基于物聯網的智慧圖書館系統的設計與實現

翁曉暉

摘要：物物相連，人物相連——是物聯網首要的開發細想。智慧圖書館管理系統主要研究物聯網技術在圖書館中的實踐應用。系統通過搭建安全穩定的物聯感知層搭配智慧圖書館管理軟件實現自動化管理。使用良好的人機交互界面，充分反饋各個設備的工作狀態以及數據，用戶只需在電腦前完成簡單的操作即可控制遠程的設備乃至系統的全自動化辦公。系統擁有“智慧”的算法完成自動恒溫、自控燈光、天氣實時消息推送、火情監控、安防監控等等，對比傳統的圖書館管理模式，智慧圖書館管理系統能為圖書館工作人員帶來更加輕松便捷的工作體驗，為讀者帶來溫馨舒適的閱讀環境。

關鍵詞：物聯網;傳感網;智慧圖書館;信息技術;自動化技術

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）34-0075-04

1 引言

1.1 物聯網梗概

物聯網是建立在互聯網基礎之上并且是互聯網的擴展和延伸[1-2]，將各種感知技術、現代網絡技術和人工智能與自動化技術聚合與集成應用，使人與物智慧對話，創造一個智慧的世界。物聯網技術的發展幾乎涉及了信息技術的方方面面，是一種聚合性、系統性的創新應用與發展，因此被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮[3]。

1.2 研究意義

回顧過去，傳統的圖書館管理方式存在諸多單一、重復性高的工作，例如：調節空調排氣、控制燈光、推送溫度、人工監控。采用這種傳統工作模式的圖書館將投入巨大的人力和財力，員工挑戰低、機械性工作、工作熱情降低從而降低了服務質量、缺少人文關懷。

根據圖書館的發展史，圖書館的每一次發展以及成長均借助技術以及智能[4]。通過利用通信技術將身邊各式設備連接起來，并運用智慧算法替代傳統方式實現跨設備跨平臺聯調聯控、無人值守自動化辦公。物聯網技術的融入將帶來全新的工作環境。

2 概要設計

2.1 智慧圖書館架構圖

智慧圖書館管理系統分為三個層次：感知層、網絡層、應用層。圖1為該系統系統架構圖。

感知層搭載系統所需的環境傳感器、執行器、攝像機等物聯網設備負責采集系統所需的各項數據。感知層顧名思義感知層就像是人的感知系統，是機器感知與探索現實世界感官。網絡層是將設備與設備之間連接起來并且讓設備在網絡中擁有唯一的ID標志，負責轉發設備控制信號和傳遞信息。應用層位于系統的最高層，它負責接收保存環境數據、分析數據、判斷執行，是整個系統中央控制。

2.2 軟件結構圖

根據需求分析得到的需求用例轉換為4大系統軟件結構：登錄退出模塊實現登錄注冊注銷等功能;用戶中心：實現周工作記錄功能;環境監控：實現系統采集感知、數據顯示、設備控制等功能;安防監控實現圖像錄像采集、入侵檢測、攝像機控制等功能。

圖2為智慧圖書館管理系統軟件結構圖。

2.3 軟件原型設計

原型設計是UI設計師和軟件設計師最好的溝通方式，它是脫離界面樣式主題的軟件框架設計，將界面模塊、元素、控件以及交互形式等用線框的方式描繪，了解軟件內容、結構以及粗略的布局[5]。圖3為智慧圖書館管理系統核心模塊的原型圖。

2.4 數據庫設計

智慧圖書館管理系統隨著運行時間的增加，系統無間斷的環境采集將產生龐大的數據量，為了便于數據的存儲和管理系統采用數據庫為數據存儲。

2.4.1 數據表分析

該系統分為兩類數據表一類基礎數據表，在系統運行初期及不產生用戶數據的數據庫表，另一類是動態創建的數據表，當用戶創建周工作表時，周工作表內容表將自動被系統創建（使用代碼創建），動態創建的數據表以用戶名加創建時間命名且沒有外鍵約束，通過一張基礎數據表WorksheetIndex中記錄的周工作表表名，對周工作內容表進行增刪改查。

如圖4和圖5為動態數據表及其索引表示例。

2.4.2 E-R圖

智慧圖書館管理系統中各數據表的邏輯關系（E-R圖）如圖6所示。

3 感知層設計與實現

3.1 感知層分析

為完成智慧圖書館自動化無人操作的核心功能：恒溫、環境采集、安防監控、推送LED、自控燈光等。核心設備如：典型傳感器、執行繼電器、LED和遠程攝像頭等均選用工業化產品，根據設備施工難易度、數據優先級，將設備通信方式分為兩大類。

