基于Raspberry Pi的智慧圖書館落座系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐濤 楊震 顧明虎 戴家樹 章平

摘要：針對(duì)近來圖書館出現(xiàn)占座現(xiàn)象，提出了一種基于Raspberry Pi的智慧圖書館落座系統(tǒng)來解決這類現(xiàn)象。系統(tǒng)通過軟硬件結(jié)合的方式，采用人臉識(shí)別技術(shù)，利用云平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，輔助數(shù)據(jù)可視化的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控圖書館內(nèi)部座位落座情況以及將最新圖書館座位信息的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通過云平臺(tái)反饋到用戶的微信小程序內(nèi)的功能。通過對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試從硬件控制核心、人臉采集識(shí)別、數(shù)據(jù)傳輸?shù)玫綀D書館中讀者聚集的高峰時(shí)間、高密度區(qū)域等信息。最后通過系統(tǒng)的智慧監(jiān)測(cè)，反饋給讀者選擇出行時(shí)間和圖書館管理人員的管理，將圖書館管理數(shù)字化、智能化。

關(guān)鍵詞：Raspberry Pi;人臉識(shí)別;物聯(lián)網(wǎng);云平臺(tái);圖書館

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）28-0104-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(duì)獲取知識(shí)的熱情不斷高漲，各大城市和高校的圖書館座位資源出現(xiàn)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?cè)O(shè)計(jì)了一種基于Raspberry Pi的智慧圖書館落座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

Raspberry Pi是一種基于開源的Linux操作系統(tǒng)、配備SD/MicroSD卡作為內(nèi)存的微型電腦主板，具備所有PC的基本功能。因?yàn)槠渚哂袀€(gè)體微小、價(jià)格低廉但功能卻十分齊全的優(yōu)勢(shì)，深受廣大創(chuàng)客的喜愛。研究者對(duì)Raspberry Pi的應(yīng)用研究包括農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、智能家居、巡檢機(jī)器人、虹膜識(shí)別等等。周毅飛、呂曉菡等人利用Raspberry Pi實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智慧監(jiān)測(cè)[1]，可監(jiān)控植物生長(zhǎng)過程中的環(huán)境數(shù)據(jù)的變化，監(jiān)測(cè)獲取作物生長(zhǎng)相關(guān)參數(shù)和環(huán)境因子的數(shù)據(jù)，為作物生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。朱得元、俞寶庫等[2]人利用Raspberry Pi實(shí)現(xiàn)智能家居的遠(yuǎn)程控制，采用底層各類型的微型傳感器作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的微控制器以及使用藍(lán)牙通信技術(shù)與Android智能設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。而趙琛、張益等人利用Raspberry Pi設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的巡檢機(jī)器人，則可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻、調(diào)整控制狀態(tài)[3]。李濟(jì)帆利用Raspberry Pi實(shí)現(xiàn)了人機(jī)語音交互，打破了傳統(tǒng)的人機(jī)交互，使人與機(jī)器的關(guān)系更加便捷、智能化[4]。

本項(xiàng)目結(jié)合硬件上的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以開源的硬件平臺(tái)Raspberry Pi作為中心處理器、以超聲波測(cè)距傳感器用來監(jiān)測(cè)該座位是否被入座、攝像頭采集周圍人臉數(shù)據(jù)自主判斷入座情況，以此利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)周圍環(huán)境的狀況轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，得到原始數(shù)據(jù)集，將收集到的信息實(shí)時(shí)反饋給云，達(dá)到準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)、利于充分利用圖書館資源的目的。

1 技術(shù)原理

Raspberry Pi[5]是一款針對(duì)電腦業(yè)余愛好者等用戶的微型電腦，其內(nèi)部裝有Linux系統(tǒng)，但是其特點(diǎn)在于體積僅相當(dāng)于一張普通的撲克的大小，但是運(yùn)算性能卻和智能手機(jī)相差不遠(yuǎn)。在接口方面Raspberry Pi具有很好的擴(kuò)展性。首先，Raspberry Pi擁有數(shù)個(gè)USB接口，此外還有快速以太網(wǎng)接口、SD卡擴(kuò)展接口以及1個(gè)HDMI高清視頻輸出接口，樹莓派結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

本項(xiàng)目通過各傳感器元件連接Raspberry Pi端口，Raspberry Pi將超聲波測(cè)距傳感器通過內(nèi)置無線網(wǎng)卡使用環(huán)境中的局域網(wǎng)連接到服務(wù)器平臺(tái)，將圖書館位置空余數(shù)、就座情況等數(shù)據(jù)信息，傳輸?shù)椒?wù)器中MySQL數(shù)據(jù)庫。讀者用戶可通過手機(jī)上的微信程序訪問查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，了解圖書館狀況。利用圖書館安置的攝像頭，對(duì)就座讀者做人臉識(shí)別，進(jìn)一步確定讀者在座，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)探測(cè)元件的不足。同時(shí)，將數(shù)據(jù)庫中每月、每季度的信息匯總后，在后臺(tái)通過調(diào)用matlab軟件調(diào)用程序，將抽象的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為友好的可視化數(shù)據(jù)圖。

2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集和控制中樞模塊

本系統(tǒng)采用的是Raspberry Pi作為核心控制單元。相對(duì)比較而言，我們采用的Raspberry Pi 3是一種年輕的智能硬件設(shè)備。同時(shí)此版本內(nèi)置無線接收器，可連接環(huán)境中的Wi-Fi，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到原始數(shù)據(jù)集，將收集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給云，為數(shù)據(jù)收集、傳輸提供了硬件上的支持。

