（江南大學(xué)，江蘇 無(wú)錫 214000）

0 引 言

眾所周知，圖書(shū)館是學(xué)校的文獻(xiàn)信息中心，是為教學(xué)和科學(xué)研究服務(wù)的學(xué)術(shù)性機(jī)構(gòu)，是學(xué)校信息化的重要基地。每天到圖書(shū)館的學(xué)生都非常多，圖書(shū)館座位供不應(yīng)求，占座現(xiàn)象一直存在。尤其是臨近期末考試，圖書(shū)館的占座現(xiàn)象愈演愈烈，入館學(xué)習(xí)的同學(xué)稍稍晚去一步，圖書(shū)館的座位上已經(jīng)被早去的人放上了書(shū)，他們大多是給室友或朋友占座，而這些書(shū)有時(shí)候會(huì)放一個(gè)上午，甚至一整天。長(zhǎng)時(shí)間占用座位，使得圖書(shū)館緊張的座位資源更是變得一座難求[1]。占座是一種資源浪費(fèi)，使公共資源無(wú)法達(dá)到人人共享和有效利用，一直以來(lái)都是困擾高校圖書(shū)館的難題。本文提出的圖書(shū)館反占座系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為解決占座問(wèn)題提供了一個(gè)科學(xué)的理論解決方案，為入館學(xué)習(xí)的學(xué)生提供了一個(gè)很好的學(xué)習(xí)環(huán)境。

查閱資料發(fā)現(xiàn)，自2015年以來(lái)，國(guó)內(nèi)僅少數(shù)高校購(gòu)買(mǎi)或自行研發(fā)圖書(shū)館座位管理系統(tǒng)。它們通過(guò)VB、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，研制適合自己學(xué)校實(shí)際情況的軟件管理系統(tǒng)，在某種程度上緩解了占位現(xiàn)象引起的不必要麻煩[2]，一定程度上提高了座位的使用率，但是成本太高，并且具有特殊性，很難推廣到其他大學(xué)。

2019年12月前2周，通過(guò)對(duì)江南大學(xué)圖書(shū)館9:00—10:00座位使用情況的調(diào)研統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)占座率（即座位有書(shū)但沒(méi)人坐的位置總數(shù)/調(diào)查的座位總數(shù)）約為18.5%，占座現(xiàn)象比較嚴(yán)重。之后通過(guò)對(duì)圖書(shū)館的進(jìn)出率、上座率、學(xué)生的平均離座時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行了為期1周的調(diào)研，借助SPSS交叉表方法，發(fā)現(xiàn)卡方檢驗(yàn)的結(jié)果Sig值大于0.05。因此，認(rèn)為不同離座時(shí)長(zhǎng)與座位的利用率兩者存在著一種顯著的線性關(guān)系，由此考慮對(duì)學(xué)生離座時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)計(jì)離座計(jì)時(shí)檢測(cè)裝置，來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)并反饋?zhàn)坏氖褂们闆r。

系統(tǒng)規(guī)則制定如下：

（1）發(fā)現(xiàn)空座（無(wú)任何物品），可直接刷卡入座，任何人以任何理由要求讓座，都不予理睬。

（2）發(fā)現(xiàn)空座（有私人物品），這時(shí)候會(huì)出現(xiàn)三種情況：原學(xué)生沒(méi)有刷卡，新來(lái)學(xué)生刷卡后，可直接就座學(xué)習(xí)，座位歸屬新來(lái)學(xué)生；原學(xué)生已經(jīng)刷卡，此時(shí)座位在保護(hù)狀態(tài)，在一定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)（根據(jù)調(diào)研結(jié)果設(shè)定最佳時(shí)間）原學(xué)生回來(lái)，座位仍屬于他；原學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未歸，此時(shí)座位釋放，其他任何學(xué)生均可刷卡入座[3]。

（3）如果學(xué)生短暫離開(kāi)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提供短時(shí)間（例如20 min）的座位保護(hù)。

（4）如果學(xué)生想長(zhǎng)時(shí)間的離開(kāi)座位，比如回宿舍午休等，學(xué)生需要刷卡，激活座位長(zhǎng)時(shí)間保護(hù)功能，系統(tǒng)會(huì)提供長(zhǎng)時(shí)間（例如2 h）的保護(hù)權(quán)限。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 基于RFID技術(shù)的圖書(shū)館就座身份識(shí)別

