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        圖書館借閱和歸還自助系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

        2020-06-15 06:42:00宋愛香馬沖王思敏
        現(xiàn)代電子技術(shù) 2020年7期

        宋愛香 馬沖 王思敏

        摘 ?要: 文中設(shè)計(jì)了一款圖書館借閱和歸還自助系統(tǒng),由智能書架、閱覽室監(jiān)測(cè)分機(jī)、智慧圖書館管理平臺(tái)以及智慧校園平臺(tái)組成。智能書架采用ARM+DSP雙CPU設(shè)計(jì),通過身份識(shí)別傳感器等實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶身份和圖書的識(shí)別,館內(nèi)溫度、煙霧濃度及視頻的監(jiān)測(cè),并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過WiFi上傳給監(jiān)測(cè)分機(jī)。監(jiān)測(cè)分機(jī)則由主控制器、外設(shè)單元、通信單元和供電單元組成,可供用戶查閱館內(nèi)信息,并將閱覽室內(nèi)智能書架信息匯總,并通過4G無線網(wǎng)絡(luò)將信息上傳給智慧圖書館管理平臺(tái),研發(fā)的智慧圖書館管理平臺(tái)用于統(tǒng)一管理、資源共享和安全監(jiān)控。測(cè)試結(jié)果表明,所提系統(tǒng)可以有效自助管理圖書借閱和歸還,可以24 h全天候?yàn)樽x者提供服務(wù),解決了目前圖書館人力投入大、圖書錯(cuò)架等問題。

        關(guān)鍵詞: 自助系統(tǒng); 智能書架; 無人值守; 視頻監(jiān)測(cè); 信息上傳; 圖書識(shí)別

        中圖分類號(hào): TN99?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào): 1004?373X(2020)07?0094?05

        Design and application of library self?service system for borrowing and returning books

        SONG Aixiang, MA Chong, WANG Simin

        (Xian Polytechnic University, Xian 710048, China)

        Abstract: A library self?service system for borrowing and returning books is designed, which consists of intelligent bookshelf, reading room monitoring extension, intelligent library management platform and intelligent campus platform. The design of ARM+DSP with dual?CPU is adopted for the intelligent bookshelf. The identification of user identity and books, and the monitoring of temperature, smoke concentration and video are implemented by the identity identification sensor, and the monitoring data are uploaded to a monitoring extension via WiFi. The monitoring extension is composed of master controller, peripheral unit, communication unit and power supply unit, which can be used for users to consult information in the library, and also for the information collection of intelligent bookshelves in the reading room. The collected information is uploaded to the intelligent library management platform via 4G wireless network. The developed intelligent library management platform is used for unified management, resource sharing and security monitoring. The test results show that the proposed system can effectively self?manage the borrowing and returning of books in the library, and can provide 24?hour services for readers, which solves the problems of large manpower input and book displacement in the library.

        Keywords: self?service system; intelligent bookshelf; unattended operation; video monitoring; information uploading; book identification

        0 ?引 ?言

        圖書館作為搜集、整理、收藏圖書資料以供人閱覽、參考的機(jī)構(gòu),已經(jīng)遍布各大地區(qū)及高校[1]。圖書的“大流通”使得純?nèi)斯D書編號(hào)借閱登記的管理模式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的借閱需求。

        隨著科技的發(fā)展,純手工管理方式過渡到使用條形碼識(shí)別、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的數(shù)字化管理模式[2?3],這種模式必須設(shè)有門禁,派專人值守以防止偷盜[4]。此外,書籍的歸還擺放依舊得通過人工方式完成,不可避免會(huì)出現(xiàn)誤差或遺漏,使得圖書擺放錯(cuò)誤造成借閱困難。尤其是在高校館內(nèi)閱讀,學(xué)生借閱不能準(zhǔn)確放回書架現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重[5],使得庫(kù)內(nèi)圖書可借閱,但在指定書架的位置卻找不到書籍,浪費(fèi)借閱者的時(shí)間和精力,此外,各大高校編目工作存在不一致性,導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理紡織類高校的文獻(xiàn)資源異質(zhì)性高[6]。為此有學(xué)者提出通過對(duì)每本書帖上RFID標(biāo)簽,工作人員只需利用閱讀器對(duì)館藏圖書順向掃描,即可找出錯(cuò)架圖書并提示該圖書所在的正確位置[7],其能夠識(shí)別錯(cuò)放圖書的位置,但隨著圖書數(shù)量的增加,人力的投入量也會(huì)相應(yīng)增加,無法保證準(zhǔn)確識(shí)別所有錯(cuò)架的圖書。此外,有學(xué)者提出了無人值守的圖書館理念,但沒有給出具體的實(shí)施方案[8?9]。

