基于uhf的物联网图书馆智能架架结构设计与实现

基于uhf的物联网图书馆智能架架结构设计与实现

0智能设备互联互通在过去的很长一段时间里，图书和文件的管理仍然是图书馆运营和管理的中心任务。目前普遍使用的图书管理系统是以条码技术、计算机技术及互联网技术为基础的第二代系统,它在实现图书管理高度自动化的同时,仍存在着图书归架、查找和流通等环节人工干预过多的缺点。以物联网技术为基础的智能图书馆是现代图书馆发展的必然趋势,可以很好解决上述问题。物联网图书馆能够实现所有馆藏图书与图书管理中心的实时网络连接,从而实现馆藏图书的自动定位,其中的关键环节和基础设施是基于射频识别(RFID)技术的智能书架系统。智能书架的概念早已提出,相关技术也已得到广泛研究,但已有工作多偏重于针对图书销售等一般应用场合。针对物联网图书馆特定应用的智能书架尚需作进一步系统化的研究与设计。本文以物联网图书馆智能书架的结构化、通用化设计为目标,采用超高频RFID技术,首先进行系统需求分析,在此基础上提出总体设计方案,并进一步给出其中关键技术实现方案。初步试验测试表明,该设计具有先进性,所实现功能及性能指标满足实用化要求。1图书馆智能书架的需求分析1.1藏书图书位置信息数据库为确定物联网图书馆智能书架的功能需求,须首先了解图书管理物联网的整体结构、相关功能以及智能书架所处的位置,要点如下。(1)如图1所示,图书馆物联网由三层子网络组成,分别是:图书管理上层网络、阅览室/书库网络和RFID书架网络。其中的“阅览室/书库网主机”和“书架网主机”实际上是上下层网络之间的网关。这样的网络分层结构对应着图书馆的实际物理结构。一个图书馆由若干阅览室/书库组成,而一个阅览室/书库中又置有许多书架。(2)每层子网络都采用主从式结构,主站与各从站以总线方式连接。各层网络主机具有本层网络通信主站的功能,主站独立轮询各从站的数据,这样,图书馆中任何一本图书的位置信息最终都被实时地收集到图书管理中心主机,形成“馆藏图书位置动态数据库”。(3)书架网主机具有“阅览室/书库网从站”、“书架网主站”和“架上图书定位”等功能,而书架网主站(RFID阅读器)与许多从站(粘贴在图书上的电子标签)构成RFID书架网络。具有RFID网络、能够完成架上图书自动定位、架上图书位置信息上传等功能的书架称为“物联网图书馆智能书架”。(4)管理中心主站形成的馆藏图书位置动态数据库中,包含所有在馆图书的实时记录。每条记录对应一本图书,记录着该图书的ID号和当前位置信息。在馆图书的位置信息包括图书所在的阅览室/书库号,书架号,书架的面、层、区的编号。书架一般有A、B两面,每面若干层,每层又可分若干区。由于图书管理物联网中的阅览室/书库网主机和书架网主机都有固定编号(地址),图书位置信息中的阅览室/书库号和书架号在数据轮询时自然可以确定,而位置信息中书架面、层、区编号的确定由书架网主机中的架上图书定位功能完成。1.2图书馆智能书架的功能需求据以上对图书管理物联网的描述,其中的智能书架应具有如下功能。(1)确定文本架地的位置信息智能书架的核心功能是架上图书定位,即确定架上每本图书的架上位置信息。架上位置信息指图书所在的书架面、面中的层和层中的区。图书的自动定位依靠RFID技术完成。(2)主站与众多标签的rfid连接RFID书架网络由一个书架网主站和许多从站构成,完成架上图书ID的收集。书架网主站即RFID阅读器,从站则是图书标签。主站与众多标签之间通过RFID无线信道连接。可以看到,架上图书定位功能与RFID书架网络功能的物理实现均依赖RFID技术,但在智能书架系统的功能分析和认识上应将二者分开,以利于系统的结构化设计。