基于RFID智能卡的高校图书馆自助门禁系统设计
发布时间：2022-03-09 11:06
图书馆门禁系统是保证图书资源安全，提高图书馆管理效率和水平的控制系统。在计算机技术、网络技术和目标识别技术的支持下，目前市场上有许多图书馆门禁系统，但这些门禁系统大多是根据不同的图书馆信息化条件定制开发的。由于原有图书馆管理系统的结构不同，访问控制系统与其他图书馆管理系统之间的链接非常不方便。而且大部分图书馆门禁系统的功能还停留在安全管理和自动借还的层面。为了实现门禁系统与各类数字图书馆的无缝链接，扩展门禁系统的功能，提高图书馆的自助服务水平，我们构建了一个基于RFID智能卡的高校图书馆自助门禁系统。
RFID技术简介及其在图书馆中的应用
1.1 RFID技术
RFID(射频识别)技术是一种通过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的传输特性和空间耦合(电感或电磁耦合)来实现对被识别物体的自动识别。RFID技术作为无线版的条形码，具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、寿命长、读取距离远、智能卡上数据加密、数据存储容量更大、信息存储更容易等优点。它被公认为本世纪十大重要技术之一。基本的RFID系统通常包括以下部分:携带关于目标的信息的RFID智能卡、在读写器和RFID单元之间传输RF信号的天线、以及接收从RFID智能卡返回的RF信号并将解码的数据传输到主机系统进行处理的RFID读写器。目前，RFID系统已经在交通管理、仓库管理、物流管理、生产线跟踪等领域发挥了巨大的作用。
1.2 RFID技术在图书馆中的应用介绍
RFID技术以其独有的特点引起了国内外图书馆界的关注。新加坡国家图书馆于1998年底开始使用RFID技术，成为世界上第一个应用该技术的图书馆。随后，美国、澳大利亚、中国等也相继采用了这项技术。2006年，国内第一座RFID智能图书馆——集美大学成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该技术。上述使用RFID技术的图书馆的功能通常包括:
●自助借书还书系统:为读者提供自助借书还书操作，无需图书馆管理员干预；
●图书整理:实现图书资料的自动盘点、排架、整理，从而达到借还的目的；
●RFID安检:对于未外借或禁止外借的图书，出门时安检设备会报警，提醒管理人员及时制止。
图书馆通过RFID技术，在有效提高管理精准度、提升服务形象、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，得到了同行的认可。
2.RFID智能卡
智能卡，也称为IC卡，是一种将IC芯片嵌入塑料基板并封装的卡。1977年，摩托罗拉与其一家电脑客户合作开发了世界上第一张智能卡。此后，智能卡因其轻薄小巧、先进的集成电路芯片技术和不可破译、可伪造的特点而广受欢迎，并在世界范围内获得了前所未有的发展。目前，各种智能卡越来越多地应用于国民经济的各个领域，并深入到居民的日常生活中。
RFID智能卡是一种非接触式IC卡。具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用的特点，可支持快速读写、隐形识别、移动识别、多目标识别、定位和长期跟踪管理。
2.1智能卡的基本结构
RFID智能卡主要由天线、射频接口和微控制单元组成。每个组件中包含的模块及其功能如下:
天线:用于接收RFID阅读器发出的信号，并将数据信息传回RFID阅读器。
射频接口电路:主要包括波形转换器、调制解调器、整流器、稳压器、振荡器等。波形转换器接收来自读写器的无线电调制信号，一方面发送给调制/解调模块，另一方面将正弦波转换成方波，然后整流滤波，电压由稳压模块进一步处理，如稳压，最后输出提供给卡上的各个工作电路。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，执行读卡器的指令。包括逻辑控制单元、请求响应单元、防碰撞单元、数据加密单元、存储单元(包括E2PROM和ROM)等。
请求应答单元:当一张RFID智能卡在读写器天线的工作范围内时，读写器向RFID智能卡发送命令后，请求应答单元启动，智能卡的卡号传输到读写器，建立智能卡与读写器的第一次通信。否则，读写器对智能卡的其他读写操作将无法进行。
防碰撞单元:当多张RFID智能卡进入读写器的操作范围时，防碰撞单元会选择其中一张进行操作，如果没有选择，则处于空闲模式，等待下一次选卡，会返回所选卡的序列号。
逻辑控制单元:用于对RFID阅读器发送的信号进行解码，并根据需要向RFID阅读器发回数据。
数据加密单元:完整的数据加密和密码保护。
存储单元:包括E2PROM和ROM，主要用于存储数据。用户要存储的数据(读者的个人信息，如姓名、专业、爱好、借书还书记录、个人账号也可以存储)都存储在这个单元中。在智能卡断电并且智能卡离开读卡器天线的有效工作范围后，E2PROM中的数据仍将被保留。
2.2智能卡的读写原理
智能卡的读写原理是:RFID阅读器向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智能卡中的LC谐振电路发生谐振，使电容中有电荷。在该电容器的另一端，连接具有单向传导的电子泵，以将电容器中的电荷发送到另一个电容器进行存储。当累积电荷达到2V时，这个电容可以作为电源为其他电路提供工作电压，并传输卡内数据或接收RFID阅读器的数据。