        為此,本文設(shè)計(jì)了圖書館借閱和歸還自助系統(tǒng)。首先,設(shè)計(jì)了用于該系統(tǒng)的智能書架,其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)用戶身份和圖書的識(shí)別,館內(nèi)溫度、煙霧濃度及視頻的監(jiān)測(cè),并將數(shù)據(jù)通過WiFi上傳給監(jiān)測(cè)分機(jī)。設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)分機(jī)可供用戶查閱館內(nèi)信息,同時(shí),將閱覽室內(nèi)智能書架信息匯總,并通過4G網(wǎng)絡(luò)將信息上傳給智慧圖書館管理平臺(tái),智慧圖書館管理平臺(tái)用于統(tǒng)一管理、資源共享和安全監(jiān)控。

        1 ?系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。系統(tǒng)主要由智能書架、閱覽室監(jiān)測(cè)分機(jī)、智慧圖書館管理平臺(tái)以及智慧校園平臺(tái)組成。智能書架主要用于完成圖書的借閱與歸還,并將信息通過WiFi無線通信的方式發(fā)送給閱覽室監(jiān)測(cè)分機(jī)。監(jiān)測(cè)分機(jī)將該閱覽室各個(gè)智能書架的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和匯總,并通過4G無線通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給智慧圖書館管理平臺(tái)。智慧圖書館管理平臺(tái)用于分析處理監(jiān)測(cè)分機(jī)發(fā)送來的信息,實(shí)時(shí)地更新圖書庫(kù),向用戶推送信息,當(dāng)智能柜故障時(shí)下發(fā)信息給維修人員,管理人員通過內(nèi)部訪問可以實(shí)現(xiàn)對(duì)館內(nèi)信息的統(tǒng)一管理、資源共享和安全監(jiān)控。智慧圖書館管理平臺(tái)通過光纖方式與智慧校園平臺(tái)進(jìn)行信息共享,用戶通過PC或手機(jī)訪問智慧校園平臺(tái),查詢自己所需要的信息。

        2 ?智能書架設(shè)計(jì)

        為避免圖書錯(cuò)架擺放造成借閱管理困難,實(shí)現(xiàn)24 h無人值守的圖館管理,本文設(shè)計(jì)了一款智能書架。每個(gè)智能書架分為若干個(gè)小柜,在每個(gè)小柜中安裝有電子鎖控制柜門的打開和關(guān)閉,此外,在每個(gè)柜子的底部設(shè)有磁感應(yīng)區(qū),用于識(shí)別每本書的序列號(hào)。柜子內(nèi)設(shè)有內(nèi)控板,對(duì)智能書架所有的電子鎖和柜內(nèi)條碼進(jìn)行控制和識(shí)別。在柜子的一側(cè)安裝有攝像頭、溫度傳感器、煙霧傳感器、故障報(bào)警按鈕和控制主機(jī),控制主機(jī)可以識(shí)別用戶的信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)智能書架電子鎖的控制。

        2.1 ?控制主機(jī)設(shè)計(jì)

        本文提出了ARM+DSP的控制主機(jī)設(shè)計(jì)方案,其硬件框圖如圖2所示,采用功能模塊化設(shè)計(jì),標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)計(jì)便于功能擴(kuò)展和升級(jí)。其中,主CPU采用STM32F103ZET6,主要完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)處理,并通過WiFi網(wǎng)絡(luò)上傳給閱覽室監(jiān)測(cè)分機(jī)。從CPU采用TMS320DM6446,完成傳感器采集數(shù)據(jù)的收集,并與主CPU的信息進(jìn)行交互。

        2.1.1 ?身份識(shí)別傳感器設(shè)計(jì)

