基于RFID技术的图书信息采集系统设计本科毕业论文优秀毕业论文.docx
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基于RFID技术的图书信息采集系统设计本科毕业论文优秀毕业论文
ANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY
本科毕业论文
基于RFID技术的图书信息采集系统设计
DesignOfInformationCollectionOfBookBasedonRFIDTechnology
系(院)名称:
计算机科学与信息工程系
专业班级:
05计算机科学与技术(嵌入式)
学生姓名:
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指导教师姓名:
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指导教师职称:
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基于RFID技术的图书管理信息采系统设计
摘要目前,在我国的图书管理工作中,[主要应用条码识别技术,它具有成本低、操作简单的特点,但也存在局限性,如必须人工借助读写设备进行数据的采集,常因条码、阅读器质量发生误读和拒读等问题,影响了借阅效率和服务质量。
射频识别(即RadioFrequencyIdentification,以下简称技术是RFID)是一项利用射频信号通过空间耦合交变磁场或电磁场实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目标的技术。
它将特殊的信息编码写入电子标签,标签被粘贴在需要识别的产品或器件上,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。
无需重新制作新的标签,可重复使用。
本课题设计了一种基于无线射频识别技术的图书馆信息采集系统。
在此设计中采用无线射频识别技术(RFID技术)代替传统图书管理系统使用的条形码+磁条技术,使得非接触的图书信息采集更加快速、准确。
采用RFID技术的图书馆可以对批量借阅或还回的图书进行处理,可以实现瞬间、非接触完成。
由于RFID提供的信息容量大,使用密码技术进行数据交换和可读写,同时具备了条码和磁条技术要求,无须再使用磁条技术,使图书流通更加方便、快捷、安全。
嵌入式RFID图书管理系统可以大大提高图书馆管理的效率。
首先本课题对RFID技术原理做了详细的概述,在此基础上论述了图书馆信息采集系统硬件平台的搭建。
其次本课题在硬件平台上扩展了LCD进行信息显示,FLASH用于存储ASCII码和汉字字库文件,MFRC500用于射频识别等硬件电路,并最终搭建起了系统的硬件平台。
最后本课题参照MFRC500和STC11F32XE提供的数据手册,对下位机软件进行设计分析和编码,以实现微控制器对射频识别芯片的各种操作进行控制。
关键词嵌入式系统STC11F32XE射频识别RS232MFRC500LCD
DesignOfInformationCollectionOfBookWithRFIDTechnology
AbstractPresently,themanagementofChina'sbooks,themainapplicationofbarcodeidentificationtechnology,ithasalowcost,easytooperatefeatures,buttherearealsolimitations,suchastheequipmentmustbemanuallyreadandwritedatathroughthecollection,duetobarcode,thequalityofreadermisreadingoccurredandrefusedtoreadandsoon,affecttheefficiencyandservicequalitytoborrow.RadioFrequencyIdentification(ie,RadioFrequencyIdentification,hereinafterreferredtoastechnologyisRFID)isaradiofrequencysignalthroughtheuseofspacecoupledalternatingmagneticfieldorelectromagneticfieldstoachievenon-contacttransmissionofinformationthroughthemessagetoreachtargetidentificationtechnologies.SpecialinformationwillbeencodedintotheRFIDlabelhasbeenpastedintheneedtoidentifytheproductordevice,thewritetimelessthanprintbarcode;survivaldatalabelpassword-protectedaccess,highersecurity.Noneedtore-createanewlabel,canbereused.
Thedesignofthesubjectofaradiofrequencyidentificationtechnology-basedlibraryinformationcollectionsystem.toreplacethetraditionallibrarymanagementsystemusingbarcode+magneticstripetechnology,thebookmakesnon-contactinformationcollectionmorequicklyandaccurately.TheuseofRFIDtechnologyinthelibrarycanborroworreturnbulkofthebookstodealwith,youcanachieveaninstant,non-contactcomplete.EmbeddedRFIDlibrarymanagementsystemcangreatlyenhancetheefficiencyoflibrarymanagement.
