劉文伯

（濟(jì)南大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

讀者不能把書放回正確的書架位置是目前開放式圖書館存在的一個(gè)主要問題。 有的人干脆將書隨便插入書架，給后期圖書整理造成了很大困難，需要工作人員逐架排查，浪費(fèi)了大量時(shí)間和精力［1］。 為方便讀者還書，圖書館在各個(gè)角落設(shè)置了還書筐，但由于書筐分布零散和偏僻，書筐里面的書雜亂無章，工作人員仍需花費(fèi)很長時(shí)間去整理并重新上架。 基于以上問題，本文把握大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)， 創(chuàng)新性地提出了一套適用于開放式圖書館智能還書整理系統(tǒng)， 以減輕工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提升圖書館智能化管理和公共服務(wù)水平。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作流程

該智能還書整理系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成： 一是智能書架系統(tǒng)，二是智能書筐系統(tǒng)（又分為智能小型書筐和智能大型書筐）。

1.1 智能書架系統(tǒng)

智能書架系統(tǒng)工作流程如圖1 所示。

在書架上放置攝像頭模塊， 通過攝像頭掃描圖書上的條形碼，將讀到的信息傳給圖書資料數(shù)據(jù)庫，發(fā)送SQL 數(shù)據(jù)庫查詢命令， 若查詢正確則說明放對(duì)了，查詢錯(cuò)誤則說明放錯(cuò)了。當(dāng)有人將圖書放錯(cuò)位置時(shí)，書架上的語音提示系統(tǒng)會(huì)提示“您的圖書放置位置有誤”。 考慮到圖書館需要保持安靜，提醒一次不再提醒，然后警報(bào)燈開始閃爍，提醒該人將圖書放在正確位置。 若5 min 內(nèi)仍處于警報(bào)狀態(tài)，將給管理員數(shù)據(jù)庫發(fā)送SQL 數(shù)據(jù)庫添加命令， 添加放置錯(cuò)誤消息。若添加后不再報(bào)警，則立刻向管理員數(shù)據(jù)庫發(fā)送SQL 數(shù)據(jù)庫刪除命令，刪除剛才的放置錯(cuò)誤信息。 工作人員可隨時(shí)查詢管理員數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行書籍整理。如果有人不知道圖書放在哪里， 可以按下書架上的幫助按鈕。按鈕按下后，語音提示系統(tǒng)會(huì)告訴正確的位置，并在大屏幕上顯示地圖。

圖1 智能書架系統(tǒng)流程圖

攝像頭可對(duì)書的全貌和內(nèi)部進(jìn)行圖像采集，將拍攝到的照片與內(nèi)置書籍破損的典型照片， 逐一比對(duì)，若有兩張及兩張以上比對(duì)成功，則可判定書籍破損嚴(yán)重。當(dāng)有人把損壞的圖書放到書架上時(shí)，書架上的語音提示系統(tǒng)會(huì)提示“您的圖書已損壞，請(qǐng)帶著損壞的圖書到前臺(tái)處理”。 考慮到圖書館需要保持安靜，提醒一次不再提醒，然后警報(bào)燈開始閃爍，提醒該人圖書損壞。 若5 min 內(nèi)仍處于警報(bào)狀態(tài)，系統(tǒng)將給管理員數(shù)據(jù)庫發(fā)送SQL 數(shù)據(jù)庫添加命令， 添加書籍損壞消息。若添加后不再報(bào)警，則立刻向管理員數(shù)據(jù)庫發(fā)送SQL 數(shù)據(jù)庫刪除命令， 刪除剛才的書籍損壞消息。 工作人員可隨時(shí)查詢管理員數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行書籍更換。書架上懸掛有使用說明和注意事項(xiàng)，配有專人保養(yǎng)和維護(hù)。 書架旁邊設(shè)有專門的智能小型書筐停放點(diǎn)。

1.2 智能書筐系統(tǒng)

智能書框系統(tǒng)流程如圖2 所示。

圖2 智能書筐系統(tǒng)流程圖

智能小型書筐底部有壓力傳感器，當(dāng)其內(nèi)的書到達(dá)額定容量時(shí)，智能小型書筐內(nèi)置的“藍(lán)牙發(fā)送”模塊將直接發(fā)消息給工作人員所攜帶的“藍(lán)牙接收”模塊，工作人員收到消息后，立刻到達(dá)指定位置整理書籍。

