LoRa技術在智慧圖書館中的應用研究

周杰

摘 要 為促進智慧圖書館建設，滿足圖書館智慧化建設對于技術的需求，文章利用低功耗遠距離通信LoRa技術完善圖書館智慧化建設。在分析智慧圖書館技術應用現狀的前提下，詳細介紹其技術特點及在智慧圖書館中的可行性與應用優勢，最后構建四個基于LoRa技術的智慧圖書館應用場景。LoRa技術具有遠距離、低功耗、多節點、高速率等技術特點，彌補了現有無線通信技術的不足，開創了低功耗局域網無線標準，將其應用到智慧圖書館中，將改善圖書館無線通信網絡質量，助推圖書館提供智慧化服務，并為無線通信技術應用到智慧圖書館建設中提供借鑒。

關鍵詞 LoRa技術 智慧圖書館 無線通信技術 智慧化服務

分類號 G250.7

DOI 10.16810/j.cnki.1672-514X.2021.05.010

Research on the Application of Lora Technology in Smart Library

Zhou Jie

Abstract For the purpose of promoting the construction of intelligent library and meeting the demand for technology in the construction of intelligent library， this paper makes use of low power and long distance communication LoRa technology to perfect the intelligent construction of library. Based on the analysis of the present situation of intelligent library technology application， this paper introduces its technical characteristics， feasibility and application advantages in intelligent library in detail， and finally constructs four application scenarios of intelligent library based on LoRa technology. LoRa technology has the characteristics of long distance， low power consumption， multi-node， high speed and so on， which makes up for the deficiency of the existing wireless communication technology， and creates the low power LAN wireless standard. Applying it to the wisdom library will improve the quality of library wireless communication network， promote the library to provide intelligent services， and provide reference for the application of wireless communication technology in the construction of intelligent library.

Keywords Lora technology. Smart library. Wireless communication technology. Intelligent service.

大數據、物聯網技術的發展推動了智慧圖書館的建設。智慧圖書館是數字圖書館、智能圖書館的模式更新，是圖書館創新發展的產物。智慧圖書館建設可分為圖書館的實體建設與虛擬建設，任何一方都離不開技術的輔助。LoRa技術作為新型無線通信技術，拓展了無線通信領域，乃至物聯網行業的發展，彌補了現有無線網絡通信的不足。LoRa技術已被用于智慧城市、智慧醫院、智慧安防、智能工業園區等垂直領域，是一種低功耗無線通信技術，將其應用到圖書館智慧化建設中，將在數據傳輸、智能設備控制、資源有效利用、空間轉型升級、智慧平臺建設方面發揮技術應用價值，促進館內資源協同共享，優化網絡通信，完善智慧圖書館建設，為推動圖書館智慧化服務提供有力支撐。

1 智慧圖書館技術應用研究綜述

智慧圖書館是數字圖書館的轉型升級，數字圖書館是利用數字技術構建適用于圖書館的分布式信息系統，而智慧圖書館一直沒有統一的定義，國內最早的智慧圖書館研究者嚴棟認為，智慧圖書館是通過物聯網、大數據實現智慧化服務[1]，也有研究者認為，智慧圖書館是運用智能技術構建的智能建筑，是智能建筑與數字圖書館的有機結合與創新[2]。從研究者關于智慧圖書館的見解之中可知，智慧圖書館建設離不開技術，技術的加入是圖書館智慧化的關鍵。

智慧圖書館的建設重構了圖書館的資源、空間、服務和設備，要求圖書館朝著資源數字化、空間智慧化、服務個性化、設備智能化方向發展，而應用技術研究是智慧圖書館建設的重要環節。通過檢索數據庫發現，智慧圖書館建設的技術主要有物聯網技術、大數據技術、信息技術。宋興輝將其中的RFID技術應用到深圳智慧圖書館的建設中，不僅為讀者提供了自助式服務，而且促進了圖書的智能化流通[3]。學者通過實際案例將可穿戴技術應用到高校智慧圖書館建設中，發現可穿戴技術是分析用戶行為，為用戶提供精準服務的重要工具[4]。在無線通信領域，藍牙技術短距離、速率高的特點被廣泛應用到圖書館智慧建設中，有學者提出基于二維碼與Beacon構建完善的智慧圖書館應用方案，實現圖書館對于室內定位的需求[5]。伴隨著大數據、人工智能時代的到來，一系列技術被應用到智慧圖書館建設中。秦鴻等人提出將人臉識別技術融合到傳統圖書館中，將加快智慧圖書館的建設[6]。有學者還提出利用“人工智能+圖書館”構建智慧型學科服務空間，助力高校圖書館提供知識服務[7]。當然還有學者將深度學習融入智慧圖書館移動視覺搜索系統中，在整合多源異構視覺數據、讀者個性化偏好等方面發揮重要作用[8]。在感知智能方面，韓業江等提出利用情境感知技術實現圖書館智慧服務，提升個性化服務水平[9]。在新一輪的信息技術沖擊下誕生的區塊鏈技術，因其具有去中心化、安全性高等特點被應用到圖書館的智慧化建設中。5G技術作為移動網絡發展的最新產物，因其傳輸速率高、時延低等特點，逐漸被應用到圖書館中。