除了使用Raspberry Pi外，在系統(tǒng)底層的信息采集系統(tǒng)采用還采用了超聲波測(cè)距傳感器和攝像頭兩個(gè)元件以及警示燈等輔助工具。超聲波測(cè)距傳感器，原理是采用傳感器發(fā)送超聲波，超聲波碰到物體后就會(huì)有回波現(xiàn)象，通過這個(gè)原理，運(yùn)用精確的時(shí)差測(cè)量技術(shù)，就可以測(cè)量傳感器到目標(biāo)物體的距離。系統(tǒng)利用它來完成對(duì)該座位是否被入座的監(jiān)測(cè)功能。而攝像頭設(shè)備，以圖像的形式對(duì)周圍環(huán)境監(jiān)控，對(duì)就座讀者做人臉識(shí)別，進(jìn)一步確定讀者在座，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)探測(cè)元件的不足。

2.2 人臉識(shí)別技術(shù)[6]

系統(tǒng)通過攝像頭采集到的周邊數(shù)據(jù)圖片，將其通過調(diào)用百度的API，發(fā)送由key和ID組成生成token，使用token將我們采集到的圖書館數(shù)據(jù)圖片發(fā)送到百度的服務(wù)器端，進(jìn)行檢測(cè)將收到的數(shù)據(jù)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(shí)別效果圖如圖3所示：

2.3 數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)分析[7]模塊，通過數(shù)據(jù)庫中各位置的以時(shí)間為軸，區(qū)域位置入座率為參數(shù)，分析圖書館中各位置的入座數(shù)據(jù)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(dǎo)，緩解這一塊區(qū)域人群密度過大，另一塊區(qū)域人群密度過小的問題，避免安全隱患。

使用模擬數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫中錄入各區(qū)域各時(shí)間段入座人數(shù)。之后將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為csv文件，通過python的pandas庫清洗數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(guān)系模型，將數(shù)據(jù)趨勢(shì)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(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)租用服務(wù)器，搭建了一個(gè)小型的網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)[8]，通過安裝云平臺(tái)的Mysql數(shù)據(jù)庫，記錄當(dāng)前從圖書館傳感器傳回的圖書館位置的落座情況。數(shù)據(jù)庫目前設(shè)計(jì)了三張表格，分別是“學(xué)生用戶表”、“就座記錄表”和“圖書館管理員表”。三者的關(guān)系是，就座記錄表記錄著學(xué)生就座的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，學(xué)生用戶表記錄著學(xué)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(tǒng)數(shù)據(jù)庫E-R圖如圖5所示：

2.5 客戶端界面設(shè)計(jì)

利用微信涉眾廣、其內(nèi)置小程序方便的特點(diǎn)，不采用獨(dú)立的對(duì)應(yīng)App，通過調(diào)用相關(guān)的API開發(fā)了與系統(tǒng)配套的小程序，實(shí)現(xiàn)用戶查詢、選座、入座功能。系統(tǒng)采用較為美觀的UI界面，將選座放在中心位置。點(diǎn)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(shí)，超聲波測(cè)距將每分鐘發(fā)出一次，以監(jiān)測(cè)是否讀者是否仍在就座;監(jiān)控?cái)z像頭每5分鐘拍攝一張圖對(duì)周圍座位上的人作自動(dòng)判斷是否在座。

當(dāng)座位被就座，超聲波測(cè)距傳感器和攝像頭均采集到相關(guān)數(shù)據(jù)，則該位置顏色由藍(lán)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(jié)

本系統(tǒng)通過軟硬件結(jié)合的方式，發(fā)揮Raspberry Pi占用空間小、功能較為齊全的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合人臉識(shí)別技術(shù)作智能優(yōu)化，構(gòu)成了底層數(shù)據(jù)收集工作。再通過圖書館內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)利用人工智能、云平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，既能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控圖書館內(nèi)部座位落座情況，又可以將最新圖書館座位信息的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通過云平臺(tái)反饋到用戶的微信小程序內(nèi)。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(yù)約入座，也通過物聯(lián)網(wǎng)模塊的信息收集解決占位問題。

另外，系統(tǒng)增加數(shù)據(jù)分析的功能，分析讀者聚集的高峰時(shí)間、高密度區(qū)域等，方便讀者選擇出行時(shí)間和圖書館管理人員的管理，有效解決了圖書館現(xiàn)在面臨的主要問題，將圖書館管理數(shù)字化、智能化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周毅飛，呂曉菡，李慶海，等.基于“樹莓派”三代的農(nóng)業(yè)智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].南方農(nóng)業(yè)，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(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2017，13（19）：158-161.

[3] 趙琛，張益，裴方晟， 等.基于Arduino和Raspberry Pi的巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2019，27（7）：104-108.

[4] 李濟(jì)帆.使用Raspberry Pi的人機(jī)語音交互系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)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(tǒng)在智能家居場(chǎng)景的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2019（2）：104.

[6] 彭湘華.人臉識(shí)別技術(shù)在高職院校課程考核中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（21）：153-154.

[7] 陸祝政，宓永迪.圖書館大數(shù)據(jù)的價(jià)值應(yīng)用與風(fēng)險(xiǎn)控制[J].圖書館研究與工作，2019（6）：73-78.

[8] 王仡捷.高校移動(dòng)圖書館系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].安徽廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2018（3）：121-124.

【通聯(lián)編輯：梁書】