基于無線傳感技術的圖書館自動借閱系統

陳文生

(南京科技職業學院， 圖書館， 江蘇， 南京 210048)

0 引言

圖書信息管理主要是管理圖書館內的圖書借閱情況[1]，是圖書館工作的主要組成部分。圖書館內圖書數量的海量性、圖書品類的復雜性以及圖書借閱歸還的無限循環性造成圖書借閱管理工作開展得較為困難[2]，因此采用現代信息技術進行圖書借閱信息管理成為輔助圖書借閱管理工作的有效方式[3]。

當前使用的信息管理系統主要有基于云平臺的信息管理系統[4]、基于大數據決策的信息管理系統[5]和基于異構數據集成技術的信息管理系統[6]。基于云平臺的信息管理系統以云計算、大數據技術為基礎，以信息化、智能化平臺服務為支撐，實現智慧圖書館系統設計；但該系統運行過程中存在能耗較大的問題?；诖髷祿Q策的信息管理系統以大數據決策支持為基礎，深入研究圖書館管理系統的安全風險識別與管理；但該系統信息采集精度存在一定不足?；诋悩嫈祿杉夹g的信息管理系統以異構數據規劃化設計與管理為核心，設計差異化信息監測中心，滿足信息管理需求；但該系統數據處理過程復雜，信息管理效率較差。

無線傳感技術以無線傳感器為核心，由無線器、無線檢測器和測量電路共同組成[7]，具有遠距離、無接觸、速度快、精度高等顯著優勢[8]。針對上述信息管理系統中存在的缺陷，本文考慮無線傳感技術的優勢，設計了一種基于無線傳感技術的圖書館自動借閱系統，以期有效提升圖書館圖書借閱信息管理的工作質量。

1 基于無線傳感技術的圖書館自動借閱系統設計

1.1 系統整體設計

基于無線傳感技術的圖書館自動借閱系統整體架構如圖1所示，由下至上分別是感知控制層、異構網絡通信層和綜合應用層。感知控制層主要利用無線傳感技術進行圖書信息采集；異構網絡通信層內包含系統信息傳輸的不同網絡載體，如無線網絡、GMS/CDMA公共傳輸網絡以及Internet網絡等；綜合應用層的主要功能是實現用戶與系統之間的交互功能，依照用戶指令進行遠程監控、圖書信息監視以及智能報警等功能的擴展應用。

圖1 系統內整體架構

1.2 感知控制層設計

感知控制層是系統的基礎支撐[9]，本文采用無線傳感技術進行設計。感知控制層整體結構設計如圖2所示。

圖2 感知控制層整體結構

感知控制層利用無線傳感器節點采集圖書借閱信息，通過無線傳感技術進行圖書借閱信息通信。感知控制層設計過程中為防止輸送信號產生碰撞問題，以頻分復用思想為基礎[10]，將信道帶寬劃分為若干個頻段(子通道)，各頻段間不存在重疊現象，且不同通道之間存在相應的空間距離，各傳輸信號均具有各自固定的子通道。通信模塊接收端基于定向天線接收圖書信息信號，同時利用異構網絡通信層內的不同選頻網絡分離通信信號與能量信號，分離過程獲取的通信信號對無線傳感器節點實施讀取操作，由此獲取無線傳感器節點內的圖書數據。圖書數據由原道反饋至通信模塊發射端，能量信號被整合后，經由負載阻抗結合獲取直流電壓，實現無線傳感器節點輸電。

為保障感知控制層內無線傳感器有效運行，需確保輸出頻率與通信單元接收頻率一致，因此在感知控制層中需設計本振電路。感知控制層內的本振電路設計選取ADF4350，其具有小數與整數頻率合成器，式(1)可描述ADF4350輸出頻率控制原理：

RFOUT=IN+FRMO×fPRF

(1)

式中，RFOUT和RF分別表示ADF4350的分頻器頻率輸出與分頻器，IN和FR分別表示整數分頻系數和小數分頻系數，MO和fP分別表示ADF4350的模數和細分壓控振蕩器頻率的輸出分頻器。

