基于超高频RFID图书实时定位系统

1、第十一届世纪杯课外学术科技作品竞赛基于超高频RFID的图书实时定位系统基于超高频RFID的图书实时定位系统参加项目： 世纪杯学生课外学术科技作品竞赛 项目分类： 科技发明制作A类完成日期：2014年3月10日Real Time Book-Location System Based On UHF RFIDFinish Date Mar. 10th 2014 摘要随着图书馆发展的大规模、大容量化，传统的图书管理系统已经难以胜任当前的形势，图书馆正朝着数字化、信息化的方向快速发展。近年来，图书馆时常有这样一类事件发生：当我们从图书管理系统查找到某本书的索书号，并心中默念，苦苦找寻之后，却发现它并没有

2、处在应有的位置。读者只好悻悻而归，惟有叹息自己运气不好。这种情况，第一可能是图书丢失，第二也是最可能的情况是图书放错位置。本文针对图书馆普遍存在的图书位置错乱的情况，设计了基于超高频RFID的图书实时定位系统。该系统利用超高频RFID对图书电子标签进行信息采集，同时借助Zigbee无线模块实现整个图书馆的信息传递，并在图书馆数据库端添加每个图书的实时位置信息。此举旨在帮助图书馆管理人员实时监测图书的摆放，及时排除图书错架给读者带来的不便，从而使图书馆服务更加人性化。关键词： 图书馆 错架 超高频 RFID ZigbeeAbstractWith library becoming large-sc

3、ale and larg-capacity, the traditional library management system has failed to accomplish the current situation, which promoting libraries increasingly digital and informatization. In recent years, libraries often have such events occurring: When we find the call number from the library management s

4、ystem and seek the books for a while, but even find that what we need is missed. This situation may be caused by the missing of books or the wrong places of books. The latter is most likely.For the common problems of the wrong-place books which exist in many libraries, a system is designed whose nam

5、e is “Real Time Book-Location System Based On UHF RFID”. The system uses UHF RFID to collect information from the electronic tags, while accomplish the transmission of information throughout the library with Zigbee wireless module, and finally add real-time location information for each book in the

6、library database side. This system aims helping management staff monitoring the real-time places of books so that avoid inconvenient situation, thus library services become more humane. Keywords: library, wrong places, UHF, RFID, Zigbee目录第一章 绪论- 1 -1.1 创意背景- 1 -1.2 图书定位系统的现状和研究前景- 1 -1.2.1 北京理工大学图书管

7、理现状- 1 -1.2.2 国家图书馆的图书定位系统- 2 -1.2.3 图书定位系统的研究前景- 2 -第二章 创意总体表述- 3 -2.1 创意主旨概述- 3 -2.2 系统总体框架- 3 -2.3 系统总体布局- 4 -第三章 RFID读卡器节点设计- 5 -3.1 射频识别（RFID）技术概况- 5 -3.1.1 RFID技术原理- 5 -3.1.2 RFID技术的特点及优势- 6 -3.1.3 超高频RFID技术- 6 -3.2 本系统中RFID节点的关键技术- 7 -3.2.1 防碰撞算法- 7 -3.2.2单片机模块的选择- 7 -3.2.3 RFID读卡器与单片机的数据流通-

8、8 -3.2.4 数据的完整性与准确性分析- 8 -3.3 扩展功能- 10 -第四章 Zigbee节点设计- 12 -4.1 Zigbee通讯技术- 12 -4.1.1 概述- 12 -4.1.2 特性- 12 -4.1.3 组网通信方式- 13 -4.2 Zigbee无线网络在本系统中的应用- 14 -4.2.1 Zigbee选型- 14 -4.2.2 Zigbee节点设计- 16 -4.2.3 Zigbee节点与其它模块的数据沟通- 16 -4.3 问题与改进措施- 16 -第五章 可行性分析- 17 -5.1 概论- 17 -5.2 供求预测- 17 -5.3 技术论证- 17 -5.