綜上所述，智慧圖書館建設中應用的技術要么屬于物聯網技術，要么與物聯網有直接關系或間接關系，WIFI、ZIGBEE、藍牙4.0無線通信技術被應用到圖書館智慧建設中，但因為技術自身的不足導致應用價值不高，存在高時延、速率低、高功耗、短距離、安全性低等其缺陷，而本文的研究對象LoRa技術，將有效改善技術不足，加快智慧圖書館的建設進度，提升圖書館智慧化服務水平。

2 LoRa技術及應用

LoRa（Long Range Radio）是一種線性調頻擴頻的調制技術，后被 Semtech公司所收購，并研發了LoRa芯片，開創了低功耗局域網無線標準，彌補了遠距離高功耗，低功耗短距離的不足。Semtech公司為了促進LoRa產業落地，還積極研發無線數傳模塊，包括最早的APC220、APC230等GFSK調制方式的數傳模塊，以及最新的適用于LoRa擴頻的APC340數傳模塊，為LoRa技術開啟物聯網市場提供了支撐。LoRa具有遠距離、低功耗、低時延、多節點、速率快、安全性高等特點。LoRa 采用 CSS 調制技術（Chirp Spread Spectrum），在擁有低功耗的同時增加了傳輸距離，相較于APC220、230的GFSK 技術，以及穩定性和安全性相對不足的短距離射頻技術，其具有遠距離、抗干擾性強等優點，傳輸距離可達3Km。對比大多數的網絡拓撲結構，LoRa網絡構架主要由四部分組成：應用/終端節點、LoRa網關、NET服務器和應用服務器，采用半雙工通信模式，星狀靈活組網，實現應用/終端節點不綁定唯一LoRa網關。另外，LoRa 技術無需建設基站，一個LoRa網關可以連接多個LoRa節點，采用AES128加密算法，能夠在有效保障數據安全的同時加快傳輸速率。

在Semtech公司的技術支持下，多家廠商聯合組建LoRa聯盟，推動LoRa產業發展。LoRa技術的成熟，加之國家政策的扶持，使得越來越多的互聯網巨頭加入其中，LoRa也因此成為了無線通信領域必然的選擇項。由Semtech 公司公開的數據顯示，已有超過75個國家，110多家網絡運營商著手部署LoRa，而實際部署的節點已超過9000萬個，國內有像阿里、騰訊這樣的互聯網公司的加入，也有像聯通這樣的運營商的加盟[10]，這直接說明LoRa無論是從其技術本質、產業結構還是市場需求，都將會是物聯網技術發展的重要部分。

本研究綜合理論研究與實際落地項目，梳理了LoRa技術的具體應用領域，發現其應用領域包括基于LoRa設計實現的智能抄表系統，實現遠距離、多節點獲取電表數據;基于LoRa的礦井無線通信，實現相對安全的礦井作業;采用LoRa設計的地質災害分布式實時監測系統、智慧醫療系統、智慧校園、智能照明系統、低功耗水壓系統、智能農業系統、智慧家居等系統，實現了遠距離控制智能終端，達到實時采集數據的目的。而在智慧圖書館建設的過程中，無線通信技術的應用尚為短板，暫無基于LoRa技術構建圖書館智慧服務的相關研究，LoRa技術的引入將改變現有智慧圖書館無線通信模塊建設與應用的不足。

3 LoRa技術在智慧圖書館的應用優勢

在圖書館領域，智慧化的建設離不開物聯網技術，而LoRa技術的獨有優勢應用到智慧圖書館建設中，將有效改善實體與虛擬圖書館建設的不對稱問題。隨著知識與技術的不斷融合與發展，助推智慧圖書館技術革新與服務模式需要更多的節點，以及遠距離的管理，LoRa的技術特點能夠很好地解決圖書館面臨的問題。

