基于RFID手持式图书管理终端的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.21MB 70 页 15积分
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摘 要
随着信息技术的飞速发展，自动识别技术已经广泛地应用到图书馆的管理中，
使得图书馆的管理模式和服务方式发生了巨大变化，促进了图书馆的现代化进程。
目前大多数图书馆均采用条形码与磁条相结合的图书馆管理方式。该方式的借还
过程耗时费力并且不能有效地管理大量图书，效率较低，成为了实现图书管理自
动化、智能化、数字化的瓶颈，限制了图书馆服务水平的进一步提升。RFID(无线
射频技术)是一种通过无线电波进行通讯，可实现非接触式自动识别的技术。把
RFID 技术应用到图书馆中，能够完成图书的智能化识别与管理，带给图书馆又一
次管理模式的创新，进一步提高了资源的利用率。
本文通过对现有图书馆中图书管理中遇到的各种问题进行分析，提出了图书
管理终端的设计要求，以 RFID 技术为基础以 ARM 处理器为主控制器设计了管理
终端；分析了图书排架过程中的问题，设计了一种精确的图书定位方法；根据设
计的特点与需求，构建了终端的硬件平台，完成了系统的电路设计；终端需要处
理大量的数据，因此文章中对各种查找方法进行了深入的分析与比较，最终采用
了哈希算法并改进了哈希算法中处理冲突的方法，理论与实验证明该方法具有较
少的平均查找长度与冲突；软件系统采用模块化的设计方法，提供了各个模块之
间的交互接口，对各个应用模块进行了详细的设计，提高了系统的可移植性与灵
活性；设计了人机交互界面，实现了图书定位、盘点、查询、顺架功能；创建了
通讯模块与文件系统，确保了终端与计算机之间的连接与信息共享。
关键词：图书管理 RFID 哈希查找 ARM 手持式设备
ABSTRACT
With the development of the information technology, automatic identification
technology has been widely applied to the library management, which makes great
changes in the management mode of library service and way, and promotes the
modernization process of the library.The alarm system combining of bar codes and
magnetic stripe has been applied in the most library currently. By demanding process
and less effective management of the massive books,which become the bottleneck of
the realization of the books management automation, intelligence, digital and limit the
library to further improve the service.RFID (radio-frequency technology) is a kind of
communication by radio waves, can realize the non-contact and automatic
identification .If the RFID technology is applied to the library, the books would have
been able to complete the intelligent recognition and management,and become a
management patterns of innovation, improved the utilization of the resources.
This paper puts forward the books management terminal design requirement after
analysising the various problems existed in the library books management,design
management terminal that based on the RFID technology and ARM processor
controller.Analyzes the problems during the process of bookshelves arrangement
methods,design a kind of precise books orientation method.Construct the terminal of the
hardware platform and complete the system hardware circuit design according to the
design characteristics and needs;To deal with a large amount of data,all kinds of
search method have been analysised and compared in the paper, the hash algorithm has
been used and improved the algorithm in dealing with conflict method, theory and
experiment results show that the method is less average search length and conflict;
modular design method has been adopted in the software system,each module of the
interactive interface has been provided between layers,improve portability and
flexibility of system;Design the human-machine interface, realize the book orientation,
inventory, inquires and along the shelfs; The communication module and the file system
have been created that ensure the connection,between the terminal and the computer,and
information sharing.