智能大型書筐在中央大廳處放置。 智能大型書筐內(nèi)的攝像頭模塊掃描圖書上的條形碼， 將讀到的信息傳給圖書資料數(shù)據(jù)庫， 發(fā)送SQL 數(shù)據(jù)庫查詢命令， 圖書資料數(shù)據(jù)庫會(huì)將查詢到的圖書信息進(jìn)行投影運(yùn)算， 只保留該圖書的地址并發(fā)送給智能大型書筐的內(nèi)置“藍(lán)牙接收”模塊。 該模塊根據(jù)所接收到的信息，啟動(dòng)不同的傳動(dòng)裝置，將圖書運(yùn)送到不同的分區(qū)，等待智能小型書筐的到來。

智能大型書筐內(nèi)的攝像頭模塊內(nèi)置一些書籍破損的典型照片， 攝像頭可對(duì)書的全貌和內(nèi)部進(jìn)行圖像采集，將拍攝到的照片與內(nèi)置照片逐一比對(duì)，若有兩張及兩張以上比對(duì)成功，則可判定書籍破損嚴(yán)重。若圖書被判定損壞， 會(huì)被傳送裝置運(yùn)送到一個(gè)單獨(dú)的分區(qū)。 智能大型書筐的每個(gè)分區(qū)底部都有壓力傳感器，當(dāng)裝有損壞圖書的分區(qū)達(dá)到額定容量時(shí)，智能大型書筐的內(nèi)置“藍(lán)牙發(fā)送”模塊將直接發(fā)消息給工作人員所攜帶的“藍(lán)牙接收”模塊，工作人員收到消息后，應(yīng)立刻到達(dá)指定位置處理書籍。

智能大型書筐的每個(gè)分區(qū)底部都有壓力傳感器， 當(dāng)除裝有損壞圖書分區(qū)外的分區(qū)到達(dá)額定容量時(shí)，智能大型書筐的外部“藍(lán)牙發(fā)送”模塊將給相應(yīng)的智能小型書筐的外部“藍(lán)牙接收”模塊發(fā)出“集合”命令。智能小型書筐的“藍(lán)牙接收”模塊收到信號(hào)后，它將立刻從停放處出發(fā)， 通過GPS 定位模塊到達(dá)指定地點(diǎn)。沿途通過紅外模塊檢測(cè)行人，用PID 算法精確控制輪子的轉(zhuǎn)角， 進(jìn)行有效避讓。 到達(dá)指定地點(diǎn)后，智能小型書筐的外部“藍(lán)牙發(fā)送”模塊將給智能大型書筐的外部“藍(lán)牙接收”模塊做出“已到”回復(fù)。智能大型書筐的相應(yīng)分區(qū)會(huì)打開閘門， 同時(shí)傳送帶開啟，將分區(qū)里的書籍傳送到智能小型書筐中。

當(dāng)檢測(cè)到傳送帶在轉(zhuǎn)動(dòng)且相應(yīng)分區(qū)的傳感器壓力為0 時(shí)，說明書籍已經(jīng)被傳送完畢。 此時(shí)，延遲適當(dāng)時(shí)間，關(guān)閉閘門，傳送帶停轉(zhuǎn)，智能大型書筐的外部“藍(lán)牙發(fā)送”模塊將給相應(yīng)的智能小型書筐的外部“藍(lán)牙接收”模塊發(fā)出“回家”命令，智能小型書筐的“藍(lán)牙接收”模塊收到信號(hào)后，它將立刻出發(fā)，通過GPS 定位模塊重新回到書架附近的指定停放處，等待下一次“集合”命令。

智能大型書筐和小型書筐上都要懸掛有使用說明和注意事項(xiàng)，配有專人保養(yǎng)和維護(hù)。

2 硬件選取原則

2.1 主控芯片

在本系統(tǒng)中， 主控芯片是實(shí)現(xiàn)智能化功能必不可少的器件，本設(shè)計(jì)從性能、能耗、價(jià)格3 個(gè)方面進(jìn)行論證，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)模塊間進(jìn)行通信，處理復(fù)雜程序，運(yùn)算速度快，耗電少，價(jià)格低的為最佳選擇。