9、4 经济分析- 17 -5.5 结论- 18 -第六章 总结与展望- 19 -参考文献- 20 -第一章 绪论1.1 创意背景随着图书馆发展的大规模、大容量化，传统的图书管理系统已经难以胜任当前的形势。图书馆正朝着数字化、信息化的方向快速发展。以我校中关村校区图书馆为例，面积25509平方米，截至2011年底，图书馆纸型文献为231.4万余册，电子图书为277.6万余册，网络数据库为177个。这样的大型图书馆如果没有现代化信息化的技术支持，恐怕会很难处理每日庞大的业务。但在我校图书馆经常发生这样的情况：当我在图书检索系统搜索好书目的索书号，并找到它应该处在的位置后，却发现并没有这本书，而系统中

10、明明显示的是“可借”。这种情况经常发生在一些畅销书上，或是非常受人欢迎的经典书籍，比如金庸的武侠小说。我就遇到过多次这种情况，并很使我沮丧。眼看可以借到喜欢的书了，却又突然发现它不在那里。考虑到可能发生的两种情况：第一是书籍已经丢失（这可能是由于某人通过不正当的途经盗走了这本书），也可能是书被放错了地方。我想，应该后者的情况居多。在经过实地考察之后，发现或多或少每个书架都有放错书的情况。针对这种情况，设计基于超高频RFID的图书实时定位系统，用来避免书籍放错书架的情况。1.2 图书定位系统的现状和研究前景1.2.1 北京理工大学图书管理现状北京理工大学图书馆是国内首家大规模使用RFID电子标签

11、（120万册）构建自助借还系统的大学图书馆。具备自主知识产权的创新型RFID闭架书库系统改变了传统图书馆的存储方式，在全封闭书库存储空间中实现无人自动图书借阅、归图1-1 北京理工大学图书馆还、新书上架、自动盘点功能。在图书馆的发展方面，我校已经走在了全国高校的前列，也基本上代表了全国高校图书馆的最高水平。但是也存在一些问题，使用自动还书设备还的书被放在几个小型的书架上，等待工作人员前来归位这些图书。而图书归位工作想必是极其繁琐的，需要对这些书籍归类，然后依次放回到它们应该所处的位置。对于经验丰富的图书馆管理员来说，把一个已知书号的书放回书架应该不是困难的事情，只是需要花费一些时间而已。但如果

12、由于读者的疏忽大意或不负责任的行为导致一本书被随意插在了另外的位置，这种事对于图书馆管理员来说恐怕是天大的麻烦，因为没人会知道这本书现在处于哪里，理论上来说它可能位于图书馆的任何一个角落。所以就出现了前面所提到的找不到书的情况。图1-1为北京理工大学图书馆的一个阅览室。1.2.2国家图书馆的图书定位系统国家图书馆自1987年建成以来，一直在中国图书馆领域引领最先进的管理潮流。其收录图书的数量和质量都是中国之最，在世界图书馆领域也占据一席之地。从国家图书馆的图书管理系统来看，在图书定位这一方面，也位于国家前列。在最近的图书馆信息系统改造中，采用了国内比较先进的图书定位系统。这个系统基于RFID射

13、频技术，管理员使用手持RFID读卡器对每个书架依次扫描，实现全体图书的定位，以及错架乱架的更正。从全国范围内来看，很多先进的图书馆也逐渐采用这种技术。可以看出，这已经是目前最先进最完善的图书定位系统。1.2.3 图书定位系统的研究前景目前的图书定位系统虽然已经大大提高了图书馆的工作效率，但也存在许多不够合理的地方：（一）工作人员使用手持式RFID读卡器，需要把每个书架的每一层依次扫描一遍，对于一个超大规模的图书馆，如此大的工作量，对于工作人员是个极大的负担。（二）即使图书馆规模不大，但一旦读者人流量增多，就必须提高扫描频率，可能每过几个小时就要全部扫描一遍，即使是只对人流量大的地方进行扫描，也

14、会是很大的负担。（三）现有的RFID读卡器大多是高频模块，其扫描距离很短，只有几十厘米，所以扫描时必须非常靠近书架，一旦距离不合适，就会发生遗漏的情况，而这种情况一旦发生，就会加剧图书定位的难度。总结以上不足，本文将介绍一种新型的图书实时定位系统，不仅能改善这些缺陷，而且做到实时定位、准确无误。第二章 创意总体表述2.1 创意主旨概述图书馆作为大学生活中必不可少的一项设施，给众多学子提供了良好的学习条件和丰富的学习资源。从2011年进入北京理工大学，无论是徐特立图书馆，还是中关村北京理工大学图书馆，都留下了我的足迹。相信很多人和我一样，上大学前幻想着在图书馆舒适的沙发上品一杯香茗、捧一本小书，

