基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧圖書(shū)館系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

翁曉暉

摘要：物物相連，人物相連——是物聯(lián)網(wǎng)首要的開(kāi)發(fā)細(xì)想。智慧圖書(shū)館管理系統(tǒng)主要研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在圖書(shū)館中的實(shí)踐應(yīng)用。系統(tǒng)通過(guò)搭建安全穩(wěn)定的物聯(lián)感知層搭配智慧圖書(shū)館管理軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理。使用良好的人機(jī)交互界面，充分反饋各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)以及數(shù)據(jù)，用戶(hù)只需在電腦前完成簡(jiǎn)單的操作即可控制遠(yuǎn)程的設(shè)備乃至系統(tǒng)的全自動(dòng)化辦公。系統(tǒng)擁有“智慧”的算法完成自動(dòng)恒溫、自控?zé)艄狻⑻鞖鈱?shí)時(shí)消息推送、火情監(jiān)控、安防監(jiān)控等等，對(duì)比傳統(tǒng)的圖書(shū)館管理模式，智慧圖書(shū)館管理系統(tǒng)能為圖書(shū)館工作人員帶來(lái)更加輕松便捷的工作體驗(yàn)，為讀者帶來(lái)溫馨舒適的閱讀環(huán)境。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);傳感網(wǎng);智慧圖書(shū)館;信息技術(shù);自動(dòng)化技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）34-0075-04

1 引言

1.1 物聯(lián)網(wǎng)梗概

物聯(lián)網(wǎng)是建立在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上并且是互聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展和延伸[1-2]，將各種感知技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能與自動(dòng)化技術(shù)聚合與集成應(yīng)用，使人與物智慧對(duì)話，創(chuàng)造一個(gè)智慧的世界。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展幾乎涉及了信息技術(shù)的方方面面，是一種聚合性、系統(tǒng)性的創(chuàng)新應(yīng)用與發(fā)展，因此被稱(chēng)為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮[3]。

1.2 研究意義

回顧過(guò)去，傳統(tǒng)的圖書(shū)館管理方式存在諸多單一、重復(fù)性高的工作，例如：調(diào)節(jié)空調(diào)排氣、控制燈光、推送溫度、人工監(jiān)控。采用這種傳統(tǒng)工作模式的圖書(shū)館將投入巨大的人力和財(cái)力，員工挑戰(zhàn)低、機(jī)械性工作、工作熱情降低從而降低了服務(wù)質(zhì)量、缺少人文關(guān)懷。

根據(jù)圖書(shū)館的發(fā)展史，圖書(shū)館的每一次發(fā)展以及成長(zhǎng)均借助技術(shù)以及智能[4]。通過(guò)利用通信技術(shù)將身邊各式設(shè)備連接起來(lái)，并運(yùn)用智慧算法替代傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)跨設(shè)備跨平臺(tái)聯(lián)調(diào)聯(lián)控、無(wú)人值守自動(dòng)化辦公。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融入將帶來(lái)全新的工作環(huán)境。

2 概要設(shè)計(jì)

2.1 智慧圖書(shū)館架構(gòu)圖

智慧圖書(shū)館管理系統(tǒng)分為三個(gè)層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。圖1為該系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)圖。

感知層搭載系統(tǒng)所需的環(huán)境傳感器、執(zhí)行器、攝像機(jī)等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。感知層顧名思義感知層就像是人的感知系統(tǒng)，是機(jī)器感知與探索現(xiàn)實(shí)世界感官。網(wǎng)絡(luò)層是將設(shè)備與設(shè)備之間連接起來(lái)并且讓設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中擁有唯一的ID標(biāo)志，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備控制信號(hào)和傳遞信息。應(yīng)用層位于系統(tǒng)的最高層，它負(fù)責(zé)接收保存環(huán)境數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、判斷執(zhí)行，是整個(gè)系統(tǒng)中央控制。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)需求分析得到的需求用例轉(zhuǎn)換為4大系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)：登錄退出模塊實(shí)現(xiàn)登錄注冊(cè)注銷(xiāo)等功能;用戶(hù)中心：實(shí)現(xiàn)周工作記錄功能;環(huán)境監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)采集感知、數(shù)據(jù)顯示、設(shè)備控制等功能;安防監(jiān)控實(shí)現(xiàn)圖像錄像采集、入侵檢測(cè)、攝像機(jī)控制等功能。

圖2為智慧圖書(shū)館管理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖。

2.3 軟件原型設(shè)計(jì)

原型設(shè)計(jì)是UI設(shè)計(jì)師和軟件設(shè)計(jì)師最好的溝通方式，它是脫離界面樣式主題的軟件框架設(shè)計(jì)，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(nèi)容、結(jié)構(gòu)以及粗略的布局[5]。圖3為智慧圖書(shū)館管理系統(tǒng)核心模塊的原型圖。

