無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在圖書館座位管理系統(tǒng)中的應用

唐 紅

(淮安市圖書館，江蘇 淮安 223299)

近年來，隨著智慧圖書館新理念的提出和實施，為圖書館未來的發(fā)展指明了新的方向，通過構(gòu)建智慧圖書館來提供各類智能服務，是未來圖書館服務模式發(fā)展的新思路[1～3]。通過構(gòu)建智慧館舍，提高圖書館座位使用效率和讀者學習質(zhì)量，解決隨意占座、任性占座情況等突出問題。本文設(shè)計一款基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的座位管理系統(tǒng)，通過微信公眾號實現(xiàn)座位預約，使用傳感器實時采集座位參數(shù)以及讀者狀態(tài)在線參數(shù)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送智能網(wǎng)關(guān)，經(jīng)智能網(wǎng)關(guān)傳輸至圖書館云服務器[4]，該系統(tǒng)有效緩解圖書館座位占座問題，提高館員處理突發(fā)事件效率，具有很好的推廣價值[5～7]。

1 總體設(shè)計

智能圖書館座位管理系統(tǒng)的總體方案主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)關(guān)、圖書館云服務器、微信公眾平臺組成，其設(shè)計總體框架如圖1所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含參數(shù)采集節(jié)點、狀態(tài)顯示節(jié)點和匯聚節(jié)點。采集節(jié)點主要功能是通過紅外傳感器和壓力傳感器采集讀者狀態(tài)參數(shù)，狀態(tài)顯示節(jié)點實現(xiàn)讀者和座位的狀態(tài)信息實時顯示，匯聚節(jié)點完成了館室中所有節(jié)點的匯聚功能。智能網(wǎng)關(guān)包括主控制器和Wifi通信模塊，網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)圖書館云服務器與節(jié)點之間無線數(shù)據(jù)交互，云服務器將采集的座位參數(shù)和讀者狀態(tài)參數(shù)存儲至數(shù)據(jù)庫，同時接收圖書館微信公眾平臺讀者數(shù)據(jù)，將多組數(shù)據(jù)進行分析處理后，將數(shù)據(jù)發(fā)送至顯示節(jié)點，顯示讀者和座位信息。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用拓撲結(jié)構(gòu)相對簡單的星形拓撲結(jié)構(gòu)，由一個匯聚節(jié)點，兩個協(xié)調(diào)器和多個終端節(jié)點組成[8～10]，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。終端節(jié)點分為參數(shù)采集節(jié)點和狀態(tài)顯示節(jié)點兩種，參數(shù)采集節(jié)點采集圖書館座位壓力和紅外參數(shù)，以判斷是否有讀者在座位上；狀態(tài)顯示節(jié)點通過智能網(wǎng)關(guān)接收來自服務器的讀者數(shù)據(jù)信息，在座位屏幕上顯示。匯聚節(jié)點的任務是建立并維護館室內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，收集節(jié)點傳感器采集的信息和座位狀態(tài)信息，實現(xiàn)各終端節(jié)點與智能網(wǎng)關(guān)的無線通信。

圖2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)是以B/S模式開發(fā)的，如圖3所示，讀者使用智能手機登錄微信公眾號，預約圖書館座位，預約信息被發(fā)送至微信服務器，微信服務器再將消息發(fā)送圖書館云服務器，最后消息至微信公眾平臺進行數(shù)據(jù)解析，結(jié)果再原路返回到讀者微信客戶端，通過微信公眾平臺與讀者進行互動交流，座位預約系統(tǒng)架構(gòu)服務流程為：①讀者向微信公眾號發(fā)送座位預約申請，申請消息指令經(jīng)服務器發(fā)送至微信公眾平臺；②微信公眾平臺將申請消息轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)解析模塊；③數(shù)據(jù)解析模塊將預約申請消息指令分類處理，并將應答預約消息發(fā)至微信公眾平臺；④應答預約消息經(jīng)圖書館云服務器傳送給讀者。

圖3 預約系統(tǒng)架構(gòu)

3 座位系統(tǒng)管理功能

經(jīng)手機微信公眾號實現(xiàn)在線預約，預約成功后，微信公眾號會收到應答消息，同時座位顯示模塊上顯示讀者信息；座位預約成功后，讀者需要在規(guī)定時間內(nèi)到達座位就座。若超過規(guī)定時間后，壓力傳感器和紅外傳感器檢測到?jīng)]有讀者就座，會取消此次預約，并記讀者違規(guī)1次，讀者在座位按時就座后，通過微信公眾號點擊簽到，經(jīng)數(shù)據(jù)解析模塊返回簽到成功應答信息，參數(shù)采集節(jié)點采集到壓力和紅外參數(shù)后，同時在顯示模塊上顯示座位狀態(tài)和讀者信息；若其他讀者就座已經(jīng)被預約的座位，參數(shù)采集節(jié)點檢測到有人就座信息，但是系統(tǒng)未收到簽到信息，將違規(guī)信息發(fā)送至管理者，管理者查明后，處理本次違規(guī)。