15、悠然自得，过个逍遥自在。梦想终于实现，如今已经两年有余，在图书馆也体会颇多。首先是图书管理系统的智能化，只要输入关键字轻点“检索”，就能立即显现所有有关书目，每一项信息又详细到每本书，以及可借与否，然后记住索书号就能顺利找到想要的书籍。但是作为自动化专业的我，常常想要对现有的东西进行改进。在这两年多的时间里，我对图书馆的结构和功能早已烂熟于心，也渐渐看到了一些不足的地方，比如占座现象、光照不足的问题、谎称书籍丢失的现象、以及本文提到的书籍错架问题。我不时地考虑这些问题的解决办法，直到有一天我能够用所学的知识设计出更好的系统。本文所述的问题在2012年发现，本文的解决方法在2013年渐渐形成完整

16、的体系。由于该系统注重图书定位和实时定位，所以取名称为“基于超高频RFID的图书实时定位系统”。其中，超高频RFID是实现此项功能的核心组件，也体现了近几年无线射频技术的发展成果。2.2 系统总体框架本系统涉及机械设计、信息管理、信号处理、控制理论、电子技术、通讯技术、网络技术、计算机技术等领域，是各个学科技术的综合应用。系统总体框架分为三大部分，首要部分是最基础的RFID读卡器节点，设计在每个书架安装一个读卡器，并编号1n，该节点包括超高频读卡装置，以及微型控制器PIC单片机；其次是Zigbee无线传输节点，节点编号与RFID读卡器节点一一对应，这些Zigbee节点直接连接在单片机上，并将收

17、集到的数据通过已组好的网络发送出去；最后是图书馆服务终端，该终端首先要完成所有Zigbee节点所发送数据的收集工作，然后经过处理，把图书实时位置这一信息整合到图书数据库，以便管理人员随时查看。总体框架示意图如图2-1所示。RFID读卡器节点1RFID读卡器节点2RFID读卡器节点nZigbee节点1Zigbee节点2Zigbee节点n图书馆服务终端组网图2-1 系统总体框架2.3 系统总体布局由于该系统设计每个书架作为一个节点，因此RFID读卡器模块的布局至关重要。考虑到RFID读卡器的读取范围是一个球体，所以将其安放在书架正中，保证能够扫描到本书架上的所有图书。图2-2展示了一个书架和该书架

18、上的RFID读卡器。读卡器放置在整个书架的最中间，外面的黄色部分是读卡器的辐射范围。图2-2 书架和书架上的RFID极其扫描范围这时出现了另一个问题，如果间距不恰当，相邻两个书架的球形扫描区域可能重叠，导致扫描出现干扰。这个问题将在3.2.4节详细讨论。第三章 RFID读卡器节点设计3.1 射频识别（RFID）技术概况3.1.1 RFID技术原理射频识别即RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信

19、号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。一套完整的RFID系统， 是由阅读器（Reader）与电子标签（TAG）也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder，用以驱动Transponder电路将内部的数据送出，此时Reader便依序接收解读数据， 送给应用程序做相应的处理。以RFID 卡片阅读

20、器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成：感应耦合（Inductive Coupling） 及后向散射耦合（BackscatterCoupling）两种。一般低频的RFID大都采用第一种式，而较高频大多采用第二种方式。图3-1 RFID电子标签阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理

21、功能。应答器是RFID系统的信息载体，应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。图3-1展示了RFID电子标签的内部结构。3.1.2 RFID技术的特点及优势射频识别技术近年来的快速发展充分体现了它的特点及优势，并逐步占领市场份额。具体叙述如下：（一）非接触识别。它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100毫秒。（二）大规模识别。它可以一次性读取数个RFID标签，效率较过去的条形码识别大大提高。（三）体积小型化、形状多样化。RFID在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品

