摘 要： 文中設計了一款圖書館借閱和歸還自助系統，由智能書架、閱覽室監測分機、智慧圖書館管理平臺以及智慧校園平臺組成。智能書架采用ARM+DSP雙CPU設計，通過身份識別傳感器等實現對用戶身份和圖書的識別，館內溫度、煙霧濃度及視頻的監測，并將監測數據通過WiFi上傳給監測分機。監測分機則由主控制器、外設單元、通信單元和供電單元組成，可供用戶查閱館內信息，并將閱覽室內智能書架信息匯總，并通過4G無線網絡將信息上傳給智慧圖書館管理平臺，研發的智慧圖書館管理平臺用于統一管理、資源共享和安全監控。測試結果表明，所提系統可以有效自助管理圖書借閱和歸還，可以24 h全天候為讀者提供服務，解決了目前圖書館人力投入大、圖書錯架等問題。
關鍵詞： 自助系統; 智能書架; 無人值守; 視頻監測; 信息上傳; 圖書識別
0 引 言
圖書館作為搜集、整理、收藏圖書資料以供人閱覽、參考的機構，已經遍布各大地區及高校[1]。圖書的“大流通”使得純人工圖書編號借閱登記的管理模式已遠遠不能滿足人們的借閱需求。
隨著科技的發展，純手工管理方式過渡到使用條形碼識別、計算機網絡、計算機軟件技術的數字化管理模式[2?3]，這種模式必須設有門禁，派專人值守以防止偷盜[4]。此外，書籍的歸還擺放依舊得通過人工方式完成，不可避免會出現誤差或遺漏，使得圖書擺放錯誤造成借閱困難。尤其是在高校館內閱讀，學生借閱不能準確放回書架現象愈發嚴重[5]，使得庫內圖書可借閱，但在指定書架的位置卻找不到書籍，浪費借閱者的時間和精力，此外，各大高校編目工作存在不一致性，導致數據處理紡織類高校的文獻資源異質性高[6]。為此有學者提出通過對每本書帖上RFID標簽，工作人員只需利用閱讀器對館藏圖書順向掃描，即可找出錯架圖書并提示該圖書所在的正確位置[7]，其能夠識別錯放圖書的位置，但隨著圖書數量的增加，人力的投入量也會相應增加，無法保證準確識別所有錯架的圖書。此外，有學者提出了無人值守的圖書館理念，但沒有給出具體的實施方案[8?9]。
為此，本文設計了圖書館借閱和歸還自助系統。首先，設計了用于該系統的智能書架，其能夠實現對用戶身份和圖書的識別，館內溫度、煙霧濃度及視頻的監測，并將數據通過WiFi上傳給監測分機。設計的監測分機可供用戶查閱館內信息，同時，將閱覽室內智能書架信息匯總，并通過4G網絡將信息上傳給智慧圖書館管理平臺，智慧圖書館管理平臺用于統一管理、資源共享和安全監控。
1 系統整體設計
系統的總體框架如圖1所示。系統主要由智能書架、閱覽室監測分機、智慧圖書館管理平臺以及智慧校園平臺組成。智能書架主要用于完成圖書的借閱與歸還，并將信息通過WiFi無線通信的方式發送給閱覽室監測分機。監測分機將該閱覽室各個智能書架的數據進行打包和匯總，并通過4G無線通信的方式將數據發送給智慧圖書館管理平臺。智慧圖書館管理平臺用于分析處理監測分機發送來的信息，實時地更新圖書庫，向用戶推送信息，當智能柜故障時下發信息給維修人員，管理人員通過內部訪問可以實現對館內信息的統一管理、資源共享和安全監控。智慧圖書館管理平臺通過光纖方式與智慧校園平臺進行信息共享，用戶通過PC或手機訪問智慧校園平臺，查詢自己所需要的信息。
2 智能書架設計
為避免圖書錯架擺放造成借閱管理困難，實現24 h無人值守的圖館管理，本文設計了一款智能書架。每個智能書架分為若干個小柜，在每個小柜中安裝有電子鎖控制柜門的打開和關閉，此外，在每個柜子的底部設有磁感應區，用于識別每本書的序列號。柜子內設有內控板，對智能書架所有的電子鎖和柜內條碼進行控制和識別。在柜子的一側安裝有攝像頭、溫度傳感器、煙霧傳感器、故障報警按鈕和控制主機，控制主機可以識別用戶的信息，實現對智能書架電子鎖的控制。
2.1 控制主機設計
本文提出了ARM+DSP的控制主機設計方案，其硬件框圖如圖2所示，采用功能模塊化設計，標準硬件設計便于功能擴展和升級。其中，主CPU采用STM32F103ZET6，主要完成監測數據的現場處理，并通過WiFi網絡上傳給閱覽室監測分機。從CPU采用TMS320DM6446，完成傳感器采集數據的收集，并與主CPU的信息進行交互。
