高校圖書(shū)館座位智能服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李昆倫，劉志豪，周英洪，黃錚

（武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院，武漢430070）

0 引言

圖書(shū)館是搜集、整理、收藏圖書(shū)資料以供人閱覽、參考的場(chǎng)所。而高校圖書(shū)館作為大學(xué)生的第二課堂，是以在校學(xué)生和教職員工為服務(wù)對(duì)象的學(xué)術(shù)性機(jī)構(gòu)[1]。雖然高校圖書(shū)館是頗受學(xué)生歡迎的學(xué)習(xí)場(chǎng)所，但座位資源有限，在某些特定時(shí)期（如考研季、考試周等）會(huì)出現(xiàn)座位供不應(yīng)求的現(xiàn)象，再加之部分學(xué)生不良的占座習(xí)慣，高校圖書(shū)館的座位資源往往不能得到充分的利用。為了給廣大讀者提供一個(gè)文明有序的學(xué)習(xí)環(huán)境，保證座位被充分且公平地使用，各個(gè)圖書(shū)館均制定了相應(yīng)的座位管理規(guī)則。這些規(guī)則一般由圖書(shū)館管理員來(lái)協(xié)調(diào)實(shí)施，但是實(shí)際的效果并不理想。因此，為了提高座位的管理效率，減少人力、物力資源的浪費(fèi)，引進(jìn)合適的座位管理系統(tǒng)成為眾多高校圖書(shū)館的不二之選。

目前，已有一些掃碼占座系統(tǒng)在某些高校圖書(shū)館投入使用，但讀者接受程度較低。分析其原因，主要在于：第一，這些系統(tǒng)不能向讀者預(yù)先提供空閑座位的具體位置，用戶(hù)體驗(yàn)差；第二，這些系統(tǒng)缺乏信息采集和識(shí)別功能，不能確定座位是否正在被他人使用。此外，一些高校圖書(shū)館還引入了支持刷卡選座的觸摸屏一體機(jī)，以可視化圖像的方式為讀者提供所有座位的信息，但當(dāng)讀者流量增大時(shí)容易造成“排隊(duì)選座”的現(xiàn)象，造成極大的不便。

為了解決這一系列問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的圖書(shū)館座位智能服務(wù)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)硬件測(cè)試和實(shí)地使用，該系統(tǒng)體現(xiàn)出了較高的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文的圖書(shū)館座位智能服務(wù)系統(tǒng)一共分為三個(gè)部分：信息采集與識(shí)別系統(tǒng)、服務(wù)器系統(tǒng)和移動(dòng)客戶(hù)端。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

移動(dòng)客戶(hù)端提供給讀者一個(gè)能夠使用本系統(tǒng)的平臺(tái)，它可以接收來(lái)自服務(wù)器系統(tǒng)的座位預(yù)約狀態(tài)信息并展示給讀者，同時(shí)也可以幫助讀者發(fā)送一系列指令來(lái)完成相應(yīng)的功能，例如預(yù)約座位、暫時(shí)離座等。

服務(wù)器系統(tǒng)是一個(gè)包含了服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)的整體，它在接收來(lái)自信息采集與識(shí)別系統(tǒng)、移動(dòng)客戶(hù)端的數(shù)據(jù)之后，修改數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的數(shù)據(jù)，并把座位的狀態(tài)信息發(fā)送給移動(dòng)客戶(hù)端、預(yù)約座位的讀者信息發(fā)送給信息采集與識(shí)別系統(tǒng)。因此，服務(wù)器系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，控制各個(gè)子系統(tǒng)的信息通信。

信息采集與識(shí)別系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收來(lái)自服務(wù)器的數(shù)據(jù)及指令，在讀者使用座位時(shí)會(huì)對(duì)讀者身份進(jìn)行識(shí)別。當(dāng)讀者使用校園卡成功入座后，系統(tǒng)會(huì)把相應(yīng)的信息返回給服務(wù)器系統(tǒng)。

2 各功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了適應(yīng)高校圖書(shū)館各種復(fù)雜多變的情況，并給讀者良好的使用體驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的各功能模塊

2.1 信息管理服務(wù)器

信息管理服務(wù)器面向圖書(shū)館管理員和系統(tǒng)維護(hù)人員。他們擁有后臺(tái)操作權(quán)限，可以對(duì)讀者的信用積分進(jìn)行管理，同時(shí)還可對(duì)座位的使用情況進(jìn)行查詢(xún)和統(tǒng)計(jì)等操作[2]。