FirstofallthetopicsontheprinciplesofRFIDtechnologyhasdoneadetailedoverview,basedonthisinformationcollectiononthelibrarysystemtobuildthehardwareplatform.
Secondly,theissueinthehardwareplatformfortheexpansionoftheLCDinformationdisplay,FLASHisusedtostoreChinesecharactersASCIIcodeanddocumentation,MFRC500forhardwaresuchasradiofrequencyidentificationcircuit,andeventuallybuildahardwareplatformofthesystem.
Finally,withreferencetothesubjectandMFRC500dataprovidedbySTC11F32XEmanual,thenext-bitsoftwarefordesignanalysisandencoding,inordertoachievemicro-controllerofradiofrequencyidentificationchipstocontrolthevariousoperations.
KeywordsEmbeddedsystemSTC11F32XERFIDRS232MFRC500LCD
引言
RFID技术是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号对静止或移动着的多个目标自动识别,并高效地获取目标信息数据,通过与互联网技术进一步结合还可以实现全球范围内的目标跟踪与信息共享。
识别工作无需人工干预,操作快捷方便,可在各种恶劣环境下工作。
作为条形码的无线版本,RFID技术具有条形码所不具备的非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如、具有防冲突功能、能够同时处理多张卡片等优点[1]。
嵌入式系统不同于一般的PC系统,嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体,具有体积小、性价比高、软件代码小、响应速度快等特点,嵌入式技术已被广泛应用于工业控制、信息家电、交通管理、农业、商业、服务业等各行业,已成为现代电子产品设计的一大领域和方向。
在本课题设计中采用RFID技术代替传统图书信息采集系统中使用的条形码或磁条技术,把RFID技术和嵌入式技术结合起来应用于图书馆信息采集领域是当代数字图书馆的发展趋势,这种技术大大加速了图书流通处理的速度。
由于RFID读写器通过非接触式的无线电波采集图书信息,从而使得非接触式的图书信息采集更加快速、准确。
而且RFID读写器可以同时读取多个RFID标签,这就意味着在进行借入或者借出处理过程中几本书籍可以同时处理,读者查找、归还和借出图书或多媒体资料就更快捷、准确、方便。
第1章概述
射频识别(RadioFrequencyIdentification,简称RFID)技术是自动识别技术的延伸和发展,由于射频识别技术有许多优点,因而已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输管理、货物流通、公共交通、门禁安防、产品防伪等众多领域[2]。
RFID技术利用无线电或雷达技术在阅读器和电子标签之间进行非接触双向数据传输,以达到目标识别和数据交换的目的。
近年来,这种技术在许多领域都得到了快速的普及和推广应用。
RFID技术就图书馆市场来说,RFID所具备的独特优势是其他识别技术无法比拟的,RFID可以让图书馆实现真正的智能化管理,通过RFID技术可以为读者提供简捷迅速的自助式服务,提高图书管理员的工作效率,为图书馆节省人力,为读者提供安全的环境。
可以说RFID系统是图书馆管理系统的发展趋势。
1.1课题研究背景与意义
传统的图书信息采集系统使用的是条形码和磁条技术,借书服务需要读者把借书证和书递给工作人员,工作人员一本本翻开,将条码扫描器对准条码扫描,然后进行消磁,最后再还给读者,速度慢、效率低、容易疲劳。
