图书管理物联网一般结构分析与设计

张郁松 杨文华

（南京信息工程大学图书馆，江苏 南京 210044）

张郁松 女，工程师，硕士在读。

杨文华 女，工程师，本科学历。

1 引言

图书管理系统（也称图书馆管理系统）的主要功能是对图书的采购、编目、检索、统计和流通等环节进行控制管理。图书管理的关键问题是图书的分类标识和存放位置的确定。最早的解决方案是对图书进行馆藏分类编目以规定其存放位置，按照规定位置进行有序排放，然后以卡片记录每种图书的分类和位置等信息。可见，按规定位置有序排放是图书定位的关键。每本图书都具有规定位置和实际位置两种位置信息。规定位置与实际位置必须相符，这样才能实现图书的定位。如果发生“错架”的情况，相关图书的实际位置信息将丢失，图书定位无法实现。这种方式完全依赖于人工操作，其对应系统可称为第一代图书管理系统，第一代系统属于人工系统。基于计算机、条形码以及互联网技术的图书管理系统，实现图书相关信息录入、处理、存储以及远程获取的电子化和自动化，系统呈现分布式结构，是目前普遍采用的技术方案，可称为第二代图书管理系统，第二代系统属于计算机系统。可以看到，第二代系统在实现图书管理高度自动化的同时，人工干预仍然较多，智能化程度低，且延用按照图书规定位置有序排放的定位方案，同样存在着图书编目工作量大、图书归架任务繁重、图书查找不便以及图书错架导致其实际位置信息丢失等明显缺点。随着物联网技术的兴起，为图书馆管理方式的变革提供了现实技术条件，基于物联网技术的智能图书馆的研究逐步开展并走向深入[1-3]。智能图书馆的综合管理系统应包括智能图书管理、智能建筑管理、智能人员管理3大功能。其中基于物联网的图书管理系统将实现图书管理的全面智能化，可称为第三代图书管理系统，属于物联网系统。

将物联网技术应用于图书管理系统，可以打破传统的图书定位方式，无需依赖图书有序排放来获得其实际位置信息，而是通过物联网感知图书的存在及其实际存放位置，形成“馆藏图书动态位置信息表”。这一根本性的变化，使得图书采购、编目、检索、统计和流通等环节的智能化管理成为可能。文献[3]对智能图书馆图书定位问题进行分析研究，给出若干初步的认识和结论。笔者在此基础上进行深入研究，对问题的实质作进一步分析和概括，提出图书管理物联网的一般结构。图书管理物联网是智能图书管理系统的基础结构，也是智能图书馆综合管理物联网的基本模型，对这一问题进行深入研究有重要意义。

2 图书管理物联网需求分析

对于物联网智能图书管理系统，“物—物互联”的概念具体体现为每本馆藏图书与管理中心之间建立联系。智能图书管理系统的各种应用层高级功能的实现，有赖于其基础结构——图书管理物联网的合理设计。因此首先对该网络进行如下需求分析。

①图书管理物联网实现管理中心与每本馆藏图书之间的实时通信连接，对馆藏图书进行实时感知与监测，其中心任务是获取所有馆藏图书的动态位置信息，在管理中心形成馆藏图书动态位置信息表。

馆藏图书动态位置信息表除反映在馆存放图书的实际位置信息之外，还应指明借出图书的去向，即图书的借阅者信息。因此还须结合图书借阅子系统的动态借阅信息，以形成全馆统一的、全息的馆藏图书动态位置信息表。

②图书管理物联网是现有互联网的扩展和延伸。在新的图书管理物联网中，已有的互联网结构无需改动，这样既节省建网成本，体现对旧系统的投资保护，又有利于新旧系统的平滑过渡。

③图书管理物联网须具有分层的网络结构。在已有互联网结构不变的基础上进行扩展和延伸，要求网络具有分层结构。分层结构可提高图书动态位置信息表的刷新速度。分层结构本身是一种结构化、模块化设计，利于设计的简化和可靠性的提高。

④各层网络的通信节点须采用主从式结构[4]。管理中心的通信主站要获得某图书的位置信息，只需召唤该书电子标签中的信息，传输上来的信息中包括阅览室、书架、书架层和区域的地址信息，也就是该图书的动态位置信息。中心主站与图书、图书与图书之间不需对等通信，因此各层网络只需采用主从式结构，即各层网络均有一个主站和众多从站，主站对从站的数据进行轮询召唤。

⑤须明确图书动态位置信息表的实时性，即刷新速度这一重要的性能指标，并据此提出各层网络的通信速率要求。这一指标对网络的设备选型及网络各方面的性能指标都有决定性的影响。