Key Words: Book Management,RFID,Hash Search,ARM,Handhed
Devices
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 课题研究的背景及意义 .................................................................................. 1
§1.2 国内外的研究现状 .......................................................................................... 4
§1.3 论文主要研究工作与论文的内容安排 .......................................................... 4
第二章 图书管理终端的需求分析与系统结构分析 .....................................................6
§2.1 图书管理系统的需求分析 .............................................................................. 6
§2.1.1 系统的功能分析与设计 ........................................................................ 6
§2.1.2 图书馆图书定位模型分析 .................................................................... 8
§2.2 图书管理系统的结构分析 .............................................................................. 9
§2.2.1 管理终端 .............................................................................................. 10
§2.2.2 RFID 读卡器 ......................................................................................... 11
§2.2.3 RFID 标签 .............................................................................................12
§2.3 本章小结 ........................................................................................................ 14
第三章 图书管理终端硬件结构设计 ...........................................................................15
§3.1 MCU 控制模块 ...............................................................................................15
§3.2 存储器模块 .................................................................................................... 16
§3.3 信息显示模块 ................................................................................................ 18
§3.4 通信接口模块 ................................................................................................ 19
§3.4.1 图书 ID 采集接口 .................................................................................19
§3.4.2 终端快速通信接口设计 ...................................................................... 20
§3.5 终端电源管理模块 ......................................................................................... 21
§3.6 本章小结 ........................................................................................................ 24
第四章 查找与存储算法 ...............................................................................................25
§4.1 算法的评价 .................................................................................................... 25
§4.2 查找算法的选择 ............................................................................................ 27
§4.3 哈希查找 ........................................................................................................ 29
§4.3.1 哈希函数的构造 .................................................................................. 30
§4.3.2 处理冲突的方法 .................................................................................. 32
§4.3.3 哈希表的查找及其分析 ...................................................................... 34
§4.4 哈希算法的选择与处理冲突算法的改进 .................................................... 35