而RFID则无需类似的步骤,只要读者把证和书放在出纳台的指定区域内即可立刻完成借书和防盗安全位失活任务,书和书之间可以随意叠放,只有碰到赔书、罚款等特殊情况,才需要工作人员干预,同样还书的过程也相应简化。
这样就使得流通工作的速度大大加快,同时减轻了工作人员的工作压力和劳动强度[4]。
另外,自助借书也变得更加方便,并且没有有害的激光,特别适宜儿童的使用。
图书归还后,工作人员首先要进行手工分类,将不同馆址书库的书放在不同的地方,再分别上架。
由于RFID阅读器对于被读取的标签没有位置、方向上的严格要求,而RFID标签又可记录馆藏地点等信息,这使得自动分类设备的使用成为可能,只要把书放在传送带上通过一个RFID阅读器,自动分类设备即可根据标签中的有关信息把不同地点位置的书分发到不同的位置,这就大大方便了上架,加快了图书流通速度。
RFID还有助于图书馆的安全防范。
常规磁条只能报警,而RFID不但能够报警,还可以立即在屏幕上显示被盗书刊的有关信息,如果此人带着RFID借书证的话,其个人情况也将一并反映在LCD上[5]。
由于RFID大大提高了工作效率,减少了许多重复的手工劳动,从而节约了大量的人力,将使图书馆中占大多数的从事传统服务的图书馆员告别长期简单、繁琐的低层次的工作方式,使得他们可以投入到更深层次的咨询等读者服务工作中去,这将从整体上改善图书馆的形象并提高服务质量。
从以上所述,将RFID图书管理系统的图书流通及安全处理方式与传统图书管理系统对比如表1-1所示:
表1-1图书流通及安全处理方式比较
处理方式
条码+磁条
RFID(读/写)
读取登录号
找到条码读取
在机器上可读取
借书后处理
需要消磁处理
机器上自动写入已外借
还书后处理
需要上磁处理
机器上自动写入已归还
自动借书功能
不能处理磁性媒体
能处理所有馆藏
自动还书功能
需读者手动操作
可自动处理所有馆藏
馆外还书
不可行
可行
盘点功能
每一本都需读取条码
书架上横移阅读器读取
防盗功能
电磁波侦测门,不稳定
射频识别,较稳定
本课题正是基于这种背景提出来的,选用STC11F32XE为核心微处理器,在其外围扩展了LCD、Flash、MFRC500等硬件电路,并扩展了字库能够显示ASCII字符和汉字。
可以通过串行口发送采集的图书信息到上位机软件进行借入,借出管理操作。
嵌入式RFID图书管理系统加速了流通处理的速度。
RFID标签通过非接触方式采集信息,这样就简化了资源的处理手续,加速了工作处理,使得流通变得更加快速,简单和准确,处理过程高度自动化。
RFID阅读器可同时读取多个RFID标签。
这就加速了流通业务的过程,就意味着在进行借入或者借出处理过程中几本书籍可以同时处理,读者归还和借出图书或多媒体资料更方便、快捷。
读者智能自动借还书和柜台借还书相结合。
读者可以通过自助借阅工作站,在系统提示和帮助下自行完成书籍的借出操作,也可以来到前台,由工作人员通过流通工作站完成书籍的借出操作。
同时,通过智能还书口和自动分拣系统的配合,读者可以随时很方便地从还书口归还书籍。
1.2嵌入式系统的发展现状
嵌入式技术是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物。
随着信息化、智能化、网络化的发展,嵌入式技术广泛应用于工业控制、信息家电、交通管理、农业、商业、服务业等各行业,已成为现代电子产品设计的一大领域和方向。
同时在计算机领域里面,微型化和专业化成为了发展的新趋势,同样也需要嵌入式系统的支持。
因此,研究嵌入式系统有着相当重要的理论和实际意义。
1.3国内外RFID技术的发展现状
RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写,即射频识别,是非接触式自动识别技术的一种。
它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。
RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。
完整的RFID系统由电子标签(Tag)和射频信号读写器(Reader)以及后台应用系统所构成。
而电子标签由微型半导体芯片及印刷天线组成。
它可以存储需要识别传输的信息,并具有智能读写及加密通信的能力。
根据最终使用环境的要求,可以做成薄如纸张的标签方式,亦可以“卡”、筹码等多种形式出现。
