翁曉暉

摘要：物物相連，人物相連——是物聯(lián)網(wǎng)首要的開發(fā)細(xì)想。智慧圖書館管理系統(tǒng)主要研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在圖書館中的實(shí)踐應(yīng)用。系統(tǒng)通過搭建安全穩(wěn)定的物聯(lián)感知層搭配智慧圖書館管理軟件實(shí)現(xiàn)自動化管理。使用良好的人機(jī)交互界面，充分反饋各個設(shè)備的工作狀態(tài)以及數(shù)據(jù)，用戶只需在電腦前完成簡單的操作即可控制遠(yuǎn)程的設(shè)備乃至系統(tǒng)的全自動化辦公。系統(tǒng)擁有“智慧”的算法完成自動恒溫、自控?zé)艄?、天氣?shí)時消息推送、火情監(jiān)控、安防監(jiān)控等等，對比傳統(tǒng)的圖書館管理模式，智慧圖書館管理系統(tǒng)能為圖書館工作人員帶來更加輕松便捷的工作體驗(yàn)，為讀者帶來溫馨舒適的閱讀環(huán)境。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);傳感網(wǎng);智慧圖書館;信息技術(shù);自動化技術(shù)

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）34-0075-04

1 引言

1.1 物聯(lián)網(wǎng)梗概

物聯(lián)網(wǎng)是建立在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上并且是互聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展和延伸[1-2]，將各種感知技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能與自動化技術(shù)聚合與集成應(yīng)用，使人與物智慧對話，創(chuàng)造一個智慧的世界。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展幾乎涉及了信息技術(shù)的方方面面，是一種聚合性、系統(tǒng)性的創(chuàng)新應(yīng)用與發(fā)展，因此被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮[3]。

1.2 研究意義

回顧過去，傳統(tǒng)的圖書館管理方式存在諸多單一、重復(fù)性高的工作，例如：調(diào)節(jié)空調(diào)排氣、控制燈光、推送溫度、人工監(jiān)控。采用這種傳統(tǒng)工作模式的圖書館將投入巨大的人力和財力，員工挑戰(zhàn)低、機(jī)械性工作、工作熱情降低從而降低了服務(wù)質(zhì)量、缺少人文關(guān)懷。

根據(jù)圖書館的發(fā)展史，圖書館的每一次發(fā)展以及成長均借助技術(shù)以及智能[4]。通過利用通信技術(shù)將身邊各式設(shè)備連接起來，并運(yùn)用智慧算法替代傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)跨設(shè)備跨平臺聯(lián)調(diào)聯(lián)控、無人值守自動化辦公。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融入將帶來全新的工作環(huán)境。

2 概要設(shè)計

2.1 智慧圖書館架構(gòu)圖

智慧圖書館管理系統(tǒng)分為三個層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。圖1為該系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)圖。

感知層搭載系統(tǒng)所需的環(huán)境傳感器、執(zhí)行器、攝像機(jī)等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)所需的各項數(shù)據(jù)。感知層顧名思義感知層就像是人的感知系統(tǒng)，是機(jī)器感知與探索現(xiàn)實(shí)世界感官。網(wǎng)絡(luò)層是將設(shè)備與設(shè)備之間連接起來并且讓設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中擁有唯一的ID標(biāo)志，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備控制信號和傳遞信息。應(yīng)用層位于系統(tǒng)的最高層，它負(fù)責(zé)接收保存環(huán)境數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、判斷執(zhí)行，是整個系統(tǒng)中央控制。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)需求分析得到的需求用例轉(zhuǎn)換為4大系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)：登錄退出模塊實(shí)現(xiàn)登錄注冊注銷等功能;用戶中心：實(shí)現(xiàn)周工作記錄功能;環(huán)境監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)采集感知、數(shù)據(jù)顯示、設(shè)備控制等功能;安防監(jiān)控實(shí)現(xiàn)圖像錄像采集、入侵檢測、攝像機(jī)控制等功能。

圖2為智慧圖書館管理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖。

2.3 軟件原型設(shè)計

原型設(shè)計是UI設(shè)計師和軟件設(shè)計師最好的溝通方式，它是脫離界面樣式主題的軟件框架設(shè)計，將界面模塊、元素、控件以及交互形式等用線框的方式描繪，了解軟件內(nèi)容、結(jié)構(gòu)以及粗略的布局[5]。圖3為智慧圖書館管理系統(tǒng)核心模塊的原型圖。

