图书馆借阅和归还自助系统设计与应用

来源:用户上传      作者:

　　摘  要： 文中设计了一款图书馆借阅和归还自助系统，由智能书架、阅览室监测分机、智慧图书馆管理平台以及智慧校园平台组成。智能书架采用ARM+DSP双CPU设计，通过身份识别传感器等实现对用户身份和图书的识别，馆内温度、烟雾浓度及视频的监测，并将监测数据通过WiFi上传给监测分机。监测分机则由主控制器、外设单元、通信单元和供电单元组成，可供用户查阅馆内信息，并将阅览室内智能书架信息汇总，并通过4G无线网络将信息上传给智慧图书馆管理平台，研发的智慧图书馆管理平台用于统一管理、资源共享和安全监控。测试结果表明，所提系统可以有效自助管理图书借阅和归还，可以24 h全天候为读者提供服务，解决了目前图书馆人力投入大、图书错架等问题。
　　关键词： 自助系统; 智能书架; 无人值守; 视频监测; 信息上传; 图书识别
　　中图分类号： TN99?34                         文献标识码： A                            文章编号： 1004?373X（2020）07?0094?05
　　Design and application of library self?service system for borrowing and returning books
　　SONG Aixiang， MA Chong， WANG Simin
　　（Xi’an Polytechnic University， Xi’an 710048， China）
　　Abstract： A library self?service system for borrowing and returning books is designed， which consists of intelligent bookshelf， reading room monitoring extension， intelligent library management platform and intelligent campus platform. The design of ARM+DSP with dual?CPU is adopted for the intelligent bookshelf. The identification of user identity and books， and the monitoring of temperature， smoke concentration and video are implemented by the identity identification sensor， and the monitoring data are uploaded to a monitoring extension via WiFi. The monitoring extension is composed of master controller， peripheral unit， communication unit and power supply unit， which can be used for users to consult information in the library， and also for the information collection of intelligent bookshelves in the reading room. The collected information is uploaded to the intelligent library management platform via 4G wireless network. The developed intelligent library management platform is used for unified management， resource sharing and security monitoring. The test results show that the proposed system can effectively self?manage the borrowing and returning of books in the library， and can provide 24?hour services for readers， which solves the problems of large manpower input and book displacement in the library.
　　Keywords： self?service system; intelligent bookshelf; unattended operation; video monitoring; information uploading; book identification
　　0  引  言
　　图书馆作为搜集、整理、收藏图书资料以供人阅览、参考的机构，已经遍布各大地区及高校[1]。图书的“大流通”使得纯人工图书编号借阅登记的管理模式已远远不能满足人们的借阅需求。