22、质。此外，RFID标签更可往小型化与多样形态发展，以应用于不同产品。（四）抗污染能力和耐久性。传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，所以特别容易受到折损；RFID卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。（五）可重复使用。现今的条形码印刷上去之后就无法更改，RFID标签则可以重复地新增、修改、删除RFID卷标内储存的数据，方便信息的更新。（六）穿透性和无屏障阅读。在被覆盖的情况下，RFID能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻

23、挡的情况下，才可以辨读条形码。（七）数据的记忆容量大。一维条形码的容量是50Bytes，二维条形码最大的容量可储存2至3000字符，RFID最大的容量则有数MB。随着记忆载体的发展，数据容量也有不断扩大的趋势。未来物品所需携带的资料量会越来越大，对卷标所能扩充容量的需求也相应增加。（八）安全性。由于RFID承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不易被伪造及变造。（九）使用寿命长，应用范围广。其无线电通信方式，使其可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境，而且其封闭式包装使得其寿命大大超过印刷的条形码。3.1.3 超高频RFID技术超高频（Ultra-High Frequen

24、cy，UHF）射频识别技术识别的距离远，标签识别能力强，近年来发展很快。由于高频射频识别技术不能满足本系统扫描范围的要求，所以考虑采用超高频射频识别技术。超高频读卡器最远距离可以达到15m左右，中距离的在5米左右。本系统采用5m的超高频读卡器便可实现一个书架所有图书的定位。另一方面，超高频技术的发展时间不长，也存在一些缺陷：信息安全、数据隐私、以及标签数据的正确无漏收集成为了 UHF RFID 技术的三大争议点。由于射频信号暴露在信号辐射范围内，并没有明显的审查跟踪机制，很容易被恶意读写器攻击。从而，导致了 UHF RFID 信息安全与隐私的隐患。关于 UHF RFID 系统中标签数据的收集，

25、主要存在数据错读、数据重复、数据漏读三个方面的隐患。标签数据错读主要是指读写器天线读取到了非读取范围内的标签，造成错读。此现象的发生是因为不同应用环境下读写器天线读取范围有变化，以及读写器的功率与读取范围并不能进行精确控制。标签数据重复主要是指同一标签被读取了两次或者两次以上，造成的数据冗余，这种情况是由读写器的读写速度快引起的。可以由 RFID 中间件解决。标签数据的漏读是指在读写器天线读写范围内的标签并没有被读到，产生这种情况的主要原因有系统中盲点的存在、标签碰撞、标签失谐、水或金属的干扰等。相信这些尚未解决的缺陷将会随着超高频技术的发展得到解决。3.2 本系统中RFID节点的关键技术3.

26、2.1 防碰撞算法前面已经介绍了RFID模块的重要部件读卡器，它最大的优点就是可以一次性读取多个标签。但是这项技术往往存在碰撞问题。在很多应用场合，读写器要在很短时间内尽快识别多个标签。由于读写器和标签通信共享无线信道，读写器或标签的信号可能发生冲突，使读写器不能正确识别标签，即发生了碰撞。因此，需要一种防碰撞技术以减少冲突达到快速准确识别多个标签的目的。RFID系统中的冲突分为读写器冲突和标签冲突。读写器冲突是指多个读写器同时与一个标签通信，致使标签无法区分读写器的信号，也包括相邻的读写器同时使用相同的频率与其阅读区域内的标签通信而引起的频率冲突。标签冲突是指多个标签同时响应读写器的命令而发

27、送信息，引起信号冲突，使读写器无法识别标签。读写器冲突问题类似于移动蜂窝网络中的频率分配问题。由于读写器能检测冲突并且读写器间能相互通信，因此读写器冲突能很容易得到解决。标签冲突问题与计算机网络冲突问题类似。但是，由于RFID系统中的一些限制，使得传统网络中的很多标准的防冲突技术都不适于或很难在RFID系统中应用。这些限制因素主要有：（1）内存和计算能力的限制，由于标签的成本很低，其计算能力十分有限，不能执行复杂计算；（2）一些标准限制了RFID系统中的通信带宽，因此需要尽量减少读写器和标签间传送的信息比特的数目；（3）标签不具有载波监听发现冲突的功能而且标签间不能相互通信。标签防碰撞协议对R

