張銘玉

(福建理工大學(xué) 圖書館,福建 福州 350118)

0 引言

隨著科技的發(fā)展和知識(shí)大爆炸的到來,越來越多的科技文獻(xiàn)和專著層出不窮,而作為一個(gè)綜合性的高校,圖書館采購的書籍多種多樣。如何精準(zhǔn)而有效地為廣大師生提供圖書服務(wù)是圖書館采購書目時(shí)需要考慮的重要問題[1-2]。目前,有些高校推出了一項(xiàng)服務(wù),師生提出需要書目的申請(qǐng),自行采購閱讀完以后入庫。這樣不僅提高了購書的精準(zhǔn)性和流通性,還避免了圖書館圖書采購人員采購圖書產(chǎn)生的偏差。同時(shí),無人值守移動(dòng)圖書館逐漸普及,可以布置在教學(xué)樓、宿舍樓、學(xué)院門廳等地方,為師生員工的圖書借閱和歸還提供了方便[3-4]。

目前,自助購書閱讀后,還書入庫還不能像已經(jīng)登記在冊(cè)的圖書一樣方便,必須到圖書館人工登記入庫。本設(shè)計(jì)是在無人值守移動(dòng)圖書館現(xiàn)有的功能上,增加自助購書這部分未登記入庫的圖書,也能自助還書,且在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷的緊急情況下,也能實(shí)現(xiàn)還書功能。而本裝置收集的信息主要用于防止新生的錯(cuò)誤還書或者惡意虛假還書。

1 自助圖書識(shí)別原理

1.1 圖書入庫流程調(diào)整

現(xiàn)有的圖書入庫流程是圖書信息登錄系統(tǒng),二維碼輸入,貼RFID磁條,上架。自助購書還書的流程與原流程略有區(qū)別,首先識(shí)別圖書的類型,然后通過無人值守自助移動(dòng)圖書館的新書還書功能,將書歸還到移動(dòng)圖書館,最后通過網(wǎng)絡(luò)通知圖書館工作人員,收集到圖書館,再由人工完成其余的入庫流程。故本文在移動(dòng)圖書館的新書入庫中需實(shí)現(xiàn)的功能為識(shí)別圖書及記錄還書人。

1.2 圖書識(shí)別方案

目前,自助還書功能采用的是RFID射頻識(shí)別技術(shù)。隨著圖像識(shí)別功能的普及,技術(shù)上有實(shí)現(xiàn)的方法,但圖像識(shí)別數(shù)據(jù)處理量大,對(duì)需要處理這些數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)硬件和軟件要求較高,圖像識(shí)別設(shè)備成本相對(duì)較高,用條形碼還書時(shí)需輸入較多信息,不方便還書人員操作。

從美學(xué)和設(shè)計(jì)學(xué)的角度出發(fā),分析圖書封面的特點(diǎn)。圖書封面主要包括了體現(xiàn)圖書內(nèi)容的圖案和書名文字信息,其文字信息大多處于書名的上下或者左右黃金分割線處,而圖像信息則多種多樣。

根據(jù)以上信息,本文設(shè)計(jì)思路為拋棄具體的圖像識(shí)別功能,采用典型的局部顏色采集,可以將圖書按九宮格劃分為9個(gè)部分,每個(gè)九宮格中又可以均勻布置2個(gè)點(diǎn),而圖書九宮格縱向的顏色采集點(diǎn)則是將圖書放在輸送帶上,通過控制輸送帶的運(yùn)動(dòng)位置實(shí)現(xiàn)顏色采集。

2 總體設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)方案

該方案設(shè)計(jì)將融入移動(dòng)圖書館,但其功能相對(duì)獨(dú)立,即只用于歸還新采購圖書。其結(jié)構(gòu)主要包括:還書傳輸帶組件(包括傳輸電機(jī)、皮帶和定位裝置)、定位傳感器、顏色傳感器、帶彈性的壓書滾輪、儲(chǔ)書箱,如圖1所示。