        在圖書館內(nèi)借閱書籍,首先需要通過注冊(cè)成為該圖書館的合法成員,并錄入人臉信息。一旦注冊(cè)成功,信息將被納入該圖書館的數(shù)據(jù)庫(kù),此外,可關(guān)注該圖書館的公眾號(hào)并進(jìn)行登錄,當(dāng)賬戶有借閱或歸還記錄時(shí),公眾號(hào)將會(huì)推送相應(yīng)信息。身份識(shí)別傳感器的硬件框圖如圖3所示,其由微處理器、微型雙目攝像頭、微型紅外傳感器、液晶屏和按鍵組成。微處理器采用DSP5713,其強(qiáng)大的圖片處理能力為高效的識(shí)別用戶信息提供有力的保障。人體是一個(gè)恒溫的熱體,正常情況人體溫度都會(huì)處于36~37 ℃,人體會(huì)發(fā)出10 μm左右波長(zhǎng)的紅外線。本文設(shè)計(jì)時(shí)采用了波長(zhǎng)為10 μm的微型紅外傳感器,當(dāng)用戶接近控制主機(jī)被微型紅外傳感器感知到時(shí),其內(nèi)部的電荷會(huì)發(fā)生變化,通過電荷檢測(cè)電路就可以被微處理器所感知。電荷檢測(cè)電路采用三運(yùn)放構(gòu)成差動(dòng)放大電路來實(shí)現(xiàn)微弱電荷檢測(cè),放大選用LMC6081電荷放大器,LMC6081具有10 fA輸入偏置電流、1.3 MHz帶寬,最大增益為130 dB,為了減少分布式電容的影響及漏電,反饋電容[C6],[C7]選取100~1 000 pF,要想得到低頻響應(yīng)較好的電路,反饋電阻[R9]和[R11]可以選取MΩ級(jí)別電阻。微處理器會(huì)打開微型雙目攝像頭和液晶屏,微型攝像頭采用PAL制式的高清攝像頭,獲取的照片通過TI公司TVP5147圖像編碼芯片進(jìn)行處理,得到Y(jié)UV格式的圖片通過I2C總線發(fā)送給處理器進(jìn)行分析,用戶可以根據(jù)液晶屏上的圖像進(jìn)行調(diào)整,驗(yàn)證身份[10]。如果驗(yàn)證成功,液晶屏將會(huì)顯示核對(duì)成功,反之,則提示該用戶不存在或錯(cuò)誤。當(dāng)身份驗(yàn)證通過需要借書時(shí),通過按鍵鍵入圖書的序列信息并完成借書。此外,身份識(shí)別傳感器會(huì)將借閱者的信息發(fā)送給控制主機(jī),由主機(jī)進(jìn)行匯總和上傳。

        2.1.2 ?圖書識(shí)別傳感器設(shè)計(jì)

        館藏圖書在入館時(shí)在圖書脊底端都貼有一個(gè)帶有磁條的RFID標(biāo)簽[11?12]用于圖書分類,標(biāo)簽由數(shù)字、字母和符號(hào)等組成的一個(gè)序列號(hào)。書籍在上架前,在系統(tǒng)中對(duì)每一本書指定固定的柜子放置,在每個(gè)柜子的底部都有相應(yīng)的磁感應(yīng)區(qū),可以識(shí)別出圖書的序列號(hào)[13]。圖書識(shí)別傳感器的硬件框圖如圖4a)所示,其微處理器采用Altera公司EP4CE10F17C8作為控制芯片,強(qiáng)大的并行處理能力與豐富的I/O口資源,為多傳感器協(xié)調(diào)工作提供了便利。智能書架內(nèi)的射頻讀卡器可以檢測(cè)柜內(nèi)書籍的序列碼,并通過RS 485通信的方式將信息發(fā)送給微處理器進(jìn)行分析處理,只有當(dāng)圖書的序列號(hào)與箱內(nèi)規(guī)定序列號(hào)相同時(shí),認(rèn)為圖書擺放無誤,才允許柜門關(guān)閉,防止圖書發(fā)生錯(cuò)架。當(dāng)柜內(nèi)無識(shí)別信息時(shí),傳感器會(huì)將信息發(fā)送給控制主機(jī),由主機(jī)進(jìn)行匯總和上傳,智慧圖書館管理平臺(tái)對(duì)庫(kù)內(nèi)信息進(jìn)行更新,書籍變?yōu)椴豢山栝啝顟B(tài)。微處理與多路模擬開關(guān)連接通過I/O口的脈沖電平控制模擬開關(guān)的通斷。12 V工作電源的電子鎖與驅(qū)動(dòng)電路連接,如圖4b)所示,其由9031三極管和NTD25P03L協(xié)調(diào)工作,其輸入為某一路的模擬開關(guān),當(dāng)需要控制電子鎖工作時(shí),微處理器產(chǎn)生一個(gè)0.5~1 s的脈沖電平,此時(shí),模擬開關(guān)電路接通,驅(qū)動(dòng)電路工作,輸出12 V,驅(qū)使電子鎖動(dòng)作。

