摘 要： 文中設(shè)計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)測分機(jī)、智慧圖書館管理平臺以及智慧校園平臺組成。智能書架采用ARM+DSP雙CPU設(shè)計，通過身份識別傳感器等實現(xiàn)對用戶身份和圖書的識別，館內(nèi)溫度、煙霧濃度及視頻的監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過WiFi上傳給監(jiān)測分機(jī)。監(jiān)測分機(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，研發(fā)的智慧圖書館管理平臺用于統(tǒng)一管理、資源共享和安全監(jiān)控。測試結(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全天候為讀者提供服務(wù)，解決了目前圖書館人力投入大、圖書錯架等問題。

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

　　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別、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計算機(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，不可避免會出現(xiàn)誤差或遺漏，使得圖書擺放錯誤造成借閱困難。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]，使得庫內(nèi)圖書可借閱，但在指定書架的位置卻找不到書籍，浪費借閱者的時間和精力，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)者提出通過對每本書帖上RFID標(biāo)簽，工作人員只需利用閱讀器對館藏圖書順向掃描，即可找出錯架圖書并提示該圖書所在的正確位置[7]，其能夠識別錯放圖書的位置，但隨著圖書數(shù)量的增加，人力的投入量也會相應(yīng)增加，無法保證準(zhǔn)確識別所有錯架的圖書。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施方案[8?9]。

　　為此，本文設(shè)計了圖書館借閱和歸還自助系統(tǒng)。首先，設(shè)計了用于該系統(tǒng)的智能書架，其能夠?qū)崿F(xiàn)對用戶身份和圖書的識別，館內(nèi)溫度、煙霧濃度及視頻的監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)通過WiFi上傳給監(jiān)測分機(jī)。設(shè)計的監(jiān)測分機(jī)可供用戶查閱館內(nèi)信息，同時，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，智慧圖書館管理平臺用于統(tǒng)一管理、資源共享和安全監(jiān)控。

　　1 系統(tǒng)整體設(shè)計

　　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)測分機(jī)、智慧圖書館管理平臺以及智慧校園平臺組成。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)測分機(jī)。監(jiān)測分機(jī)將該閱覽室各個智能書架的數(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。智慧圖書館管理平臺用于分析處理監(jiān)測分機(jī)發(fā)送來的信息，實時地更新圖書庫，向用戶推送信息，當(dāng)智能柜故障時下發(fā)信息給維修人員，管理人員通過內(nèi)部訪問可以實現(xiàn)對館內(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通過光纖方式與智慧校園平臺進(jìn)行信息共享，用戶通過PC或手機(jī)訪問智慧校園平臺，查詢自己所需要的信息。

　　2 智能書架設(shè)計

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

　　2.1 控制主機(jī)設(shè)計

　　本文提出了ARM+DSP的控制主機(jī)設(shè)計方案，其硬件框圖如圖2所示，采用功能模塊化設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)計便于功能擴(kuò)展和升級。其中，主CPU采用STM32F103ZET6，主要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的現(xiàn)場處理，并通過WiFi網(wǎng)絡(luò)上傳給閱覽室監(jiān)測分機(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 身份識別傳感器設(shè)計

　　在圖書館內(nèi)借閱書籍，首先需要通過注冊成為該圖書館的合法成員，并錄入人臉信息。一旦注冊成功，信息將被納入該圖書館的數(shù)據(jù)庫，此外，可關(guān)注該圖書館的公眾號并進(jìn)行登錄，當(dāng)賬戶有借閱或歸還記錄時，公眾號將會推送相應(yīng)信息。身份識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別用戶信息提供有力的保障。人體是一個恒溫的熱體，正常情況人體溫度都會處于36～37 ℃，人體會發(fā)出10 μm左右波長的紅外線。本文設(shè)計時采用了波長為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，其內(nèi)部的電荷會發(fā)生變化，通過電荷檢測電路就可以被微處理器所感知。電荷檢測電路采用三運(yùn)放構(gòu)成差動放大電路來實現(xiàn)微弱電荷檢測，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級別電阻。微處理器會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，驗證身份[10]。如果驗證成功，液晶屏將會顯示核對成功，反之，則提示該用戶不存在或錯誤。當(dāng)身份驗證通過需要借書時，通過按鍵鍵入圖書的序列信息并完成借書。此外，身份識別傳感器會將借閱者的信息發(fā)送給控制主機(jī)，由主機(jī)進(jìn)行匯總和上傳。

　　2.1.2 圖書識別傳感器設(shè)計

　　館藏圖書在入館時在圖書脊底端都貼有一個帶有磁條的RFID標(biāo)簽[11?12]用于圖書分類，標(biāo)簽由數(shù)字、字母和符號等組成的一個序列號。書籍在上架前，在系統(tǒng)中對每一本書指定固定的柜子放置，在每個柜子的底部都有相應(yīng)的磁感應(yīng)區(qū)，可以識別出圖書的序列號[13]。圖書識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)圖書的序列號與箱內(nèi)規(guī)定序列號相同時，認(rèn)為圖書擺放無誤，才允許柜門關(guān)閉，防止圖書發(fā)生錯架。當(dāng)柜內(nèi)無識別信息時，傳感器會將信息發(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對庫內(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，微處理器產(chǎn)生一個0.5～1 s的脈沖電平，此時，模擬開關(guān)電路接通，驅(qū)動電路工作，輸出12 V，驅(qū)使電子鎖動作。

　　2.1.3 報警系統(tǒng)設(shè)計

　　圖書館是學(xué)者借閱、學(xué)習(xí)的重要場所，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)計了火災(zāi)監(jiān)測和緊急報警，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，立馬上傳報警信息至分機(jī)，分機(jī)立馬將信息轉(zhuǎn)發(fā)給智慧圖書館管理平臺，平臺將報警信息下發(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，確定存在火災(zāi)隱患時，立即前往現(xiàn)場查看，如果發(fā)生火災(zāi)直接聯(lián)系火警救災(zāi)。另外，攝像頭實時地監(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，可根據(jù)視頻查找犯罪嫌疑人。

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