張海濤，胡志朋

(南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210003)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新科技產(chǎn)品在人們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅藦V泛應(yīng)用，尤其是通信技術(shù)在很大程度上影響著人們的生活[1]。例如高校圖書(shū)館座位資源的有效利用一直是高校管理的一個(gè)主要問(wèn)題。傳統(tǒng)的采用人工管理方式、刷卡方式的圖書(shū)館座位管理系統(tǒng)，存在不夠靈活、系統(tǒng)管理存在漏洞等問(wèn)題，因此采取信息化管理是必要的趨勢(shì)[2]。而高速發(fā)展的信息通信技術(shù)為解決這一問(wèn)題提供了很好的技術(shù)支持。

近年來(lái)，提出了不少信息系統(tǒng)管理方法，如基于微信公眾平臺(tái)的座位預(yù)約系統(tǒng)[3]、基于NFC技術(shù)的圖書(shū)館座位管理系統(tǒng)[4]、基于GIS技術(shù)的高校圖書(shū)館座位管理系統(tǒng)[5]等。文獻(xiàn)[3]提出的通過(guò)微信公眾平臺(tái)的座位預(yù)約系統(tǒng)讓學(xué)生可以通過(guò)微信公眾號(hào)進(jìn)行圖書(shū)館座位的預(yù)約，方便快捷，便于管理。但是該系統(tǒng)依然存在座位使用時(shí)間不夠靈活，沒(méi)有臨時(shí)離座的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)過(guò)分依賴(lài)移動(dòng)端等問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]提出的基于NFC技術(shù)的圖書(shū)館座位管理系統(tǒng)與微信公眾平臺(tái)的座位預(yù)約系統(tǒng)類(lèi)似，相比于前一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了學(xué)生暫離座位造成不必要麻煩的問(wèn)題，但是同樣存在預(yù)約在座時(shí)間造成的座位使用時(shí)間不夠靈活的問(wèn)題。此外，該系統(tǒng)的核心是NFC技術(shù)，然而現(xiàn)在市面上的手機(jī)支持NFC功能的并不在多數(shù)，這就會(huì)給學(xué)生造成很大的困擾。文獻(xiàn)[5]中基于GIS技術(shù)的高校圖書(shū)館座位管理系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了一種將地理信息與圖書(shū)館座位信息結(jié)合的圖書(shū)館管理系統(tǒng)，方便學(xué)生查詢(xún)和找到空閑座位。但是該系統(tǒng)并不能很好地解決對(duì)于惡意占座，暫離座位的情況。

隨著無(wú)線傳感、無(wú)線傳輸以及嵌入式設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，使得開(kāi)發(fā)具有自動(dòng)、實(shí)時(shí)查詢(xún)監(jiān)控功能的智能化圖書(shū)館座位管理系統(tǒng)變得可行。因此，結(jié)合超聲波傳感技術(shù)、藍(lán)牙無(wú)線傳感器以及微型計(jì)算機(jī)，文中設(shè)計(jì)了一套具有實(shí)時(shí)監(jiān)控和查詢(xún)圖書(shū)館座位信息的管理系統(tǒng)。藍(lán)牙技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)近距離的無(wú)線連接，為移動(dòng)通信設(shè)備提供通信鏈路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)近距離信息設(shè)備資源的共享[6-7]。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。

超聲波傳感器具有成本低、安裝維護(hù)方便、體積小、可以較好地實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等特點(diǎn)[8-10]。因此，提出的基于Arduino單片機(jī)[11-15]并結(jié)合超聲波和藍(lán)牙無(wú)線傳感技術(shù)[16]的圖書(shū)館座位信息管理系統(tǒng)具有切實(shí)可行的基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

建立的基于超聲波和藍(lán)牙無(wú)線傳感技術(shù)的圖書(shū)館座位管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)控三部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集部分，使用超聲波傳感模塊自動(dòng)探測(cè)座位使用狀態(tài)、按鍵控制模塊設(shè)定臨時(shí)離開(kāi)座位狀態(tài)、LED模塊顯示座位當(dāng)前使用狀態(tài)。數(shù)據(jù)傳輸部分，使用藍(lán)牙傳輸模塊將數(shù)據(jù)采集部分獲取的座位狀態(tài)信息，從發(fā)送端無(wú)線傳輸?shù)浇邮斩?，并使用網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊進(jìn)一步通過(guò)有線方式傳遞到局域網(wǎng)中。實(shí)時(shí)監(jiān)控部分，接收數(shù)據(jù)傳輸部分傳遞過(guò)來(lái)的座位狀態(tài)信息，并使用網(wǎng)頁(yè)對(duì)座位狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

