基于Raspberry Pi的智慧圖書館落座系統的設計與實現

徐濤 楊震 顧明虎 戴家樹 章平

摘要：針對近來圖書館出現占座現象，提出了一種基于Raspberry Pi的智慧圖書館落座系統來解決這類現象。系統通過軟硬件結合的方式，采用人臉識別技術，利用云平臺和物聯網平臺，輔助數據可視化的方式實現實時監控圖書館內部座位落座情況以及將最新圖書館座位信息的動態數據通過云平臺反饋到用戶的微信小程序內的功能。通過對系統的測試從硬件控制核心、人臉采集識別、數據傳輸得到圖書館中讀者聚集的高峰時間、高密度區域等信息。最后通過系統的智慧監測，反饋給讀者選擇出行時間和圖書館管理人員的管理，將圖書館管理數字化、智能化。

關鍵詞：Raspberry Pi;人臉識別;物聯網;云平臺;圖書館

中圖分類號：TP311? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）28-0104-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： In view of the recent phenomenon of library occupancy， a new intelligent library seating system based on Raspberry Pi is proposed to solve this phenomenon.Through the combination of software and hardware， the system adopts face recognition technology， USES cloud platform and Internet of things platform and auxiliary data visualization to realize real-time monitoring of the seating situation inside the library and feedback the latest dynamic data of library seating information to the user's WeChat small program through the cloud platform.Through the test of the system， the information such as the peak hours and high-density areas of readers in the library can be obtained from the hardware control core， face collection and recognition， and data transmission.Finally， through the intelligent monitoring of the system， feedback to readers to choose travel time and library management staff management， library management digital， intelligent.

Key words： Raspberry Pi; face recognition; the Internet of things; cloud platform; the library

近年來，隨著全民對獲取知識的熱情不斷高漲，各大城市和高校的圖書館座位資源出現緊缺，于是就帶來了占座難的問題。為了提升圖書館公共資源的利用效率，我們設計了一種基于Raspberry Pi的智慧圖書館落座監測系統。

Raspberry Pi是一種基于開源的Linux操作系統、配備SD/MicroSD卡作為內存的微型電腦主板，具備所有PC的基本功能。因為其具有個體微小、價格低廉但功能卻十分齊全的優勢，深受廣大創客的喜愛。研究者對Raspberry Pi的應用研究包括農業監測、智能家居、巡檢機器人、虹膜識別等等。周毅飛、呂曉菡等人利用Raspberry Pi實現農業智慧監測[1]，可監控植物生長過程中的環境數據的變化，監測獲取作物生長相關參數和環境因子的數據，為作物生產提供數據支撐。朱得元、俞寶庫等[2]人利用Raspberry Pi實現智能家居的遠程控制，采用底層各類型的微型傳感器作為數據采集節點的微控制器以及使用藍牙通信技術與Android智能設備進行遠程控制。而趙琛、張益等人利用Raspberry Pi設計實現的巡檢機器人，則可以通過網絡傳輸視頻、調整控制狀態[3]。李濟帆利用Raspberry Pi實現了人機語音交互，打破了傳統的人機交互，使人與機器的關系更加便捷、智能化[4]。

本項目結合硬件上的無線網絡技術，以開源的硬件平臺Raspberry Pi作為中心處理器、以超聲波測距傳感器用來監測該座位是否被入座、攝像頭采集周圍人臉數據自主判斷入座情況，以此利用物聯網技術對周圍環境的狀況轉換為數據，得到原始數據集，將收集到的信息實時反饋給云，達到準確監測、利于充分利用圖書館資源的目的。

1 技術原理

Raspberry Pi[5]是一款針對電腦業余愛好者等用戶的微型電腦，其內部裝有Linux系統，但是其特點在于體積僅相當于一張普通的撲克的大小，但是運算性能卻和智能手機相差不遠。在接口方面Raspberry Pi具有很好的擴展性。首先，Raspberry Pi擁有數個USB接口，此外還有快速以太網接口、SD卡擴展接口以及1個HDMI高清視頻輸出接口，樹莓派結構圖如圖1所示。

本項目通過各傳感器元件連接Raspberry Pi端口，Raspberry Pi將超聲波測距傳感器通過內置無線網卡使用環境中的局域網連接到服務器平臺，將圖書館位置空余數、就座情況等數據信息，傳輸到服務器中MySQL數據庫。讀者用戶可通過手機上的微信程序訪問查看實時數據，了解圖書館狀況。利用圖書館安置的攝像頭，對就座讀者做人臉識別，進一步確定讀者在座，以彌補傳統探測元件的不足。同時，將數據庫中每月、每季度的信息匯總后，在后臺通過調用matlab軟件調用程序，將抽象的數據轉化為友好的可視化數據圖。

2 項目設計與實現

2.1 數據采集和控制中樞模塊

本系統采用的是Raspberry Pi作為核心控制單元。相對比較而言，我們采用的Raspberry Pi 3是一種年輕的智能硬件設備。同時此版本內置無線接收器，可連接環境中的Wi-Fi，利用物聯網技術得到原始數據集，將收集到的數據實時反饋給云，為數據收集、傳輸提供了硬件上的支持。

