圖書館借閱和歸還自助系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

宋愛香 馬沖 王思敏

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、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。監(jiān)測分機則由主控制器、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

中圖分類號： TN99?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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遠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、計算機網(wǎng)絡(luò)、計算機軟件技術(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，學生借閱不能準確放回書架現(xiàn)象愈發(fā)嚴重[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，導致數(shù)據(jù)處理紡織類高校的文獻資源異質(zhì)性高[6]。為此有學者提出通過對每本書帖上RFID標簽，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，無法保證準確識別所有錯架的圖書。此外，有學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。設(shè)計的監(jiān)測分機可供用戶查閱館內(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、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。監(jiān)測分機將該閱覽室各個智能書架的數(shù)據(jù)進行打包和匯總，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)測分機發(fā)送來的信息，實時地更新圖書庫，向用戶推送信息，當智能柜故障時下發(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行信息共享，用戶通過PC或手機訪問智慧校園平臺，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，控制主機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 ?控制主機設(shè)計

本文提出了ARM+DSP的控制主機設(shè)計方案，其硬件框圖如圖2所示，采用功能模塊化設(shè)計，標準硬件設(shè)計便于功能擴展和升級。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。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行登錄，當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，當用戶接近控制主機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)送給處理器進行分析，用戶可以根據(jù)液晶屏上的圖像進行調(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，由主機進行匯總和上傳。

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標簽[11?12]用于圖書分類，標簽由數(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)送給微處理器進行分析處理，只有當圖書的序列號與箱內(nèi)規(guī)定序列號相同時，認為圖書擺放無誤，才允許柜門關(guān)閉，防止圖書發(fā)生錯架。當柜內(nèi)無識別信息時，傳感器會將信息發(fā)送給控制主機，由主機進行匯總和上傳，智慧圖書館管理平臺對庫內(nèi)信息進行更新，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

圖書館是學者借閱、學習的重要場所，不僅學習、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行具有重大意義[14]。為此，本文設(shè)計了火災監(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)遠程控制。從CPU內(nèi)設(shè)定有閾值，當?shù)竭_設(shè)定閾值時，立馬上傳報警信息至分機，分機立馬將信息轉(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，確定存在火災隱患時，立即前往現(xiàn)場查看，如果發(fā)生火災直接聯(lián)系火警救災。另外，攝像頭實時地監(jiān)控智能書架周圍情況，當出現(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。

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

2.2 ?軟件設(shè)計

當用戶需要借閱書籍時，可在系統(tǒng)中查詢書籍所在的位置和對應(yīng)的序列號。用戶利用自己的識別卡進行認證，如果認證失敗，液晶會顯示無此用戶信息;當認證成功后，安裝在智能書架上的攝像頭會對借閱書籍的用戶進行抓拍，同時，用戶可以鍵入所要借閱書籍的序列號，核對無誤后就可按確認打開對應(yīng)的電子鎖，取出書籍。同時，處理器將會把抓拍書籍等信息上傳給監(jiān)測分機、智慧圖書館管理平臺，平臺將會更新圖書庫，并通過微信等推送給用戶，讓用戶實時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簡單，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，位于箱體內(nèi)的圖書識別裝置會對放入的圖書進行識別，只有識別成功的箱門才會自動關(guān)閉，完成書籍的歸還，同時，智慧圖書館管理平臺向用戶推送賬戶信息。如果書籍歸還位置不對，或嚴重損壞裝置無法識別，將無法完成書籍的歸還。

3 ?閱覽室監(jiān)測分機設(shè)計

3.1 ?監(jiān)測分機硬件設(shè)計

閱覽室監(jiān)測分機主要作用是匯總該閱覽室各個智能書架的信息，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)測數(shù)據(jù)的現(xiàn)場處理。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)用于實現(xiàn)分機與智能書架的數(shù)據(jù)交互;4G網(wǎng)絡(luò)用于分機和管理平臺的通信，分機采用AC 220 V進行供電。

3.2 ?監(jiān)測分機軟件設(shè)計

監(jiān)測分機軟件要實現(xiàn)與智能書架和與云平臺的數(shù)據(jù)交互等功能，其流程圖如圖7所示。設(shè)備初始化后分機主動向智能書架發(fā)送配對請求，如果配對不成功，在間隔1 min之后，再次請求配對，若配對仍不成功說明與智能書架通訊異常，此時分機向云平臺上報故障信息，云平臺通知運維人員進行處理。若配對成功，分機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，則分機及時更新閱覽室的圖書信息，并將數(shù)據(jù)進行壓縮和打包，之后通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給智慧圖書館管理平臺。

4 ?管理與服務(wù)平臺設(shè)計

本文采用C#開發(fā)，建立SQL Server數(shù)據(jù)庫，利用ADO數(shù)據(jù)訪問方式與后臺數(shù)據(jù)庫連接[15]。其硬件運行環(huán)境最低標準為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)測分機實時獲取圖書借閱和歸還信息，并上傳至智慧圖書館管理平臺。管理人員通過賬號訪問平臺，擁有圖書館所有權(quán)限，定期對管理系統(tǒng)進行維護，如有新書上架時要對新書進行入庫管理。當圖書館發(fā)生故障時，也可登錄系統(tǒng)查看故障信息，圖書館維護時也可以登錄系統(tǒng)發(fā)布公告。管理平臺也配套有相應(yīng)的微信公眾號，用戶可以用微信綁定自己的賬戶，當有新書上架、賬戶信息變動等將直接從微信上獲得推送。此外，利用光纖可將管理平臺的資源信息共享至智慧校園平臺，讀者可以訪問平臺進行賬戶注冊，也可以根據(jù)精準或模糊搜索查看關(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 ?性能測試與分析

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

6 ?結(jié) ?語

本文設(shè)計的圖書館借閱和歸還自助系統(tǒng)可百分百實現(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誤造成借閱困難等問題。同時，也無需專門設(shè)置進出門禁，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警，在一定程度上確保了圖書館的安全運行。

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