　　随着科技的发展，纯手工管理方式过渡到使用条形码识别、计算机网络、计算机软件技术的数字化管理模式[2?3]，这种模式必须设有门禁，派专人值守以防止偷盗[4]。此外，书籍的归还摆放依旧得通过人工方式完成，不可避免会出现误差或遗漏，使得图书摆放错误造成借阅困难。尤其是在高校馆内阅读，学生借阅不能准确放回书架现象愈发严重[5]，使得库内图书可借阅，但在指定书架的位置却找不到书籍，浪费借阅者的时间和精力，此外，各大高校编目工作存在不一致性，导致数据处理纺织类高校的文献资源异质性高[6]。为此有学者提出通过对每本书帖上RFID标签，工作人员只需利用阅读器对馆藏图书顺向扫描，即可找出错架图书并提示该图书所在的正确位置[7]，其能够识别错放图书的位置，但随着图书数量的增加，人力的投入量也会相应增加，无法保证准确识别所有错架的图书。此外，有学者提出了无人值守的图书馆理念，但没有给出具体的实施方案[8?9]。 　　为此，本文设计了图书馆借阅和归还自助系统。首先，设计了用于该系统的智能书架，其能够实现对用户身份和图书的识别，馆内温度、烟雾浓度及视频的监测，并将数据通过WiFi上传给监测分机。设计的监测分机可供用户查阅馆内信息，同时，将阅览室内智能书架信息汇总，并通过4G网络将信息上传给智慧图书馆管理平台，智慧图书馆管理平台用于统一管理、资源共享和安全监控。
　　1  系统整体设计
　　系统的总体框架如图1所示。系统主要由智能书架、阅览室监测分机、智慧图书馆管理平台以及智慧校园平台组成。智能书架主要用于完成图书的借阅与归还，并将信息通过WiFi无线通信的方式发送给阅览室监测分机。监测分机将该阅览室各个智能书架的数据进行打包和汇总，并通过4G无线通信的方式将数据发送给智慧图书馆管理平台。智慧图书馆管理平台用于分析处理监测分机发送来的信息，实时地更新图书库，向用户推送信息，当智能柜故障时下发信息给维修人员，管理人员通过内部访问可以实现对馆内信息的统一管理、资源共享和安全监控。智慧图书馆管理平台通过光纤方式与智慧校园平台进行信息共享，用户通过PC或手机访问智慧校园平台，查询自己所需要的信息。
　　2  智能书架设计
　　为避免图书错架摆放造成借阅管理困难，实现24 h无人值守的图馆管理，本文设计了一款智能书架。每个智能书架分为若干个小柜，在每个小柜中安装有电子锁控制柜门的打开和关闭，此外，在每个柜子的底部设有磁感应区，用于识别每本书的序列号。柜子内设有内控板，对智能书架所有的电子锁和柜内条码进行控制和识别。在柜子的一侧安装有摄像头、温度传感器、烟雾传感器、故障报警按钮和控制主机，控制主机可以识别用户的信息，实现对智能书架电子锁的控制。
　　2.1  控制主机设计
　　本文提出了ARM+DSP的控制主机设计方案，其硬件框图如图2所示，采用功能模块化设计，标准硬件设计便于功能扩展和升级。其中，主CPU采用STM32F103ZET6，主要完成监测数据的现场处理，并通过WiFi网络上传给阅览室监测分机。从CPU采用TMS320DM6446，完成传感器采集数据的收集，并与主CPU的信息进行交互。
　　2.1.1  身份识别传感器设计
　　在图书馆内借阅书籍，首先需要通过注册成为该图书馆的合法成员，并录入人脸信息。一旦注册成功，信息将被纳入该图书馆的数据库，此外，可关注该图书馆的公众号并进行登录，当账户有借阅或归还记录时，公众号将会推送相应信息。身份识别传感器的硬件框图如图3所示，其由微处理器、微型双目摄像头、微型红外传感器、液晶屏和按键组成。微处理器采用DSP5713，其强大的图片处理能力为高效的识别用户信息提供有力的保障。人体是一个恒温的热体，正常情况人体温度都会处于36～37 ℃，人体会发出10 μm左右波长的红外线。本文设计时采用了波长为10 μm的微型红外传感器，当用户接近控制主机被微型红外传感器感知到时，其内部的电荷会发生变化，通过电荷检测电路就可以被微处理器所感知。电荷检测电路采用三运放构成差动放大电路来实现微弱电荷检测，放大选用LMC6081电荷放大器，LMC6081具有10 fA输入偏置电流、1.3 MHz带宽，最大增益为130 dB，为了减少分布式电容的影响及漏电，反馈电容[C6]，[C7]选取100～1 000 pF，要想得到低频响应较好的电路，反馈电阻[R9]和[R11]可以选取MΩ级别电阻。微处理器会打开微型双目摄像头和液晶屏，微型摄像头采用PAL制式的高清摄像头，获取的照片通过TI公司TVP5147图像编码芯片进行处理，得到YUV格式的图片通过I2C总线发送给处理器进行分析，用户可以根据液晶屏上的图像进行调整，验证身份[10]。如果验证成功，液晶屏将会显示核对成功，反之，则提示该用户不存在或错误。当身份验证通过需要借书时，通过按键键入图书的序列信息并完成借书。此外，身份识别传感器会将借阅者的信息发送给控制主机，由主机进行汇总和上传。
　　2.1.2  图书识别传感器设计
　　馆藏图书在入馆时在图书脊底端都贴有一个带有磁条的RFID标签[11?12]用于图书分类，标签由数字、字母和符号等组成的一个序列号。书籍在上架前，在系统中对每一本书指定固定的柜子放置，在每个柜子的底部都有相应的磁感应区，可以识别出图书的序列号[13]。图书识别传感器的硬件框图如图4a）所示，其微处理器采用Altera公司EP4CE10F17C8作为控制芯片，强大的并行处理能力与丰富的I/O口资源，为多传感器协调工作提供了便利。智能书架内的射频读卡器可以检测柜内书籍的序列码，并通过RS 485通信的方式将信息发送给微处理器进行分析处理，只有当图书的序列号与箱内规定序列号相同时，认为图书摆放无误，才允许柜门关闭，防止图书发生错架。当柜内无识别信息时，传感器会将信息发送给控制主机，由主机进行汇总和上传，智慧图书馆管理平台对库内信息进行更新，书籍变为不可借阅状态。微处理与多路模拟开关连接通过I/O口的脉冲电平控制模拟开关的通断。12 V工作电源的电子锁与驱动电路连接，如图4b）所示，其由9031三极管和NTD25P03L协调工作，其输入为某一路的模拟开关，当需要控制电子锁工作時，微处理器产生一个0.5～1 s的脉冲电平，此时，模拟开关电路接通，驱动电路工作，输出12 V，驱使电子锁动作。