3.图书馆自助服务与高校读者
图书馆一切活动的目的是为读者提供高质量的服务，帮助读者获取和利用信息，从而产生知识。图书馆的发展史就是一个努力不断提高读者服务质量的过程。与传统图书馆相比，在相关技术的支持下，数字图书馆在服务内容、服务方式和服务手段等方面具有新的特点。自助服务是目前图书馆数字化转型过程中的一种新的服务形式。它是读者可以独立完成书目查询、图书借还、文献复制等工作的一种活动。根据自己的阅读兴趣、需求和研究重点，在一定的硬件环境和系统平台下，从而达到阅读和研究的目的。通过图书馆自助服务，读者所有的信息利用活动和问题解决都可以在自助服务系统上自主自助进行，让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科研服务的学术服务机构，其读者主要是师生。大多具有一定的科研能力，阅读特点相对明确、专业、有目的、及时，阅读范围相对集中、系统。大学读者的信息特征(使用习惯、偏好、背景、需求等。)使高校图书馆的自助服务在很大程度上具有可预见性，这决定了高校图书馆自助门禁系统的建设原则和功能内容的选择。
4.高校图书馆自助门禁系统
高校图书馆自助服务要求所有活动都由读者自己操作，因此图书馆本身必须具备适合这一特点的技术和设施。只有完善技术支持，图书馆自助服务这一新的服务模式才能充分发挥作用。
4.1高校图书馆自助门禁系统建设的原则
根据高校读者的特点和高校数字图书馆服务的特点，构建高校图书馆自助访问控制系统应遵循以下原则:
(1)学科原则:以学科设置和需求为基础，以教学和科研为目的；
(2)读者导向原则:充分考虑读者的需求，注意收集和储存读者反馈的信息；
(3)科学性原则:应以现代技术为支撑，确保系统的科学性、可靠性、经济性和实用性；
(4)集成性原则:应考虑与图书馆其他系统的集成以及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门禁系统
根据高校读者的特点，高校图书馆以读者为中心的自助门禁系统具有以下功能:身份识别功能、键盘输入功能、实时显示功能、非法报警功能、信息存储功能、与主机通信等。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，包括以下模块和功能:
RFID读写器模块:是本系统中最关键的模块，主要用于完成RFID智能卡的读写——自动读取RFID智能卡的相关信息(如识别存储中阅读器的身份):配合键盘输入模块对RFID智能卡写入或修改具有修改权限的个人信息；配合主机管理RFID智能卡中的个人账户。如果图书馆的所有图书都嵌入了电子标签，通过读取电子标签就可以自动完成图书的借阅和归还，大大改善了学生借书和还书排队等候的现象。
键盘模块、声光报警模块:与上位机显示器一起组成人机交互模块。通过人机交互模块，用户可以根据具体要求对系统进行初始化。用修改权限写或修改个人信息；撰写个人需求的信息，完成预定，及时得到信息反馈；当权限外的信息被修改、非法用户进入图书馆、未办理借阅手续或禁止外借的图书被禁止时，可自动实现声光报警。人机交互模块的引入体现了系统的高效性和互操作性。
主机监控器:当RFID阅读器读取RFID智能卡的信息时，主机监控器将立即显示智能卡内阅读器的个人信息；显示读者通过键盘书写或修改的信息；显示读者预订图书的状态；展示图书馆提供的各类推送服务(如根据读者的专业特点、研究方向、兴趣爱好等向读者推荐新书。).
读者偏好分析模块嵌入在主机读者管理系统中。通过分析读者借阅图书的历史记录，对图书的关键词进行聚类，生成读者偏好的频繁项集，从而定义读者兴趣模型。主机显示屏显示读者需要图书的书架数量，通过超链接进入智能书架导航系统，输入目标图书价格立体分布图，明确提示目标书架位置，并给出最佳路线指引，方便读者快速获取目标文献。
打印模块:可由微处理器和主机实时控制。当需要打印借书还书信息或图书馆推送的信息时，微处理器控制自由打印；需要打印图书馆数字资源或网上数字资源时，主机控制打印，费用由RFID阅读器的RFID智能卡扣款结算。
微处理器模块:图书馆自助门禁系统的枢纽，接收并处理RFID阅读器采集的RFID智能卡信息；随时将图书馆推送的信息写入RFID智能卡；控制声光报警模块及时对非法读者或读者的非法操作进行报警；接收、处理并存储键盘输入模块输入的信息；打印模块实现打印功能；控制串行通信模块与主机之间的实时数据传输。
我们使用IBM RFID中间件作为该自助门禁系统与图书馆管理系统之间的纽带，可以方便地将该系统与图书馆管理系统有机地结合起来。IBM RFID中间件具有从底层屏蔽RFID设备的硬件差异，从顶层屏蔽操作系统和数据库的功能，有效驱动后端图书管理应用系统，形成统一协调的运行流程。此外，该系统可以与现有的数字图书管理系统很好地集成，同时可以保证两者的独立性和健全性。
5.结论
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进入图书馆时享受到一种全新的服务流程，用户的所有信息活动和问题都可以在该系统上自主自助解决。实现方便、快捷、人性化的服务；由于该系统以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他功能。利用系统的RFID中间件，可以实现与原有图书管理系统的无缝链接。该系统的RFID智能卡还可以扩展成校园卡。可以说，该系统的建设具有很高的现实意义和推广价值。