§4.4.1 哈希算法的选择 .................................................................................. 35
§4.4.2 处理冲突算法的改进 .......................................................................... 37
§4.4.3 质数的选择 .......................................................................................... 39
§4.5 本章小结 ........................................................................................................ 40
第五章 图书管理终端软件系统设计 ..........................................................................42
§5.1 软件系统的整体规划 ....................................................................................42
§5.2 信息检索模块 ................................................................................................ 44
§5.3 人机交互模块 ................................................................................................ 47
§5.3.1 系统界面接口 ....................................................................................... 47
§5.3.2 界面设计 .............................................................................................. 48
§5.4 终端通信模块 ................................................................................................ 49
§5.4.1 快速通讯系统 ...................................................................................... 49
§5.4.2 大容量存储设备 .................................................................................. 50
§5.5 文件系统模块 ................................................................................................ 54
§5.5.1 终端文件系统 ...................................................................................... 54
§5.5.2 文件系统的创建 .................................................................................. 57
§5.6 RFID 读取模块 ...............................................................................................59
§5.7 本章小结 ........................................................................................................ 60
第六章 总结与展望 .......................................................................................................61
§6.1 课题总结 ........................................................................................................ 61
§6.2 研究展望 ........................................................................................................ 62
参考文献 .........................................................................................................................63
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果67
致谢68
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
1.1 课题研究的背景及意义
图书馆作为一个专门收集、整理、保存、传播文献的科学、文化、教育机构,
是人们获取知识的主要来源之一。如何对这些资源进行开发，有效地管理是图书
馆重要职能之一，这也是图书馆承担其他职能的基础。当代信息资源具有增
长速度快、信息量大；类型复杂、形式多样；时效性强；传播速度快；内容
重复多变；描述信息的语言种类不断增多等特点。人们通常感到收集的信息太
多但是利用起来反而变得不容易。图书馆需要通过对文献信息资源进行加工
处理、综合分析、指导，形成有秩序、有规律，便于利用的信息资源，从而
利于信息的交流与传递。《联合国教科文组织公共图书馆宣言》指出“公共图
书馆是地区的信息中心，它向用户迅速提供各种知识和信息，每个人都有平
等享受公共图馆服务的权利，向所有的人提供服务”[1]。随着数字化、网络化
的信息革命发展，人们的工作、生活、学习和娱乐的方式已经发生改变。图
书馆的功能也已经由传统的“文献中心模式”转变为以读者为中心的“读者
中心模式”[2]。随着图书馆馆藏规模的不断增加，如何快速有效地提高图书馆
服务质量和工作效率变得更加重要。
20 世纪 90 年代以来，随着计算机技术、通信技术的飞速发展，自动识别技
