圖書館反占座系統的設計與實現

（江南大學，江蘇 無錫 214000）

0 引 言

眾所周知，圖書館是學校的文獻信息中心，是為教學和科學研究服務的學術性機構，是學校信息化的重要基地。每天到圖書館的學生都非常多，圖書館座位供不應求，占座現象一直存在。尤其是臨近期末考試，圖書館的占座現象愈演愈烈，入館學習的同學稍稍晚去一步，圖書館的座位上已經被早去的人放上了書，他們大多是給室友或朋友占座，而這些書有時候會放一個上午，甚至一整天。長時間占用座位，使得圖書館緊張的座位資源更是變得一座難求[1]。占座是一種資源浪費，使公共資源無法達到人人共享和有效利用，一直以來都是困擾高校圖書館的難題。本文提出的圖書館反占座系統設計，為解決占座問題提供了一個科學的理論解決方案，為入館學習的學生提供了一個很好的學習環境。

查閱資料發現，自2015年以來，國內僅少數高校購買或自行研發圖書館座位管理系統。它們通過VB、數據庫等技術，研制適合自己學校實際情況的軟件管理系統，在某種程度上緩解了占位現象引起的不必要麻煩[2]，一定程度上提高了座位的使用率，但是成本太高，并且具有特殊性，很難推廣到其他大學。

2019年12月前2周，通過對江南大學圖書館9:00—10:00座位使用情況的調研統計，發現占座率（即座位有書但沒人坐的位置總數/調查的座位總數）約為18.5%，占座現象比較嚴重。之后通過對圖書館的進出率、上座率、學生的平均離座時長進行了為期1周的調研，借助SPSS交叉表方法，發現卡方檢驗的結果Sig值大于0.05。因此，認為不同離座時長與座位的利用率兩者存在著一種顯著的線性關系，由此考慮對學生離座時間進行檢測，設計離座計時檢測裝置，來實時檢測并反饋座位的使用情況。

系統規則制定如下：

（1）發現空座（無任何物品），可直接刷卡入座，任何人以任何理由要求讓座，都不予理睬。

（2）發現空座（有私人物品），這時候會出現三種情況：原學生沒有刷卡，新來學生刷卡后，可直接就座學習，座位歸屬新來學生；原學生已經刷卡，此時座位在保護狀態，在一定時長內（根據調研結果設定最佳時間）原學生回來，座位仍屬于他；原學生在規定時間內未歸，此時座位釋放，其他任何學生均可刷卡入座[3]。

（3）如果學生短暫離開，系統會自動提供短時間（例如20 min）的座位保護。

（4）如果學生想長時間的離開座位，比如回宿舍午休等，學生需要刷卡，激活座位長時間保護功能，系統會提供長時間（例如2 h）的保護權限。

1 系統設計與實現

1.1 基于RFID技術的圖書館就座身份識別

RFID模塊具有使用方便、性能穩定、可靠性強、尺寸小、便于集成等特點。它采用電磁耦合的方式使得標簽從讀寫器耦合線圈的輻射近場中獲得能量，從而實現與讀寫器交換數據的功能[4]。用戶無需理解復雜的射頻通信協議，只需通過專用指令與閱讀器進行信息交互，即可實現盤點UID、讀存儲區和寫存儲區等操作。

在本設計中，讀卡器識別江南大學學生一卡通，當然可以推廣到其他大學的學生卡識別。射頻標簽中記錄了持卡者的所有信息，由讀卡器讀出卡中的信息后上傳到主控模塊，由主控模塊處理信息。主控模塊選用STM32系列。RFID技術可以在反占座系統中實現快速準確地對學生身份的信息識別，從而實現入館學生單卡單座，極大地避免了代刷卡占座的問題[5]。

此外，驅動模塊包含了系統所需的所有驅動電路，例如燈光控制電路、門鎖開關驅動電路等。GSM 模塊具有發送短信通知等功能，可以實現各種方式的安全通報。點陣模塊可以顯示不同類型的圖案，用于顯示座位目前所處狀態，便于同學進館后準確選座。射頻識別系統的組成結構如圖1所示。

圖1 射頻識別系統的組成結構

1.2 基于紅外傳感的座位使用情況檢測

圖書館每一層閱覽區、自習室的座位都裝有紅外線探測器，對學生使用座位或者離座進行實時檢測，能得到相關的座位信息，進而得到座位目前的狀態，之后將得到的信號傳送到圖書館座位使用情況統計終端。

1.2.1 技術層面

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發射的紅外線而輸出電信號的傳感器。早在1938年，有人提出過利用熱釋電效應探測紅外輻射，但并未受到重視，直到20世紀60年代，隨著激光、紅外技術的迅速發展，才又推動了對熱釋電效應的研究和對熱釋電晶體的應用。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器。

