第２９卷第２期 Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．２ 徐州工程学院学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｕｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｅｄｉｔｉｏｎ） ２０１４年６月 Ｊｕｎ．２０１４ 基于高频ＲＦＩＤ的图书馆自习室管理系统设计 郭星歌 ，王健生 ，刘 柱 ，王 娜。 （１．中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 ２２１００８； ２．华电滕州新源热电有限公司，山东枣庄２７７５００；３．中国移动安徽有限公司泗县分公司，安徽宿州 ２２４３００） 摘要：为解决图书馆自习室资源有限、占位现象严重以及现有管理系统效率低、实时性不高等 问题，提出一种基于高频ＲＦＩＤ的管理系统．该系统采用高频射频芯片ＴＲＦ７９６０和低功耗的控制 器ＭＳＰ４３０Ｆ２３７０，结合ＩＳＯ １５６９３协议和标签防碰撞算法完成系统的下位机的软硬件设计；利用 ＡＳＰ．ＮＥＴ技术完成上位机界面和数据库的设计；数据通信采用ｗＩＦＩ收发模块，实现对学生 ＲＦＩＤ卡的非接触式自动识别、自习室座位信息的实时更新和高效率管理的功能．该系统具有超低 能耗、实时性强、非接触式自动识别与支持多协议标准等优点，可广泛应用于高校图书馆自习室的 管理． 关键词：自习室管理系统；ＲＦＩＤ；ＭＳＰ４３０Ｆ２３７０；ＷＩＦＩ收发模块 中图分类号：Ｇ２５８．６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４—３５８Ｘ（２０１４）０２—００４９—０６ 高校图书馆自习室因硬件设备良好、整体环境安静、方便查阅书籍和资料等客观优势，成为学生首选的 学习场所．近年来，随着高校在校生的不断增长，图书馆自习室排队、占座现象已司空见惯，并不断呈现出加 剧之势口］．为了营造良好的学习环境，管理员想方设法进行部署和管理，如特定时段内提前开馆、拉设排队 线、开设新的自习教室等ｌ２］，此外随着“智慧图书馆”的提出，部分高校还相继使用了自习室预约系统和低频 ＲＦＩＤ识别系统．然而这些对策一旦缺少了管理人员的疏导和管理，依然会出现“抢座难，占位严重”现象，预 约系统和低频ＲＦＩＤ系统也存在实时性差和操作复杂的弊端．为解决这些问题，本文根据图书馆自习室管理 的现状，结合物联网的无线射频识别（ＲＦＩＤ）技术和ＡＳＰ．ＮＥＴ技术，提出了一种基于高频ＲＦＩＤ的图书馆 自习室管理系统，实现了对图书馆自习室座位的非接触式自动识别和实时管理． １ 系统整体构成 系统总体结构框如图１所示．该结构采用集散式控制模式，各下位机既分别监控各自节点的状态，又统 一受上位机监控．本系统采用计算机作为上位机，主要功能是实时显示自习室的使用情况和自习学生的具体 信息，如姓名、院系和学号等．下位机采用ＴＩ公司的ＭＳＰ４３０超低功耗单片机作为微处理器，射频芯片选用 支持多协议芯片ＴＲＦ７９６０，识别距离可达到１ ｍ，负责相应节点内ＲＦＩＤ卡的识别、可操作性的判断及用户 权限的判定等．各节点内的ＷＩＦＩ收发模块负责上位机发送节点实时操作信息，或接收来自上位机的控制数 据．上位机端使用无线路由器实现对数据的发送或接收，利用无线网实现上、下位机的协同通信． 系统总体工作流程：持有ＲＦＩＤ卡的学生首先刷卡进入学校图书馆，使用自习室外显示教室自习情况的 电脑选择空位就坐．当学生距离空位上的ＲＦＩＤ读卡器８Ｏ ｃｍ以内时，处于空闲状态的读卡器自动识别有效 卡信息，传送到微处理器处理，并通过ＷｌＦＩ上传到电脑，在数据库中读出学生信息且在电脑界面中相应位 置上显示，同时返回到下位机显示“某某学院姓名”．学生因特殊情况短暂离开座位，系统预留１５ ｍｉｎ等待 时间，当超时学生仍未回座位，则该学生ＲＦＩＤ卡信息释放，ＲＦＩＤ读卡器恢复空闲状态，同时在上位机电脑 上显示“空闲”，以方便下一位学生使用．系统总体工作流程如图２所示． 收稿日期：２０１４—０４—０２ 基金项目：中央高校基本科研业务专项基金项目（２０ｌ３ＤＸＳ０２） 作者简介：郭星歌（１９７８－－），男。河南洛阳人，副教授，博士，硕士生导师，主要从事煤矿安全生产监控与通信、安全生产信息化等研究． ・ ４９ 徐州工程学院学报（自然科学版） ２０１４年第２期 ・ ５０ ・ 图１ 系统总体结构框图 图２ 系统总体工作流程图 郭星歌，等：基于高频ＲＦＩＤ的图书馆自习室管理系统设计 ２系统硬件设计 ２．１硬件 上位机硬件是计算机和无线路由收发器．下位机硬件是ＦＲＩＤ读卡器和ＷＩＦＩ收发模块．以中国矿业大学 图书馆为例，由于馆内已全面覆盖了ｗＩＦＩ网络，则系统上位机硬件部分已实际存在，故而这里主要研究ＦＲＩＤ 读卡器和ＷＩＦＩ收发模块．读卡器包括射频模块、显示模块、控制模块和电源模块．下位机硬件结构如图３所示． Ｔ ＲＦ７９６０ ｌＩＲＦＩＤ卡Ｉ ．．．．．． 射频模块 — ＭＳＰ４３０ Ｆ２３７０ 磐膨著 ｆ ●‘． ‘ 图３ 下位机硬件结构图 ２．