除了使用Raspberry Pi外，在系統底層的信息采集系統采用還采用了超聲波測距傳感器和攝像頭兩個元件以及警示燈等輔助工具。超聲波測距傳感器，原理是采用傳感器發送超聲波，超聲波碰到物體后就會有回波現象，通過這個原理，運用精確的時差測量技術，就可以測量傳感器到目標物體的距離。系統利用它來完成對該座位是否被入座的監測功能。而攝像頭設備，以圖像的形式對周圍環境監控，對就座讀者做人臉識別，進一步確定讀者在座，以彌補傳統探測元件的不足。

2.2 人臉識別技術[6]

系統通過攝像頭采集到的周邊數據圖片，將其通過調用百度的API，發送由key和ID組成生成token，使用token將我們采集到的圖書館數據圖片發送到百度的服務器端，進行檢測將收到的數據用openCV顯示在圖片上判斷座位上是否有人就座。模塊的人臉識別效果圖如圖3所示：

2.3 數據可視化

數據分析[7]模塊，通過數據庫中各位置的以時間為軸，區域位置入座率為參數，分析圖書館中各位置的入座數據分析。既幫助圖書館管理人員找出一些地方入座率少的原因，也可以作為建議疏導，緩解這一塊區域人群密度過大，另一塊區域人群密度過小的問題，避免安全隱患。

使用模擬數據，在數據庫中錄入各區域各時間段入座人數。之后將數據庫中的數據導出為csv文件，通過python的pandas庫清洗數據，得到的數據轉化為txt文件格式。最后利用matlab編程處理，完成三維、二維等需要的關系模型，將數據趨勢可視化，以圖像直觀的方式供讀者和管理人決策使用，效果如圖4所示：

2.4 數據庫設計

系統租用服務器，搭建了一個小型的網絡云平臺[8]，通過安裝云平臺的Mysql數據庫，記錄當前從圖書館傳感器傳回的圖書館位置的落座情況。數據庫目前設計了三張表格，分別是“學生用戶表”、“就座記錄表”和“圖書館管理員表”。三者的關系是，就座記錄表記錄著學生就座的開始時間和結束時間，學生用戶表記錄著學生用戶的基本信息，圖書館管理員表主要管理其他兩者。系統數據庫E-R圖如圖5所示：

2.5 客戶端界面設計

利用微信涉眾廣、其內置小程序方便的特點，不采用獨立的對應App，通過調用相關的API開發了與系統配套的小程序，實現用戶查詢、選座、入座功能。系統采用較為美觀的UI界面，將選座放在中心位置。點開后，我們將提示用戶掃描二維碼宣布入座，完成用戶的線上登錄，此時，超聲波測距將每分鐘發出一次，以監測是否讀者是否仍在就座;監控攝像頭每5分鐘拍攝一張圖對周圍座位上的人作自動判斷是否在座。

當座位被就座，超聲波測距傳感器和攝像頭均采集到相關數據，則該位置顏色由藍色變成紅色，以表示此位置有人入座。小程序客戶界面如圖7所示：

3 總結

本系統通過軟硬件結合的方式，發揮Raspberry Pi占用空間小、功能較為齊全的優勢，結合人臉識別技術作智能優化，構成了底層數據收集工作。再通過圖書館內的無線網絡向服務器發送數據。整個系統利用人工智能、云平臺和物聯網技術，既能夠實時監控圖書館內部座位落座情況，又可以將最新圖書館座位信息的動態數據通過云平臺反饋到用戶的微信小程序內。用戶不必安裝多余的App，僅需打開微信就能知道圖書館的位置空余狀況、查詢、預約入座，也通過物聯網模塊的信息收集解決占位問題。

另外，系統增加數據分析的功能，分析讀者聚集的高峰時間、高密度區域等，方便讀者選擇出行時間和圖書館管理人員的管理，有效解決了圖書館現在面臨的主要問題，將圖書館管理數字化、智能化。

參考文獻：

[1] 周毅飛，呂曉菡，李慶海，等.基于“樹莓派”三代的農業智慧監測系統研究[J].南方農業，2019，13（10）：62-65.

[2] 朱得元，胡冰，俞寶庫.基于Android/Raspberry Pi的智能家居安防系統的設計與實現[J].電腦知識與技術，2017，13（19）：158-161.

[3] 趙琛，張益，裴方晟， 等.基于Arduino和Raspberry Pi的巡檢機器人系統設計[J].電子設計工程，2019，27（7）：104-108.

[4] 李濟帆.使用Raspberry Pi的人機語音交互系統[J].計算機產品與流通，2019（2）：118.

[5] 周定坤，付浩海.基于Raspberry Pi的語音指令匹配系統在智能家居場景的研究與實現[J].計算機產品與流通，2019（2）：104.

[6] 彭湘華.人臉識別技術在高職院校課程考核中的應用[J].科技創新與應用，2019（21）：153-154.

[7] 陸祝政，宓永迪.圖書館大數據的價值應用與風險控制[J].圖書館研究與工作，2019（6）：73-78.

[8] 王仡捷.高校移動圖書館系統設計與實現[J].安徽廣播電視大學學報，2018（3）：121-124.

【通聯編輯：梁書】