1.1 功能模塊設(shè)計(jì)

1.1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集部分主要包括3個(gè)模塊，分別為L(zhǎng)ED顯示模塊、超聲波傳感模塊以及按鍵計(jì)時(shí)模塊。LED顯示模塊使用LED燈表示座位被使用的3種狀態(tài)：“亮”代表無(wú)人，“閃爍”代表暫時(shí)離開(kāi)，“暗”代表有人。為防止LED燈“亮”對(duì)使用座位人員(學(xué)生)造成的干擾，因此使用LED燈“暗”代表有人。利用超聲波傳感模塊雙程傳播時(shí)間(time of flight，TOF)來(lái)測(cè)量超聲波發(fā)射器與被探測(cè)物體之間的距離。其有效探測(cè)距離為2～450 cm，有效探測(cè)角度為0～15 度。如果距離超聲波發(fā)射器在設(shè)定的空間范圍內(nèi)檢測(cè)到有人存在，則LED顯示模塊的LED燈“暗”，否則LED燈“亮”。按鍵計(jì)時(shí)模塊用于區(qū)分“暫時(shí)離開(kāi)”和“離開(kāi)”的狀態(tài)。當(dāng)座位使用者需要短暫離開(kāi)時(shí)，其只需按下按鍵，LED燈即開(kāi)始“閃爍”，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)。通常計(jì)時(shí)時(shí)間設(shè)置為30分鐘，在此時(shí)間內(nèi)，LED燈將一直“閃爍”，直至有人回到座位。若30分鐘后，仍然沒(méi)有人回到座位，則LED燈停止“閃爍”、變“暗”，座位回歸無(wú)人狀態(tài)。此時(shí)，該座位可被其他人使用，管理人員如果看到該座位有“占座”的書(shū)籍等，可以將書(shū)籍等轉(zhuǎn)移到指定地點(diǎn)。

1.1.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸部分主要包括藍(lán)牙傳輸模塊、有線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和LED顯示模塊。藍(lán)牙傳輸模塊分為發(fā)送端和接收端。發(fā)送端和接收端的角色通過(guò)使用串口調(diào)試的AT指令進(jìn)行設(shè)置。發(fā)送端通過(guò)發(fā)射藍(lán)牙無(wú)線信號(hào)，將數(shù)據(jù)采集部分獲取的座位狀態(tài)信息無(wú)線傳輸給接收端。在實(shí)際應(yīng)用中，藍(lán)牙傳輸模塊的發(fā)送端集成于數(shù)據(jù)采集部分、安裝每個(gè)座位上，而藍(lán)牙傳輸模塊的接收端集成于數(shù)據(jù)傳輸部分、安裝在每個(gè)房間。系統(tǒng)使用的HC-05藍(lán)牙模塊的有效傳輸距離為10 m左右，可以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集部分?jǐn)?shù)據(jù)的無(wú)線傳輸需求。有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖饔檬峭ㄟ^(guò)有線網(wǎng)絡(luò)，將藍(lán)牙傳輸模塊接收端的數(shù)據(jù)高速傳遞到局域網(wǎng)絡(luò)。LED顯示模塊則將數(shù)據(jù)采集部分獲取的信息，在數(shù)據(jù)傳輸部分進(jìn)行直觀顯示。該模塊的狀態(tài)信息與數(shù)據(jù)采集部分的LED顯示模塊會(huì)保持一致。

1.1.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)控部分只有一個(gè)模塊即網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)顯示模塊，學(xué)生或者圖書(shū)館管理員使用PC、PDA或者智能手機(jī)等智能終端采用有線(或無(wú)線)方式接入局域網(wǎng)，在瀏覽器上輸入局域網(wǎng)服務(wù)器的IP地址后，可分別對(duì)圖書(shū)館座位的使用狀態(tài)信息進(jìn)行查詢(xún)和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)工作流程