术得到广泛地应用。图书馆通过采用自动识别技术对图书馆管理模式和服务方式
进行不断的创新来提高其管理效率，加快了图书馆的现代化进程。经过不断地努
力逐渐从传统的图书馆向数字型图书馆转变，取代了人工借阅图书的方式，实现
了条形码信息录入与磁条报警系统相结合的图书馆管理方式[3,4]。这种管理方式简
化了借阅手续并提高了效率，成为目前运用最为广泛的图书馆管理方式。
以条形码技术为基础的自动识别技术相对于人工识别的管理模式，具有输入
速度快、准确率高；成本较低，有完善的标准体系；操作简单等优点[5]。但是条形
码本身存在很多缺点，比如条形码会出现发黑、模糊现象，很容易损坏[6]。直接导
致阅读器产生误读或据读，影响了图书流通管理的速度与可靠性，降低了服务质
量。将条形码技术为标记模式的图书馆不具备与管理系统软件进行自动交换数据
的能力，很难实现自动化控制。比如图书馆之间的图书借还，只能靠人工识别标
记；闭馆的还书操作，仅靠人工参与才能完成，这样会产生图书已经还到图书馆
但是没能及时入库的问题；藏书错架之后的整理工作只能依赖人工完成。在大规
模的图书馆中，这些问题难以解决。此外图书馆中图书管理还存在如下问题[7]：
基于 RFID 手持式图书管理系统的研究
2
(1) 图书盘点，排架管理效率较低
目前大学图书馆的藏书量不断增多，动辄一百多万的藏书量。图书盘点、排
架工作只能依靠人工方法完成，但是工作量巨大，往往要几个月才能完成，并且
精确度不高。国外的一家图书馆指出他们上一次进行盘点距今已经 10 年，在那次
的盘点中找到了许多已经丢失的馆藏图书，价值达 59000 美元。另外一家图书馆
在盘点中找到近 500 本已丢失的图书，价值达 40000 美元[8]。
(2) 借阅管理和防遗漏流程脱节
图书馆防盗系统现在还是孤立的防盗系统,图书归还和上架之前都需要经过
上磁处理，图书借出时则要进行消磁处理。这样操作肯定会增加工作量，直接影
响了图书流通以及图书管理的工作效率。当发现丢书时无法及时地记录丢失图书
的信息，对图书的日常盘点、补缺工作影响极大[9]。
(3) 图书信息登记录入效率比较低
条形码的抗损坏能力比较差，由于潮湿、腐蚀等原因导致条码的可读性性能
的降低，因此要保证信息的正确录入，通常只能采用人工录入信息的方式，而不
太可能实现借阅者自助录入信息的方式。另一方面条形码不支持多目标的识别，
因此信息录入的效率相对来说并不高[10]。
(4) 借还书流程繁琐,流通效率较低
现有的借还书流程仍然需要人工打开图书扉页并找到条码位置然后才能扫描
条码，这样的操作流程仍然较为繁琐，借还书效率比较低。这样不仅会影响借还
书的效率，同时也会影响读者对图书馆的满意程度[11]。
无线射频识别技术(Radio Frequency Identification，
简称 RFID)是一种利用
射频通信实现的非接触式自动识别技术，是21 世纪十大重要技术之一[12] 。
RFID 具备条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、不需要光源以及可以透过
外部材料读取数据的特点；使用寿命长，能在恶劣环境下工作；能够轻易嵌
入或附着在不同形状、类型的产品上；读取距离更远；可以写入及读取数据；
写入时间比打印条码少；标签的内容可以动态改变；能够同时处理多个标签；
标签的数据存取有密码保护，安全性更高；可以对 RFID 标签所附着的物体进
行追踪定位等优点[13,14]。在图书馆中运用 RFID 技术，可以把 RFID 射频标签
贴在文献资料中，借助读写终端可以建立全新的图书管理系统。读写终端对
标签进行读写操作，将文献书名、作者、出版社等信息写入标签。读者借出
或归还图书时，读写终端将相关信息记录到标签；最后将相应的借还信息传
送到计算机，计算机再进行处理。同时将 RFID 读写终端和门禁的配合，实现
图书馆图书的自主借还，这样不仅减少了人工干预，降低图书馆工作人员的
第一章 绪论
3
工作量，而且也大大地方便了读者借书还书。
在传统图书馆管理模式中，图书的自助借还、快速盘点、快速查找、乱
架图书的整理问题，均无法得到很好的解决，阻碍了图书馆管理与服务水平
的提高。RFID 技术为以上诸多问题的解决提供了很好的技术支持。针对图书
馆管理的应用，RFID 系统可以将传统的条形码、磁条、流通记录、书目及读
者信息全部整合存储在一起，为系统提供一种识别利用的新的方法。RFID 阅
读器替代条形码扫描器，RFID 电子标签替代条形码，实现图书馆全新的智能
化管理。
图书馆将 RFID 技术取代条形码技术，把 RFID 标签贴在每件馆藏上面以
此作为物件标识，将对图书馆管理产生深远的影响。图书馆的馆藏识别方式
从条形码转换成 RFID 标签，不仅是一次标识技术的变革，更是一次组织与业
务的变革。RFID 对图书馆管理、用户、员工等方面产生的影响如下[6,15～18]：
(1) 能够实现读者自助借还书业务，极大提高借还书的效率[2]。新加坡国
立图书馆使用 RFID 系统后，一年的借阅总数从 100 万次提高到 3800 万次[19]。
(2) 可以加速图书盘点和排架、上架工作，方便查找乱架的图书，提高了工作
人员的工作效率，降低了劳动强度。由于 RFID 标签可以远距离、无接触地识别，
能够实现批量读取多本图书信息，工作人员使用读写器在书架前移动扫描，通过
电磁信号与 RFID 芯标签交换信息。因此工作人员在书库内巡视扫描即可轻松完成
图书的管理工作并可及时准确地掌握图书库存的状况，解决了图书馆盘点难的问
题，提高了管理水平[20]。
(3) 减少文献的流通工作，可以实现无序化排架。当读者归还图书之后，工作
人员只需要把图书放在空的位置，并记录该位置，然后更新图书的位置信息。当
查找图书时，读者在计算机中输入图书名就可查找到图书的位置。
(4) 读者利用 RFID 终端可以直接查找到图书的具体位置，提高读者的满意度。
这样可以让读者不再为系统里能够查到的图书但是图书馆中却找不到的情况而烦
恼；读者不再担忧借还书的效率较低，借还书排队等候时间太长[11,21]；读者不再因
为借还书中出现信息读取错误或者条码无法读出，而增加等待时间。这样读者就
会认可图书馆的工作，提升读者对图书馆服务的满意度[20,22]。现有的图书馆图书管
理采用学科分类的模式，读者在查找某本图书时需在所属类别的书架中逐一查找，
如果遇到图书乱架的情况就不能找到相应的图书。
摘要：

摘要随着信息技术的飞速发展，自动识别技术已经广泛地应用到图书馆的管理中，使得图书馆的管理模式和服务方式发生了巨大变化，促进了图书馆的现代化进程。目前大多数图书馆均采用条形码与磁条相结合的图书馆管理方式。该方式的借还过程耗时费力并且不能有效地管理大量图书，效率较低，成为了实现图书管理自动化、智能化、数字化的瓶颈，限制了图书馆服务水平的进一步提升。RFID(无线射频技术)是一种通过无线电波进行通讯，可实现非接触式自动识别的技术。把RFID技术应用到图书馆中，能够完成图书的智能化识别与管理，带给图书馆又一次管理模式的创新，进一步提高了资源的利用率。本文通过对现有图书馆中图书管理中遇到的各种问题进行分...

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