28、FID系统识别能力至关重要。按照防碰撞算法中标签的响应方式，防碰撞算法通常分为不确定算法和确定性算法两种。不确定性算法中标签利用随机时间响应读写器的命令。不确定性算法大都基于Aloha机制，例如时隙Aloha，Frame-Slotted Aloha算法等。确定性算法是读写器根据标签ID的惟一性来选择标签进行通信。最简单的确定性算法是二进制树机制。无论是Aloha算法或是二进制树型算法，都是防碰撞的一种机制。对于这两种算法的具体内容本文不作赘述，毕竟它们只是实现我们所需功能的一种方式。3.2.2单片机模块的选择作为一个完整的系统，必须有一个控制器向RFID发送命令，并从RFID收集数据，最后通过

29、后面将要介绍的Zigbee模块发送到图书馆服务终端。采用PIC18F4520单片机作为本系统的单片机模块。现在市面上单片机种类较多，使用最多的就是51单片机。在本系统中，由于一个单片机模块对应一个书架，一个书架上的图书数量在数百本，这样会产生很大的数据量，对于51单片机来说处理上有些难以应对。而Microchip公司的PIC系列单片机性能优越且性价比较高，将成为今后单片机市场的主流品牌。PIC单片机采用哈佛结构总线，可以同时对数据和程序进行访问，提高了数据吞吐率，正适合处理大量的数据。PIC18F4520单片机内含32KB程序存储器，1536Byte SRAM和256Byte EEPROM数据

30、存储器。这些重要的内部特性保证了本系统能够完成所需的功能。图3-2是PIC18F4520的实物图。图3-2 PIC18F4520实物图 3.2.3 RFID读卡器与单片机的数据流通每个RFID节点由一个RFID读卡器和一个PIC单片机组成。节点电路设计以单片机为核心，将RFID模块集成在单片机电路板上。首先，每次需要RFID读卡器采集信息时，由单片机发送指令给读卡器，读卡器开始数据采集工作。然后，读卡器按其规定的工作方式按一定顺序采集图书信息，并通过串行通信方式把数据发送给单片机。此时，等待单片机收集到整个书架的全部信息后，再进行数据处理。需要处理的内容主要是重复图书信息的剔除工作，针对RFI

31、D可能出现的重复扫描，需要在单片机中把每个图书的唯一ID进行比对，如有重复则删除重复项，保证完整准确的图书信息。3.2.4 数据的完整性与准确性分析首先，完整性是指收集到数据必须包含该节点所在书架的所有图书的完整信息。要想达到完整性，必须满足两点要求：一是RFID读卡器的扫描范围可以包含整个书架；二是读卡器的读卡性能良好，不会出现漏读现象。这两点要求通过合理的算法都可以实现。图3-3 读卡器扫描范围11223其次，准确性是指在完整性的层面上更上一层，该系统需要把每个图书加上它所在书架的位置信息发送到服务器端，因此每个图书所在书架位置的确定就极为关键。由于图书馆的书架摆放的位置一般情况下是不会改

32、变的，所以可以把该书架的位置信息存入单片机，使单片机在处理数据的时候给每本书的数据添加一条书架位置信息，这样在图书馆服务终端接收到所以图书数据的时候就可以通过该项新添加的数据确定它所在的具体位置。但是这里面仍然存在一个问题：图书馆的书架摆放各不相同，对于每个RFID读卡器的球形扫描区域，如果因为书架间距过小而导致两个读卡器扫描重叠，就有可能对同一本书扫描两次，从而可能导致错误的结果。即使采取了防冲突机制，只允许一个读卡器对其扫描，那也很难决定是这本书是不是由它所在的书架的读卡器扫描而来。对于这种情况，现在还没有恰当而有效的解决方法，只能通过下面两种途径做适当的改善：（1）寻找能够在某一个方向或

33、几个方向扫描、而不是全方位扫描的读卡器，使其在书架的长度和高度方向有较大的扫描距离，而在书架的宽度方向有较小的扫描距离，从而避免两个读卡器扫描区域的重叠。（2）假设一个读卡器的扫描区域可以完整包含其所在的书架，并部分包含其相邻的书架，而不能接触更远距离的书架，那么考虑一本书被扫描的三种可能：被一个读卡器读取，被两个读卡器读取，被三个读卡器读取。这三种情况可以很容易的用下面的图3-3来表示。图中区域1代表只被一个读卡器读取，区域2代表同时被两个读卡器读取，区域3代表同时被3个读卡器读取。对于1、3两种情况，书的位置可以完全确定，而对于2这种情况，则存在一个书架的误差，也就是说只能从相邻的两个书架