本系統(tǒng)的信息管理服務(wù)使用Eclipse 平臺(tái)進(jìn)行編寫(xiě)，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展能力[3]，同時(shí)降低了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，增強(qiáng)了用戶(hù)體驗(yàn)。JavaWeb 服務(wù)器運(yùn)行在Tomcat 環(huán)境中，它和移動(dòng)客戶(hù)端使用統(tǒng)一的命令格式“request01&&request02”，其中“request01”代表方法類(lèi)型，“request02”代表二者之間交互的數(shù)據(jù)。服務(wù)器初始化完畢后，Tomcat 開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)服務(wù)器相應(yīng)的端口，解析移動(dòng)客戶(hù)端的請(qǐng)求，同時(shí)根據(jù)收到的URL 等信息，把客戶(hù)端的請(qǐng)求發(fā)送給相應(yīng)的Servlet 組件。而Servlet 會(huì)調(diào)用service 方法來(lái)處理這些請(qǐng)求，并把響應(yīng)的結(jié)果返回給移動(dòng)客戶(hù)端。命令解析的關(guān)鍵代碼如下：switch（request02）{

case"01":Message=database01.Registration_01（request01）;break;

case"02":Message=database01.LogIn_02（request01）;break;

case"03":Message=database01.ChooseSeat_03（request01）;break;

case"04":Message=database01.CancelSeat_04（request01）;break;

case"05":Message=database01.GetSeatInfo_05（request01）;break;

default:database01.HardwareInfo_06（request01）;}

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)

為了記錄讀者和座位的信息，系統(tǒng)需要使用數(shù)據(jù)庫(kù)完成信息的錄入與查詢(xún)。本系統(tǒng)采用的是MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，具有使用方式靈活、非過(guò)程化的優(yōu)點(diǎn)[4]。數(shù)據(jù)庫(kù)所能夠容納的讀者人數(shù)值設(shè)置為5000，該人數(shù)值可根據(jù)各高校圖書(shū)館的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。此外，JDBC（Java DataBase Connectivity，Java 數(shù)據(jù)庫(kù)連接）可以為多種關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)提供統(tǒng)一訪問(wèn)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)程序mysql-connector-java-5.1.47.jar 和JDBC 封裝的Connection、PreparedStatement、ResultSet 類(lèi)和接口來(lái)實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接、數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)句的執(zhí)行以及執(zhí)行結(jié)果的反饋等操作，該方法的關(guān)鍵代碼如下：

Connection con=null;

PreparedStatement prepStmt=null;

ResultSet rs=null;

try{

con=getConnection（）;

String queryStatement="update seatInfo set studentID='empty',預(yù)約時(shí)間='empty',預(yù)約截止時(shí)間='empty'where table-Num='"+tableNum+"'";

prepStmt=con.prepareStatement（queryStatement）;

rs=prepStmt.executeQuery（）;

}finally{

closeResultSet（rs）;

closePrepStmt（prepStmt）;

closeConnection（con）;

}

（2）信用管理

為了促使讀者合理有效地利用圖書(shū)館的座位資源，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了信用獎(jiǎng)懲機(jī)制。當(dāng)讀者在一周內(nèi)，沒(méi)有違約的不良行為（例如未能按預(yù)約時(shí)間到館、超出暫離規(guī)定的時(shí)間等），將給予信用積分的獎(jiǎng)勵(lì)。當(dāng)信用積分達(dá)到一定的級(jí)別時(shí)，系統(tǒng)將增加讀者額外的離座時(shí)間。相反，在讀者違約的情況下，系統(tǒng)會(huì)對(duì)其積分進(jìn)行扣除。當(dāng)積分扣減到規(guī)定的閾值時(shí)，讀者將在一周的時(shí)間內(nèi)不能使用本系統(tǒng)的預(yù)約服務(wù)。根據(jù)讀者的信用情況來(lái)調(diào)整他們使用座位的權(quán)限，這是本系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)之一。

（3）臨時(shí)卡功能

當(dāng)讀者因?yàn)橥泿@卡而想進(jìn)入圖書(shū)館學(xué)習(xí)時(shí)，可以在服務(wù)前臺(tái)進(jìn)行登記，領(lǐng)取與刷卡器配套的臨時(shí)卡，具有和校園卡相同的功能，當(dāng)讀者離開(kāi)圖書(shū)館時(shí)應(yīng)歸還該臨時(shí)卡。