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

智慧圖書(shū)館管理系統(tǒng)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，系統(tǒng)無(wú)間斷的環(huán)境采集將產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)量，為了便于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

2.4.1 數(shù)據(jù)表分析

該系統(tǒng)分為兩類(lèi)數(shù)據(jù)表一類(lèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表，在系統(tǒng)運(yùn)行初期及不產(chǎn)生用戶(hù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)表，另一類(lèi)是動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)表，當(dāng)用戶(hù)創(chuàng)建周工作表時(shí)，周工作表內(nèi)容表將自動(dòng)被系統(tǒng)創(chuàng)建（使用代碼創(chuàng)建），動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)表以用戶(hù)名加創(chuàng)建時(shí)間命名且沒(méi)有外鍵約束，通過(guò)一張基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表WorksheetIndex中記錄的周工作表表名，對(duì)周工作內(nèi)容表進(jìn)行增刪改查。

如圖4和圖5為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表及其索引表示例。

2.4.2 E-R圖

智慧圖書(shū)館管理系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)表的邏輯關(guān)系（E-R圖）如圖6所示。

3 感知層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 感知層分析

為完成智慧圖書(shū)館自動(dòng)化無(wú)人操作的核心功能：恒溫、環(huán)境采集、安防監(jiān)控、推送LED、自控?zé)艄獾取：诵脑O(shè)備如：典型傳感器、執(zhí)行繼電器、LED和遠(yuǎn)程攝像頭等均選用工業(yè)化產(chǎn)品，根據(jù)設(shè)備施工難易度、數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)，將設(shè)備通信方式分為兩大類(lèi)。

第一類(lèi)，有線通信方式。有線通信具有安全可靠、抗電磁干擾性強(qiáng)、天氣因素影響低等要素極其適合連接實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性高的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。溫濕度傳感器、光照傳感器等感知設(shè)備所采集數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性和易過(guò)期性等性質(zhì)。采用有線通信的方式等最大程度降低數(shù)據(jù)延遲所帶來(lái)的系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)數(shù)據(jù)分析不可靠的現(xiàn)象。此外還有監(jiān)控設(shè)備采用有線的通信方式如：紅外傳感器、攝像機(jī)等，監(jiān)控入侵不僅需要系統(tǒng)的即時(shí)反應(yīng)，還需要數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、安全、穩(wěn)定，有線通信通過(guò)加裝抗電磁干擾、防剪等保護(hù)裝置可以有效防止不法分子擾亂、破壞監(jiān)控設(shè)備;同時(shí)有線網(wǎng)絡(luò)提供的高速通道為監(jiān)控圖像的傳輸?shù)於ɑA(chǔ)。

第二類(lèi)，無(wú)線通信。無(wú)線通信容易受天氣、人為、電磁信號(hào)等諸多外部因素的影響，但是其部署簡(jiǎn)易、低成本具有不可小覷的優(yōu)勢(shì)。本案例中燈光控制等設(shè)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(wǎng)上節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)上拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速、可靠、安全等特點(diǎn)[6]，為設(shè)備搭配大容量電池或光伏發(fā)電裝置，Zigbee設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)超長(zhǎng)待機(jī)、長(zhǎng)時(shí)間工作續(xù)航的能力。

3.2 感知層搭建

感知層搭建基于分析的結(jié)果實(shí)驗(yàn)室模型環(huán)境，分為3層自底向上為傳感層、工控設(shè)備層、TCP/IP層。

傳感層：各類(lèi)傳感器的安裝、電源的接入以及將其信號(hào)線與合適的工控設(shè)備相連。

工控設(shè)備層：采用ADAM-4017和ADAM-4150兩種設(shè)備分別實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量和數(shù)字量?jī)煞N不同傳感數(shù)據(jù)的采集。

TCP/IP層：主要設(shè)備有串口服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)攝像頭，串口服務(wù)器將工控設(shè)備和LED、Zigbee設(shè)備等串口通信設(shè)備級(jí)聯(lián)，通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

為了有效、穩(wěn)定可靠的搭建感知層平臺(tái)，使用微軟推出的Viso設(shè)計(jì)感知層搭建圖紙，如圖7所示。

4 系統(tǒng)核心功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智慧圖書(shū)館是物聯(lián)網(wǎng)圖書(shū)館典型應(yīng)用案例，系統(tǒng)在軟件開(kāi)發(fā)方面最為核心的就是與每個(gè)設(shè)備信息的交互、數(shù)據(jù)的處理以及實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的智能算法，本章將詳細(xì)介紹這些技術(shù)和代碼編寫(xiě)。