当标签进入磁场区域后,接收到读写器发出的信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的标签信息;读写器读取信息并译码后,送至中央信息系统进行有关的处理,但在实际应用中需要其它的软硬件支持[8]。
RFID技术主要应用在车辆的自动识别、高速公路收费及智能交通系统(ITS)、门禁控制,电子钱包、电子票证、货物跟踪、动物跟踪及管理、容器识别等方面,不胜枚举。
RFID产品种类也很多,像TI、Motorola、Philips、Microchip等世界著名厂家都生产RFID产品,并且各有特点,自成系列。
RFID已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域,例如汽车或火车等的交通监控系统、高速公路自动收费系统、物品管理、流水线生产自动化、门禁系统、金融交易、仓储管理、畜牧管理、车辆防盗等。
随着成本的下降和标准化的实施,RFID技术的全面推广和普遍应用将是不可逆转的趋势。
在可以预见的时间内,RFID标签将得到高速发展。
目前,RFID标签和条形码适用于不同的场合,条形码适合售价极低的商品,而RFID适合于价格较高或多目标同时识别的场合环境。
当RFID标签的价格进一步降低后,RFID标签将是条形码的最终替代者。
1.4课题的主要工作内容
本课题是基于STC11F32XE和RFID技术的研究和应用,以安阳工学院图书馆信息采集系统为实际开发背景,在分析软、硬件设计相关理论和实现的相关技术基础上,对现行图书馆信息采集系统进行了详细的分析。
根据分析结果对系统的硬件结构、软件结构进行了详细设计,最终对采集系统进行了实现,对系统调试过程和测试做了说明,并对系统的实施及运行情况进行了评价。
本文的主要内容分为六章,各章主要内容如下:
第一章对课题研究背景与意义、国内外RFID技术的发展现状、嵌入式系统的发展现状以及RFID技术在图书馆应用现状做了详细概述。
第二章介绍了RFID技术原理、RFID电子标签的原理结构概述。
第三章详细介绍图书馆信息采集系统的硬件设计过程。
第四章详细介绍图书馆信息采集系统的下位机软件设计。
第五章通过串口调试助手进行软硬件测试。
第六章对全文工作进行了总结。
第2章RFID技术及应用概述
2.1概述
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术,可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。
早期应用于军方武器和后勤管理上,后来逐步民用。
主要特点是:
读取速度快,可批量读取数据;穿透性强,可隔障识别;标签具有体积小、容量大、寿命长、可加密的特点。
2.1.1RFID系统的构成
射频识别系统通常由电子标签(E-Tag)、读写器(Reader)、天线(Antenna)三部分组成。
(1)电子标签。
电子标签存储着需要被识别物品的相关信息,通常被放置在需要识别的物品上,它所存储的信息通常可被射频读写器通过非接触方式读写获取。
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的标签叫无源标签或被动标签(PassiveTag),可以主动发送某一频率信号的标签叫有源标签或主动标签(ActiveTag)。
(2)读写器。
读写器是可以利用射频技术读写电子标签信息的设备。
读写器读出的标签信息可以通过计算机以及网络系统进行管理和传输。
(3)天线。
天线是RFID系统接收和发送能量的重要部分。
2.1.2RFID技术的基本工作原理
RFID系统的工作原理如下:
读写器将要发送的信息,经编码后加载在某一频率的载波信号上经天线向外定向发送,当电子标签(又叫应答器)进入读写器的有效工作区域时,接收到由读写器发送的电磁波,并将其转换、整流为电能,
图2-1RFID的基本工作原理图
储存到自身携带的电容中,然后无源电子标签利用已储存的电能作为能量,对读写器发来的信号进行调制、解码、解密,然后对命令请求、密码、权限等进行判断。
若为读命令,控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息,经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给阅读器,阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理;若为修改信息的写命令,有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压,对EEPROM中的内容进行改写,若经判断其对应的密码和权限不符,则返回出错信息。