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

智慧圖書館管理系統(tǒng)隨著運(yùn)行時間的增加，系統(tǒng)無間斷的環(huán)境采集將產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)量，為了便于數(shù)據(jù)的存儲和管理系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)存儲。

2.4.1 數(shù)據(jù)表分析

該系統(tǒng)分為兩類數(shù)據(jù)表一類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表，在系統(tǒng)運(yùn)行初期及不產(chǎn)生用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫表，另一類是動態(tài)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)表，當(dāng)用戶創(chuàng)建周工作表時，周工作表內(nèi)容表將自動被系統(tǒng)創(chuàng)建（使用代碼創(chuàng)建），動態(tài)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)表以用戶名加創(chuàng)建時間命名且沒有外鍵約束，通過一張基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表WorksheetIndex中記錄的周工作表表名，對周工作內(nèi)容表進(jìn)行增刪改查。

如圖4和圖5為動態(tài)數(shù)據(jù)表及其索引表示例。

2.4.2 E-R圖

智慧圖書館管理系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)表的邏輯關(guān)系（E-R圖）如圖6所示。

3 感知層設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 感知層分析

為完成智慧圖書館自動化無人操作的核心功能：恒溫、環(huán)境采集、安防監(jiān)控、推送LED、自控?zé)艄獾?。核心設(shè)備如：典型傳感器、執(zhí)行繼電器、LED和遠(yuǎn)程攝像頭等均選用工業(yè)化產(chǎn)品，根據(jù)設(shè)備施工難易度、數(shù)據(jù)優(yōu)先級，將設(shè)備通信方式分為兩大類。

第一類，有線通信方式。有線通信具有安全可靠、抗電磁干擾性強(qiáng)、天氣因素影響低等要素極其適合連接實(shí)時性、安全性、可靠性高的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。溫濕度傳感器、光照傳感器等感知設(shè)備所采集數(shù)據(jù)具有實(shí)時性和易過期性等性質(zhì)。采用有線通信的方式等最大程度降低數(shù)據(jù)延遲所帶來的系統(tǒng)反應(yīng)時間長數(shù)據(jù)分析不可靠的現(xiàn)象。此外還有監(jiān)控設(shè)備采用有線的通信方式如：紅外傳感器、攝像機(jī)等，監(jiān)控入侵不僅需要系統(tǒng)的即時反應(yīng)，還需要數(shù)據(jù)的實(shí)時、安全、穩(wěn)定，有線通信通過加裝抗電磁干擾、防剪等保護(hù)裝置可以有效防止不法分子擾亂、破壞監(jiān)控設(shè)備;同時有線網(wǎng)絡(luò)提供的高速通道為監(jiān)控圖像的傳輸?shù)於ɑA(chǔ)。

第二類，無線通信。無線通信容易受天氣、人為、電磁信號等諸多外部因素的影響，但是其部署簡易、低成本具有不可小覷的優(yōu)勢。本案例中燈光控制等設(shè)備將采用Zigbee通信方式，Zigbee具備低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)上拓?fù)?、低?fù)雜度、快速、可靠、安全等特點(diǎn)[6]，為設(shè)備搭配大容量電池或光伏發(fā)電裝置，Zigbee設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)超長待機(jī)、長時間工作續(xù)航的能力。

3.2 感知層搭建

感知層搭建基于分析的結(jié)果實(shí)驗(yàn)室模型環(huán)境，分為3層自底向上為傳感層、工控設(shè)備層、TCP/IP層。

傳感層：各類傳感器的安裝、電源的接入以及將其信號線與合適的工控設(shè)備相連。

工控設(shè)備層：采用ADAM-4017和ADAM-4150兩種設(shè)備分別實(shí)現(xiàn)對模擬量和數(shù)字量兩種不同傳感數(shù)據(jù)的采集。

TCP/IP層：主要設(shè)備有串口服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)攝像頭，串口服務(wù)器將工控設(shè)備和LED、Zigbee設(shè)備等串口通信設(shè)備級聯(lián)，通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

為了有效、穩(wěn)定可靠的搭建感知層平臺，使用微軟推出的Viso設(shè)計感知層搭建圖紙，如圖7所示。

4 系統(tǒng)核心功能的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

智慧圖書館是物聯(lián)網(wǎng)圖書館典型應(yīng)用案例，系統(tǒng)在軟件開發(fā)方面最為核心的就是與每個設(shè)備信息的交互、數(shù)據(jù)的處理以及實(shí)現(xiàn)全自動化的智能算法，本章將詳細(xì)介紹這些技術(shù)和代碼編寫。