RFID模塊具有使用方便、性能穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)、尺寸小、便于集成等特點(diǎn)。它采用電磁耦合的方式使得標(biāo)簽從讀寫(xiě)器耦合線圈的輻射近場(chǎng)中獲得能量，從而實(shí)現(xiàn)與讀寫(xiě)器交換數(shù)據(jù)的功能[4]。用戶無(wú)需理解復(fù)雜的射頻通信協(xié)議，只需通過(guò)專(zhuān)用指令與閱讀器進(jìn)行信息交互，即可實(shí)現(xiàn)盤(pán)點(diǎn)UID、讀存儲(chǔ)區(qū)和寫(xiě)存儲(chǔ)區(qū)等操作。

在本設(shè)計(jì)中，讀卡器識(shí)別江南大學(xué)學(xué)生一卡通，當(dāng)然可以推廣到其他大學(xué)的學(xué)生卡識(shí)別。射頻標(biāo)簽中記錄了持卡者的所有信息，由讀卡器讀出卡中的信息后上傳到主控模塊，由主控模塊處理信息。主控模塊選用STM32系列。RFID技術(shù)可以在反占座系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地對(duì)學(xué)生身份的信息識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)入館學(xué)生單卡單座，極大地避免了代刷卡占座的問(wèn)題[5]。

此外，驅(qū)動(dòng)模塊包含了系統(tǒng)所需的所有驅(qū)動(dòng)電路，例如燈光控制電路、門(mén)鎖開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路等。GSM 模塊具有發(fā)送短信通知等功能，可以實(shí)現(xiàn)各種方式的安全通報(bào)。點(diǎn)陣模塊可以顯示不同類(lèi)型的圖案，用于顯示座位目前所處狀態(tài)，便于同學(xué)進(jìn)館后準(zhǔn)確選座。射頻識(shí)別系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 射頻識(shí)別系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

1.2 基于紅外傳感的座位使用情況檢測(cè)

圖書(shū)館每一層閱覽區(qū)、自習(xí)室的座位都裝有紅外線探測(cè)器，對(duì)學(xué)生使用座位或者離座進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，能得到相關(guān)的座位信息，進(jìn)而得到座位目前的狀態(tài)，之后將得到的信號(hào)傳送到圖書(shū)館座位使用情況統(tǒng)計(jì)終端。

1.2.1 技術(shù)層面

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測(cè)人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器。早在1938年，有人提出過(guò)利用熱釋電效應(yīng)探測(cè)紅外輻射，但并未受到重視，直到20世紀(jì)60年代，隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，才又推動(dòng)了對(duì)熱釋電效應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電晶體的應(yīng)用。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器。

熱釋電元件的感應(yīng)元將波長(zhǎng)在8～12 μm之間的紅外信號(hào)的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，為了只對(duì)人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅爾透鏡，使環(huán)境的干擾受到明顯的抑制。菲涅爾透鏡可以將人體輻射的紅外線聚焦到紅外探測(cè)元件上，同時(shí)也產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應(yīng)熱釋電探測(cè)元要求信號(hào)不斷變化的特性[6]；熱釋電紅外傳感器是座位識(shí)別設(shè)計(jì)中的核心器件，它可以把人體的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以供信號(hào)處理部分使用；信號(hào)處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、延遲、比較。當(dāng)傳感器探測(cè)到人體輻射的紅外線信號(hào)并經(jīng)放大后送給窗口比較器時(shí)，若信號(hào)幅度超過(guò)窗口比較器的上下限，系統(tǒng)將輸出高電平信號(hào)；無(wú)異常情況時(shí)則輸出低電平信號(hào)。

1.2.2 原理層面

查閱資料可知：人體輻射的紅外線中心波長(zhǎng)為9～10 μm，而探測(cè)元件的波長(zhǎng)靈敏度在0.2～20 μm范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開(kāi)設(shè)一個(gè)裝有濾光鏡片的窗口，這個(gè)濾光片可通過(guò)光的波長(zhǎng)范圍為7～10 μm，正好適合于人體紅外輻射的探測(cè)，而對(duì)其他波長(zhǎng)的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專(zhuān)門(mén)用于探測(cè)人體輻射的紅外線傳感器，正好滿足本設(shè)計(jì)的實(shí)際需求。

1.3 硬件電路

CPU選用STM32F103C8T6單片機(jī)，它是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲(chǔ)器容量是64 KB，需要電壓2～3.6 V，工作溫度為-40～85 ℃。電路連接圖如圖2所示。系統(tǒng)供電穩(wěn)壓電路如圖3所示。本設(shè)計(jì)選用AMS1117-3.3，其是一種輸出電壓為3.3 V的正向低壓降穩(wěn)壓器。顯示模塊為點(diǎn)陣模塊，當(dāng)人離開(kāi)座位超過(guò)一段時(shí)間后點(diǎn)陣圖案發(fā)生變化。此時(shí)座位被釋放，其他人可以使用該座位，長(zhǎng)時(shí)間離座者被記入系統(tǒng)違規(guī)處罰名單。