(3)藏书/藏书网从站由图1知,书架网主机是上下层网络的网关,还应包括“阅览室/书库网从站”的功能,在收到阅览室/书库网主站的数据召唤命令时,将架上图书ID号及位置信息发送至阅览室/书库网主站。(4)馆藏图书信息馆藏图书的存放位置都有严格规定,图书规定存放位置可由图书管理中心的“馆藏图书规定存放位置信息表”体现。当架上图书实际位置与规定位置不符的情况时,智能书架应能够实时检测到并发出告警。(5)人类界面功能智能书架应具有简单但必需的人机界面功能,如显示本书架编号、存放图书类别与结构等信息,给出架上图书错位信息及告警信号等。1.3性能要求物联网图书馆书架性能衡量包括以下方面:(1)信息的实时性也可等效地以架上图书一次扫描、定位架上所有图书所需时间表示。这一性能指标最为重要,因为它决定了图书信息的实时性,也决定了图书错位告警的反应速度。实际设计中当然应追求尽量短的扫描定位时间。(2)定位信息应误使用时定位信息应误自明所确定的架上图书位置信息应足够准确。首先,图书所在面、层的定位信息应准确无误。其次,书架的每层可分为左、中、右三个区,图书所在区的定位信息也应足够准确,但考虑到实际应用需求,在两区交界处的图书,区定位信息有一定模糊是允许的。(3)图书丢失检率设计不当时会发生在架图书未能检测到的情况(标签故障的情况除外)。智能书架须提出图书漏检率为0的严格要求。(4)机械结构抗压强度智能书架的软硬件系统设计应保证其连续正常工作,为此,应周密考虑机械结构、功耗、散热、软硬件抗干扰、故障或异常自恢复等方面的设计。至于使用寿命,在设计合理的条件下主要取决于元器件及部件的选择。1.4其他需求除功能需求与性能指标外,物联网图书馆智能书架的需求还应考虑以下重要方面。(1)图书馆智能边界超高频rfid应用场景选择电子标签分为有源(自带电池)和无源两种。从成本和应用要求考虑,图书电子标签应选择无源的方案,毋庸赘述。RFID技术方案分为电感耦合方式和电磁波后向散射方式两类,前者阅读器作用距离很近,而后者的阅读器作用距离较远。对于向散射方式RFID,电磁波频段有UHF860-960MHz以及微波2.45GHz可供选择。超高频RFID系统的突出特点有二。其一,RFID阅读器作用距离较远,可达几米甚至十几米。其二,采用适当的标签阅读防碰撞算法,可支持阅读器作用范围内多标签,甚至是大量标签的同时快速阅读。此外,超高频RFID还具有抗干扰能力强、使用寿命长以及可穿透非金属材料等特点。随着超高频RFID国际标准ISO/IEC18000-C的推广应用,超高频RFID技术已趋成熟,且广泛应用于车辆管理、物流管理、人员进出管理、工矿企业自动化与信息化管理等场合。单从图书馆智能书架应用角度看,选择电感耦合方式RFID也是可行的,但图书馆的RFID应用还包括图书自动借还、归还图书归架前分拣以及门禁等环节。就智能书架而言,其存放图书数量大,且与阅读器之间有一定空间距离,符合超高频RFID应用场景特征。综合考虑,超高频RFID技术方案是图书馆智能书架应用的最合理选择。综上所述,物联网图书馆智能书架的RFID技术方案应选择超高频860-960MHz无源标签RFID系统。(2)环境适应性阅览室/书库均为室内环境,电源取得以及布线较为方便,但智能书架设计也应考虑低温和高温等极端情况,以满足通用性要求。(3)复杂和成本以满足功能与性能需求为前提,尽量降低技术实现复杂度与成本。例如书架网主机采用性能满足需要的单片机系统即可。(4)可维护系统维护,包括故障排除,应做到简单、便捷。