第一類，有線通信方式。有線通信具有安全可靠、抗電磁干擾性強、天氣因素影響低等要素極其適合連接實時性、安全性、可靠性高的物聯網設備。溫濕度傳感器、光照傳感器等感知設備所采集數據具有實時性和易過期性等性質。采用有線通信的方式等最大程度降低數據延遲所帶來的系統反應時間長數據分析不可靠的現象。此外還有監控設備采用有線的通信方式如：紅外傳感器、攝像機等，監控入侵不僅需要系統的即時反應，還需要數據的實時、安全、穩定，有線通信通過加裝抗電磁干擾、防剪等保護裝置可以有效防止不法分子擾亂、破壞監控設備;同時有線網絡提供的高速通道為監控圖像的傳輸奠定基礎。

第二類，無線通信。無線通信容易受天氣、人為、電磁信號等諸多外部因素的影響，但是其部署簡易、低成本具有不可小覷的優勢。本案例中燈光控制等設備將采用Zigbee通信方式，Zigbee具備低速、低耗電、低成本、支持大量網上節點、支持多種網上拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全等特點[6]，為設備搭配大容量電池或光伏發電裝置，Zigbee設備能夠實現超長待機、長時間工作續航的能力。

3.2 感知層搭建

感知層搭建基于分析的結果實驗室模型環境，分為3層自底向上為傳感層、工控設備層、TCP/IP層。

傳感層：各類傳感器的安裝、電源的接入以及將其信號線與合適的工控設備相連。

工控設備層：采用ADAM-4017和ADAM-4150兩種設備分別實現對模擬量和數字量兩種不同傳感數據的采集。

TCP/IP層：主要設備有串口服務器和網絡攝像頭，串口服務器將工控設備和LED、Zigbee設備等串口通信設備級聯，通過TCP/IP網絡協議進行數據傳輸。

為了有效、穩定可靠的搭建感知層平臺，使用微軟推出的Viso設計感知層搭建圖紙，如圖7所示。

4 系統核心功能的設計與實現

智慧圖書館是物聯網圖書館典型應用案例，系統在軟件開發方面最為核心的就是與每個設備信息的交互、數據的處理以及實現全自動化的智能算法，本章將詳細介紹這些技術和代碼編寫。

4.1 環境數據采集與處理

數據采集是物聯網應用中最基礎的一個部分，也是機器感知外界環境的唯一手段，以下小節將介紹本系統中常見設備的信息通信和數據處理。

4.1.1 ADAM模塊

ADAM采用Modbus協議進行數據傳輸。Modbus 協議是應用于電子控制器上的一種通用語言，通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其他設備之間可以通信[7]。經許多公司的實際應用，逐漸為世人所認可，成為一種標準的通訊規約，只遵循Modbus協議進行數據傳輸，不同系統之間就可以完成通訊。

ADAM-4017模擬量采集模塊能夠采集傳感器實時回饋的模擬量環境數據，如溫濕度、光照等。如光照傳感器將信號線連接至模塊采集端口，即可通過ADAM-4017獲得實時光照值的模擬量數據，在進行計算處理（AD轉換）獲得實際光照值（單位lx），模擬量數據是傳感器根據當前環境因素也就是當前光照值所反饋的電流量，即用電流值模擬光照強度。

ADAM-4150數字量IO模塊具有DI（信號）輸入功能和DO（信號）輸出功能，采用Modbus通信協議。DI輸入端口用于采集煙霧、火焰、人體紅外、紅外對射等具有布爾特性的傳感器數據。如火焰傳感器，當傳感器的感應頭受環境影響，與傳感器信號線相連的DI端口將輸入高電平，此時火焰傳感器的數據為真，表示在傳感器探知范圍內檢測到火焰。DO出入端口用于控制執行器，如燈光、風扇等設備，通常DO端口與執行器之間相連一個繼電器用于接收DO端口輸出的高低電平以完成設備的開關控制。DI端口和DO端口都是以高低電平的方式采集布爾類型的數據以及控制設備電源的通斷。

1）通訊規約

當通訊命令發送至儀器時，符合相應地址碼的設備接通訊命令，并除去地址碼，讀取信息，如果沒有出錯，則執行相應的任務;然后把執行結果返送給發送者。返送的信息中包括地址碼、執行動作的功能碼、執行動作后結果的數據以及錯誤校驗碼。如果出錯則不反饋任何信息。

地址碼：是信息幀結構的第一字節，有8位，最大取值范圍0～255。每個模塊擁有獨立唯一的地址碼，在反饋數據的信息幀中地址碼表示發送該數據的設備。

功能碼：指定設備執行什么任務。

數據區：數據區包含需要設備執行的動作、由設備反饋的采集信息。

錯誤校驗碼：冗余循環碼（CRC）包含2個字節，即16位二進制。CRC碼放置于發送信息的尾部。設備接收到通信命令會重新計算CRC碼，比較計算結果與接收的校驗碼是否相符，不相符則表明數據出錯。