該系統(tǒng)根據(jù)硬件電路和需要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。

具體功能流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程

當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，超聲波模塊開(kāi)始探測(cè)座位前是否有人，如果有人，則LED顯示模塊的燈熄滅；如果沒(méi)有人，則LED顯示模塊的燈亮。當(dāng)學(xué)生臨時(shí)有事需要離開(kāi)，則需要按下按鍵模塊的按鍵，沒(méi)有按下按鍵離開(kāi)LED燈會(huì)點(diǎn)亮，表示無(wú)人使用；按下按鍵，LED燈進(jìn)入閃爍狀態(tài)，表示暫離狀態(tài)，同時(shí)30分鐘計(jì)時(shí)器開(kāi)始工作，如果超過(guò)30分鐘還沒(méi)有人回來(lái)LED燈就會(huì)點(diǎn)亮，表示無(wú)人占座；如果在30分鐘之內(nèi)超聲波檢測(cè)到有人回來(lái)，則LED燈將由閃爍狀態(tài)轉(zhuǎn)化為熄滅狀態(tài)。藍(lán)牙接收端接收到的信息最終會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端，實(shí)時(shí)顯示座位的狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊采用Arduino UNO R3硬件開(kāi)發(fā)板對(duì)超聲波模塊、LED顯示模塊、按鍵計(jì)時(shí)模塊以及藍(lán)牙傳輸模塊的發(fā)送端進(jìn)行集成，其中超聲波模塊選用HC-SR04，藍(lán)牙傳輸模塊的發(fā)送端選用HC-05，整個(gè)數(shù)據(jù)采集部分依靠Arduino硬件開(kāi)發(fā)板的USB接口或16VDC輸入接口進(jìn)行供電。

數(shù)據(jù)采集部分的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，電路連接原理如圖3所示。

HC-SR04超聲波模塊的GND引腳，Echo引腳，Trig引腳，VCC引腳分別連接到Arduino硬件開(kāi)發(fā)板的GND端口，數(shù)字5端口，數(shù)字6端口以及電源5 V端口。LED顯示模塊的正極長(zhǎng)引腳連接到Arduino硬件開(kāi)發(fā)板的數(shù)字7端口，負(fù)極短引腳連接到電源GND端口(需串聯(lián)220 Ω電阻)。按鍵計(jì)時(shí)模塊的引腳1，2，3分別連接到Arduino硬件開(kāi)發(fā)板的電源5 V端口，數(shù)字8端口，電源GND端口。HC-05藍(lán)牙傳輸模塊的發(fā)送端的VCC引腳連接到Arduino硬件開(kāi)發(fā)板的電源5 V端口，GND引腳連接到電源GND端口，發(fā)送端的TX_5V引腳連接到數(shù)字RX0端口，RX_5V引腳連接到數(shù)字TX1端口。

圖3 數(shù)據(jù)采集部分的原理

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊包含了藍(lán)牙傳輸模塊的接收端、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊以及LED顯示模塊。與Arduino硬件開(kāi)發(fā)板進(jìn)行集成，其中藍(lán)牙傳輸模塊的接收端選用HC-05，網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊選用W5100。

數(shù)據(jù)傳輸部分的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，硬件連接原理如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸部分的原理

HC-05藍(lán)牙傳輸模塊的接收端的VCC引腳，GND引腳，TX_5V引腳，RX_5V引腳分別連接到Arduino硬件開(kāi)發(fā)板的電源5 V端口，GND端口，RX0端口以及TX1端口。LED顯示模塊的負(fù)極短引腳連接到Arduino硬件開(kāi)發(fā)板的電源GND端口，LED顯示模塊的正極長(zhǎng)引腳連接到Arduino硬件開(kāi)發(fā)板的數(shù)字12端口(需串聯(lián)220 Ω電阻)。

2.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊

實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊包括W5100網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和終端顯示兩部分。電路連接原理如圖5所示。