圖1 自助還書機(jī)總體方案

該裝置的工作流程為將需歸還的新圖書放置在傳送帶上,書的頂端靠緊圖書定位器,在觸摸屏上輸入簡(jiǎn)單的圖書信息,包括圖書名、購書人及選擇圖書尺寸規(guī)格(16K/大16K……),按下觸摸屏上的還書按鈕,傳送帶開始運(yùn)動(dòng),圖書隨著傳送帶開始運(yùn)動(dòng),定位傳感器安裝在固定位置,不隨輸送帶一起運(yùn)動(dòng),當(dāng)圖書運(yùn)動(dòng)到定位傳感器時(shí),顏色傳感器準(zhǔn)備工作,將顏色傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)保存后,通過傳送帶將書收集到儲(chǔ)書箱中,帶彈性的壓書滾輪則是使書封面平整,有利于顏色傳感器采集正確顏色,其工作流程如圖2所示。

圖2 自助還書的流程

3 數(shù)據(jù)采集傳輸方案

新書入庫可以采用互聯(lián)網(wǎng)連接圖書館網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)在線還書功能,也可以在沒有網(wǎng)絡(luò)的情況下,實(shí)現(xiàn)還書。

3.1 在線功能方案

移動(dòng)圖書館的功能已經(jīng)成熟,新增的功能只需要通過Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)和圖書館互聯(lián)網(wǎng)的相連,既可以實(shí)現(xiàn)在線還書功能,還可以將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)綀D書館網(wǎng)站上。

3.2 離線還書功能

離線還書功能則是在網(wǎng)絡(luò)通信出現(xiàn)故障,而自助移動(dòng)圖書館有電力供應(yīng)的情況下,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)還書功能。離線還書功能設(shè)計(jì)思路為:將歸還入庫新書封面顏色先保存在本地的單片機(jī)中,當(dāng)在線功能恢復(fù)后,通過自助圖書館的網(wǎng)絡(luò)通信傳輸至圖書館系統(tǒng),也可以將該信息通過本地Wi-Fi模塊傳輸給收集圖書的管理員。

4 軟硬件實(shí)現(xiàn)

4.1 自助新書還書硬件

對(duì)新購書的自助還書裝置硬件的總體要求是在質(zhì)量可靠的前提下降低成本,故筆者對(duì)市場(chǎng)上的產(chǎn)品進(jìn)行選擇,確定硬件如下:傳送帶組件中驅(qū)動(dòng)還書輸送帶的電機(jī)種類很多,有交流伺服電機(jī)、直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及特種電機(jī),各種電機(jī)的應(yīng)用都非常廣泛[5-7],本設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)可靠性和經(jīng)濟(jì)性,選擇兩相混合式步進(jìn)電機(jī),型號(hào)86BYG-250D帶驅(qū)動(dòng)器[8],定位傳感器采用漫反射型光電開關(guān)E3F-DS30C4,顏色傳感器采用TCS3200[9],Wi-Fi模塊采用ESP8266,控制器采用Arduino Mega 2560 Rev3。圖書定位器則是一塊固定在傳送帶上的矩形亞克力板,用于和書的頂端對(duì)齊。

4.2 輸送帶運(yùn)動(dòng)的要求

輸送帶是由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制,當(dāng)圖書正面向上,圖書頂端和傳送帶上的圖書定位器靠緊,起到定位的作用后,按下還書按鈕,記錄還書的時(shí)間標(biāo)記后,步進(jìn)電機(jī)開始工作,為了使顏色傳感器準(zhǔn)確地采集顏色信息,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行到九宮格的黃金分割線附近采集顏色時(shí),停頓1 s,一本書入庫需停3次,傳送帶的速度初步設(shè)定為3 m/min,傳送帶驅(qū)動(dòng)滾筒直徑為200 mm,轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速約5 r/min,轉(zhuǎn)速慢,因此可以不考慮步進(jìn)電機(jī)的失步現(xiàn)象。步進(jìn)電機(jī)的步距角1.8/0.9°,通過驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步地細(xì)分設(shè)置為每轉(zhuǎn)1 600步,輸送帶的定位精度0.4 mm。顏色傳感器的采集定位通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖控制其步數(shù)來決定。采用控制器Arduino輸出脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的位置控制,輸出脈沖的頻率實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度,其接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的PUL-接口,PUL+接+24 V?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)方向的DIR-接Arduino控制器的方向控制引腳,DIR+接+24 V。