式(2)描述fP的輸出頻率Q：

Q=RIN×1+σR×(1+T)

(2)

式中，RIN和σ分別表示ADF4350的基準頻率輸入和RF、RIN的倍頻器位，R和T分別表示RF分頻器的基準分頻系數和0或1的基準2分頻位。

通過設計感知控制層內的本振電路可確保感知控制層有效運行，實現感知控制層內軟件設計。

1.3 綜合應用層設計

在綜合應用層內，異構網絡通信層內的不同選頻網絡將不同類型的圖書感知數據傳輸至個人或相關部門，通過數據與分析融合過程，監控圖書館內不同區域的圖書，并且依照實際情況遠程控制圖書信息。同時，綜合應用層內擴展不同應用，如圖書目錄檢索、咨詢服務、用戶終端等，通過不同應用實現圖書館內圖書資源共享。圖3為綜合應用層結構圖。

圖3 綜合應用層結構圖

綜合應用層內采用數據挖掘技術統計不同圖書借閱者的圖書借閱記錄，并對記錄內容進行分析，構建相應的需求偏好模型?；谒鶚嫿ǖ男枨笃媚Ｐ?，通過一系列分析計算后可確定圖書借閱者感興趣的圖書，并通過各種形式向圖書借閱者推薦相關圖書，供圖書借閱者選擇。圖書推薦過程如下。

在系統內輸入圖書借閱者的相關信息(借書證號)E={e1,e2,…,em}、圖書借閱者特征F={f1,f2,…,ft}、圖書在架復本數C={cy1,cy2,…,cyn}以及圖書借閱者—圖書借還時間間隔。

利用式(3)確定不同圖書借閱者之間的主要特征相似度：

simf(ei,ej)=α×simp(ei,ej)+β×simg(ei,ej)+

χ×sims(ei,ej)

(3)

式中，simp(ei,ej)、simg(ei,ej)和sims(ei,ej)分別表示圖書借閱者ei、ej的專業相似度、年齡相似度和性別相似度，α、β和χ均表示一個正數，α+β+χ=1。

利用式(4)確定圖書借閱者之間圖書借閱時間間隔頻度云的相似度：

sime(ei,ej)=cos(Vei,Vej)=Vei·VejVei×Vej

(4)

式中,云ei、ej的數字特征向量分別為Vei=(Exei,Enei,Heei)和Vej=(Exej,Enej,Heej)，其中Ex、En和He分別表示數值特征期望、熵和超熵。

結合式(3)與式(4)，利用式(5)計算不同圖書借閱者間的相似度：

sim(ei,ej)=θ×imf(ei,ej)+(1-θ)×ime(ei,ej)

(5)

式中，θ∈[0,1]表示權重因子。

依照式(5)將sim(ei,ej)降序排序，確定目標圖書借閱者ei的最近鄰居集合Nej=(N1,…,Nk)。依照Nej內不同圖書借閱者對圖書的偏好，確定ei對圖書yi的偏好程度：

Pei,yi=eyei+∑ek∈Nejsim(ei,ej)×(eyek,i-eyek)∑ek∈Nejsim(ei,ek)

(6)

式中，eyei和Nej分別表示目標圖書借閱者ei外借與歸還圖書的平均時間間隔和ei的最近鄰居，sim(ei,ek)表示ei與圖書借閱者ek的相似度。

將Pei,yi最高，且圖書館內在架副本數部位0的l本圖書推薦給目標圖書借閱者ei。

通過上述過程準確的向圖書借閱者推薦符合其需求的圖書，至此完成基于無線傳感技術的圖書館自動借閱系統的設計。

2 性能分析

實驗為測試本文所設計的基于無線傳感技術的圖書館自動借閱系統的實際應用性能，選取某市圖書館為應用對象，在其管理部門搭建本文系統進行圖書自動借閱管理，測試結果如下。

2.1 系統模塊功能性測試

系統模塊功能性測試的主要內容是測試本文系統綜合應用層內圖書借閱模塊和自動還書模塊的性能。為保障圖書借閱模塊和自動還書模塊對輸入內容的健壯性，以不同模塊設計功能需求為標準，采用黑盒測試法進行測試。