34、中找这本书，而不能完全确定它的位置。那么怎样减小它的误差呢，只能通过合理放置书架或者选取合适的长宽高并选取合适的扫描半径，使上述三个区域的1、3增大，2减小即可达到效果，图3-4展示了较好的扫描效果。在图3-4中上述的区域1和区域2面积减小到0，整个书架全部为区域3，即同时被三个读卡器读取，此时取中间节点的读卡器位置即为图书的实际位置。这不失为一种避免误差的好方法，不过也存在数据冗余、处理复杂度增加的缺点。图3-4 较好的扫描效果33.3 扩展功能本系统RFID节点的主要工作是完成图书的实时定位，以帮助图书馆管理员确定是否有图书错架情况，并及时加以改正。这些节点的建立，在完成此项工作之外，仍大

35、有发展前景，下面介绍几个扩展功能，如有需要，可以很方便地实现这些要求。（一）现在图书馆最常用的排架方法是分类排架法，分类排架的直接依据是排架号。排架号又称索引书号，是每种文献在整个藏书体系中所处空间位置的代号。这种排架方法的优点是图书位置固定，并分门别类放置，读者可以根据查出的索书号方便地找到需要的图书。但它也有弊端，有些书阅读量很大，需求量也大，而有些书根本无人问津，导致很多人都去同一个地方找书，而其他地方却无人涉足。现在有一种新型的图书排架方法，按照“分类目录细分、分类排架粗分”的原则，根据各类图书的数量及更新程度预留一定的架位。每类图书按所给分类号排架时只需根据书籍册数的多少来确定排架类

36、目的级数。在本系统中，简单来讲，就是大的类别分开，同一类别下不必按原来的顺序放置，可以把新书、阅读量大的书放在最显眼的位置，在借书的过程中也可以任意改变它的位置，目的就是方便借阅。通过读者不断的筛选，很快就能分别开受欢迎的书和受冷落的书，图书馆也可将其作为下次购书的参考。而这一排架方式必须以图书定位系统为基础，如果没有图书定位系统，此种排架方法势必混乱不堪，根本无法确定图书的位置。（二）改进型的图书借阅方式。现在的自动借书机都安排在出口附近，一旦人员密集，比如下课时分，很容易出现排队借书的情况。另一方面，读者还书后往往是把书放在借书机旁边的书架上，这些书最后还需要工作人员一一送回原处，这是一件

37、很繁琐的事情。将本系统进行改进，可以实现在每一个书架都可以借书，在每一个书架都可以还书（还书仅适用于上一条所述的新型排架方法），这样完全解放了工作人员，大大发挥了读者的能动性，给图书馆营造了良好的氛围。其中，借书依靠每个书架的RFID即可完成，方法是扫描想借的书和本人的学生卡，操作步骤可以和原来的借书机完全相同。还书需要读者至少找到该书所属的大类，然后在任意一个有空位的书架扫描书本，放好位置即可。（三）对某些区域做人流量统计。如果图书馆有此方面的需要，可以在需要做流量统计的地方安置超高频RFID装置，通常学校的读者都会随身携带学生卡，此学生卡经过RFID的扫描区域时便会被读取，当然，读者的隐私

38、不会泄露，读取到的只是该学生卡的标签号码，并无实际意义。用此方法记录该区域经过的人流量，既方便又安全。第四章 Zigbee节点设计4.1 Zigbee通讯技术4.1.1 概述Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、高数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，Z

39、igBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee网络中的设备可分为协调器(Coordinator)、汇聚节点(Router)、传感器节点(EndDevice)等三种角色。图4-1 Zigbee商标与此同时，中国物联网校企联盟

40、认为：Zigbee作为一种短距离无线通信技术，由于其网络可以便捷的为用户提供无线数据传输功能，因此在物联网领域具有非常强的可应用性。图4-1是Zigbee的宣传图片。4.1.2 特性（1）低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作624个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。（2）低成本。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。（3）低速率。Zi