⑥各层网络的软硬件组成须进行结构化与标准化设计。与其他计算机网络或系统一样，结构化与标准化设计利于降低成本、提高可靠性，利于系统维护、系统兼容和升级换代，是系统设计的本质要求[4]。

⑦图书管理物联网作为智能图书管理系统的基础结构，须对其上层应用功能提供简单的、标准的接口，屏蔽自身内部的具体结构与方法，实现上层应用功能与下层基础结构的可靠的、有效的和透明的信息交互。

⑧智能图书管理系统是智能图书馆综合管理系统（包括智能图书管理、智能人员管理和智能建筑管理等功能）的一个组成部分。其基础结构，图书管理物联网，理应是统一的图书馆综合管理物联网的一个基本模型，一个有机的组成。因此设计时，须充分考虑它的开放性，使之易于扩展，以适应系统规模和功能不断增加与拓展的需要。

3 图书管理物联网一般结构设计

基于上述需求分析，图书管理物联网一般结构设计如图1所示。网络采用3层结构，包括：一个“图书管理上层网络”，为第1层子网络；多个“阅览室图书信息传感网”，为第2层子网络；许多“书架图书信息传感网”，为第3层子网络。其中的每一个子网络都是主从式结构，并且同时、独立地运行，主站对各从站进行数据轮询。这样，每本馆藏图书的标识及位置信息经过3层网络传输到上层网络的中心主站。可见，全网规模可以很庞大，但只有上述3种类型的子网络，且以简单的方式分层连接，相互独立运行，十分有利于结构化和标准化设计。以下简述3种子网络的结构和功能。

图1 图书管理物联网一般结构

3.1 书架图书信息传感网

每个书架都设有一个书架图书信息传感网，简称书架网。书架网采用射频识别（RFID）技术[5]，是物联网核心技术与典型特征的体现。该网络包括一个书架网主站，而书架上众多图书的电子标签则是该网络的从站。连接书架网主站与图书电子标签的信道即无线射频信道。

书架网主站由RFID阅读器、数据处理单元和收/发单元组成，其结构如图2所示。

图2 书架网主站结构

RFID阅读器由RFID阅读控制单元和许多探头组成。探头与控制单元以有线方式连接。书架的每层都被分成若干小区域，每个小区域都分配有特定地址码，并安装1个探头。探头就是RFID阅读器的天线，它发出召唤信号时，对应小区域的图书的电子标签即给出应答信号，这样，图书信息被传送到RFID阅读控制单元。RFID阅读控制单元控制所有探头依次发出召唤信号，并将收到的图书应答信息及应答信号强度报告给数据处理单元。应注意到，书架网主站的RFID阅读器有多个探头，以适应书架的多层和每层的多区域划分。这与普通的单一探头RFID阅读器是不同的。

数据处理单元对RFID阅读器读取的图书数据进行处理，根据接收到的图书应答信息，接收信号强度及接收该信号的探头的地址码，可以确定书架上每本图书的精确位置（处在哪一层的哪个小区域），生成“书架藏书动态位置信息表”。因为RFID阅读器不停地轮询采集图书信息，所以，书架藏书动态位置信息表是实时更新的，即书架上藏书或位置一旦有变化，立即反映在该表中。

当收到阅览室网主站的数据召唤命令时，数据处理单元通过收/发单元将书架藏书动态位置信息表数据传送给阅览室网主站。

RFID阅读器设计中需注意两个问题。其一，图书精确定位是通过判断图书电子标签应答信号的强度实现的，因此，探头与电子标签的有效通信距离必须控制，若通信距离超出规定范围，探头将收到其他小区域甚至其他书架上图书的较强的应答信号，给图书的精确定位造成困难。其二，探头发出召唤信号时，将有许多图书同时给出应答，即存在应答信号碰撞问题，防碰撞算法是近年来的研究热点之一，技术已趋成熟。故这一问题可以通过选用高效的防碰撞算法加以解决[6]。

显然，中心站所生成的馆藏图书动态位置信息表的实时性指标，即刷新速度主要取决于每个书架网主站对本书架图书电子标签的读取速度。因为每个书架网独立运行，同时采集图书电子标签的数据，而图书管理上层网络和阅览室网的高速数据传输很容易做到。所以说，虽然图书管理物联网规模庞大，但馆藏图书动态位置信息表的刷新速度却可以很快。

3.2 阅览室图书信息传感网

每个阅览室都设有一个阅览室图书信息传感网，简称阅览室网。该网络由1个阅览室网主站、许多书架网主站以及信道组成，仍采用主从式结构。显然，书架网主站在本网络中处于从站的地位。因此，书架网主站也是上下层网络之间的网关。该网络通过主站轮询的方式实时采集本室所有书架的藏书动态位置信息表，再附加上该阅览室标识，生成“阅览室藏书动态位置信息表”，保存于阅览室网主站。该信息表是一个动态数据库，随时更新，实时地反映本阅览室的藏书及实际存放位置信息。