2.1.1 圖書借閱模塊性能測試

采用黑盒測試法測試圖書借閱模塊，測試用例、預期輸出與實際輸出如表1所示。分析表1可知，圖書借閱首先需要掃描讀者借書證，確定圖書借閱者身份。在確定圖書借閱者身份后，需掃描圖書，系統將捆綁圖書借閱者的相關信息(借書證號)與圖書信息(ISBN號)，點擊確定按鈕后，即可完成圖書借閱。分析表1還可得到，圖書借閱模塊能夠識別圖書借閱者相關信息(借書證號)是否注冊，且能夠根據圖書借閱者相關信息(借書證號)判斷其可借圖書的上限量。針對為注冊的圖書借閱者提示其“用戶不存在”。表1內的相關測試用例的實際輸出與預期輸出完全一致，由此說明本文系統圖書借閱模塊設計符合預期要求。

2.1.2 自動還書模塊性能測試

采用黑盒測試法測試自動還書模塊，測試用例、預期輸出與實際輸出如表2所示。分析表2得到，本文系統自動還書模塊能夠識別圖書是否存在，是否被借閱，是否被歸還。表2內的相關測試用例的實際輸出與預期輸出完全一致，由此說明本文系統自動還書模塊設計符合預期要求。

2.2 圖書信息采集測試

為測試本文系統中圖書信息采集精度，在應用對象數據庫內隨機選取6 500組數據作為實驗數據進行測試。以文獻[4]中基于云平臺的管理系統和文獻[5]中基于大數據決策的管理系統為對比系統，對比相同實驗環境下本文系統與對比系統在圖書信息采集方面的準確度(所采集的不同大小的數據同原始數據間的一致度，單位為%)，結果如表3所示。分析表3可知，本文系統針對不同大小的圖像信息數據進行采集，所采集數據同原始數據間的一致度均值達到98.39%，與文獻[4]系統和文獻[5]系統相比，一致度均值分別提升6.69%和5.27%。以上數據充分說明本文系統對圖書信息數據采集的準確度較高，因此采用本文系統進行圖書自動解約管理具有較高的可靠性。

表3 不同系統圖書信息采集精度測試結果

2.3 能耗分析

在相同實驗環境下，隨機選取連續時段(24小時)，在所選的連續時段內，每隔4小時進行一次能耗檢測并記錄檢測結果。單次檢測完成后，將能耗清零后再次進行下一時間節點能耗檢測，再次記錄監測結果。對比本文系統與兩個對比系統的在所選連續時段內的能耗，測試結果如圖4所示。分析圖4得到，在0點至8點之間，研究對象處于非開館狀態，三個系統均處于待機模式，本文系統電能消耗顯著低于兩個對比系統。在8點至20點之間，三個系統均處于工作模式，因此三個系統的能耗量均處于逐漸提升的狀態，本文系統電能消耗顯著低于兩個對比系統。20點至24點之間，三個系統均回歸待機模式，本文系統電能消耗顯著低于兩個對比系統。結果說明，無論系統處于待機模式還是處于工作模式，本文系統的電能消耗均顯著低于兩個對比系統，由此說明本文系統與兩個對比系統相比能夠有效節約電能。

圖4 能耗測試結果

2.4 定性對比分析

定性本文系統與兩個對比系統的性能，以上、中、下三個級別表示對比結果，結果如表4所示。分析表4可得，本文系統除多目標感知方面略遜于兩個對比系統，其余對比項均優于兩個對比系統，由此說明本文系統整體性能更優。

表4 性能對比結果

3 總結

本文設計了一種基于無線傳感技術的圖書館自動借閱系統，利用無線傳感器采集圖書信息，完成圖書館圖書借閱管理工作。實驗結果證明本文系統的設計可提升圖書館圖書借閱管理工作的準確性，并降低圖書館能源消耗，提升圖書館服務水平。