4.3 顏色傳感器的數(shù)據(jù)采集

在光電開關(guān)傳感器檢測(cè)到圖書定位器后,根據(jù)步進(jìn)電機(jī)每個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)輸送帶運(yùn)動(dòng)0.4 mm距離進(jìn)行控制,圖書定位器與輸送帶的距離為 4 mm,需10個(gè)脈沖距離后,根據(jù)輸入的圖書尺寸大小,將圖書輸送到顏色傳感器的采集位置時(shí)停下采集顏色,一次采集9個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù),并將該顏色數(shù)據(jù)表示為RGB(0-255)采集后,分別存儲(chǔ)在二維數(shù)組中,分別保存還書的序號(hào)和該書封面顏色的數(shù)據(jù)。因?yàn)轭伾珎鞲衅鲀?nèi)濾波器設(shè)置是通過傳感器上的引腳S2和S3進(jìn)行高低電平的設(shè)置實(shí)現(xiàn)的,因此,為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量采集,可以在同一段程序中將3種顏色分別設(shè)置,即將一次采集時(shí),完成紅藍(lán)綠3種濾波器和清除濾波器的設(shè)置。而傳感器的S0和S1通過高低電平來設(shè)置不同頻率的方波,與不同顏色相對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)不同光強(qiáng)度設(shè)置。這樣在不同圖書封面的圖像都盡量采集較多信息,同時(shí)也降低了硬件成本。顏色傳感器的輸出是頻率信號(hào),在使用前先對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn),使用標(biāo)準(zhǔn)的白色,利用白光和3種濾波器設(shè)置比例系數(shù),從而測(cè)算出實(shí)際顏色值。該顏色值與實(shí)際的值會(huì)有一定的區(qū)別,但本裝置的目的不是采集實(shí)際的顏色,而是采集該值后,防止出現(xiàn)誤還書或者惡意用其他圖書代替,因此只需要采集該圖書的顏色信息后,能用該裝置重新驗(yàn)證該書的信息,且誤差相同,則可以完成對(duì)該書的確認(rèn)。

4.4 數(shù)據(jù)傳輸

本裝置集成到現(xiàn)有的自助移動(dòng)圖書館中,在正常狀況下,控制器Arduino Mega 2560 Rev3有4個(gè)串行通信口,將TX0和RX0用于和自助移動(dòng)圖書館通信,傳輸數(shù)據(jù)到原有的自助移動(dòng)圖書館,并將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)綀D書館的中心網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)在線通信。

將TX1和RX1設(shè)置通過Wi-Fi模塊ESP8266進(jìn)行通信,該模塊是在異常情況下,仍然可以進(jìn)行正常還書,這時(shí)所還圖書的顏色信息無法通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸至圖書館中心網(wǎng)絡(luò),圖書館外派的讀者服務(wù)人員可以在收集新書時(shí),同時(shí)通過自帶的平板電腦或工作手機(jī)連接ESP8266局域網(wǎng)完成顏色采集數(shù)據(jù),即相對(duì)應(yīng)的二維數(shù)組數(shù)據(jù),通過局域網(wǎng)直接傳輸?shù)焦ぷ魇謾C(jī)。在無互聯(lián)網(wǎng)情況下使用Wi-Fi模塊時(shí),將模塊設(shè)置為透明傳輸模式,可將每臺(tái)移動(dòng)圖書館的名字按一定規(guī)則命名,例如某校第幾編號(hào)的移動(dòng)圖書館等?？梢越y(tǒng)一設(shè)置密碼。通信握手信號(hào)可自主設(shè)置,例如在讀者服務(wù)管理員手機(jī)端App按下讀取圖書信號(hào)時(shí),可以發(fā)送字符“r”給自助新書歸還端控制器Arduino,在控制器Arduino程序端的通信中斷讀取到字符“r”時(shí),則將當(dāng)前已經(jīng)儲(chǔ)存圖書封面顏色信息的二維數(shù)組通過Wi-Fi模塊ESP8266傳輸至手機(jī)端。

5 結(jié)語

針對(duì)分散式自由購書后的還書入庫,本文在自助移動(dòng)圖書館的功能上增加了自助的新購圖書還書功能,完成了總體方案設(shè)計(jì)以及為了完成該功能所需的各個(gè)部分的功能要求和設(shè)計(jì),各個(gè)功能包括了輸送帶運(yùn)動(dòng)、顏色傳感器的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸及其硬件選型和相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。