(5)技术升级相对稳定须充分考虑与原书架基本结构、原使用习惯方式的继承性。须充分考虑技术升级的可能性,做到基本结构、接口标准相对稳定,各部分、模块可以灵活升级,以适应技术发展和功能增强的需要。(6)城市化和广泛使用满足可靠性、成本、可维护性以及技术升级需求的根本途径在于结构化和通用化设计,而且这也是用户对产品的内在要求,设计时须周密考虑。2rfid网络组成结构以上述功能需求为主要依据,综合考虑其他各方面需求,可确定物联网图书馆智能书架的总体方案,如图2所示。方案中体现了硬件系统总体结构和软件系统总体结构,说明如下。(1)图2中除图书电子标签之外,其余部分构成图1中所谓书架网主机。(2)书架每面的每层左右侧都设有贴片天线,各天线以射频多路开关与RFID阅读器相连接。阅读器读取架上图书标签信息时,以每面的每层为基本单位。这是本设计中的RFID网络基本结构。(3)书架网主机的核心采用单片机系统,包括CPU和扩展存储器。射频多路开关、RFID阅读器和显示告警单元可看作单片机系统的外部设备,这体现了系统的硬件系统总体结构。主机体积可以做到很小且成本低廉。(4)RFID阅读控制、图书定位、图书错位检测、上层网通信控制及通信过程、显示告警控制等功能均由单片机软件实现,图2中相关部分的连接关系体现了软件系统总体结构。(5)智能书架的人机界面只需书架简单信息的显示以及图书错位告警,可采用小型液晶显示屏及LED指示灯实现。(6)须特别指出,图2所示结构为每个书架网主机对应一个书架,实际应用中,每一书架网主机也可以连接、控制多个书架,视具体情况而定。这时,只需增加射频多路开关的设计路数,并且在软件设计中考虑系统可配置,以满足通用化要求。3实现关键技术的目标、计划和验证3.1有限空间id(1)限定空间rfid的实现方案实现架上图书定位的关键在于采用限定空间RFID方案。该方案把待阅读标签的分布空间划分为多个子空间,RFID阅读器一次读取一个子空间中的标签,子空间即RFID阅读的限定空间。本设计中,阅读器的一次读取空间范围限定在书架的特定面的特定层,即以书架一面的层空间为一次读取的限定空间。本设计中限定空间RFID的实现方法是层两侧设置方向性贴片天线,读取特定层内的图书标签时,射频多路开关将该层的天线与阅读器相连接。RFID的电磁波信号被限制在层空间之内,保证可靠通信的同时,对外泄漏得到严格控制。限定空间RFID还有其他方案,例如在书架层的底部或背部装设微带天线,贯通整层,向层内图书标签辐射电磁波并接收后向散射波。微带天线方案不能区分层的左、中、右区,且安装稍复杂,因此本设计不予采用。(2)空间rfid设计方法圆极化贴片天线的方向性满足智能书架限定空间RFID要求,用印刷电路板制作,成本低廉。其设计方法在文献中有详尽描述。本设计中所采用贴片天线参数如图3所示。(3)胶片天线的控制如图2所示,本设计中须使用N对1的可控射频多路开关,即N条引线(连接N个贴片天线)在特定二进制编码的控制下,其中1条引线与公共引线端(连接RFID阅读器)相连接。这种射频多路开关可采用通用的射频开关芯片进行组合,并附加适当的数字控制电路实现。例如,通用射频开关芯片可采用美国Skyworks公司产品。(4)rfid分布基于限定空间RFID,书架RFID网络结构的特点是,书架每面的每层构成一个RFID子网,许多个子网通过射频多路开关的切换,共用一个阅读器,如图4所示。(5)标签的定位与读者信息前面需求分析中已述及,物联网图书馆智能书架应选择UHF860-960MHz无源标签RFID系统。