4.1.2 Zigbee通信

Zigbee是一個功耗低、短距離通信的設備，由于設備安裝便捷被業界廣泛使用。Zigbee通信對比于ADAM模塊就簡單許多，不同開發方式的Zigbee模塊也具有不同的通信協議，本系統中只需將與Zigbee模塊相連的串口設置頻率為34800，打開端口后就能實時無間斷的收到模塊傳遞的數據以及發送命令，在接收到數據長度為27，同時buffer數組第17位為0x30時判斷為有效數據并解析該數據。

4.1.3 模擬量AD轉換

溫度傳感器測量電流范圍4～20mA，電流差為16mA，如溫度傳感器測量范圍-10～60°C與4～20mA相對應。

在AD轉換前先將傳感器高地位數據拼接，通信數據幀結構上低位數據在前，高位數據在后所以把byte類型的高位數據乘以256加上低位數據存放于int類型數據空間。獲得完整電流原始數據后進行AD轉換，先計算出傳感器當前電流值：

電流 = 滿量程電源 * （CHxH+CHxL）/滿量程AD值/電流采樣電阻

系統中滿量程電源為3300（滿量程電壓值3.3V）， 滿量程AD值為1023，電流采樣電阻為150。即：

電流 = 3300 * （CHxH+CHxL）/1023/150

然后將計算出電流值減去最低測量電流的差除以量程電流差乘上傳感器量程，即：

測量數據=（電流-4）/16*傳感器量程

圖8為數據拼接以及AD轉換的編碼。

4.2 接口設計

為了提高系統的擴展性以及可維護性，本系統采用多層開發模式各層分工明確并具有良好通信接口。系統層次如圖9所示。

視圖層：具有必要的界面組件、控件以及良好的人機交互體驗。

控制層：控制視圖的切換、系統功能以及設置功能參數。

SysService：系統后臺服務用于實時采集感知層環境數據以及自動控制執行器。

數據訪問層：封裝數據庫的操作。SQLBLL為數據庫的業務邏輯處理，SQLHelper為數據庫操作工具類具有連接/斷開數據庫、增、刪、改、查等接口。

DeviceCtrlHelper：封裝每個設備的工具類，如ADAM、LED、Zigbee等。部分設備工具類需要設備底層DLL的支持。

4.3 自動化功能實現

自動化功能包括：自動燈光控制、自動風扇控制、自動推送各類實時消息（天氣實況、火情等）。

自動燈光控制通過采集得到的當前環境光照值進行分析判斷，當環境光照值低于用戶設定的數值時，輸出ADAM-4150 DO端口的控制信號。此時繼電器通電完成開燈操作，當高于用戶設定的數值時停止輸出端口的控制信號。此時繼電器短路完成關燈操作。自動風扇控制同理。

自動火情推送功能是根據火焰傳感器、煙霧傳感器檢測情況判斷火情自動推送LED推送內容，一共有三種火情警報：發現煙霧情況、發現失火、發生嚴重火災。

4.4 UI配色

藍色幾乎是所有群體都會比較愿意接受的顏色[8]，它能夠體現科技、現代、理智、干凈等諸多元素。基于色彩的特性智慧圖書館管理系統選用藍色為主題顏色。

5 結束語

智慧圖書館是物聯網技術對圖書館的一種應用案例，在當前大力發展高新技術的政策以下極具有研究意義。

對比于傳統圖書館的機械性煩瑣的管理工作，智慧圖書館采用溫濕度傳感器、紅外傳感器、煙霧火焰傳感器、光照傳感器、攝像頭等感知設備，利用Zigbee、wifi等網絡通信技術搭建一個實時穩定的感知平臺。智慧圖書館提供實時精準的環境數據采集、智能溫控、數據分析，無人值守穩定的火情監控、安防監控，系統初始配置后無人值守、智能分析、自動處理，減少員工作業成本提高工作價值的同時讓讀者感受到一個有溫度的圖書館。

參考文獻：

[1] ITU Strategy and Policy Unit （SPU）.ITU Internet Reports2005：The Internet of Things[R].Geneva：International Tele-communication Union （ITU），2005.

[2] 錢志鴻，王義君.物聯網技術與應用研究[J].電子學報，2012，40（5）：1023-1029.

[3] 劉強，崔莉，陳海明.物聯網關鍵技術與應用[J].計算機科學，2010，37（6）：1-4，10.

[4] 李鵬.智慧圖書館核心技術解構與展望[J].電子技術與軟件工程，2021（16）：180-181.

[5] 原型設計[EB/OL].[2021-04-09].https：//baike.baidu.com/item/%E5%8E%9F%E5%9E%8B%E8%AE%BE%E8%AE%A1.

[6] zigbee[EB/OL].[2021-04-09].https：//baike.baidu.com/item/zigbee.

[7] MODBUS協議[EB/OL].[2021-04-09]. https：//baike.baidu.com/item/MODBUS%E5%8D%8F%E8%AE%AE.

[8] 戴文雅，葉方.研究色彩心理學在UI界面設計中的應用[J].設計，2021，34（16）：96-98.

【通聯編輯：謝媛媛】