圖書館自助購書圖書入庫裝置設計

張銘玉

(福建理工大學 圖書館,福建 福州 350118)

0 引言

隨著科技的發展和知識大爆炸的到來,越來越多的科技文獻和專著層出不窮,而作為一個綜合性的高校,圖書館采購的書籍多種多樣。如何精準而有效地為廣大師生提供圖書服務是圖書館采購書目時需要考慮的重要問題[1-2]。目前,有些高校推出了一項服務,師生提出需要書目的申請,自行采購閱讀完以后入庫。這樣不僅提高了購書的精準性和流通性,還避免了圖書館圖書采購人員采購圖書產生的偏差。同時,無人值守移動圖書館逐漸普及,可以布置在教學樓、宿舍樓、學院門廳等地方,為師生員工的圖書借閱和歸還提供了方便[3-4]。

目前,自助購書閱讀后,還書入庫還不能像已經登記在冊的圖書一樣方便,必須到圖書館人工登記入庫。本設計是在無人值守移動圖書館現有的功能上,增加自助購書這部分未登記入庫的圖書,也能自助還書,且在出現網絡中斷的緊急情況下,也能實現還書功能。而本裝置收集的信息主要用于防止新生的錯誤還書或者惡意虛假還書。

1 自助圖書識別原理

1.1 圖書入庫流程調整

現有的圖書入庫流程是圖書信息登錄系統,二維碼輸入,貼RFID磁條,上架。自助購書還書的流程與原流程略有區別,首先識別圖書的類型,然后通過無人值守自助移動圖書館的新書還書功能,將書歸還到移動圖書館,最后通過網絡通知圖書館工作人員,收集到圖書館,再由人工完成其余的入庫流程。故本文在移動圖書館的新書入庫中需實現的功能為識別圖書及記錄還書人。

1.2 圖書識別方案

目前,自助還書功能采用的是RFID射頻識別技術。隨著圖像識別功能的普及,技術上有實現的方法,但圖像識別數據處理量大,對需要處理這些數據的計算機硬件和軟件要求較高,圖像識別設備成本相對較高,用條形碼還書時需輸入較多信息,不方便還書人員操作。

從美學和設計學的角度出發,分析圖書封面的特點。圖書封面主要包括了體現圖書內容的圖案和書名文字信息,其文字信息大多處于書名的上下或者左右黃金分割線處,而圖像信息則多種多樣。

根據以上信息,本文設計思路為拋棄具體的圖像識別功能,采用典型的局部顏色采集,可以將圖書按九宮格劃分為9個部分,每個九宮格中又可以均勻布置2個點,而圖書九宮格縱向的顏色采集點則是將圖書放在輸送帶上,通過控制輸送帶的運動位置實現顏色采集。

2 總體設計和功能實現方案

該方案設計將融入移動圖書館,但其功能相對獨立,即只用于歸還新采購圖書。其結構主要包括:還書傳輸帶組件(包括傳輸電機、皮帶和定位裝置)、定位傳感器、顏色傳感器、帶彈性的壓書滾輪、儲書箱,如圖1所示。

圖1 自助還書機總體方案

該裝置的工作流程為將需歸還的新圖書放置在傳送帶上,書的頂端靠緊圖書定位器,在觸摸屏上輸入簡單的圖書信息,包括圖書名、購書人及選擇圖書尺寸規格(16K/大16K……),按下觸摸屏上的還書按鈕,傳送帶開始運動,圖書隨著傳送帶開始運動,定位傳感器安裝在固定位置,不隨輸送帶一起運動,當圖書運動到定位傳感器時,顏色傳感器準備工作,將顏色傳感器檢測到的數據保存后,通過傳送帶將書收集到儲書箱中,帶彈性的壓書滾輪則是使書封面平整,有利于顏色傳感器采集正確顏色,其工作流程如圖2所示。

圖2 自助還書的流程

3 數據采集傳輸方案

新書入庫可以采用互聯網連接圖書館網絡,實現在線還書功能,也可以在沒有網絡的情況下,實現還書。

3.1 在線功能方案

移動圖書館的功能已經成熟,新增的功能只需要通過Wi-Fi模塊實現局域網和圖書館互聯網的相連,既可以實現在線還書功能,還可以將數據直接傳輸到圖書館網站上。

3.2 離線還書功能

離線還書功能則是在網絡通信出現故障,而自助移動圖書館有電力供應的情況下,實現自動還書功能。離線還書功能設計思路為:將歸還入庫新書封面顏色先保存在本地的單片機中,當在線功能恢復后,通過自助圖書館的網絡通信傳輸至圖書館系統,也可以將該信息通過本地Wi-Fi模塊傳輸給收集圖書的管理員。