２ ＲＦＩＤ读卡器 ＲＦＩＤ，即射频识别技术，是上世纪９０年代开始兴起的一种比较先进的非接触识别技术 ，利用空间电 磁波的耦合原理，以达到自动识别被标识对象，获取标识对象相关信息的目的． 最基本的ＲＦＩＤ系统由三部分组成：标签、阅读器和天线 ］．本研究将天线内置在阅读器中．下面分别对 标签、控制模块、射频模块、显示模块和电源模块进行介绍． ２．２．１ 标签 标签即ＲＦＩＤ卡，是一个微型的无线收发装置，由耦合元件及芯片组成，每个标签保存一定格式的数 据［５］，当读卡器查询它时就会发送数据给读卡器． 考虑学生卡不易内置电源和读卡距离在８０ ｃｍ左右两个因素，选用工作频率在高频（１３．５６ ＭＨｚ）的支 持ＩＳＯ １５６９３远距离协议的ＩＣＯＤＥ２标签，利用射频模块与ＲＦＩＤ卡内线圈的电感耦合关系使ＲＦＩＤ卡获 得能量，实现数据的交互． ２．２．２控制模块 由于系统应用于长期工作的图书馆自习室，那么选择一款超低功耗的控制芯片显得尤为重要，故而选择 ＴＩ公司的ＭＳＰ４３０Ｆ２３７０微控制器作为系统主控芯片． ＭＳＰ４３０系列的ＣＰＵ采用１６位精简指令系统，集成１６位寄存器和常数发生器，采用ＤＣＯ（数控振荡 器），使系统从低功耗模式转换到唤醒模式时间小于１ ｓ． ２．２．３ 射频模块 根据系统非接触式高频识别的要求，选用ＴＲＦ７９６０多协议射频芯片．该芯片采用超小３２－ｐｉｎ ＱＦＮ的 高级封装设计，支持ＩｓＯ／ＩＥｃ １４４４３Ａ／Ｂ、ＩＳＯ／ＩＥＣ １５６９３协议．采用该芯片射频模块可为ＭＣＵ提供内部时 钟，只需外加１３．５６ ＭＨｚ的晶振就可以工作，而不需２个标准晶振，从而降低了读卡器的成本． ＴＲＦ７９６０与ＭＳＰ４３０Ｆ２３７０通过串口进行通信，发送和接收功能使用１２字节的内部ＦＩＦＯ寄存器编码 器和解码器．对于直接发送或接收功能，编码器／解码器可被绕过，ＭＣＵ可实时处理数据．发射器具有可选 的输出为１００ ｍｗ（２０ ｄＢｍ时）或２００ ｍｗ（２３ ｄＢｍ时）到５ｏ Ｑ负载的功率水平并有ＡＳＫ或ＯＯＫ ２种模 式．内部集成的稳压器可为外部的读头提供稳定的工作电压．接收系统使用ＡＭ和ＰＭ模式，使用１个双通 道输入结构，通过ＲＳＳＩ寄存器访问ＡＭ和ＰＭ的调制接收信号的强度．ＴＲＦ７９６０硬件原理如图４所示． ２．２．４显示模块 本系统选用了带中文字库的ＬＣＤ１２８６４图形液晶显示模块．显示分辨率为１２８×６４，内置１２８个ＡＳＣＩＩ字 符集和８１９２个汉字．该模块接口方式灵活，操作指令方便简单，可实现中文数字界面显示的功能．由该模块完 成的液晶显示方案与同功能的点阵图形液晶显示模块对比，不论显示程序或硬件电路结构都要简洁得多，且该 模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块．此外，低功耗、低电压特性更是满足了系统对功耗的要求． ・ ５１ ・ 徐州工程学院学报（自然科学版） ２０１４年第２期 图４ ＴＲＦ７９６０硬件原理图 ２．２．５ 电源模块 提供１个稳定可靠的电源，是读卡器工作的前提．ＭＳＰ４３０Ｆ２３７０芯片工作电压范围是１．８～３．６ Ｖ，本 模块稳定输出电压为３．３ Ｖ，满足系统供电需求．该电源模块采用了性能良好的三端可调分流基准源 ＴＩ ４３１．它具有低动态输出电阻、稳压值连续可调、温度特性平坦、电压噪声输出低、参考电压源误差小等优 点．整个电源电路抗干扰性强，电压输出稳定，如图５所示． 图５ 电源电路 ２．３ ＷＩＦＩ模块 在现有的ＲＦＩＤ读卡器中，大多通过有线连接方式和上位机通信 ．在图书馆中，由于距离因素，通过串 口或网线连接是需要布线的，而这存在安全隐患，影响自习室环境．由于图书馆覆盖ＷＩＦＩ网络，系统采用 Ｕａｒｔ—ＷＩＦＩ模块作为下位机的通信模块，通过ＲＳ２３２串口线连接读卡器；上位机通过无线网经无线路由器 与ＷＩＦＩ模块形成通信网络，读卡器则可以通过无线网络将数据传送到上位机显示．通讯示意图如图６ 所示． 无线路由器 计算机 ｕａｒｔ．ＷＩＦＩ模块 图６ 通讯示意图 ・ ５２ ・ 徐州工程学院学报（自然科学版） Ｅｓ］李俊华．基于物联网的智能数字校园研究与设ｉｔ－［Ｊ］．梧州学院学报，２０１０（３）：４９—５４． ２０１４年第２期 ［６］杨莉，郑传涛，宋占伟，等．基于ＲＳ４８５总线和ＲＦＩＤ的智能门禁系统实现［Ｊ］．青岛科技大学学报，２００７（５）：４６７—４７０ ［７］王建伟，赵玉萍，Ｋｏｒｈｏｎｅｎ Ｔ．ＲＦＩＤ系统防碰撞协议研究——设计与优化［Ｊ］．电子与信息学报，２００９（１）：卜４． Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｌｉ ｂｒａｒｙ Ｓｔｕｄｙ Ｒｏｏｍ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＲＦＩＤ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧＵＯ Ｘｉｎｇ—ｇｅ ，ＷＡＮＧ Ｊｉａｎ—ｓｈｅｎｇ 。