2.1.1 身份識別傳感器設計
在圖書館內借閱書籍，首先需要通過注冊成為該圖書館的合法成員，并錄入人臉信息。一旦注冊成功，信息將被納入該圖書館的數據庫，此外，可關注該圖書館的公眾號并進行登錄，當賬戶有借閱或歸還記錄時，公眾號將會推送相應信息。身份識別傳感器的硬件框圖如圖3所示，其由微處理器、微型雙目攝像頭、微型紅外傳感器、液晶屏和按鍵組成。微處理器采用DSP5713，其強大的圖片處理能力為高效的識別用戶信息提供有力的保障。人體是一個恒溫的熱體，正常情況人體溫度都會處于36～37 ℃，人體會發出10 μm左右波長的紅外線。本文設計時采用了波長為10 μm的微型紅外傳感器，當用戶接近控制主機被微型紅外傳感器感知到時，其內部的電荷會發生變化，通過電荷檢測電路就可以被微處理器所感知。電荷檢測電路采用三運放構成差動放大電路來實現微弱電荷檢測，放大選用LMC6081電荷放大器，LMC6081具有10 fA輸入偏置電流、1.3 MHz帶寬，最大增益為130 dB，為了減少分布式電容的影響及漏電，反饋電容[C6]，[C7]選取100～1 000 pF，要想得到低頻響應較好的電路，反饋電阻[R9]和[R11]可以選取MΩ級別電阻。微處理器會打開微型雙目攝像頭和液晶屏，微型攝像頭采用PAL制式的高清攝像頭，獲取的照片通過TI公司TVP5147圖像編碼芯片進行處理，得到YUV格式的圖片通過I2C總線發送給處理器進行分析，用戶可以根據液晶屏上的圖像進行調整，驗證身份[10]。如果驗證成功，液晶屏將會顯示核對成功，反之，則提示該用戶不存在或錯誤。當身份驗證通過需要借書時，通過按鍵鍵入圖書的序列信息并完成借書。此外，身份識別傳感器會將借閱者的信息發送給控制主機，由主機進行匯總和上傳。
2.1.2 圖書識別傳感器設計
館藏圖書在入館時在圖書脊底端都貼有一個帶有磁條的RFID標簽[11?12]用于圖書分類，標簽由數字、字母和符號等組成的一個序列號。書籍在上架前，在系統中對每一本書指定固定的柜子放置，在每個柜子的底部都有相應的磁感應區，可以識別出圖書的序列號[13]。圖書識別傳感器的硬件框圖如圖4a)所示，其微處理器采用Altera公司EP4CE10F17C8作為控制芯片，強大的并行處理能力與豐富的I/O口資源，為多傳感器協調工作提供了便利。智能書架內的射頻讀卡器可以檢測柜內書籍的序列碼，并通過RS 485通信的方式將信息發送給微處理器進行分析處理，只有當圖書的序列號與箱內規定序列號相同時，認為圖書擺放無誤，才允許柜門關閉，防止圖書發生錯架。當柜內無識別信息時，傳感器會將信息發送給控制主機，由主機進行匯總和上傳，智慧圖書館管理平臺對庫內信息進行更新，書籍變為不可借閱狀態。微處理與多路模擬開關連接通過I/O口的脈沖電平控制模擬開關的通斷。12 V工作電源的電子鎖與驅動電路連接，如圖4b)所示，其由9031三極管和NTD25P03L協調工作，其輸入為某一路的模擬開關，當需要控制電子鎖工作時，微處理器產生一個0.5～1 s的脈沖電平，此時，模擬開關電路接通，驅動電路工作，輸出12 V，驅使電子鎖動作。
2.1.3 報警系統設計
圖書館是學者借閱、學習的重要場所，不僅學習、借閱的讀者川流不息，而且典藏著很多珍貴的古籍，及利用價值高的書籍和電子資源等。因此，做好防盜、防火保證圖書館安全運行具有重大意義[14]。為此，本文設計了火災監測和緊急報警，其主要由安裝在智能書架上的溫度傳感器、煙霧傳感器、緊急報警按鈕和攝像頭組成，各傳感器通過RS 485通信與各種監控系統相整合，實現遠程控制。從CPU內設定有閾值，當到達設定閾值時，立馬上傳報警信息至分機，分機立馬將信息轉發給智慧圖書館管理平臺，平臺將報警信息下發給相關工作人員，工作人員遠程查看視頻信息，確保不是傳感器或裝置的誤報，確定存在火災隱患時，立即前往現場查看，如果發生火災直接聯系火警救災。另外，攝像頭實時地監控智能書架周圍情況，當出現書架被人為破壞或書籍丟失時，可根據視頻查找犯罪嫌疑人。
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