　　2.1.3  报警系统设计
　　图书馆是学者借阅、学习的重要场所，不仅学习、借阅的读者川流不息，而且典藏着很多珍贵的古籍，及利用价值高的书籍和电子资源等。因此，做好防盗、防火保证图书馆安全运行具有重大意义[14]。为此，本文设计了火灾监测和紧急报警，其主要由安装在智能书架上的温度传感器、烟雾传感器、紧急报警按钮和摄像头组成，各传感器通过RS 485通信与各种监控系统相整合，实现远程控制。从CPU内设定有阈值，当到达设定阈值时，立马上传报警信息至分机，分机立马将信息转发给智慧图书馆管理平台，平台将报警信息下发给相关工作人员，工作人员远程查看视频信息，确保不是传感器或装置的误报，确定存在火灾隐患时，立即前往现场查看，如果发生火灾直接联系火警救灾。另外，摄像头实时地监控智能书架周围情况，当出现书架被人为破坏或书籍丢失时，可根据视频查找犯罪嫌疑人。 　　此外，考虑到智能书柜在使用过程中机械结构可能损坏，造成借阅成功而箱门无法打开的情况。这时用户可以按压箱子上的报警按钮，控制主机会将故障位置的信息发送给监测分机，进而上传给智慧图书馆管理平台，平台会向维修人员下发维修信息。维修人员接到报修信息后，向云平台上传处理故障的时间等信息，平台将信息推送给用户，用户可根据自己的实际情况选择等候借阅或其他时间段借阅。
　　2.2  软件设计
　　当用户需要借阅书籍时，可在系统中查询书籍所在的位置和对应的序列号。用户利用自己的识别卡进行认证，如果认证失败，液晶会显示无此用户信息;当认证成功后，安装在智能书架上的摄像头会对借阅书籍的用户进行抓拍，同时，用户可以键入所要借阅书籍的序列号，核对无误后就可按确认打开对应的电子锁，取出书籍。同时，处理器将会把抓拍书籍等信息上传给监测分机、智慧图书馆管理平台，平台将会更新图书库，并通过微信等推送给用户，让用户实时了解自己的借阅信息。其工作流程如图5所示。
　　图书的归还过程相对简单，被借阅书籍的电子锁处于常开状态，归还者只需要将书籍放置在相应位置，此时，位于箱体内的图书识别装置会对放入的图书进行识别，只有识别成功的箱门才会自动关闭，完成书籍的归还，同时，智慧图书馆管理平台向用戶推送账户信息。如果书籍归还位置不对，或严重损坏装置无法识别，将无法完成书籍的归还。
　　3  阅览室监测分机设计
　　3.1  监测分机硬件设计
　　阅览室监测分机主要作用是汇总该阅览室各个智能书架的信息，其主要由主控制器、外设单元、通信单元和供电单元组成（见图6）。主控制器采用STM32F407ZGT6，其主要作用为监测数据的现场处理。外设单元包括显示器和键盘，用来提供给用户查阅室内智能书架的藏书信息。通信单元包含WiFi和4G网络，其中，WiFi网络用于实现分机与智能书架的数据交互;4G网络用于分机和管理平台的通信，分机采用AC 220 V进行供电。
　　3.2  监测分机软件设计
　　监测分机软件要实现与智能书架和与云平台的数据交互等功能，其流程图如图7所示。设备初始化后分机主动向智能书架发送配对请求，如果配对不成功，在间隔1 min之后，再次请求配对，若配对仍不成功说明与智能书架通讯异常，此时分机向云平台上报故障信息，云平台通知运维人员进行处理。若配对成功，分机在等待是否有来自智能书架的信息，如果存在借阅和归还图书，则分机及时更新阅览室的图书信息，并将数据进行压缩和打包，之后通过4G网络发送给智慧图书馆管理平台。
　　4  管理与服务平台设计
　　本文采用C#开发，建立SQL Server数据库，利用ADO数据访问方式与后台数据库连接[15]。其硬件运行环境最低标准为CPU PIII900，内存为256 MB，硬盘10 GB，显卡必须满足AGP显示卡，32 MB以上显存，支持1 024×768分辨率。软件运行环境为Windows XP，Windows 7系统或更高操作系统。
　　智慧图书馆管理平台用于统一管理、资源共享和安全监控，其基本构架如图8所示。
　　监测分机实时获取图书借阅和归还信息，并上传至智慧图书馆管理平台。管理人员通过账号访问平台，拥有图书馆所有权限，定期对管理系统进行维护，如有新书上架时要对新书进行入库管理。当图书馆发生故障时，也可登录系统查看故障信息，图书馆维护时也可以登录系统发布公告。管理平台也配套有相应的微信公众号，用户可以用微信绑定自己的账户，当有新书上架、账户信息变动等将直接从微信上获得推送。此外，利用光纤可将管理平台的资源信息共享至智慧校园平台，读者可以访问平台进行账户注册，也可以根据精准或模糊搜索查看关心图书是否可借，用户也可以查看自己的账户信息、已借阅书籍、可借阅、书籍续借等。
　　5  性能测试与分析
　　系统若能投入运行，将会充分解放人力，满足读者的个性借阅需求。为了保证装置和系统能够安全可靠的使用，进行了相关软硬件性能测试，测试结果见表1～表3。
　　6  结  语
　　本文设计的图书馆借阅和归还自助系统可百分百实现无人值守，可以解决现有管理系统人工投入量大、书籍存在摆放位置错误造成借阅困难等问题。同时，也无需专门设置进出门禁，此外也可以24 h无闭馆地为读者提供服务。系统也具有一定的防盗措施和防火报警，在一定程度上确保了图书馆的安全运行。
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