别技术，RFID技术在物联网中属于最基础的技术，同时也是最重要的技术。（2） 传感网传感网是利用各种部署好的传感器，将传感器获得的信息收集汇聚，运用通信技术形成网络，传输到各个地方。（3） M2M机器对机器，国外经常提到这个概念，在末端设备的互相连接和集中管理控制应用较多，中国三大通讯营运商（移动、联通、电信）正在大力发展M2M。（4） 两化融合两化融合的意思就是工业信息化和自动化的融合，两化融合能够大力推动物联网产业的发展，不过目前进展不是很迅速17。3.1.2 RFID技术RFID技术，又称无线射频技术或者电子标签技术，是一项自动识别技术。RFID在历史上首次应用还是在第二次世界大战期间，当时是用于分辨敌我的飞机，从20世纪90年代开始，RFID技术获得了更快速的发展并且逐渐成熟。RFID技术是通过磁场或者电磁场，使用无线射频方式进行非接触的双向通信，实现识别目的并交换数据。在工业、农业、物流、交通、电网、环保、安防、医疗、通讯等很多领域。它的优点有：（1）快速扫描RFID读写可以同时识别多个RFID标签。（2）体积小型化、形状多样化RFID读取不受大小和形状的限制，RFID标签能够适应的产品根据不同的产品使用不同的形状。（3）抗污染能力和耐久性RFID标签对水、油等物质具有很强的抗污染能力；RFID标签是将数据存在芯片里，使用时间更长。（4）可重复使用RFID标签可以多次新增、修改、删除信息。（5） 穿透性和无障碍阅读RFID标签被覆盖依然能够接受发送信号，可以穿透非金属或者非透明的物质，实现无障碍阅读。（6）数据的记忆容量大RFID最大的容量有几个兆字节，并且有不断扩大的趋势，可以存储海量的物品信息。（7）安全性RFID承载的是电子式信息，数据内容可以加密处理，更加不易被伪造和更改。经过多年的发展，频率低于13.56MHz的RFID技术已经较为成熟，最近几年，中高频的RFID技术越来越受到行业关注，特别是860960MHz的远距离RFID技术；而2.45GHz和5.8GHz频段由于产品过多，使用过程中容易受到干扰，现在还在初步研究阶段。典型的RFID系统组成为：阅读器、电子标签、RFID中间件、应用系统软件。RFID系统结构如图3-1所示：图3-1 RFID系统结构1） 阅读器：又称读写器，阅读器在RFID系统中起着举足轻重的作用，它是RFID系统信息控制和处理中心，阅读器负责系统与电子标签之间的双向通信，并由主机系统控制。RFID系统的工作频率是由阅读器的频率决定，能直接影响到识别的有效距离。阅读器根据不一样的结构和技术可以分为读和读写装置，通常由射频接口、逻辑控制单元和天线三部分组成。（1） 射频接口：发射能量，激活电子标签并为其提供能量；调制发射信号，将数据传输给电子标签；接收和调制电子标签的射频频信号。（2） 逻辑控制单元：也称为读写模块，主要与应用软件进行通信，执行指令；控制阅读器和电子标签的通信；对信号的编码和解码；对传输数据进行加密和解密；执行防碰撞算法；对阅读器和标签进行身份验证。（3） 天线：天线将接收到的电磁波转换成电流信号，或者将电流信号转换成电磁波发送，天线的电磁场范围决定阅读器的阅读范围。2） 电子标签：电子标签（Electronic Tag）是指由IC芯片和无线通信天线构成的超微型的标签，通过内置的射频天线实现与阅读器的通信。系统工作时，阅读器发出信号，标签接收到信号后将一部分整流成直流电源供电子标签内部电路工作，另外一部分能量信号被电子标签内保存的数据信息调制后发送回阅读器。电子标签是RFID系统真正的数据载体18。RFID标签芯片内部结构图如图3-2所示：图3-2 RFID标签芯片内部结构图 3） 中间件：中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源。中间件位于C/S（客户机/服务器）的操作系统之上，管理计算机资源和网络通讯。RFID中间件主要有以下的功能：（1） 阅读器协调控制：终端用户通过RFID中间件的借口可以直接配置、发送指令和监控阅读器。（2） 数据过滤和处理：RFID中间件通过算法纠正、过滤冗余数据，避免不同阅读器独到同一电子标签而产生碰撞，保证数据的准确性。（3） 数据路由和集成：RFID中间件决定收集数据的应用。可以与现有的ERP/CRM/WMS等软件集成在一起，分批的给各个应用提交数据。（4） 进程管理：RFID中间件根据系统确定的任务掌管数据的监控与事件的触发。4） RFID应用系统软件：RFID应用系统软件是根据具体的实际应用需求而开发的的应用软件，能够控制阅读器对标签的读写，处理获取到的信息。能够和其他应用软件集成，发挥更高的效率19。RFID技术面临的问题：（1） 标签成本问题：当前的标签成本距离预期还有一定的差距，但是价格已经越来越低，如果价格不断降低，用量越来越大，必能引发更多人的使用。（2） 标准制定问题：完善的标准体系对于一个新技术的推广十分重要。要想更广泛的使用RFID技术，必须制定一个统一开放的技术标准。但是目前国际上并没有统一的RFID标准。（3） 公共服务体系问题：RFID有两种应用模式，一个是将所有信息存储在标签上，不需要实时连上网络，对网络依赖程度不高；另一种是在RFID标签上只存储基本信息，将大量的其他信息放在后台的服务器中，不过需要网络的支持，不过EPCglobal组织要求根服务器设在美国，使用和维护不仅仅是费用问题，更多的存在安全问题。所以更需要自主的面向RFID社会应用的安全的公共服务体系。（4） 产业链形成问题：如果RFID产业链不能形成，将使得上下游不整合、不配套，缺乏核心竞争力，难以形成整体的应用解决方案和配套的服务，无法大规模的推广技术，难以实现低成本。