3.1 “遠距離、低功耗”助力館內資源共享

圖書館空間轉型升級這一主題是智慧圖書館建設下的研究熱點，多元信息學術共享空間是其發展目標，空間的轉型升級代表著圖書館整體結構的變化，館與館之間、館與部門之間資源共享交互成為其不得不考慮的方面。高校智慧圖書館應利用萬物互聯的思想實現館與校園各部門互聯互通，構建資源集成分布式系統。遠距離、低功耗的技術特點在此扮演重要角色，LoRa技術遠距離、低功耗與物聯網的碎片化、低成本相得益彰，保障了萬物互聯理念的實現。

3.2 “高速率、低時延”促進館內數據流通

LoRa技術采用半雙工的通信模式，應用數據可實現雙向上下行傳輸。當終端進行上行數據的發送與數據重發時，可根據鏈路環境的好壞決定擴頻因子，擴頻越低傳輸速率越快。另外，LoRa具有三種工作模式，不同的模式適用于不同的業務選擇，即A類終端設備提供雙向通信，B類設備在兼容A類的基礎上，支持下行時調度并執行信息監聽，C類設備適用于最大下行數據的應用[11]。LoRa其雙向上下行數據傳輸模式決定了高速率，低時延的技術特點。在大規模多結構數據的沖擊下，圖書館為保障服務質量的提升，拓展了服務模式，從數據服務到信息服務，再到智慧圖書館下的個性化、智慧化服務。為保障服務模式的變革，數據流通過程決定變革的水平，LoRa高速率、低時延的特點以及APC340數傳大容量緩沖區（外部接口透明傳輸方式）的設計，能夠提高館內上下行數據傳輸效率，加快各終端數據交互，促進館內數據流通。

3.3 “多節點、容量大”增強通信質量及網絡容量

網狀拓撲是網絡結構中的重要分支，但其網絡節點不相關性較多，加重了網絡連接與傳輸的復雜性，而LoRa網絡采用星狀拓撲結構，即LoRa網關連接多個終端，但終端卻不唯一綁定某一網關，同時終端還可將上行數據發送到多個網關中。在實體圖書館中，圖書館智慧化在一定程度上體現在是否擁有多個智能設備上，而智能終端所采用的組網方式決定了圖書館智慧服務的質量，如何在保障節點數據傳輸的同時保障通信的質量是智慧圖書館的重要議題。LoRa技術無需建立基站，可由一個網關控制多個終端節點，并可根據具體環境實行mesh、點對點、星狀等組網，實現館內業務環境下的靈活組網方式，以增強通信質量與網絡容量。

3.4 “AES128加密算法”保障數據傳輸安全

加密算法的優化更新保障了數據資源的安全，在數據源加密、數據傳輸過程中加密、數據終端加密等是研究的熱點。在一份數據的收發過程中，數據傳輸環節安全保障占據第一位，LoRa加密為AES（對稱加密算法），以128bit為一組，加密字為16字節，為保障數據傳輸的安全，加密字只允許設置，不允許修改查詢。智慧圖書館個性化服務中，采集用戶個人行為數據、構建用戶畫像會涉及到隱私數據的保護，而LoRa加密傳輸算法可有效保護隱私數據傳輸環節的安全，促進數據交流共享。

4 基于LoRa技術的智慧圖書館應用系統設計

無線通信技術之中最重要的是信號的接收與發送，因此傳感器是最重要的組件之一，在此過程中需要相關設備的支持以及控制傳感器的調控及節點的傳輸;LoRa技術應用到智慧圖書館建設中，其前端與后端有APC340數據傳輸模塊的連接，該模塊集成了單片機與擴頻射頻芯片，并在具體的系統設計中加入一定的傳感設備，由LoRa網關連接一個或多個節點，并由LoRa節點（傳感器設備）應用于多個不同的場景，如信息共享空間、職能部門資源共享平臺、自助3D打印、智能檢索機。