4 系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計由兩部分組成，智能網(wǎng)關(guān)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有三部分節(jié)點組成，參數(shù)采集節(jié)點、狀態(tài)顯示節(jié)點和匯聚節(jié)點，狀態(tài)顯示節(jié)點包含CC2530，顯示模塊。

4.1.1 智能網(wǎng)關(guān)。智能網(wǎng)關(guān)主要由主控芯片STM32F103C8T6和Wifi模塊組成，主控芯片通過串口接收匯聚節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給Wifi模塊，Wifi模塊連接圖書館云服務器，將數(shù)據(jù)上傳至Internet網(wǎng)絡(luò)，從而整個過程就實現(xiàn)了將圖書館座位在線數(shù)據(jù)發(fā)送至外網(wǎng)的功能。

4.1.2 參數(shù)采集節(jié)點。參數(shù)采集節(jié)點包含CC2530、紅外傳感器、壓力傳感器，紅外傳感器安裝在桌子下面，壓力傳感器安裝在座位下面，檢測座位是否有讀者在線，紅外傳感器檢測位置是否有人，兩種傳感器同時檢測，確保檢測結(jié)果的正確性，CC2530控制器將采集的兩種傳感器數(shù)據(jù)存儲，同時將采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，將檢測結(jié)果發(fā)送至狀態(tài)顯示節(jié)點，同時通過RF通信，將檢測結(jié)果發(fā)送至匯聚節(jié)點。

4.1.3 狀態(tài)顯示節(jié)點。接收來自參數(shù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，將讀者數(shù)據(jù)在液晶屏上面顯示。

4.1.4 匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點接收來自多個座位的參數(shù)采集節(jié)點的讀者在線狀態(tài)檢測結(jié)果，通過智能網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至圖書館云服務器。

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.2.1 微信公眾號。如圖4所示，讀者啟動手機微信，進入圖書館微信公眾平臺，點擊讀者，進入座位預約欄，選擇當日或者非當日座位預約，選擇日期和時間段后，繼續(xù)選擇館室，系統(tǒng)為讀者隨機分配座位，平臺提供取消預約功能，必須在預約時間到達前半小時，一周取消2次及以上，該讀者記違規(guī)一次。讀者按時到達后，通過平臺電子簽到，如果過期未簽到，記違規(guī)1次。違規(guī)2次以上則被系統(tǒng)加入黑名單，2周后自動撤銷處罰。

4.2.2 智能網(wǎng)關(guān)。智能網(wǎng)關(guān)是從室內(nèi)局域網(wǎng)連接到Internet的關(guān)鍵模塊，主要的功能就是幫助圖書館管理人員遠程監(jiān)控，智能網(wǎng)關(guān)工作流程如圖5所示。

4.2.3 通信協(xié)議制定。為了保證數(shù)據(jù)收發(fā)的準確性，在數(shù)據(jù)雙向傳輸過程中，除了幀頭和幀尾外，其他所有數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換成ASCII碼，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成兩個字節(jié)的ASCII碼，雖然數(shù)據(jù)的長度會增大，但是保證了數(shù)據(jù)幀中不會出現(xiàn)和幀頭、幀尾相同的字符，本通信協(xié)議包含2個數(shù)據(jù)幀、2個應答幀，分別為上傳數(shù)據(jù)幀、下傳應答幀、下傳數(shù)據(jù)幀、上傳應答幀。

上傳數(shù)據(jù)幀表示智能網(wǎng)關(guān)將采集到的座位狀態(tài)信息發(fā)送給圖書館云服務器；下傳應答幀表示智能網(wǎng)關(guān)在收到該幀數(shù)據(jù)后可以得知上層圖書館云服務器是否接收到上行數(shù)據(jù)幀；下傳數(shù)據(jù)幀表示上層智能圖書館云服務器發(fā)送給智能網(wǎng)關(guān)的指令，智能網(wǎng)關(guān)收到指令后，將數(shù)據(jù)傳輸至狀態(tài)顯示節(jié)點；上傳應答幀表示上層圖書館云服務器收到該幀后可以得知下層終端節(jié)點是否接收到了下行指令幀。