4.1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中最基礎(chǔ)的一個部分，也是機(jī)器感知外界環(huán)境的唯一手段，以下小節(jié)將介紹本系統(tǒng)中常見設(shè)備的信息通信和數(shù)據(jù)處理。

4.1.1 ADAM模塊

ADAM采用Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言，通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可以通信[7]。經(jīng)許多公司的實(shí)際應(yīng)用，逐漸為世人所認(rèn)可，成為一種標(biāo)準(zhǔn)的通訊規(guī)約，只遵循Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不同系統(tǒng)之間就可以完成通訊。

ADAM-4017模擬量采集模塊能夠采集傳感器實(shí)時回饋的模擬量環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫濕度、光照等。如光照傳感器將信號線連接至模塊采集端口，即可通過ADAM-4017獲得實(shí)時光照值的模擬量數(shù)據(jù)，在進(jìn)行計算處理（AD轉(zhuǎn)換）獲得實(shí)際光照值（單位lx），模擬量數(shù)據(jù)是傳感器根據(jù)當(dāng)前環(huán)境因素也就是當(dāng)前光照值所反饋的電流量，即用電流值模擬光照強(qiáng)度。

ADAM-4150數(shù)字量IO模塊具有DI（信號）輸入功能和DO（信號）輸出功能，采用Modbus通信協(xié)議。DI輸入端口用于采集煙霧、火焰、人體紅外、紅外對射等具有布爾特性的傳感器數(shù)據(jù)。如火焰?zhèn)鞲衅?，?dāng)傳感器的感應(yīng)頭受環(huán)境影響，與傳感器信號線相連的DI端口將輸入高電平，此時火焰?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)據(jù)為真，表示在傳感器探知范圍內(nèi)檢測到火焰。DO出入端口用于控制執(zhí)行器，如燈光、風(fēng)扇等設(shè)備，通常DO端口與執(zhí)行器之間相連一個繼電器用于接收DO端口輸出的高低電平以完成設(shè)備的開關(guān)控制。DI端口和DO端口都是以高低電平的方式采集布爾類型的數(shù)據(jù)以及控制設(shè)備電源的通斷。

1）通訊規(guī)約

當(dāng)通訊命令發(fā)送至儀器時，符合相應(yīng)地址碼的設(shè)備接通訊命令，并除去地址碼，讀取信息，如果沒有出錯，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù);然后把執(zhí)行結(jié)果返送給發(fā)送者。返送的信息中包括地址碼、執(zhí)行動作的功能碼、執(zhí)行動作后結(jié)果的數(shù)據(jù)以及錯誤校驗(yàn)碼。如果出錯則不反饋任何信息。

地址碼：是信息幀結(jié)構(gòu)的第一字節(jié)，有8位，最大取值范圍0～255。每個模塊擁有獨(dú)立唯一的地址碼，在反饋數(shù)據(jù)的信息幀中地址碼表示發(fā)送該數(shù)據(jù)的設(shè)備。

功能碼：指定設(shè)備執(zhí)行什么任務(wù)。

數(shù)據(jù)區(qū)：數(shù)據(jù)區(qū)包含需要設(shè)備執(zhí)行的動作、由設(shè)備反饋的采集信息。

錯誤校驗(yàn)碼：冗余循環(huán)碼（CRC）包含2個字節(jié)，即16位二進(jìn)制。CRC碼放置于發(fā)送信息的尾部。設(shè)備接收到通信命令會重新計算CRC碼，比較計算結(jié)果與接收的校驗(yàn)碼是否相符，不相符則表明數(shù)據(jù)出錯。

4.1.2 Zigbee通信

Zigbee是一個功耗低、短距離通信的設(shè)備，由于設(shè)備安裝便捷被業(yè)界廣泛使用。Zigbee通信對比于ADAM模塊就簡單許多，不同開發(fā)方式的Zigbee模塊也具有不同的通信協(xié)議，本系統(tǒng)中只需將與Zigbee模塊相連的串口設(shè)置頻率為34800，打開端口后就能實(shí)時無間斷的收到模塊傳遞的數(shù)據(jù)以及發(fā)送命令，在接收到數(shù)據(jù)長度為27，同時buffer數(shù)組第17位為0x30時判斷為有效數(shù)據(jù)并解析該數(shù)據(jù)。