文章在LoRa技術的基礎上構建智慧圖書館應用系統，由四部分組成，分別為信息共享空間系統、自助3D打印系統、職能部門資源共享平臺、智能檢索機系統。

4.1 基于LoRa技術的信息共享空間系統

信息共享空間（Information Commons）是在圖書館館藏空間、信息空間的基礎上，加入開放共享的思想，進一步促進圖書館空間模式的變革，促使信息服務到個性化知識服務的轉變。在IC空間架構下，參考咨詢服務、各媒介服務、研究資料服務空間的關系密切，成為一種可供讀者學習、交流、研究的具有連續性的整體空間。伴隨著圖書館空間轉型升級的熱潮，信息共享空間得以從理論變為現實，先后有多家高校建立信息共享空間，如浙江大學圖書館、清華大學人文社科圖書館信息共享空間等，并向著學術信息共享空間的方向發展。信息共享空間秉持多元資源、多樣空間、多種服務融合為一體的理念，創新圖書館獲取館藏數據、使用數字信息、挖掘個人知識的方式，成為一種綜合性的、協作式的學習空間。

為了便于對IC內部各區域空間管理，文章基于LoRa技術實現對IC系統的統一調度與管理，主要有個人圖書館館藏區、團隊學習交流區、智能化多媒體設備區、研討室、信息咨詢區、自助掃描打印區等，通過多個采集節點、中繼節點、匯聚節點實現對IC資源的獲取與收集，最終集成到圖書館數據中心（詳見圖1）。圖書館通過行為數據、空間利用程度等進行數據挖掘、圖譜分析、畫像構建，進一步滿足用戶在信息共享空間的個性化需求，提供智慧化的知識服務。

4.2 基于LoRa技術的自助3D打印系統

伴隨著智慧圖書館的建設，智能設備不斷增多，如3D打印機、機器人等。以3D打印機為例，為滿足讀者的需求，打印機通常分布在館內各空間樓層，一旦出現故障，管理員很難及時處理。為解決此類問題，可通過部署LoRa網絡，數傳模塊，并結合一定的定位系統與傳感器，由圖書館控制中心實現對系統的監測控制，通過匯聚節點及時反饋信息，實現對系統的異常處理。如打印機A在工作過程中出現異常（缺紙等）時，將通過LoRa網絡與APC340內嵌單片機調控打印機狀態，并上報圖書館控制中心，以及時處理。

4.3 基于LoRa技術的職能部門資源共享平臺

圖書館智慧化服務質量的好與壞，從智慧館建設的內部來看，取決于各職能部門是否能夠實現資源共享。在倡導開放共享的理念下，有必要通過技術整合圖書館內部各職能部門的數據流通、資源共享。利用LoRa的星狀組網方式，在以太網與局域網的配合下，發揮一網關可控制多終端的優勢，整合各部門數據資源，并結合區塊鏈技術的“去中心化”優勢，構建各職能部門資源共享交流平臺，實現對館內資源的合理調度，保障服務的個性化、精準性。

4.4 基于LoRa技術的智能檢索機系統

智慧圖書館的背景下，提供資源的方式發生了變化，讀者無需在繁雜的書海里盲目尋找，只需通過個人終端或館內檢索終端，即可實現信息檢索。為了提供個性化的服務，館內檢索設備的部署需更加智能化，讀者可隨時通過檢索設備檢索信息，智能檢索設備也可以通過收集讀者的行為數據（檢索、瀏覽、收藏）進行用戶畫像的分析。將LoRa技術應用到智能檢索系統中的具體實現流程如圖2所示。

在APC340數傳模塊的支持下，結合傳感器、Beacon定位技術并結合收發節點與單片機的定時性能控制檢索機。讀者在使用智能檢索機前，需通過借閱證驗證身份，獲取檢索機提供的個性化信息，同時在LoRa網絡下組成LoRa局域網結構，各智能檢索機便可組成館內社區交流平臺，有助于館內隱性知識顯性化。

5 結語

現今正處于大數據、物聯網時代，伴隨著物聯網技術的發展，圖書館正從傳統圖書館到數字圖書館，再向著智慧圖書館的方向演進，而建設智慧圖書館，技術不可或缺，無論是大范圍的物聯網技術、人工智能技術，還是無線通信技術，都是圖書館實現智慧化建設的關鍵。文章選取低功耗遠距離LoRa技術，將其應用到智慧圖書館中，將有助于物聯網技術帶動圖書館智慧化的建設，而隨著對LoRa技術的不斷深入研究，如LoRaWAN技術，將為其他無線通信技術應用到智慧圖書館建設中提供參考。

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周 杰 貴州大學圖書館助理館員。 貴州貴陽，550025。

（收稿日期：2020-07-27 編校：陳安琪，左靜遠）