图书电子标签以及阅读器可采用一般的通用产品,但要求阅读器在提供所阅读的标签ID信息的同时,提供接收信号强度指示(RSSI),以便对图书进行定位。阅读器每次读取的限定空间为书架一面的一层,阅读器至标签的最远距离一般约为1米(书架宽度);每面每层的图书标签数量一般为50—80。而目前UHFRFID系统阅读作用距离可达十几米,能够同时阅读上千个电子标签(采用适当的阅读防碰撞算法),对于智能书架应用来说,性能指标非常充裕。(6)合理的q算法智能书架系统运行时,RFID阅读器总是在按层循环阅读书架上的图书ID号。智能书架数据的实时性体现在架上图书信息刷新频率,或者以读取书架的一面上的图书标签所需时间来衡量。若RFID防碰撞算法采用ISO/IEC18000-C国际标准推荐的Q算法,阅读器时间基准Tari(决定符号周期的基本参数)取25μs(微秒),图书标签ID采用72位二进制编码(自定义),书架每面每层放置50—80册图书,测试表明,阅读器读取书架的每面每层图书标签的平均时间为393.5ms(毫秒)。书架通常有6层,这样,阅读器读取书架的一面上的图书标签所需时间为6×393.5/1000=2.36s(秒)。这样的实时性是完全满足实际应用需求的。3.2阅读器发送功率架上图书位置信息包括所在面、层和区。RFID阅读时,控制多路开关连接到书架的特定面的特定层,以便读取该处的图书标签信息,这样自然能够确定架上图书的所在面以及层的信息。每层又分为左中右3区。图书所在区的信息,是靠阅读器提供的标签后向散射信号强度RSSI确定的。众所周知,RSSI随传播距离的增大而减小,这一特性可用来进行标签定位。当使用层的左侧天线发送并接收(控制射频多路开关的连接)时,左区图书标签的后向散射信号RSSI最强,中区的次之,右区的最弱,设置两个信号强度门限,将收到的标签后向散射信号强度与门限比较,即可确定图书所在的区。为提高图书定位的准确性,同时避免漏检,层的右侧也对称设有贴片天线。再使用右侧的天线发送并接收,得到层内图书标签RSSI信息。两次结果进行综合,可以得到关于图书所在区的更加准确的信息。阅读器发送功率是至关重要的参数。发送功率过大,会造成信号越出限定的空间;而发送功率太小又造成漏检。解决的办法是在层的左右两侧加贴参考标签(与图书标签性能相同但写入特定的已知信息)。左侧天线发送、接收时,右侧参考标签的应答信号最弱。能够使该信号的强度符合要求的发送功率则是最合适的。实际设计中,根据参考标签后向散射的RSSI自动调整设定阅读器发送功率。测试表明,阅读器发送功率一般在300mW以内,即可保证架上图书不出现漏检。3.3架段的显示图书错位检测原理如下:(1)即使是基于物联网技术的智能图书馆,其馆藏图书的存放位置也是严格规定的。在图书管理中心存有“馆藏图书规定存放位置信息表”。由此表可以得到馆内任一书架的“架上图书规定存放位置信息表”。(2)图书管理中心主站在系统初始化时,将馆内所有书架的架上图书规定位置信息表发送给各书架网主站。这样,智能书架在本地存有本书架的架上图书规定位置信息表。(3)架上图书不断被RFID阅读器扫描并定位,以获得实际的架上图书位置信息表。每次获得该表后,都与架上图书规定位置信息表进行比较,即可检测出架上图书错位的情况,有错位情况时给出指示和告警。显然,图书错位发生至被检测的延时决定于架上图书的刷新频率。3.4软件架构设计如图2所示,智能书架上的书架网主机包括单片机系统。单片机可选用较通用的机型,如F80C51F120。单片机上的串行通信口配以RS485接口芯片,可连接阅览室/书库网总线,完成与阅览室/书库网主站的通信。以结构化