基于紅外線的圖書館座位智能管理系統的研究

程子懿 延炳龍 付衛紅 曹昕妮

摘 要：隨著在圖書館內學習的人數逐漸增多，圖書館的座位管理顯得越發重要。本文主要利用為STC89C52單片機以及HC-SR04超聲波測距對座位進行實時監測判斷是否有人并附加紅外線測溫模塊用以實時測溫，便于疫情防控常態化。同時該系統可由計算機后臺統計座位空閑情況，并將數據實時展現在圖書館管理員的計算機和手機app上，便于圖書館管理員進行管理和同學掌握座位情況，改善圖書館占座，管理員難以管理等問題，進而提高圖書館座位的利用率。

關鍵詞：座位管理;紅外線測溫;HC-SR04超聲波模塊;STC89C52單片機

基金項目：天津市大學生創新創業訓練計劃（202110058048）

在大學中，圖書館是學生自習的重要場所之一。圖書館環境安靜，圖書資源種類多，學習氛圍濃厚，一直深受廣大學生的青睞，是學生自習的首選目標。圖書館的座位數量決定了圖書館的容量，因此如何讓圖書館座位的利用達到最大化成為首要解決的問題。同時圖書館座位有限，以天津工業大學為例，目前天津工業大學全日制在校學生為2.8萬人，而圖書館的閱覽位3000余席，到了期末復習階段，圖書館座位原本就不能滿足廣大在校學生的復習需求。但仔細觀察發現，很多座位只放置著物品卻沒有人，其實這些位置被一些學生提前占座，卻沒有及時回到座位，這就使其他學生無法正常地使用座位，導致圖書館的座位利用率不高，圖書館自習室占座的問題日益嚴重。

雖然高校圖書館自習室的相關工作人員定期會阻止一些占座的行為，不過占座者經常以出去有事馬上回來當作借口，使得圖書館管理員也不易辨別，最終導致座位的利用率不高。并且有的同學看不慣有些學生一直占座的行為，選擇拿走其他學生占座的物品，這就在一定程度上造成了學生之間的矛盾，給在圖書館自習的同學帶來一定的麻煩和問題。

在當今疫情防控常態化的情況下，按照防疫要求在圖書館閱覽位自習的同學需要保持一定的間距。因此圖書館可利用的閱覽位更少了，這也加劇了圖書館座位的緊張情況。隨著物聯網技術的發展，可以借助單片機進行圖書館座位的管理。本產品利用超聲波測距檢測座位是否有人，大大簡化管理員的工作量，避免同學間因不當占座而產生的矛盾，維護了圖書館良好的學習氛圍。通過紅外線測溫，實時監測同學體溫，配合疫情常態化防控政策。利用智能管理設備，可以將圖書館座位的使用情況通過電子顯示屏和Android移動終端顯示出來，同學無需在圖書館漫無目的的尋找座位，同時也可以輔助圖書館的相關人員進行圖書館座位的管理。由于Android操作系統較為開源，源代碼豐富，比較容易進行二次開發。

一、系統功能模塊設計

通過對問題的分析，基于紅外線的圖書館座位智能顯示系統應由核心模塊、測溫測距模塊、反饋模塊、顯示模塊以及電源模塊構成。本系統主要使用STC89C52完成對數據的加載、處理和輸出。STC89C52單片機具有多端口、低功耗、高性能、低成本以及高可靠性等特點，因此廣泛的應用于科學研究、嵌入式開發以及工業產品中。

二、系統前端交互設計

系統在系統主要功能是顯示此座位使用情況主要顯示此座位使用情況，如圖1所示。

三、座位顯示系統界面設計

為了方便同學尋找圖書館中沒有被使用的座位以及圖書館工作人員對于圖書館座位的管理，此系統將座位情況顯示到圖書館管理員的終端中及圖書館顯示大屏幕中，并同時顯示在學生的智能手機中。手機中可以顯示座位是否有人在使用以及是否有人占座。在當今疫情防控常態化的情況下，在系統中增加了對于體溫的監測模塊，在終端中可以將體溫過高的同學標紅以提醒圖書館相關工作人員及時處置此類突發事件，以保證同學們的健康。

四、硬件系統設計

基于已有圖書館座位管理系統出現的各種問題，本項目的創新之處在于主程序采用紅外線完成座位人員檢測，形成分析內容，確定是否有人在使用此座位。可以將此設備安裝在圖書館桌面及桌面邊緣，考慮到可能有座椅后背的影響，通過使用紅外線檢測溫度來感知是否有人正在使用此位置，使用超聲波測量距離來感知桌上是否有物品。硬件流程圖如圖3。

（1）核心部分：STC89C52單片機完成對數據的加載、處理和輸出。STC89C52單片機具有多端口、低功耗、高性能、低成本以及高可靠性等特點，因此廣泛的應用于科學研究、嵌入式開發以及工業產品中。