4.1.3 模擬量AD轉(zhuǎn)換

溫度傳感器測量電流范圍4～20mA，電流差為16mA，如溫度傳感器測量范圍-10～60°C與4～20mA相對應(yīng)。

在AD轉(zhuǎn)換前先將傳感器高地位數(shù)據(jù)拼接，通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)上低位數(shù)據(jù)在前，高位數(shù)據(jù)在后所以把byte類型的高位數(shù)據(jù)乘以256加上低位數(shù)據(jù)存放于int類型數(shù)據(jù)空間。獲得完整電流原始數(shù)據(jù)后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，先計算出傳感器當(dāng)前電流值：

電流 = 滿量程電源 * （CHxH+CHxL）/滿量程AD值/電流采樣電阻

系統(tǒng)中滿量程電源為3300（滿量程電壓值3.3V）， 滿量程AD值為1023，電流采樣電阻為150。即：

電流 = 3300 * （CHxH+CHxL）/1023/150

然后將計算出電流值減去最低測量電流的差除以量程電流差乘上傳感器量程，即：

測量數(shù)據(jù)=（電流-4）/16*傳感器量程

圖8為數(shù)據(jù)拼接以及AD轉(zhuǎn)換的編碼。

4.2 接口設(shè)計

為了提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性以及可維護(hù)性，本系統(tǒng)采用多層開發(fā)模式各層分工明確并具有良好通信接口。系統(tǒng)層次如圖9所示。

視圖層：具有必要的界面組件、控件以及良好的人機(jī)交互體驗(yàn)。

控制層：控制視圖的切換、系統(tǒng)功能以及設(shè)置功能參數(shù)。

SysService：系統(tǒng)后臺服務(wù)用于實(shí)時采集感知層環(huán)境數(shù)據(jù)以及自動控制執(zhí)行器。

數(shù)據(jù)訪問層：封裝數(shù)據(jù)庫的操作。SQLBLL為數(shù)據(jù)庫的業(yè)務(wù)邏輯處理，SQLHelper為數(shù)據(jù)庫操作工具類具有連接/斷開數(shù)據(jù)庫、增、刪、改、查等接口。

DeviceCtrlHelper：封裝每個設(shè)備的工具類，如ADAM、LED、Zigbee等。部分設(shè)備工具類需要設(shè)備底層DLL的支持。

4.3 自動化功能實(shí)現(xiàn)

自動化功能包括：自動燈光控制、自動風(fēng)扇控制、自動推送各類實(shí)時消息（天氣實(shí)況、火情等）。

自動燈光控制通過采集得到的當(dāng)前環(huán)境光照值進(jìn)行分析判斷，當(dāng)環(huán)境光照值低于用戶設(shè)定的數(shù)值時，輸出ADAM-4150 DO端口的控制信號。此時繼電器通電完成開燈操作，當(dāng)高于用戶設(shè)定的數(shù)值時停止輸出端口的控制信號。此時繼電器短路完成關(guān)燈操作。自動風(fēng)扇控制同理。

自動火情推送功能是根據(jù)火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器檢測情況判斷火情自動推送LED推送內(nèi)容，一共有三種火情警報：發(fā)現(xiàn)煙霧情況、發(fā)現(xiàn)失火、發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)。

4.4 UI配色

藍(lán)色幾乎是所有群體都會比較愿意接受的顏色[8]，它能夠體現(xiàn)科技、現(xiàn)代、理智、干凈等諸多元素?；谏实奶匦灾腔蹐D書館管理系統(tǒng)選用藍(lán)色為主題顏色。

5 結(jié)束語

智慧圖書館是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對圖書館的一種應(yīng)用案例，在當(dāng)前大力發(fā)展高新技術(shù)的政策以下極具有研究意義。

對比于傳統(tǒng)圖書館的機(jī)械性煩瑣的管理工作，智慧圖書館采用溫濕度傳感器、紅外傳感器、煙霧火焰?zhèn)鞲衅?、光照傳感器、攝像頭等感知設(shè)備，利用Zigbee、wifi等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)搭建一個實(shí)時穩(wěn)定的感知平臺。智慧圖書館提供實(shí)時精準(zhǔn)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集、智能溫控、數(shù)據(jù)分析，無人值守穩(wěn)定的火情監(jiān)控、安防監(jiān)控，系統(tǒng)初始配置后無人值守、智能分析、自動處理，減少員工作業(yè)成本提高工作價值的同時讓讀者感受到一個有溫度的圖書館。

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