        2.1.3 ?報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        圖書館是學(xué)者借閱、學(xué)習(xí)的重要場(chǎng)所,不僅學(xué)習(xí)、借閱的讀者川流不息,而且典藏著很多珍貴的古籍,及利用價(jià)值高的書籍和電子資源等。因此,做好防盜、防火保證圖書館安全運(yùn)行具有重大意義[14]。為此,本文設(shè)計(jì)了火災(zāi)監(jiān)測(cè)和緊急報(bào)警,其主要由安裝在智能書架上的溫度傳感器、煙霧傳感器、緊急報(bào)警按鈕和攝像頭組成,各傳感器通過RS 485通信與各種監(jiān)控系統(tǒng)相整合,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。從CPU內(nèi)設(shè)定有閾值,當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定閾值時(shí),立馬上傳報(bào)警信息至分機(jī),分機(jī)立馬將信息轉(zhuǎn)發(fā)給智慧圖書館管理平臺(tái),平臺(tái)將報(bào)警信息下發(fā)給相關(guān)工作人員,工作人員遠(yuǎn)程查看視頻信息,確保不是傳感器或裝置的誤報(bào),確定存在火災(zāi)隱患時(shí),立即前往現(xiàn)場(chǎng)查看,如果發(fā)生火災(zāi)直接聯(lián)系火警救災(zāi)。另外,攝像頭實(shí)時(shí)地監(jiān)控智能書架周圍情況,當(dāng)出現(xiàn)書架被人為破壞或書籍丟失時(shí),可根據(jù)視頻查找犯罪嫌疑人。

        此外,考慮到智能書柜在使用過程中機(jī)械結(jié)構(gòu)可能損壞,造成借閱成功而箱門無法打開的情況。這時(shí)用戶可以按壓箱子上的報(bào)警按鈕,控制主機(jī)會(huì)將故障位置的信息發(fā)送給監(jiān)測(cè)分機(jī),進(jìn)而上傳給智慧圖書館管理平臺(tái),平臺(tái)會(huì)向維修人員下發(fā)維修信息。維修人員接到報(bào)修信息后,向云平臺(tái)上傳處理故障的時(shí)間等信息,平臺(tái)將信息推送給用戶,用戶可根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇等候借閱或其他時(shí)間段借閱。

        2.2 ?軟件設(shè)計(jì)

        當(dāng)用戶需要借閱書籍時(shí),可在系統(tǒng)中查詢書籍所在的位置和對(duì)應(yīng)的序列號(hào)。用戶利用自己的識(shí)別卡進(jìn)行認(rèn)證,如果認(rèn)證失敗,液晶會(huì)顯示無此用戶信息;當(dāng)認(rèn)證成功后,安裝在智能書架上的攝像頭會(huì)對(duì)借閱書籍的用戶進(jìn)行抓拍,同時(shí),用戶可以鍵入所要借閱書籍的序列號(hào),核對(duì)無誤后就可按確認(rèn)打開對(duì)應(yīng)的電子鎖,取出書籍。同時(shí),處理器將會(huì)把抓拍書籍等信息上傳給監(jiān)測(cè)分機(jī)、智慧圖書館管理平臺(tái),平臺(tái)將會(huì)更新圖書庫(kù),并通過微信等推送給用戶,讓用戶實(shí)時(shí)了解自己的借閱信息。其工作流程如圖5所示。

        圖書的歸還過程相對(duì)簡(jiǎn)單,被借閱書籍的電子鎖處于常開狀態(tài),歸還者只需要將書籍放置在相應(yīng)位置,此時(shí),位于箱體內(nèi)的圖書識(shí)別裝置會(huì)對(duì)放入的圖書進(jìn)行識(shí)別,只有識(shí)別成功的箱門才會(huì)自動(dòng)關(guān)閉,完成書籍的歸還,同時(shí),智慧圖書館管理平臺(tái)向用戶推送賬戶信息。如果書籍歸還位置不對(duì),或嚴(yán)重?fù)p壞裝置無法識(shí)別,將無法完成書籍的歸還。

        3 ?閱覽室監(jiān)測(cè)分機(jī)設(shè)計(jì)

        3.1 ?監(jiān)測(cè)分機(jī)硬件設(shè)計(jì)