阅览室网的信道将阅览室网主站与各书架网主站连接起来，实现它们之间的通信。该信道可以采用无线方式，这时，阅览室网就是一个无线传感网，已有的工作方式和通信协议可直接使用，无需重新设计开发。当然，该信道也可以采用有线方式，这时各节点的通信机结构简单，易于实现且成本低廉。

3.3 图书管理上层网络

图书管理上层网络由中心主站和各阅览室网主站组成。同样采用主从式结构。各阅览室网主站在本网中则处于从站的地位。可见，阅览室网主站也是连接上下层网络的网关。

中心主站以轮询方式从各阅览室网主站收集各阅览室藏书动态位置信息表，并结合图书借阅信息（由图书借阅子系统提供），在中心主站生成“馆藏图书动态位置信息表”。该表记录着全馆每一本图书当前的实际位置信息。该信息指明了某本图书或在馆内的某室某书架某层的某区域中，或已借出在某读者手中。而且，图书实际存放位置的变化在表中随时得到反映。

图书管理上层网的信道则使用图书馆局域网总线，因此该网络属于互联网，完全遵循互联网的组网方式及通信协议。原互联网结构无需改动，新的图书管理物联网由原互联网添加阅览室网和书架网扩展而来。互联网属于对等网络，但这并不影响主从式的图书管理上层网的实现。图书管理上层网可以看作在互联网上实现的一个虚拟专用网（VPN）。

4 智能图书管理系统应用层功能特征

以上述图书管理物联网为基础结构的智能图书管理系统，其应用层功能将表现出与传统管理系统显著不同的特征，概述如下。

馆藏图书依靠物联网传感进行定位。原理上，任何图书可以放置在馆内任何位置，动态位置信息表中都有它的实时位置信息，因而可以被迅速查询到。但是，馆藏图书还是有必要按规定位置有序排放，这样做的目的是方便读者浏览同类图书或相关图书，而不是以此确定图书的实际位置信息。图书的规定位置信息可以由中心主站经由阅览室网主站下发到各书架网主站。书架网主站可以开发特定的智能化功能，图书归架时，可提示图书应放位置，对图书错放的情况给出警示，这样会极大方便图书归架工作。

图书电子标签技术普及之后，电子标签的粘贴或置入可直接由图书生产商完成，在其中记录对应的统一书号等相关信息。图书馆的编目只是将图书信息录入系统并规定其馆藏位置，形成相应的数据库，这完全可以借助图书管理物联网以及相应的系统软件自动完成，体现出图书编目的智能化。

图书磁条磁化与消磁的防盗技术，在物联网智能管理系统中没有必要。在图书馆出口处可以设置RFID阅读器对出入馆图书进行自动读取监测，并与馆藏图书动态位置信息表对照，给出指示或告警。

图书检索、统计和流通等环节，借助于图书管理物联网所生成的图书动态位置信息表和其他相关数据库，可以实现高度智能化。

5 结语

笔者对智能图书馆管理系统的基础结构——图书管理物联网进行了分析研究，在需求分析的基础上，依据结构化及标准化设计原则，对该网络的一般结构进行设计，提供了一个实用的参考模型。设计中，充分考虑了新旧系统平滑过渡的需求，强调新系统在原有系统基础上扩展延伸而非推倒重建，为现有图书管理系统向物联网智能系统的逐步演进提供了切实可行的途径。例如，以此结构设计为基础，条形码与电子标签并存是一种可行的过渡方案[7]。另外，针对笔者提出的图书管理物联网一般结构进行了网络仿真研究以及小规模实验验证。仿真及测试结果证明了该一般结构的可行性。综合考虑智能图书管理、智能人员管理以及智能建筑管理诸项功能，进行一般结构分析，构建统一的图书馆综合管理物联网则是下一步的研究工作。

[1] 董晓霞，等.基于物联网的智能图书馆设计与实现[J].图书馆杂志，2011（3）：65-68.

[2] 沈彦君.物联网技术在智能图书馆中的应用[J].国家图书馆学刊，2012（2）：51-54.

[3] 张郁松.物联网智能图书馆图书定位子系统的结构设计[J].图书馆学刊，2012（2）：107-109.

[4] 谢希仁.计算机网络.第5版[M].北京：电子工业出版社，2007.

[5] 周晓光，王晓华，王伟.射频识别（RFID）系统设计、仿真与应用[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[6] 江岸，等.改进的RFID二进制搜索防碰撞算法[J].计算机工程与应用，2009（5）：229-235.

[7]王海燕.以双码并存方式建设高校物联网智慧图书馆的策略分析[J].图书馆学研究，2012（9）：44-49.