（5） 技术和安全问题：RFID的应用是一个非常复杂的系统性综合性应用，每一个新的需求都是对技术的进步的要求。安全永远是绕不开的问题，RFID也同样面临着在标签使用和通信中的安全问题，值得去探讨20。3.2 传感器和网络通信技术3.2.1 传感器技术传感器技术一直是人们研究的热门技术，它和通信技术、计算机技术称为信息产业的三大支柱，很多国家都对传感器技术十分重视，大力发展传感器技术21。我国国家标准（GB7665-2005）对传感器的定义是：“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置” 22。一般传感器由敏感元件和转换元件组成，如图3-3所示：图3-3 传感器的组成方框图传感器的一般特性包括静态特性和动态特性：（1）静态特性是指在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。包括线性度（非线性误差）、灵敏度、精确度、最小测量量、分辨力和重复性、迟滞、零点漂移、温漂。（2）动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特征。包括传递函数、动态特性的一般数学模型、传感器的动态响应及其动态特性指标23。传感器通过敏感元件直接感受或者响应被测量，转换元件将敏感元件感受或者响应到的被测量转转成适于传输或测量的电信号，辅助电源提供能量给信号调理转换电路把信号放大、运算调制。然后他的信号将会被其他设备接收和处理。3.2.2 网络通信技术网络通信是智能图书馆最基础的部分，所有的信息都要传输到要使用的地方，本文介绍到的网络通信技术主要有Zigbee技术和串口通信。1.Zigbee技术：Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的无线通信协议24。具有低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全、免执照频段等特性25。由于它的这些特性，可以被运用到很多设备中并且可以大量部署从而获得强大的功能，比如工业监控、无线传感网络，家庭监管、安全控制等领域26。它和其他几种无线传输方式比较如表3-1所示：表3-1 无线传输方式比较BlueTooth(802.15.1)Wi-Fi(802.11b)IrDAZigbee(802.15.4)系统开销较大大小小电池寿命较短短长最长网络节点7302255/65535有效物理范围10m100m定向1m1-100m传输率1Mbps11 Mbps16 Mbps20/250Kbps传输介质2.4GHz射频2.4GHz射频980nm红外2.4GHz射频 Zigbee协议标准包括Zigbee协议规范、接口描述、对象描述、协议和算法。Zigbee协议概览如图3-4所示：图3-4 Zigbee协议概览图Zigbee网络层有三种结构，分别是星型、树型、和网状网络拓扑。星型网络适合长时间运行操作，网状网络具有很高的冗余性，树型网络则结合了他们的优点。三种网络拓扑如图3-5所示：图3-5 Zigbee网络拓扑Zigbee协议栈组成包括应用层、网络层、媒体访问控制（MAC）层和物理（PHY）层。物理层完成以下任务：（1） 打开或者关闭射频收发器。（2） 当前信道的能量检测。（3） 检测当前通信信道的质量。（4） 基于载波侦听多路访问/防冲突的清洁信道评估。（5） 信道频率选择。（6） 数据传输和接收。MAC层处理对物理层射频信道的所有访问，完成以下功能：（1） 设备如是协调器，生成网络信标。（2） 支持设备安全。（3） 支持PAN关联和断开关联。（4） 同步到网络信标。（5） 利用CSMA-CA机制进行信道访问。（6） 在两个对端MAC实体之间提供可靠的连接。网络层提供功能，保证IEEE802.15.4-2006 MAC子层的正确操作，并未应用层提供一个合适的服务接口。应用层包括应用支持，Zigbee设备对象和制造商定义的应用对象27。2.串口通信：串口通信指外设与计算机之间通过数据信号线、地线、控制线，按位进行传输数据的一种通信方式。使用串口通信方式传输数据成本比其他方式要低，但传输速度比并行传输慢28。串口通信的主要参数包括比特率、数据位、停止位和奇偶校验。两个通信中的端口参数必须匹配：（1） 比特率：比特率用来度量通信速度的大小。它表示每秒钟传送的bit的个数。（2） 数据位：数据位是用来衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不一定是8位的，标准的值是5、7和8位。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。 （3） 停止位：是单个包的最后一位。典型值是1，1.5和2位。（4） 奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式29。计算机与传感器通过串口连接后，设置到以上参数并且正确，计算机通过程序就可以的到传感器采集到的数据。3.3 本章小结本章节主要介绍了本文设计的智能图书馆所用到的关键技术，包括物联网技术、RFID技术、传感器技术和网络通信技术。先研究介绍关键技术有利于后面智能图书馆的具体设计，同时了解技术，打好试验基础。第4章 智能图书馆的设计4.1 RFID图书管理的设计 RFID系统在智能图书馆中属于占比比较大的一个部分，包括读者的RFID卡和图书上面的RFID电子标签，负责着读者信息和图书信息，本文根据实验室实际情况设计图书RFID卡的