41、gBee工作在20250kbps的速率，分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。（4）近距离。传输范围一般介于10100m之间，在增加发射功率后，亦可增加到13km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。（5）短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要310s、WiFi 需要3 s。（6）高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点

42、管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。（7）高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单(Access Control List, ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。（8）免执照频段。使用工业科学医疗(ISM)频段，915MHz（美国）868MHz（欧洲），2. 4GHz（全球）。4.1.3 组网通信方式ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事，举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个Zig

43、Bee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会图4-2 Zigbee网络发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就是自组织网。图4-2展示了Zigbee的组网方式。网状网通信实际上就是多通道通信，在实际工业现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为车祸，道路维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于我们有多个通道，车辆（相当于我们的控制数据）仍然可以通过其他道路到达

44、目的地。而这一点对工业现场控制而言则非常重要。4.2 Zigbee无线网络在本系统中的应用4.2.1 Zigbee选型目前的基于ZigBee的硬件平台方案主要分为三大类，一种是基于MCU加上射频IC构成的组合方案，例如MSP430单片机加上TI的CC2420芯片构成的ZigBee硬件平台，这属于第一代的ZigBee硬件方案；第二种的ZigBee方案的发展趋势是将射频与处理器结合构成单芯片组的模式，关于ZigBee的开发部分都在一块芯片上完成。第三种方案是单芯片集成内置ZigBee协议栈及外挂存储芯片模式。目前市场上主要ZigBee芯片提供商（2.4GHZ），主要有Chipcon（已被TI收购）

45、、EMBER（已被ST收购）、JENNIC（捷力，已被NXP收购）、Freescal、ATMEL和MICROCHIP五家。ZigBee技术的提供方式三种常用方案有:（1）ZigBeeRF+MCU:例如:TI的CC2420+MSp430、Freescal的MC13XX+eT60MICROCHIP的MJ2440+PIC 4620等。（2）单芯片集成的SoC如:TI的CC2430/CC2431(8051内核)、FREESCALE、MC1321X、EM250等。（3）单芯片内置ZigBee协议栈+外挂芯片：JENNIC SoC+EEPROM、EMBER260+MCU等。目前市场上可用的基于2.4GHz

46、的ZigBee方案比较多，TI、Freescal、Atmel、NXP等都有推出自己的成熟产品，现针对一些主流的芯片的相关参数进行比较。表4-1所示为目前主流的ZigBee单芯片方案的主要参数比较。表4-1目前主流ZigBee单芯片方案比较各厂商及芯片型号Jennic（NXP）(JN5148)TI（Chipcon） (CC2530)Freescal (MC13192)EMBER(EM260)ATMEL(LINK-23X)ATMEL(Link-212)工作频率（Hz）2.42.485G2.42.485G2.42.485G2.42.485G2.42.485G779928M频段数16161616164

47、无线速率（Kbit/s）2502502502502502000201000发射功率（dBm）+2.5+4.5+3.6+3+3+10接收灵敏度（dBm）-97-97-92-97-101-110最大发射电流（mA）15353537.52130最大接收电流（mA）18244241.52014休眠电流（uA）0.21110.280.5工作电压范围（V）2.03.62.03.62.03.42.13.61.83.61.83.6硬件自动CSMA-CA有有无无有有硬件自动帧重发有无无无有有硬件自动帧确认有无无无有有硬件自动地址过渡有有无无有有硬件FCS计算功能有有有有有有硬件清除无线通道确认有有无无有有硬件R

48、SSI计算功能有有有有有有硬件AES/DES有有无无有有硬件开放度不开放部分开放部分开放部分开放全开放全开放图4-3 JN5148模块实物图通过上表可以看出，Jennic公司的JN5148模块具有在同类方案中的最小的工作功率、最小的发送电流和最小的休眠电流。JN5148在功耗的需求方面具有非常大的优势，为此，综合考虑本系统的需求，选用了JN5148作为硬件平台。图4-3为JN5148的实物图。4.2.2 Zigbee节点设计在本系统中，为每一个书架配备一个JN5148模块，并为它们编号1n分别对应RFID节点的1n。第二章中的图2-1已经很好了表述了这个设计方案。在第三章中详细论述了RFID节