2.2MifareOne非接触式电子标签
本课题用的非接触式电子标签是PHILIPS公司的MifareOne射频标签,当然,针对不同的应用系统,可以由电子标签生产厂家具体生产定制。
2.2.1MifareOne电子标签的工作原理
电子标签的工作原理基本上和读写模块的工作原理基本相似,只不过它是一个高度集成的芯片,体积很小,而且电子标签内没有电源。
电子标签通过内部的一个LC串联谐振电路接收读写器发来的固定频率的电磁波,在电磁波的激励下,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储存,当所积累的电荷达到2V时,此电容可作为电源为其它电路提供工作电压,将电子标签内数据发射出去或接收读写器发送的数据[14]。
2.2.2MifareOne电子标签的存储结构
当今世界上非接触式IC智能电子标签中的主流主要为PHILIPS公司的Mifare技术,已经被制定为国际标准:
ISO/IEC14443TYPEA标准[6]。
MifareOneIC电子标签采用先进的芯片制造工艺制作,内建有高速的CMOSEEPROM,MCU等。
电子标签上除了IC微晶片及一副高效率天线外,无任何其他元件。
电子标签上无源(无任何电池),工作时的电源能量由读写器发送无线电载波信号耦合到电子标签天线上而产生电能,供电子标签上IC工作,工作频率13.56MHz。
电子标签标准操作距离为100mm,与标签读写器的通信速率高达106Kb/s。
MifareOneIC电子标签上具有先进的数据通信加密并双向验证密码系统;且具有防重叠功能。
电子标签制造时具有唯一的标签序列号。
电子标签上还内建有增值/减值的专项的数学运算电路,典型的通信交易时间最长不超过100ms(包括标签的认证,扇区的读写操作)。
电子标签上的数据读写可超过10万次以上;数据保存期可达10年以上,且电子标签抗静电保护能力达2KV以上[7]。
MifareOne电子标签上内建1KBEEPROM存储器,分为16个扇区,每个扇区由4块组成,每块16个字节,每个扇区可由多种方式的密码管理,可以将16个扇区的64个块按绝对地址编号为0~63。
第0扇区的块0(即绝对地址0块),它用于存放卡序列号和厂商代码,已经固化,不可更改。
每个扇区的块0、块1、块2为数据块,可用于存贮数据。
每个扇区的块3为控制块,包括了密码A、存取控制、密码B。
每个扇区的密码和存取控制都是独立的,可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。
存取控制为4个字节,共32位,扇区中的每个块(包括数据块和控制块)的存取条件是由密码和存取控制共同决定的,在存取控制中每个块都有相应的三个控制位,三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制的字节中,三个控制位决定了该块的访问权限[8]。
电子标签中的其他扇区由于有其各自的密码,因此不能对其进行进一步的操作,如想对其他扇区进行操作,必须完成各自的密码认证过程。
认证过程中的任何一环出现差错,整个认证将告失败,必须从新开始。
如果事先不知电子标签上的密码,则由于密码的变化可以极其复杂,因此靠猜测密码而想打开电子标签上的一个扇区的可能性几乎为零。
[9]如果遗忘某一扇区的密码,将使该扇区中的数据不能读写,没有任何办法可以挽救这种低级错误。
但是,电子标签上的其他扇区可以照样使用,这充分地说明了MifareOne电子标签的高度安全性,保密性。
表2-1MifareOne非接触式IC标签的存储结构[7]
扇
区
0
块0
卡序列号和厂商代码
数据块
0
块1
数据块
1
块2
数据块
2
块3
6字节密码A
4字节存取控制位
6字节密码B
控制块
3
扇
区
1
块0
数据块
4
块1
数据块
5
块2
数据块
6
块3
6字节密码A
4字节存取控制位
6字节密码B
控制块
7
∶
∶
∶
扇
区
15
0
数据块
60
1
数据块
61
2
数据块
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