ＬＩＵ Ｚｈｕ ．ＷＡＮＧ Ｎａ。 （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＸｕｚｈ０ｕ ２２１００８，Ｃｈｉｎａ ，２．Ｈｕａｎｄｉａｎ Ｔｅｎｇｚｈｏｕ Ｘｉｎｙｕａｎ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔ ｒｉｃｉｔｙ ＣｏＬｔｄ．，Ｚａｏｚｈｕａｎｇ ２７５００，Ｃｈｉｎａ； ．Ｓｉ Ｃｏｕｎｔｙ Ｂｒａｎｃｈ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｍｏｂｉｌｅ Ａｎｈｕｉ ＣｏＬｔｄ．，Ｓｕｚｈｏｕ ２２４３００，Ｃｈｉｎａ） ．Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｌｉｍｉｔｅｄ ｓｐａｃｅ ａｎｄ ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ，ｓｅｒｉｏｕｓ ｓｅａｔ—ｏｃｃｕｐｙｉｎｇ，ｌｏｗ ｅｆｆｉ— ｃｍｎｃｙ ｏｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｐｏｏｒ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｌｉｂｒａｒｙ ｓｔｕｄｙ ｒｏｏｍ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｎｅｗ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＲＦＩＤ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＴｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｓ ａ ｌｏｗ ．ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＭＳＰ４３０Ｆ２３７０ ａｎｄ ＴＲＦ７９６０ ＲＦＩＤ－ｂａｓｅｄ ｃｈｉｐ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ＩＳ０ １５６９３ ｓｔａｎｄａｒｄ ａｎｄ ｔａｇ ａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｃｏｍｐｌｅｔｅｓ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｒｅｗ＇ｓ，ａｎｄ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ＰＣ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｄｅｓｉｇｎ ｗｉｔｈ ＡＳＰＮＥＴ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｎｄ ａ ＷＩＦＩ ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ ｍｏｄｕ１ｅ ｉｓ ．ｕｓｅｄ ｌｏｒ ｄａｔａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ＲＦＩｎ ｃａｒｄ，ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｕｐｄａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａ ｌｏｔ ｏｆ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｌｏｗ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｈｉｇｈ ．，ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ—ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｖ。ａｎｄ ｃａｎ ｂｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｌ１ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ １ｉｂｒａｒｙ ｓｔｕｄｙ ｒｏｏｍｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｕｄｙ ｒｏｏｍ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ；ＲＦＩＤ；ＭＳＰ４３０Ｆ２３７０；ＷＩＦＩ ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ ｍｏｄｕｌｅ （编辑徐永铭） ・ ５４ ・