        閱覽室監(jiān)測(cè)分機(jī)主要作用是匯總該閱覽室各個(gè)智能書架的信息,其主要由主控制器、外設(shè)單元、通信單元和供電單元組成(見圖6)。主控制器采用STM32F407ZGT6,其主要作用為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)處理。外設(shè)單元包括顯示器和鍵盤,用來提供給用戶查閱室內(nèi)智能書架的藏書信息。通信單元包含WiFi和4G網(wǎng)絡(luò),其中,WiFi網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)分機(jī)與智能書架的數(shù)據(jù)交互;4G網(wǎng)絡(luò)用于分機(jī)和管理平臺(tái)的通信,分機(jī)采用AC 220 V進(jìn)行供電。

        3.2 ?監(jiān)測(cè)分機(jī)軟件設(shè)計(jì)

        監(jiān)測(cè)分機(jī)軟件要實(shí)現(xiàn)與智能書架和與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互等功能,其流程圖如圖7所示。設(shè)備初始化后分機(jī)主動(dòng)向智能書架發(fā)送配對(duì)請(qǐng)求,如果配對(duì)不成功,在間隔1 min之后,再次請(qǐng)求配對(duì),若配對(duì)仍不成功說明與智能書架通訊異常,此時(shí)分機(jī)向云平臺(tái)上報(bào)故障信息,云平臺(tái)通知運(yùn)維人員進(jìn)行處理。若配對(duì)成功,分機(jī)在等待是否有來自智能書架的信息,如果存在借閱和歸還圖書,則分機(jī)及時(shí)更新閱覽室的圖書信息,并將數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和打包,之后通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給智慧圖書館管理平臺(tái)。

        4 ?管理與服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

        本文采用C#開發(fā),建立SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù),利用ADO數(shù)據(jù)訪問方式與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)連接[15]。其硬件運(yùn)行環(huán)境最低標(biāo)準(zhǔn)為CPU PIII900,內(nèi)存為256 MB,硬盤10 GB,顯卡必須滿足AGP顯示卡,32 MB以上顯存,支持1 024×768分辨率。軟件運(yùn)行環(huán)境為Windows XP,Windows 7系統(tǒng)或更高操作系統(tǒng)。

        智慧圖書館管理平臺(tái)用于統(tǒng)一管理、資源共享和安全監(jiān)控,其基本構(gòu)架如圖8所示。

        監(jiān)測(cè)分機(jī)實(shí)時(shí)獲取圖書借閱和歸還信息,并上傳至智慧圖書館管理平臺(tái)。管理人員通過賬號(hào)訪問平臺(tái),擁有圖書館所有權(quán)限,定期對(duì)管理系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù),如有新書上架時(shí)要對(duì)新書進(jìn)行入庫(kù)管理。當(dāng)圖書館發(fā)生故障時(shí),也可登錄系統(tǒng)查看故障信息,圖書館維護(hù)時(shí)也可以登錄系統(tǒng)發(fā)布公告。管理平臺(tái)也配套有相應(yīng)的微信公眾號(hào),用戶可以用微信綁定自己的賬戶,當(dāng)有新書上架、賬戶信息變動(dòng)等將直接從微信上獲得推送。此外,利用光纖可將管理平臺(tái)的資源信息共享至智慧校園平臺(tái),讀者可以訪問平臺(tái)進(jìn)行賬戶注冊(cè),也可以根據(jù)精準(zhǔn)或模糊搜索查看關(guān)心圖書是否可借,用戶也可以查看自己的賬戶信息、已借閱書籍、可借閱、書籍續(xù)借等。

        5 ?性能測(cè)試與分析

        系統(tǒng)若能投入運(yùn)行,將會(huì)充分解放人力,滿足讀者的個(gè)性借閱需求。為了保證裝置和系統(tǒng)能夠安全可靠的使用,進(jìn)行了相關(guān)軟硬件性能測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見表1~表3。

        6 ?結(jié) ?語(yǔ)

        本文設(shè)計(jì)的圖書館借閱和歸還自助系統(tǒng)可百分百實(shí)現(xiàn)無人值守,可以解決現(xiàn)有管理系統(tǒng)人工投入量大、書籍存在擺放位置錯(cuò)誤造成借閱困難等問題。同時(shí),也無需專門設(shè)置進(jìn)出門禁,此外也可以24 h無閉館地為讀者提供服務(wù)。系統(tǒng)也具有一定的防盜措施和防火報(bào)警,在一定程度上確保了圖書館的安全運(yùn)行。

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