熱釋電元件的感應元將波長在8～12 μm之間的紅外信號的微弱變化轉變為電信號，為了只對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅爾透鏡，使環境的干擾受到明顯的抑制。菲涅爾透鏡可以將人體輻射的紅外線聚焦到紅外探測元件上，同時也產生交替變化的紅外輻射高靈敏區和盲區，以適應熱釋電探測元要求信號不斷變化的特性[6]；熱釋電紅外傳感器是座位識別設計中的核心器件，它可以把人體的紅外信號轉換為電信號以供信號處理部分使用；信號處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號進行放大、濾波、延遲、比較。當傳感器探測到人體輻射的紅外線信號并經放大后送給窗口比較器時，若信號幅度超過窗口比較器的上下限，系統將輸出高電平信號；無異常情況時則輸出低電平信號。

1.2.2 原理層面

查閱資料可知：人體輻射的紅外線中心波長為9～10 μm，而探測元件的波長靈敏度在0.2～20 μm范圍內幾乎穩定不變。在傳感器頂端開設一個裝有濾光鏡片的窗口，這個濾光片可通過光的波長范圍為7～10 μm，正好適合于人體紅外輻射的探測，而對其他波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用于探測人體輻射的紅外線傳感器，正好滿足本設計的實際需求。

1.3 硬件電路

CPU選用STM32F103C8T6單片機，它是一款基于ARM Cortex-M內核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲器容量是64 KB，需要電壓2～3.6 V，工作溫度為-40～85 ℃。電路連接圖如圖2所示。系統供電穩壓電路如圖3所示。本設計選用AMS1117-3.3，其是一種輸出電壓為3.3 V的正向低壓降穩壓器。顯示模塊為點陣模塊，當人離開座位超過一段時間后點陣圖案發生變化。此時座位被釋放，其他人可以使用該座位，長時間離座者被記入系統違規處罰名單。

圖2 STM32F103C8T6電路連接

圖3 供電穩壓電路

人體紅外感應模塊選用HC-SR501，它是基于紅外線技術的自動控制模塊，靈敏度高，可靠性強，低壓工作模式，廣泛應用于各類自動感應電器設備。其采用了菲涅爾光學透鏡原理，并且距離越遠感應越強。人體紅外感應模塊如圖4所示。

圖4 人體紅外感應模塊

將以上各模塊進行電路連接，便組成了圖書館反占座系統的硬件電路，如圖5所示。

圖5 離座后有計時功能的硬件電路圖

1.4 軟件編程

用SQL Server實現對圖書館座位信息的增刪改查等具體操作，進一步可用Eclipse和MySQL數據庫進行網頁搭建。網頁主要功能：用戶注冊、用戶登錄、用戶列表展示、用戶信息修改、用戶信息刪除、選座界面、座位實時統計、預約界面[7]。借助UI進行界面優化設置，網頁有內容發布功能，即需要在客戶端進行網絡訪問和數據傳輸，本設計用到了HTTP協議。在預約開放時間內，學生通過聯網的任何設備，在任何地方即可實時查看當前座位使用情況，選擇預約未被占用的座位，并按照自己預約的時間到自己選定的圖書館座位即可[8]。網頁選座界面如圖6所示，圖中數字為圖書館座位標號，白色為空座位，學生可以任意選擇；紅色座位則表示座位已有人。

圖6 網頁選座模塊

1.5 違規處罰規則

學生被系統檢測到占座會有違規信息。第一種情況是，學生幫其他同學占座，對應空座超過一定時間后，LED燈亮，對應空座的同學會被記入處罰名單；另一種情況是，離座超過規定時間，這時座位會被釋放，而座位原學生會被記入處罰名單一次[9]。

系統中的處罰名單有兩個參數：離座時長和違規次數。這兩個參數的設置要根據實際情況而定。此外，系統將學生列入處罰名單幾次可以禁止學生再次使用館內的座位，需要進行調研分析，進行合理設定，要符合學生的基本情況，達到基本的公平。本設計中以學期為時間段，每一學期結束，系統處罰名單全部清零，具體流程如圖7所示。

圖7 違規處罰規則流程

2 結 語

圖書館對每個高校來說都是十分重要且必備的，所以要對此引起足夠的重視。我們要清楚知道座位管理系統存在的利弊，不斷加強圖書館座位的管理，從而提高座位的使用率[10]。

針對江南大學圖書館的占座現象，本文提出了圖書館反占座系統的設計與實現，制定了全新的圖書館入座規則，在學生的身份識別上用到了RFID技術，對于館內座位的狀態監測利用了人體紅外傳感裝置。本文創新點是分析出了座位利用率與離座時間有很大關聯，設置了離座計時監測裝置，極大地解決了占座問題。