根據(jù)本座位管理系統(tǒng)的特定需求，設(shè)計了一條通用數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀和應答幀均使用，幀內(nèi)每一個字段的數(shù)據(jù)以十六進制方式存儲。每一幀都包含幀頭、數(shù)據(jù)字段、校驗字段、幀尾4個部分。其中，幀頭由幀首、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)幀類型三部分組成。數(shù)據(jù)字段由座位管理節(jié)點ID號、物理地址、有效數(shù)據(jù)這3個部分組成。如表1所示，幀的開始和結(jié)束判斷由幀首，幀尾來完成。幀首表示幀起始的字符，用 “*”表示。幀尾表示幀結(jié)束的字符，用“&”表示。數(shù)據(jù)長度表示數(shù)據(jù)字段的長度。座位終端節(jié)點ID號表示一個座位終端節(jié)點的編號。物理地址表示對應座位終端節(jié)點的IEEE地址。

表1 數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)校驗就是對接收到的幀數(shù)據(jù)的有效性進行判斷，對幀數(shù)據(jù)和座位采集節(jié)點ID號，參與校驗和計算的數(shù)據(jù)按字節(jié)進行求和，得到2位校驗碼，然后與從接收到的一幀數(shù)據(jù)中分離出的校驗碼對比，如結(jié)果一致，則認為數(shù)據(jù)接收正確，說明數(shù)據(jù)傳輸無誤，否則認為該幀數(shù)據(jù)傳輸出錯，丟棄處理。

5 系統(tǒng)存在問題及對策

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的座位管理系統(tǒng)，相比于國內(nèi)部分公共圖書館、高校圖書館已使用的座位管理系統(tǒng)，如：常見的上海盛卡恩智能系統(tǒng)有限公司的座位管理系統(tǒng)、杭州聯(lián)創(chuàng)信息技術(shù)有限公司的座位管理系統(tǒng)、南京智佰聞欣文化傳媒有限公司的座位系統(tǒng)以及基于微信“不占座”小程序相比，除了實現(xiàn)圖書館座位的查詢、預約、短時離座、統(tǒng)計分析等管理功能外,其最大優(yōu)點該系統(tǒng)通過傳感器識別空座信息,遏制一些讀者利用圖書、包等物品進行“占座”現(xiàn)象，從而一定程度上解決了圖書館的占座問題。

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的座位管理系統(tǒng)，在測試過程中，主要存在一些問題。如讀者用戶反應不能簽到問題，部分讀者沒有智能手機或者沒帶手機，無法使用微信簽到；座位管理系統(tǒng)后臺時間限定問題，主要集中在中途離開時間的長短，以及中午吃飯時長是否合理；存在惡意預約座位問題，極少數(shù)讀者多次到點不簽到的情況，雖然有黑名單處罰，但是違規(guī)情況屢禁不止。這些因素導致座位使用效率受到一定影響。

針對上述問題，圖書館給予以下解決問題的對策：圖書館一方面通過其網(wǎng)站、微博、公眾號以及告示欄進行廣泛的前期宣傳，讓文明使用座位資源“不占座”理念深入人心。另一方面安排工作人員或志愿者根據(jù)后臺提示，進行巡視，使讀者們自覺執(zhí)行圖書館座位管理規(guī)則，真正發(fā)揮系統(tǒng)管理的作用，使每個到圖書館的讀者享有公平的權(quán)利。

①以讀者進館數(shù)據(jù)、座位數(shù)據(jù)以及座位使用率為基礎(chǔ)，座位的70%使用系統(tǒng)預約，剩余座位仍采用傳統(tǒng)方式，滿足部分讀者使用習慣。②向讀者展開問卷調(diào)查，根據(jù)大部分讀者意見進行時間限定，系統(tǒng)中中途離開時間限定參數(shù)設(shè)置規(guī)則：中午離開時間限定1.5h內(nèi)，中途離開時間累積0.5h內(nèi)，超過時間限定按違規(guī)處理。③針對多次違規(guī)的讀者，館方采取集中的入館教育，經(jīng)培訓后，仍我行我素的，延長其在黑名單內(nèi)時間。

6 結(jié)束語

筆者將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應用到智能圖書館座位管理當中，經(jīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)關(guān)和圖書館云服務器，將讀者在線參數(shù)無線傳輸，滿足系統(tǒng)實時需求。筆者通過軟硬件及通信協(xié)議的設(shè)計研究，改變了讀者使用座位的習慣。系統(tǒng)測試結(jié)果表明座位使用效率得到明顯提高，減少了占座現(xiàn)象，避免了占座引起的讀者間糾紛，同時系統(tǒng)的使用，提高了圖書館管理水平，也為圖書館減少了管理人員相應的人力的投入，系統(tǒng)具有不錯的應用推廣前景。