圖5 實(shí)時(shí)監(jiān)控部分的原理

W5100網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊與Arduino硬件開(kāi)發(fā)板的連接：W5100網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的數(shù)字端口(DIGTAL PWM(/)的2 3/ 4 5/ 6/ 7 8 9/ 10/ 11/ 12 13 TX→1 0→RX)的引腳線，AREF、GND引腳線，6個(gè)ICSP引腳線，模擬端口(ANALOG IN A0 A1 A2 A3 A4 A5)的引腳線，RESET端口的引腳線分別插入Arduino UNO硬件開(kāi)發(fā)板數(shù)字端口(2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 TX 1 RX 0)的引腳孔，REF、GND引腳孔，ICSP引腳孔，模擬端口(ANALOG IN 0 1 2 3 4 5)引腳孔，RESET端口引腳孔。

實(shí)時(shí)監(jiān)控部分的終端使用PC、PAD或者智能手機(jī)等設(shè)備有線(或無(wú)線)接入W5100局域網(wǎng)，在瀏覽器上輸入局域網(wǎng)服務(wù)器的IP地址后，即可對(duì)座位的使用狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖6是實(shí)時(shí)監(jiān)控終端的頁(yè)面顯示圖，其中第一張圖表示1號(hào)座位已經(jīng)有人占用，此時(shí)通過(guò)串口監(jiān)控工具可以看出，數(shù)據(jù)采集部分向串口發(fā)送數(shù)字0。第二張圖表示1號(hào)座位為空閑狀態(tài)，串口監(jiān)控工具顯示數(shù)據(jù)采集部分向串口發(fā)送數(shù)字1。第三張圖表示1號(hào)座位有人且為暫離狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集部分向串口發(fā)送數(shù)字2。

圖6 實(shí)時(shí)監(jiān)控終端頁(yè)面顯示

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集部分的程序代碼實(shí)現(xiàn)，采用Arduino IDE作為程序集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，定義inputPin為超聲波輸入數(shù)字口，outputPin為超聲波輸出數(shù)字口，led為led燈的數(shù)字口，button為按鈕的數(shù)字口，sittingtime為在座時(shí)延，unseattime為離座時(shí)延。collectionSetup()方法初始化開(kāi)發(fā)板的狀態(tài)具體代碼如下：

1.void collectionSetup()

2.{pinMode(inputPin,INPUT);

3.pinMode(outputPin,OUTPUT);

4.pinMode(led, OUTPUT); //led

5.pinMode(button,INPUT);

6.Serial.begin(9600);}

其中2～6行表示分別將超聲波的輸入數(shù)字口置為輸入，超聲波輸出數(shù)字口置為輸出，led數(shù)字口置為輸出，按鍵數(shù)字口置為輸入，設(shè)置開(kāi)發(fā)板的串口波特率為9 600。

采集程序的主體方法為collectionLoop()，在該系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行到結(jié)束運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中，該方法會(huì)一直循環(huán)運(yùn)行，具體代碼實(shí)現(xiàn)如下：

1.voidcollectionLoop() {

2.if(HIGH==digitalRead(button))

3.thirtyminutes();

4.digitalWrite(outputPin,HIGH);

5.delayMicroseconds(10);

6.digitalWrite(outputPin,LOW);

7.int distance=pulseIn(inputPin,HIGH)/58;

8.delay(1000);

9.if(distance>=50) {

10.digitalWrite(led,HIGH);

11.sittingtime=0;

12.unseattime=unseattime+1;

13.if(unseattime>=60){

14.Serial.print('1');

15.unseattime=0;}}}

程序的2～3行表示當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)采集部分的按鍵被按下時(shí)，開(kāi)始調(diào)用30分鐘的計(jì)時(shí)函數(shù)。學(xué)生為暫離狀態(tài)。代碼4～7行通過(guò)對(duì)超聲波模塊設(shè)置高低電位實(shí)現(xiàn)測(cè)距的功能，9～15行表示如果檢測(cè)到超過(guò)50 cm,就點(diǎn)亮Led燈，表示學(xué)生不在座位上，反之則熄滅Led燈，表示該座位已經(jīng)被占用。在這段代碼中間需要添加連續(xù)在座和連續(xù)離座1分鐘的判定代碼，以減少誤判的概率，如代碼13～15所示。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸部分與系統(tǒng)監(jiān)控部分需要設(shè)置Led數(shù)字口為ledpin,設(shè)置MAC地址和ip地址，以及局域網(wǎng)服務(wù)器端口號(hào)，其初始化方法由transmissionSetup()定義，具體代碼如下所示：

