基于RFID智能卡的高校图书馆自助式门禁系统

摘要：基于RFID智能卡和高校图书馆读者群的特点，设计了一种高校图书馆自助式门禁系统。系统能够实现图书借阅、管理的自动化，服务方式的主动化、一体化。
关键词：RFID智能卡；高校读者群；自助服务；门禁系统

0 前言
    图书馆门禁系统是保障图书资源安全，提高图书馆管理效率、管理水平的控制系统。在计算机技术、网络技术、目标识别技术的支撑下，目前已有名目繁多的图书馆门禁系统上市，但这些门禁系统多是根据不同的图书馆信息化条件而定制研发的，由于原有的图书馆管理系统结构各不相同，造成门禁系统与图书馆其他管理系统之间的链接非常不便。并且，多数图书馆门禁系统的功能停留在安全管理、自动借还的层面上。为了实现门禁系统与各种数字图书馆之间的无缝链接，扩展门禁系统的功能，提高图书馆的自助服务水平，我们构建了一套基于RFID智能卡的高校图书馆自助式门禁系统。

1 RFID技术及在图书馆的应用简介
1．1 RFID技术
    RFID(射频识别)技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)传输特性，实现对被识别物体的自动识别。作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、智能卡上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更加自如等优点，已经被世界公认为本世纪十大重要技术之一。一个最基本的RFID系统，一般包括以下几个部份：一个载有目标物相关信息的智能卡即RFID智能卡、在读写器及RFID单元间传输RF信号的天线、一个接收从RFID智能卡返回的RF信号并将解码的数据传输到主机系统以供处理的RFID读写器。目前，RFID系统已在交通管理、仓储管理、物流管理、生产线追踪等领域大展身手。
1．2 RFID技术在图书馆的应用简介
    RFID技术凭其特有的特点已经引起国内外图书馆界的关注。新加坡国立图书馆在1998年后期开始使用RFID技术，成为世界上第一个应用此技术的图书馆。随后，美国、澳大利亚、中国等也相继采用了该技术。2006年，我国第一家RFID智能图书馆一一集美大学诚毅学院图书馆建成并投入使用。目前深圳图书馆新馆、国家图书馆、上海市长宁区图书馆等多家图书馆也引用了这一技术。综合上述使用RFID技术的图书馆，其实现的功能大致包括：
    ●自助借还书系统：为读者提供自助借书、还书操作，无需图书馆管理人员干预；
    ●图书整理：实现对馆藏资料的自动盘点、排架、顺架，从而达到通借通还的目的；
    ●RFID安全检测：对未办理完借出手续或禁止借出的图书，在出门时安检装置会报警，提醒管理人员及时阻止。
    通过RFID技术，图书馆在有效提高管理精度、改善服务形象、拓展延伸服务等方面为图书馆行业创造了巨大的社会效益并得到了广大同仁的认可。