4.1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中最基礎(chǔ)的一個(gè)部分，也是機(jī)器感知外界環(huán)境的唯一手段，以下小節(jié)將介紹本系統(tǒng)中常見(jiàn)設(shè)備的信息通信和數(shù)據(jù)處理。

4.1.1 ADAM模塊

ADAM采用Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言，通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可以通信[7]。經(jīng)許多公司的實(shí)際應(yīng)用，逐漸為世人所認(rèn)可，成為一種標(biāo)準(zhǔn)的通訊規(guī)約，只遵循Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不同系統(tǒng)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(shí)時(shí)回饋的模擬量環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫濕度、光照等。如光照傳感器將信號(hào)線連接至模塊采集端口，即可通過(guò)ADAM-4017獲得實(shí)時(shí)光照值的模擬量數(shù)據(jù)，在進(jìn)行計(jì)算處理（AD轉(zhuǎn)換）獲得實(shí)際光照值（單位lx），模擬量數(shù)據(jù)是傳感器根據(jù)當(dāng)前環(huán)境因素也就是當(dāng)前光照值所反饋的電流量，即用電流值模擬光照強(qiáng)度。

ADAM-4150數(shù)字量IO模塊具有DI（信號(hào)）輸入功能和DO（信號(hào)）輸出功能，采用Modbus通信協(xié)議。DI輸入端口用于采集煙霧、火焰、人體紅外、紅外對(duì)射等具有布爾特性的傳感器數(shù)據(jù)。如火焰?zhèn)鞲衅鳎?dāng)傳感器的感應(yīng)頭受環(huán)境影響，與傳感器信號(hào)線相連的DI端口將輸入高電平，此時(shí)火焰?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)據(jù)為真，表示在傳感器探知范圍內(nèi)檢測(cè)到火焰。DO出入端口用于控制執(zhí)行器，如燈光、風(fēng)扇等設(shè)備，通常DO端口與執(zhí)行器之間相連一個(gè)繼電器用于接收DO端口輸出的高低電平以完成設(shè)備的開(kāi)關(guān)控制。DI端口和DO端口都是以高低電平的方式采集布爾類(lèi)型的數(shù)據(jù)以及控制設(shè)備電源的通斷。

1）通訊規(guī)約

當(dāng)通訊命令發(fā)送至儀器時(shí)，符合相應(yīng)地址碼的設(shè)備接通訊命令，并除去地址碼，讀取信息，如果沒(méi)有出錯(cuò)，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù);然后把執(zhí)行結(jié)果返送給發(fā)送者。返送的信息中包括地址碼、執(zhí)行動(dòng)作的功能碼、執(zhí)行動(dòng)作后結(jié)果的數(shù)據(jù)以及錯(cuò)誤校驗(yàn)碼。如果出錯(cuò)則不反饋任何信息。

地址碼：是信息幀結(jié)構(gòu)的第一字節(jié)，有8位，最大取值范圍0～255。每個(gè)模塊擁有獨(dú)立唯一的地址碼，在反饋數(shù)據(jù)的信息幀中地址碼表示發(fā)送該數(shù)據(jù)的設(shè)備。

功能碼：指定設(shè)備執(zhí)行什么任務(wù)。

數(shù)據(jù)區(qū)：數(shù)據(jù)區(qū)包含需要設(shè)備執(zhí)行的動(dòng)作、由設(shè)備反饋的采集信息。

錯(cuò)誤校驗(yàn)碼：冗余循環(huán)碼（CRC）包含2個(gè)字節(jié)，即16位二進(jìn)制。CRC碼放置于發(fā)送信息的尾部。設(shè)備接收到通信命令會(huì)重新計(jì)算CRC碼，比較計(jì)算結(jié)果與接收的校驗(yàn)碼是否相符，不相符則表明數(shù)據(jù)出錯(cuò)。

4.1.2 Zigbee通信

Zigbee是一個(gè)功耗低、短距離通信的設(shè)備，由于設(shè)備安裝便捷被業(yè)界廣泛使用。Zigbee通信對(duì)比于ADAM模塊就簡(jiǎn)單許多，不同開(kāi)發(fā)方式的Zigbee模塊也具有不同的通信協(xié)議，本系統(tǒng)中只需將與Zigbee模塊相連的串口設(shè)置頻率為34800，打開(kāi)端口后就能實(shí)時(shí)無(wú)間斷的收到模塊傳遞的數(shù)據(jù)以及發(fā)送命令，在接收到數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為27，同時(shí)buffer數(shù)組第17位為0x30時(shí)判斷為有效數(shù)據(jù)并解析該數(shù)據(jù)。