圖2 STM32F103C8T6電路連接

圖3 供電穩(wěn)壓電路

人體紅外感應(yīng)模塊選用HC-SR501，它是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，低壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備。其采用了菲涅爾光學(xué)透鏡原理，并且距離越遠(yuǎn)感應(yīng)越強(qiáng)。人體紅外感應(yīng)模塊如圖4所示。

圖4 人體紅外感應(yīng)模塊

將以上各模塊進(jìn)行電路連接，便組成了圖書(shū)館反占座系統(tǒng)的硬件電路，如圖5所示。

圖5 離座后有計(jì)時(shí)功能的硬件電路圖

1.4 軟件編程

用SQL Server實(shí)現(xiàn)對(duì)圖書(shū)館座位信息的增刪改查等具體操作，進(jìn)一步可用Eclipse和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)搭建。網(wǎng)頁(yè)主要功能：用戶注冊(cè)、用戶登錄、用戶列表展示、用戶信息修改、用戶信息刪除、選座界面、座位實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、預(yù)約界面[7]。借助UI進(jìn)行界面優(yōu)化設(shè)置，網(wǎng)頁(yè)有內(nèi)容發(fā)布功能，即需要在客戶端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)和數(shù)據(jù)傳輸，本設(shè)計(jì)用到了HTTP協(xié)議。在預(yù)約開(kāi)放時(shí)間內(nèi)，學(xué)生通過(guò)聯(lián)網(wǎng)的任何設(shè)備，在任何地方即可實(shí)時(shí)查看當(dāng)前座位使用情況，選擇預(yù)約未被占用的座位，并按照自己預(yù)約的時(shí)間到自己選定的圖書(shū)館座位即可[8]。網(wǎng)頁(yè)選座界面如圖6所示，圖中數(shù)字為圖書(shū)館座位標(biāo)號(hào)，白色為空座位，學(xué)生可以任意選擇；紅色座位則表示座位已有人。

圖6 網(wǎng)頁(yè)選座模塊

1.5 違規(guī)處罰規(guī)則

學(xué)生被系統(tǒng)檢測(cè)到占座會(huì)有違規(guī)信息。第一種情況是，學(xué)生幫其他同學(xué)占座，對(duì)應(yīng)空座超過(guò)一定時(shí)間后，LED燈亮，對(duì)應(yīng)空座的同學(xué)會(huì)被記入處罰名單；另一種情況是，離座超過(guò)規(guī)定時(shí)間，這時(shí)座位會(huì)被釋放，而座位原學(xué)生會(huì)被記入處罰名單一次[9]。

系統(tǒng)中的處罰名單有兩個(gè)參數(shù)：離座時(shí)長(zhǎng)和違規(guī)次數(shù)。這兩個(gè)參數(shù)的設(shè)置要根據(jù)實(shí)際情況而定。此外，系統(tǒng)將學(xué)生列入處罰名單幾次可以禁止學(xué)生再次使用館內(nèi)的座位，需要進(jìn)行調(diào)研分析，進(jìn)行合理設(shè)定，要符合學(xué)生的基本情況，達(dá)到基本的公平。本設(shè)計(jì)中以學(xué)期為時(shí)間段，每一學(xué)期結(jié)束，系統(tǒng)處罰名單全部清零，具體流程如圖7所示。

圖7 違規(guī)處罰規(guī)則流程

2 結(jié) 語(yǔ)

圖書(shū)館對(duì)每個(gè)高校來(lái)說(shuō)都是十分重要且必備的，所以要對(duì)此引起足夠的重視。我們要清楚知道座位管理系統(tǒng)存在的利弊，不斷加強(qiáng)圖書(shū)館座位的管理，從而提高座位的使用率[10]。

針對(duì)江南大學(xué)圖書(shū)館的占座現(xiàn)象，本文提出了圖書(shū)館反占座系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，制定了全新的圖書(shū)館入座規(guī)則，在學(xué)生的身份識(shí)別上用到了RFID技術(shù)，對(duì)于館內(nèi)座位的狀態(tài)監(jiān)測(cè)利用了人體紅外傳感裝置。本文創(chuàng)新點(diǎn)是分析出了座位利用率與離座時(shí)間有很大關(guān)聯(lián)，設(shè)置了離座計(jì)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，極大地解決了占座問(wèn)題。