49、点的结构和功能，在RFID节点的基础上，将Zigbee节点与RFID节点的单片机连接起来，把单片机处理好的数据通过JN5148发送出去。每一个书架上的Zigbee节点既可作为终端，又可作为路由器。考虑到每个JN5148的无线传送距离最大可以达到100米，在一个图书馆中，这样的距离在各个路由器之间连接已经足够。而且Zigbee的无线传输受墙壁阻碍很小，信号质量几乎不会减弱，如果图书馆的地形比较复杂，可以考虑在关键地区增加路由器节点，保证信号完整的传输路径。4.2.3 Zigbee节点与其它模块的数据沟通本系统设计单片机与JN5148模块进行串行通信。在实时定位过程中，当单片机处理完其所采集到的所

50、有数据后，将通过串行总线把数据信息发送给JN5148，后者再把数据信息向外传输，最终到达图书馆服务终端。当Zigbee节点作为路由器并开启路由功能时，一旦接收到其它节点发送来的数据信息，将立即向其它方向的路由器节点或协调器传递这些信息。在图书馆服务终端，一个或多个协调器通过串口转USB连接到PC，大量的图书信息都将通过这些协调器传入电脑，在电脑做适当的处理后更新图书馆数据库，读者便可通过网页查询到此时正确的图书信息。4.3 问题与改进措施图书馆实时定位系统的管理对象是整个图书馆，这是一个大型的管理对象，空间跨度大、信息数量大，而且对信息的准确度要求高。本系统中Zigbee节点采用的是网状拓扑结

51、构，即所有节点都作为路由器节点，接收四面八方的信息并把信息发送给周围的设备。这样做不免会出现数据冗余的情况，而且信息最终传递到协调器的路径可能不是最短途径。针对这些问题，考虑采取以下的解决办法：（一）把路由器节点变为终端节点，只向外发送信息，不接收信息，削减这些节点的工作量。（二）设置几个固定位置的节点作为路由器节点，考虑数据量过大的问题，可以选取更高性能的Zigbee模块，以保证数据的准确传输。（三）采用树形拓扑结构，从终端到协调器只有一条路径，并且可按照人的意义设计它途径的路线，大大简化了数据的传输流程。第五章 可行性分析5.1 概论本章以前面论述的“基于超高频RFID的图书实时定位系统”

52、为分析对象，从供求预测、技术论证、经济分析三个方面研究该项目的可行性，并最终得出结论。5.2 供求预测图书馆行业从过去的闭架管理到如今的开架借书，正在一步步地朝着更加方便、更加易用、更满足读者需求的方向发展。而它今后的发展方向也一定是沿着这条道路，让人们在图书馆看书借书成为一种享受。借书者以年轻人为主，而年轻人对新科技的热情是最高涨的，当图书馆实现实时定位系统后，再辅以美观、大气的客户端访问页面，一定会受到广大读者青睐。另一方面，图书馆的发展总要跟随科技的进步，新科技的出现往往带来新的管理模式和新的需求。如今无线射频技术的广泛应用已经渗入图书馆的方方面面，而我们做的就是让这个技术在更深的层面上

53、与图书馆融为一体，在每个细微的部分服务读者。所以，从图书馆需求上来说，该系统是完全有必要的。5.3 技术论证在技术层面上，本系统主要应用了超高频RFID技术和Zigbee无线网络技术，而这两项技术恰恰是当前发展最为迅猛的技术，它们正在悄悄改变我们生活。RFID射频技术已经无处不在，从公交卡到学生卡，再到食品、畜牧业的生产流程，人们通过RFID记录生产生活的方方面面，而这样一个小小的卡片也改变了我们的生活。超高频RFID技术方兴未艾，还存在着一些问题，但随着科技的进步，这些问题一定会得到解决。Zigbee无线网络技术也是新兴产物，始于2001年，可以说是非常新的产品了。但是它以低功耗、远距离、可组网等特性迅速引起人们的注意。在本系统中，由于图书馆空间及书架摆放的不确定性，使用Zigbee组网可以完美解决数据传输问题，不必使用一根数据线，就能实现大容量的数据传输。如今多个厂家的产品已经琳琅满目，很容易满足我们的需求。5.4 经济分析此处的经济分析以该系统在图书馆运行时所需的维护费用为主，对于一个新产品，创意是最重要的，