2 RFID智能卡
    智能卡又称集成电路卡即IC卡，它是将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装成卡的形式。1977年，Motorola与它的一个计算机客户合作开发了世界上第一张智能卡，自此，智能卡就以其薄且小的体积、先进的集成电路芯片技术、无法被破译和仿造的特点受到普遍欢迎，并在世界范围内得到了空前的发展。目前，各种智能卡正越来越多地应用在国民经济的各个领域并深入到居民的日常生活当中。
    RFID智能卡是一种非接触式的IC卡。具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。
2．1 智能卡的基本结构
    RFID智能卡主要由天线、射频接口、微控制单元组成。各组成部分包括的模块及其功能如下：
    天线：用来接收RFID读写器发送的信号，并把数据信息回传给RFID读写器。
    射频接口电路：主要包括有波形变换器、调制／解调器、整流器、电压调节器、振荡器等。波形变换器接收读写器上的无线电调制信号，一方面送调制／解调模块，另一方面进行波形转换，将正弦波转换为方波，然后对其整流滤波，由电压调节模块对电压进行进一步的处理，如稳压等，最终输出供给卡片上的各工作电路。振荡器产生用于调制／解调的高频信号和微控制单元的时钟信号。
    微控制单元：实现智能卡的识别和执行读写器的指令。包括逻辑控制单元、请求应答单元、防碰撞单元、数据加密单元、存储单元(包括E2PROM与ROM)等。
    请求应答单元：当有RFID智能卡处在读写器天线的工作范围之内时，读写器向RFID智能卡发出命令后，请求应答单元将被启动，将智能卡的卡号传送给读写器，建立智能卡与读写器的第一步通信联络。否则，读写器对智能卡的其他读写操作将不会进行。
    防碰撞单元：当有多张RFID智能卡进入读写器操作范围时，防碰撞单元会从其中选择一张进行操作，未选中的则处于空闲模式等待下一次选卡，该过程会返回被选卡的序列号。
    逻辑控制单元：用来译码RFID读写器送来的信号，并按要求回送数据给RFID读写器。
    数据加密单元：完成对数据的加密处理及密码保护。
    存储单元：包括E2PROM与ROM，主要用于存储数据，用户所要存储的数据(读者个人信息，如姓名、专业、爱好、借还书记录等，还可以存储个人账户)被存放在该单元中。E2PROM中的数据在智能卡失掉电源后、智能卡离开读写器天线的有效工作范围时仍将被保持。
2．2 智能卡的读写原理
    智能卡的读写原理是：RFID读写器向RFID智能卡发射一组固定频率的电磁波，在电磁波的激励下，RFID智能卡内的LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其他电路提供工作电压，将卡内的数据发射出去或接收RFID读写器的数据。

3 图书馆自助服务与高校读者群
    图书馆一切活动的目的都是为读者提供优质的服务，帮助读者获取信息、利用信息，从而产生知识。图书馆发展的历史就是为不断提升读者服务质量而努力的过程。与传统图书馆相比，数字图书馆在相关技术的支撑下，在服务内容、服务方式、服务手段等方面都具有了新的特点，而自助服务正是当前图书馆数字化转型过程中出现的一种新的服务形式，它是在一定的硬件环境和系统平台上，读者根据自己的阅读兴趣、需要偏好、研究重点，自主地完成书目查询、藏书借还、文献复印等活动，从而实现阅读和研究目的的一种自助服务方式。图书馆通过自助服务，读者的一切信息利用活动和问题的解决都可在自助服务系统上自主自助地进行，使读者在图书馆阅读和研究中实现自我、方便自我、满足自我。
    高校图书馆是为教学和科研服务的学术性服务机构，它的读者群主要是教师和学生。他们大多已具备一定的科研能力，其阅读特点具有比较明确的专业性、目的性、时效性，阅读范围比较集中系统。高校读者群的信息特点(使用习惯、偏好、背景、要求等)，使高校图书馆的自助服务在很大程度上具有了可预测性，决定了高校图书馆自助门禁系统的构建原则和功能内容的取舍。