1.voidtransmissionSetup() {

2.Serial.begin(9600); 9600

3.while (!Serial) {;}

4.Ethernet.begin(mac,ip);

5.server.begin();

6.Serial.print("server is at");

7.Serial.println(Ethernet.localIP());

8.pinMode(ledpin,OUTPUT); }

傳輸部分的程序的transmissionSetup方法同數(shù)據(jù)采集部分實(shí)現(xiàn)的功能類(lèi)似，都是實(shí)現(xiàn)初始化開(kāi)發(fā)板的各個(gè)變量。設(shè)置串口的波特率為9 600，等待連接的建立，如果Serial為false則在while循環(huán)中一直等待連接的建立。當(dāng)有連接建立時(shí)，通過(guò)第4～5行代碼建立局域網(wǎng)的連接并啟動(dòng)局域網(wǎng)服務(wù)器，第8行代碼設(shè)置Led的數(shù)字口為輸出。

傳輸部分的主要功能代碼以及系統(tǒng)監(jiān)控部分的代碼由transmissionLoop()方法實(shí)現(xiàn)，藍(lán)牙接收端接收到的來(lái)自數(shù)據(jù)采集端藍(lán)牙發(fā)送端的信息，通過(guò)這段程序代碼，從采集端獲取的信息通過(guò)圖像的方式更直觀地反應(yīng)在客戶(hù)端上，具體偽代碼實(shí)現(xiàn)如下：

1.voidtransmissionLoop() {

/**

判斷并建立客戶(hù)端部分代碼省略

**/

2.if(ok) init(client);

3.if(val==‘1’)

client.println(background='green';);

4.else if(val=='0'||val=='2') client.println(background='red'); }

如上述代碼所示，代碼第2行初始化客戶(hù)端的頁(yè)面。代碼3～4行表示當(dāng)接收到傳來(lái)的變量為“1”時(shí)，就將相應(yīng)位置顯示為綠色，表示位置空缺，當(dāng)傳過(guò)來(lái)的變量為“0”或“2”時(shí)就將相應(yīng)的位置顯示為紅色，表示位置已經(jīng)被占用。并且接收端的Led也顯示為相應(yīng)的狀態(tài)。

3.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)

實(shí)時(shí)監(jiān)控部分的代碼，主要用于初始化瀏覽器客戶(hù)端的頁(yè)面，把圖書(shū)館座位信息直觀地反應(yīng)出來(lái)。其初始化方法由init()定義，具體偽代碼如下：

1.void init(EthernetClient client){

2.refreshtime=60s;

3.id='a';

4.for i=0 to 6

5.print blank;

6.document.getElementById('a');

7.if value==1

8.background='green';

9.else

10.background='red'}

代碼的第2行設(shè)定頁(yè)面定時(shí)刷新時(shí)間為1分鐘，第3行指定監(jiān)控的座位的id屬性值，4～5行建立了6個(gè)單元格，表示6個(gè)座位，第6～10行根據(jù)從串口獲取的數(shù)據(jù)，給相應(yīng)屬性值的單元格設(shè)置背景顏色。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)圖書(shū)館座位管理系統(tǒng)存在不夠靈活、系統(tǒng)管理存在漏洞等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型的圖書(shū)館座位管理系統(tǒng)，即基于無(wú)線傳感技術(shù)的微型計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括3個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集圖書(shū)館座位信息，數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)接收端和采集端之間數(shù)據(jù)的傳遞，實(shí)時(shí)監(jiān)控部分可以讓學(xué)生在任何時(shí)候都可以查詢(xún)出圖書(shū)館位置的實(shí)時(shí)信息。相對(duì)于傳統(tǒng)方式具有以下優(yōu)勢(shì)：不依賴(lài)外部環(huán)境，不存在由于學(xué)生忘帶手機(jī)而引起的不能入座，不能在終端進(jìn)行離座操作等問(wèn)題；系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單、易于搭建，控制系統(tǒng)使用方便可靠；用戶(hù)可以通過(guò)PC端和移動(dòng)端實(shí)時(shí)查看圖書(shū)館位置的使用情況，有效解決圖書(shū)館的“占座”問(wèn)題。