4.1.3 模擬量AD轉(zhuǎn)換

溫度傳感器測(cè)量電流范圍4～20mA，電流差為16mA，如溫度傳感器測(cè)量范圍-10～60°C與4～20mA相對(duì)應(yīng)。

在AD轉(zhuǎn)換前先將傳感器高地位數(shù)據(jù)拼接，通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)上低位數(shù)據(jù)在前，高位數(shù)據(jù)在后所以把byte類(lèi)型的高位數(shù)據(jù)乘以256加上低位數(shù)據(jù)存放于int類(lèi)型數(shù)據(jù)空間。獲得完整電流原始數(shù)據(jù)后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，先計(jì)算出傳感器當(dāng)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(tǒng)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(jì)算出電流值減去最低測(cè)量電流的差除以量程電流差乘上傳感器量程，即：

測(cè)量數(shù)據(jù)=（電流-4）/16*傳感器量程

圖8為數(shù)據(jù)拼接以及AD轉(zhuǎn)換的編碼。

4.2 接口設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性以及可維護(hù)性，本系統(tǒng)采用多層開(kāi)發(fā)模式各層分工明確并具有良好通信接口。系統(tǒng)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(jī)交互體驗(yàn)。

控制層：控制視圖的切換、系統(tǒng)功能以及設(shè)置功能參數(shù)。

SysService：系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)用于實(shí)時(shí)采集感知層環(huán)境數(shù)據(jù)以及自動(dòng)控制執(zhí)行器。

數(shù)據(jù)訪問(wèn)層：封裝數(shù)據(jù)庫(kù)的操作。SQLBLL為數(shù)據(jù)庫(kù)的業(yè)務(wù)邏輯處理，SQLHelper為數(shù)據(jù)庫(kù)操作工具類(lèi)具有連接/斷開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)、增、刪、改、查等接口。

DeviceCtrlHelper：封裝每個(gè)設(shè)備的工具類(lèi)，如ADAM、LED、Zigbee等。部分設(shè)備工具類(lèi)需要設(shè)備底層DLL的支持。

4.3 自動(dòng)化功能實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)化功能包括：自動(dòng)燈光控制、自動(dòng)風(fēng)扇控制、自動(dòng)推送各類(lèi)實(shí)時(shí)消息（天氣實(shí)況、火情等）。

自動(dòng)燈光控制通過(guò)采集得到的當(dāng)前環(huán)境光照值進(jìn)行分析判斷，當(dāng)環(huán)境光照值低于用戶(hù)設(shè)定的數(shù)值時(shí)，輸出ADAM-4150 DO端口的控制信號(hào)。此時(shí)繼電器通電完成開(kāi)燈操作，當(dāng)高于用戶(hù)設(shè)定的數(shù)值時(shí)停止輸出端口的控制信號(hào)。此時(shí)繼電器短路完成關(guān)燈操作。自動(dòng)風(fēng)扇控制同理。

自動(dòng)火情推送功能是根據(jù)火焰?zhèn)鞲衅鳌熿F傳感器檢測(cè)情況判斷火情自動(dòng)推送LED推送內(nèi)容，一共有三種火情警報(bào)：發(fā)現(xiàn)煙霧情況、發(fā)現(xiàn)失火、發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)。

4.4 UI配色

藍(lán)色幾乎是所有群體都會(huì)比較愿意接受的顏色[8]，它能夠體現(xiàn)科技、現(xiàn)代、理智、干凈等諸多元素。基于色彩的特性智慧圖書(shū)館管理系統(tǒng)選用藍(lán)色為主題顏色。

5 結(jié)束語(yǔ)

智慧圖書(shū)館是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)圖書(shū)館的一種應(yīng)用案例，在當(dāng)前大力發(fā)展高新技術(shù)的政策以下極具有研究意義。

對(duì)比于傳統(tǒng)圖書(shū)館的機(jī)械性煩瑣的管理工作，智慧圖書(shū)館采用溫濕度傳感器、紅外傳感器、煙霧火焰?zhèn)鞲衅鳌⒐庹諅鞲衅鳌z像頭等感知設(shè)備，利用Zigbee、wifi等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)搭建一個(gè)實(shí)時(shí)穩(wěn)定的感知平臺(tái)。智慧圖書(shū)館提供實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集、智能溫控、數(shù)據(jù)分析，無(wú)人值守穩(wěn)定的火情監(jiān)控、安防監(jiān)控，系統(tǒng)初始配置后無(wú)人值守、智能分析、自動(dòng)處理，減少員工作業(yè)成本提高工作價(jià)值的同時(shí)讓讀者感受到一個(gè)有溫度的圖書(shū)館。

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