4 高校图书馆自助式门禁系统
    高校图书馆自助服务要求一切活动由读者自己操作，所以图书馆本身必须有适合此项特性的技术与设施。只有完善技术配套，才能让图书馆自助服务这一新的服务方式发挥出最大效益。
4．1 高校图书馆自助式门禁系统构建原则
    根据高校读者群的特点，结合高校数字图书馆服务的特征，高校图书馆自助式门禁系统的构建应遵循以下原则：
    (1)学科性原则：要以学科设置和需求为基础，以教学科研为目标；
    (2)读者主导性原则：要充分考虑读者需求，注意收集存储读者反馈的信息；
    (3)科学性原则：要以现代技术为支撑，确保系统科学、可靠、经济、实用；
    (4)集成性原则：要考虑与本馆其他系统的集成，考虑与外部共享环境的链接；
4．2 基于RFID智能卡的高校图书馆自助式门禁系统
    根据高校读者群的特点，以读者为中心，我们构建的高校图书馆自助式门禁系统具有如下功能：身份识别功能、键盘输入功能、即时显示功能、非法报警功能、信息存储功能、与主机通信的功能等。它是以微处理器为中央控制模块、以非接触式RFID读写器为核心的多模块读写控制系统，包括的模块及实现的功能如下：
    RFID读写器模块：是本系统最为关键的模块，主要用于完成RFID智能卡的读、写一一自动读取RFID智能卡的相关信息(如识别入库读者的身份)：配合键盘输入模块向RFID智能卡写入或修改具有修改权限的个人信息；配合主机对RFID智能卡内的个人账户实现管理。如果图书馆内的图书全部内嵌了电子标签，还可以通过读取电子标签自动完成图书的借还，极大地改善了借还口学生排队等候的现象。
    键盘输入模块、声光报警模块：与主机的显示器共同构成人机交互模块。通过人机交互模块，用户可根据具体使用要求对系统进行初始化操作；写入或修改具有修改权限的个人信息；写入个人需求的信息，完成图书预约，并可及时获得信息的反馈；当修改权限外的信息、非法用户入库、未办理借出手续或禁止借出的图书出库时，能自动实现声光报警。人机交互模块的引入体现了该系统的高效性和互操作性。
    主机显示器：在RFID读写器读取到RFID智能卡的信息时，主机显示器就会即时显示智能卡内部的读者个人信息；显示读者通过键盘写入或修改的信息；显示读者预约图书的状态；显示图书馆提供的各种推送服务内容(如根据读者的专业特点、研究方向、兴趣爱好等对读者进行新书推荐)。
    在主机读者管理系统中嵌入读者偏好分析模块，通过对读者借阅图书历史记录的分析，将图书关键词进行聚类，产生读者偏好频繁项集，从而定义读者兴趣模型，由主机显示器显示读者需求图书所在的书架编号，并通过超链接进入智能架位导航系统，进入目标图书价位的三维分布图，明确提示目标架位所在的位置，并给出最佳路线导引，以方便读者迅速获得目标文献。
    打印模块：可由微处理器和主机分时控制。当需要打印借还书信息或图书馆推送的信息时，由微处理器控制免费打印；当需要打印馆藏数字资源或网上数字资源时，由主机控制打印，费用通过RFID读写器对读者的RFID智能卡进行扣款和费用结算。
    微处理器模块：是图书馆自助式门禁系统的中枢，接收并处理RFID读写器采集到的RFID智能卡的信息；随时向RFID智能卡写入图书馆推送的信息；控制声光报警模块对非法读者或读者的非法操作及时报警；接收、处理、存储键盘输入模块输入的信息；控制打印模块实现打印功能；控制串行通信模块与主机的实时数据传输。
    我们采用IBM RFID中间件作为本自助式门禁系统与图书馆管理系统的纽带，可以方便地将本系统与图书馆管理系统有机地结合起来。IBM RFID中间件具有对下屏蔽RFID设备的硬件差异，对上屏蔽操作系统、数据库的差异的功能，有效地驱动了后端图书馆管理应用系统，形成了统一、协调的运作过程；并且在本系统与现有的数字图书管理系统得以完好融合的同时，还能够保证两者的独立性和健全性。

5 结语
    本文构建的基于RFID智能卡的高校图书馆门禁系统使读者在入库时就能享受到全新的服务流程，用户的一切信息活动和问题的解决都可在该系统上自主自助地进行。实现了便利、快捷、人性化的服务；系统因利用微处理器为控制中心，可以通过扩展I／O口来增加图书馆自助门禁系统的其它功能；系统利用RFID中间件，可以实现与图书馆原有管理系统的无缝链接；系统的RFID智能卡，还可以扩展成校园一卡通。可以说，本系统的构建具有很高的实用意义和推广价值。