2.2 電動(dòng)機(jī)

在本系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)傳送帶和書筐輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的扭矩沒有太多要求，但對(duì)速度調(diào)節(jié)的靈活度要求較高。減速電動(dòng)機(jī)是減速機(jī)構(gòu)和電動(dòng)機(jī)的集成體，傳動(dòng)比精細(xì)，選擇范圍廣，轉(zhuǎn)速型譜寬；能耗低、噪音小、節(jié)能環(huán)保、性能優(yōu)越，振動(dòng)??；通用性強(qiáng)，使用維護(hù)方便。 考慮到減速電動(dòng)機(jī)的成本較低，調(diào)速靈活，減速比高，便于突發(fā)情況的急停或剎車，因此，本設(shè)計(jì)選用減速電動(dòng)機(jī)更貼合實(shí)際需求。

2.3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在本系統(tǒng)中， 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是連接主控芯片和減速電動(dòng)機(jī)的緩沖部件，本設(shè)計(jì)從調(diào)速特性、調(diào)速范圍、過載能力、安全壽命、價(jià)格等方面進(jìn)行論證，選擇性價(jià)比更高的驅(qū)動(dòng)模塊。

2.4 編碼器

在本系統(tǒng)中，編碼器固定在減速電機(jī)周圍，采集電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速信息， 通過PID 算法對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向?qū)嵤┚珳?zhǔn)控制。

由于本系統(tǒng)對(duì)編碼器無特殊要求， 所以選擇普遍使用的增量式編碼器，易于編程，成本低，性能好。由于書筐在圖書館內(nèi)行駛的速度一般不高， 所以選擇T 法［2］，以在低速轉(zhuǎn)動(dòng)下保持較高的精度。

2.5 壓力傳感器

本系統(tǒng)所需壓力傳感器主要用于測(cè)定和監(jiān)測(cè)書筐中書的余量，方便書筐及時(shí)進(jìn)行還書，因此對(duì)靈敏度和精確度要求不是太高。 傳統(tǒng)的壓力傳感器價(jià)格便宜且技術(shù)成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，應(yīng)變片壓力傳感器原則對(duì)本系統(tǒng)來說是一個(gè)較好的選擇。

3 軟件設(shè)計(jì)原則

3.1 遠(yuǎn)距離通信方式

遠(yuǎn)距離通信方式主要從傳輸?shù)募皶r(shí)性、 傳輸速率、通信質(zhì)量、互操作的魯棒性、價(jià)格等方面進(jìn)行論證，結(jié)合開放式圖書館智能還書整理系統(tǒng)功能，選擇適合本系統(tǒng)的即為最優(yōu)。

3.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要從軟件界面、安全性、靈活性等方面論證［3］，選用的代碼易懂易操作，適合于本系統(tǒng)的SQL 數(shù)據(jù)庫可完成智能還書整理系統(tǒng)構(gòu)建。

3.3 避障

由于光速比聲速要快得多， 用紅外測(cè)距傳感器要更靈敏一些；紅外測(cè)距傳感器的程序比較容易寫，超聲波的程序則需要一些計(jì)算和轉(zhuǎn)化； 紅外測(cè)距傳感器受環(huán)境影響較小。綜上考慮，在設(shè)計(jì)構(gòu)建本系統(tǒng)中，選用紅外測(cè)距傳感器來進(jìn)行避障更好。

4 結(jié)束語

隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展， 圖書館管理方式和服務(wù)模式將發(fā)生深刻變化［4］。 開放式圖書館智能還書整理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)， 借鑒了大型物流企業(yè)快遞智能分揀技術(shù)與“無人超市”思想，探索應(yīng)用了射頻控制技術(shù)、“藍(lán)牙模塊”技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及信息智能等技術(shù)， 自動(dòng)化、 智能化程度較高，友好互動(dòng)性強(qiáng)。 該項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)，可有效提升讀者自助還書正確率， 減輕圖書館工作人員整理圖書的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有良好的應(yīng)用前景。