2.2 移動(dòng)客戶(hù)端

本文的移動(dòng)客戶(hù)端適用于Android 操作系統(tǒng)，采用基于IntelliJ IDEA 平臺(tái)的Android Studio 集成開(kāi)發(fā)工具來(lái)完成相應(yīng)的界面設(shè)計(jì)。在Android 應(yīng)用中，提供了Activity、Service、BroadcastReciver 和ContentProvider 四大組件，可以完成復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)。移動(dòng)客戶(hù)端使用基于TCP 協(xié)議的Socket 通信來(lái)實(shí)現(xiàn)和服務(wù)器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，進(jìn)而通過(guò)異步消息處理機(jī)制完成對(duì)移動(dòng)客戶(hù)端界面的更新。下面即以移動(dòng)客戶(hù)端和服務(wù)器系統(tǒng)的Socket 通信為例，來(lái)設(shè)計(jì)研發(fā)如下關(guān)鍵代碼。其中，IpAddress、Port 分別是服務(wù)器系統(tǒng)的相應(yīng)的IP 地址和端口號(hào)，in 和out 分別是輸入字符流和輸出字節(jié)流。

Socket socket=new Socket（）;

socket.connect（new InetSocketAddress（IpAddress, Port）,5000）;

OutputStream out=socket.getOutputStream（）;

BufferedReader in=new BufferedReader（new InputStream-

Reader（socket.getInputStream（）））;

out.write（txt1.getBytes（"gbk"））;

out.flush（）;

socket.shutdownOutput（）;

移動(dòng)客戶(hù)端的功能主要包括讀者賬戶(hù)綁定、座位預(yù)約、暫時(shí)離座、久坐提醒四個(gè)模塊。讀者可以在自己的手機(jī)上安裝該客戶(hù)端，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)本系統(tǒng)的服務(wù)器[5]。

（1）賬戶(hù)綁定

讀者可以將移動(dòng)客戶(hù)端和自己的校園卡進(jìn)行綁定，通過(guò)讀者卡號(hào)進(jìn)行移動(dòng)客戶(hù)端的登陸，同時(shí)方便讀者進(jìn)行座位的查詢(xún)和預(yù)約。

（2）座位預(yù)約

讀者登陸客戶(hù)端后，可以查詢(xún)圖書(shū)館當(dāng)前的座位狀況，并根據(jù)自身的需求選擇適合的座位進(jìn)行預(yù)約。預(yù)約完成后，讀者需在1 個(gè)小時(shí)內(nèi)到達(dá)圖書(shū)館就座。否則，預(yù)約的座位將會(huì)自動(dòng)釋放，系統(tǒng)還會(huì)扣除讀者的信用積分并發(fā)送警告通知至客戶(hù)端。如果讀者確定自己無(wú)法在規(guī)定時(shí)間到達(dá)圖書(shū)館時(shí)，可以通過(guò)移動(dòng)客戶(hù)端取消預(yù)約，以免造成失信。

（3）暫時(shí)離座

當(dāng)讀者因就餐、打電話(huà)、上洗手間等情況需要暫時(shí)離座時(shí)，就可以使用此功能。按下移動(dòng)客戶(hù)端上對(duì)應(yīng)的按鍵后，讀者對(duì)應(yīng)的座位信息會(huì)發(fā)給服務(wù)器，服務(wù)器控制數(shù)據(jù)庫(kù)使得當(dāng)前座位重新處于預(yù)約狀態(tài)。待讀者返回時(shí)，座位將被再次占用。

通過(guò)大量調(diào)查，讀者暫離的時(shí)長(zhǎng)通常受到離座時(shí)段的影響。因此，本系統(tǒng)規(guī)定：在11:00～13:00、17:00～19:00 兩個(gè)時(shí)段，系統(tǒng)可以為暫離的讀者保留座位1.5個(gè)小時(shí)；而其他時(shí)段則只允許保留0.5 個(gè)小時(shí)。此外，當(dāng)實(shí)際的座位保留時(shí)長(zhǎng)剩余15 分鐘時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)送通知來(lái)提醒讀者，引起他們的注意。

（4）久坐提醒

眾所周知，連續(xù)久坐的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)對(duì)身體健康造成不好的影響。為了讓讀者在享受學(xué)習(xí)的同時(shí)又能保持一個(gè)良好的作息規(guī)律，系統(tǒng)每隔2 小時(shí)就會(huì)向讀者發(fā)送健康關(guān)愛(ài)的提示，提醒讀者適當(dāng)休息。這是本系統(tǒng)的又一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。

3 相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

信息采集與識(shí)別系統(tǒng)的硬件主要由STM32 主控制器、RFID 射頻識(shí)別模塊（采用MFRC522 芯片）和Wi-Fi 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊等部分組成[6]，其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。該部分實(shí)現(xiàn)的功能主要包括信息的采集與核對(duì)、座位LED 指示燈的顯示等。