4 軟硬件實現

4.1 自助新書還書硬件

對新購書的自助還書裝置硬件的總體要求是在質量可靠的前提下降低成本,故筆者對市場上的產品進行選擇,確定硬件如下:傳送帶組件中驅動還書輸送帶的電機種類很多,有交流伺服電機、直流伺服電機、步進電機及特種電機,各種電機的應用都非常廣泛[5-7],本設計為實現可靠性和經濟性,選擇兩相混合式步進電機,型號86BYG-250D帶驅動器[8],定位傳感器采用漫反射型光電開關E3F-DS30C4,顏色傳感器采用TCS3200[9],Wi-Fi模塊采用ESP8266,控制器采用Arduino Mega 2560 Rev3。圖書定位器則是一塊固定在傳送帶上的矩形亞克力板,用于和書的頂端對齊。

4.2 輸送帶運動的要求

輸送帶是由步進電機進行控制,當圖書正面向上,圖書頂端和傳送帶上的圖書定位器靠緊,起到定位的作用后,按下還書按鈕,記錄還書的時間標記后,步進電機開始工作,為了使顏色傳感器準確地采集顏色信息,當步進電機運行到九宮格的黃金分割線附近采集顏色時,停頓1 s,一本書入庫需停3次,傳送帶的速度初步設定為3 m/min,傳送帶驅動滾筒直徑為200 mm,轉換為步進電機轉速約5 r/min,轉速慢,因此可以不考慮步進電機的失步現象。步進電機的步距角1.8/0.9°,通過驅動器進一步地細分設置為每轉1 600步,輸送帶的定位精度0.4 mm。顏色傳感器的采集定位通過對步進電機的輸出脈沖控制其步數來決定。采用控制器Arduino輸出脈沖信號的個數實現步進電機的位置控制,輸出脈沖的頻率實現步進電機的速度,其接步進電機驅動器的PUL-接口,PUL+接+24 V?？刂撇竭M電機方向的DIR-接Arduino控制器的方向控制引腳,DIR+接+24 V。

4.3 顏色傳感器的數據采集

在光電開關傳感器檢測到圖書定位器后,根據步進電機每個脈沖驅動輸送帶運動0.4 mm距離進行控制,圖書定位器與輸送帶的距離為 4 mm,需10個脈沖距離后,根據輸入的圖書尺寸大小,將圖書輸送到顏色傳感器的采集位置時停下采集顏色,一次采集9個點的數據,并將該顏色數據表示為RGB(0-255)采集后,分別存儲在二維數組中,分別保存還書的序號和該書封面顏色的數據。因為顏色傳感器內濾波器設置是通過傳感器上的引腳S2和S3進行高低電平的設置實現的,因此,為了實現準確測量采集,可以在同一段程序中將3種顏色分別設置,即將一次采集時,完成紅藍綠3種濾波器和清除濾波器的設置。而傳感器的S0和S1通過高低電平來設置不同頻率的方波,與不同顏色相對應實現不同光強度設置。這樣在不同圖書封面的圖像都盡量采集較多信息,同時也降低了硬件成本。顏色傳感器的輸出是頻率信號,在使用前先對其進行校準,使用標準的白色,利用白光和3種濾波器設置比例系數,從而測算出實際顏色值。該顏色值與實際的值會有一定的區別,但本裝置的目的不是采集實際的顏色,而是采集該值后,防止出現誤還書或者惡意用其他圖書代替,因此只需要采集該圖書的顏色信息后,能用該裝置重新驗證該書的信息,且誤差相同,則可以完成對該書的確認。

4.4 數據傳輸

本裝置集成到現有的自助移動圖書館中,在正常狀況下,控制器Arduino Mega 2560 Rev3有4個串行通信口,將TX0和RX0用于和自助移動圖書館通信,傳輸數據到原有的自助移動圖書館,并將數據通過互聯網傳輸到圖書館的中心網絡,實現在線通信。

將TX1和RX1設置通過Wi-Fi模塊ESP8266進行通信,該模塊是在異常情況下,仍然可以進行正常還書,這時所還圖書的顏色信息無法通過互聯網傳輸至圖書館中心網絡,圖書館外派的讀者服務人員可以在收集新書時,同時通過自帶的平板電腦或工作手機連接ESP8266局域網完成顏色采集數據,即相對應的二維數組數據,通過局域網直接傳輸到工作手機。在無互聯網情況下使用Wi-Fi模塊時,將模塊設置為透明傳輸模式,可將每臺移動圖書館的名字按一定規則命名,例如某校第幾編號的移動圖書館等?？梢越y一設置密碼。通信握手信號可自主設置,例如在讀者服務管理員手機端App按下讀取圖書信號時,可以發送字符“r”給自助新書歸還端控制器Arduino,在控制器Arduino程序端的通信中斷讀取到字符“r”時,則將當前已經儲存圖書封面顏色信息的二維數組通過Wi-Fi模塊ESP8266傳輸至手機端。

5 結語

針對分散式自由購書后的還書入庫,本文在自助移動圖書館的功能上增加了自助的新購圖書還書功能,完成了總體方案設計以及為了完成該功能所需的各個部分的功能要求和設計,各個功能包括了輸送帶運動、顏色傳感器的數據采集、數據傳輸及其硬件選型和相應的軟件設計。