（2）測溫測距模塊：選用適當的紅外線測溫模塊及HC-SR04超聲波測距模塊，測量溫度距離且輸出數據流。選用合適的存儲器，緩沖數據，使得處理器能加載完成處理與輸出數據。

其中本文測距模塊使用的是HC-SR04超聲波測距模塊，此模塊具有性能穩定、測量距離準確、模塊精度高、盲區小等優勢。通常用于機器人避障、物體測距、公共安防和停車場檢測等項目中。HC-SR04超聲波模塊測距模塊的原理為： 模塊四個的引腳為觸發信號Trig，回聲信號Echo，供電VCC和GND，測量周期在60ms以上。當系統賦予Trig一個10us以上的脈沖時，HC-SR04內部自動循環發出8個頻率為40KHz的脈沖，回聲信號Echo剛收到回波時置1（超出一定范圍收到的信號不夠HC-SR04模塊置1定時器不計數），單片機定時器開始計數，直到回聲信號Echo沒有收到信號置0，記錄（TH+TL）次機器周期，一個機器周期需要12個振蕩周期，由此可以計算時間，再用時間乘速度就可以計算出距離S。

（3）反饋模塊：當桌面邊緣測溫結果不等于周圍環境測溫結果時系統判定為有人使用此座位，當測溫結果等于周圍環境測溫結果時判定為無人使用此座位。考慮到有的同學可能暫時離座，系統可以設置一個臨時離開的開關，當接通此開關時，系統自動判定為臨時離開。當臨時離開時長大于預定時間，或桌面邊緣測溫結果等于周圍環境測溫結果且桌面測距模塊測距結果為有物品時，系統判定為惡意占座，發提醒信息給占座但是沒去的同學，提醒他一個小時后如果座位還沒人東西就會被清理，系統還可以發信息給工作人員，提示這個座位已經多少個小時沒人使用，可以清理。并將實時座位數據顯示到圖書館管理員的終端中及圖書館顯示大屏幕中和學生的智能手機中，便于圖書館管理員及學生了解座位情況。一旦測溫模塊檢測到上座人員面部體溫異常，將通知上坐人員以及學校相關人員處理此突發事件，保障學生們的健康。

（4）電源模塊：220V市電的總電源，經變壓器變壓，整流橋整流，穩壓輸出5V電壓供給紅外線測溫模塊、HC-SR04超聲波測距模塊、STC89C52單片機及其外圍電路使用。

（5）顯示模塊：使同學以及圖書館相關工作人員較為方便的了解圖書館座位情況，此系統可以將座位使用情況顯示到圖書館的大屏幕以及手機中。

五、軟件設計

軟件流程如圖5。其中掃碼登記是為了便于此后系統長時間未檢測到學生落座時通知其盡快返回座位，同時如果其體溫異常也可以及時通知學生和學校相關人員，保障學生的安全。

檢測桌面邊緣溫度是否等于周圍溫度，若等于，則記為此座無人，并將結果發送至終端;若不等于，記為有人使用。當臨時離開時長大于預定時間，或桌面邊緣測溫結果等于周圍環境測溫結果且桌面測距模塊測距結果為有物品并且這種狀態保持一定的時間后，系統判定為惡意占座，發提醒信息給占座但是不在座位的同學，提醒他一個小時后如果座位還沒人東西就會被清理，并將座位狀態調整為空閑，系統還可以發信息給工作人員，提示這個座位已經多少個小時沒人使用，可以清理。若沒有物品，則判斷測距模塊。當探測不到桌面上有書本時，記為此座無人;測距結果表明有物品時，則記為惡意占座，并且時常大于預定值后通知收走其物品。

其中測溫模塊可以檢測上座人員面部的溫度，可以通過此方法檢測上座人員的體溫。一旦體溫異常，將在移動終端的系統中使用紅色標記，并且同時發出警告，通知學校相關人員，及時處理此類突發事件，保障學生安全。

六、程序仿真

c語言是一種較為底層的通用編程語言，其廣泛的應用到嵌入式開發中。由于c語言可以較為方便的導入到單片機中，并且相較于匯編語言更加簡單便捷效率較高，故使用keil4進行c語言的編譯，并將程序導入到單片機中進行運行。本文使用Proteus軟件繪制電路圖，電路圖如圖6。

此后將使用c語言編寫的程序導入到繪制電路圖中的STC89C52單片機中并進行仿真。仿真結果顯示其可以探測在2厘米外4.5米內的物體，符合設計需要的要求，達到了預期效果。

七、結束語

高校內的圖書館是學校的公共資源，它是大學生第二個學習的場所，學生在圖書館中不僅需要嚴格遵守圖書館的規章制度，而且還需要科學合理地應用圖書館內的所有公共學習資源。本文提出的圖書館座位管理系統的應用，既減少了惡意占座行為的發生，提高圖書館座位利用率，又節省了學生尋座時間，優化了圖書館的座位管理體系，為學生營造了滿意的自習環境，同時也為智慧圖書館的建設增加了新的內涵。

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