圖3 信息采集與識(shí)別系統(tǒng)的硬件框圖

當(dāng)讀者通過(guò)移動(dòng)客戶(hù)端預(yù)約座位后，服務(wù)器將把讀者的信息發(fā)送給對(duì)應(yīng)座位的硬件系統(tǒng)，該座位的LED 指示燈會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的顏色變化，表示座位處于被預(yù)約狀態(tài)。讀者到達(dá)預(yù)約的座位時(shí)，使用校園卡在刷卡器上進(jìn)行身份的識(shí)別。射頻模塊將讀者的信息傳輸給STM32 主控制器，最后通過(guò)Wi-Fi 模塊把座位信息和讀者信息發(fā)給服務(wù)器，若刷卡器識(shí)別的讀者信息與預(yù)約信息相匹配，則座位的LED 指示燈顏色會(huì)再次變化，表示讀者入座成功。

4 實(shí)物的測(cè)試

圖4 是實(shí)物測(cè)試的場(chǎng)景，此時(shí)將已經(jīng)完成的硬件系統(tǒng)通電并接入無(wú)線局域網(wǎng)中。測(cè)試時(shí)，本文使用了若干張RFID 卡，同時(shí)使用移動(dòng)客戶(hù)端進(jìn)行座位預(yù)約。

圖4 硬件實(shí)物圖

（1）座位預(yù)約測(cè)試

在實(shí)際的硬件中，座位LED 指示燈有三種顏色，分別代表座位的三種不同狀態(tài)，其中紅色表示座位處于預(yù)約狀態(tài)；黃色表示讀者入座成功狀態(tài)；綠色表示該座位處于空閑可用狀態(tài)。

測(cè)試時(shí)，首先在移動(dòng)客戶(hù)端進(jìn)行座位預(yù)約。預(yù)約選定的座位后，座位LED 指示燈變成紅色，表示有讀者預(yù)約此座位。若該讀者在預(yù)約后的1 小時(shí)內(nèi)去刷卡就座，座位LED 指示燈顯示黃色，此時(shí)座位被鎖定。若并非該讀者就座即入座信息與預(yù)約信息不一致時(shí)，座位LED 指示燈、服務(wù)器的座位狀態(tài)不會(huì)發(fā)生改變。

在本系統(tǒng)中，座位的預(yù)約僅限當(dāng)日有效，讀者可以一直使用座位至閉館。當(dāng)讀者離開(kāi)圖書(shū)館時(shí)需按下刷卡器旁的離座按鈕，將該座位釋放，否則就會(huì)扣除相應(yīng)的積分。在移動(dòng)客戶(hù)端上，座位預(yù)約界面如圖5 所示，其中黑色表示該座位已被預(yù)約，淺灰色表示該座位處于無(wú)人使用的空閑狀態(tài)，讀者可點(diǎn)擊它們進(jìn)行預(yù)約。

圖5 移動(dòng)客戶(hù)端座位預(yù)約界面

（2）暫時(shí)離座功能測(cè)試

測(cè)試時(shí)間取14:23，測(cè)試者在移動(dòng)客戶(hù)端上使用暫時(shí)離座功能之后，此時(shí)所使用的座位硬件LED 指示燈變成紅色，移動(dòng)客戶(hù)端上顯示剩余的允許離座時(shí)間。當(dāng)剩余的允許離座時(shí)間還剩15 分鐘時(shí)，移動(dòng)客戶(hù)端發(fā)送一個(gè)如圖6 所示的提醒。當(dāng)測(cè)試者按時(shí)返回座位后，座位LED 指示燈變成黃色，反之指示燈變成綠色，座位被釋放。

圖6 歸座提醒通知

（3）久坐提醒功能測(cè)試

在測(cè)試者成功入座的前提下，移動(dòng)客戶(hù)端每隔2小時(shí)會(huì)有一個(gè)如圖7 所示的提醒通知。

圖7 休息提醒通知

（4）臨時(shí)卡測(cè)試

假定測(cè)試者忘帶校園卡，可以使用圖書(shū)館管理人員發(fā)放的臨時(shí)卡，如果測(cè)試者存在有效的預(yù)約記錄，管理人員可以將該測(cè)試者預(yù)約的卡號(hào)更改為臨時(shí)卡號(hào)，測(cè)試者可以使用臨時(shí)卡到預(yù)約座位上刷卡入座；當(dāng)測(cè)試者無(wú)預(yù)約記錄時(shí)，手持臨時(shí)卡后可以在空閑的座位上刷卡入座。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的高校圖書(shū)館座位智能服務(wù)系統(tǒng)成功地搭建了服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)，借助主流的嵌入式技術(shù)完成了相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)，并開(kāi)發(fā)了配套的移動(dòng)客戶(hù)端。通過(guò)本文的系統(tǒng)，讀者可以享受到線上座位預(yù)約、實(shí)時(shí)空位查詢(xún)、限時(shí)離座保護(hù)和久坐健康提醒等智能服務(wù)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以有效地提高圖書(shū)館的座位利用效率，改善讀者的用戶(hù)體驗(yàn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。