開放式圖書館智能還書整理系統(tǒng)設計

劉文伯

（濟南大學自動化與電氣工程學院，山東 濟南 250001）

0 引言

讀者不能把書放回正確的書架位置是目前開放式圖書館存在的一個主要問題。 有的人干脆將書隨便插入書架，給后期圖書整理造成了很大困難，需要工作人員逐架排查，浪費了大量時間和精力［1］。 為方便讀者還書，圖書館在各個角落設置了還書筐，但由于書筐分布零散和偏僻，書筐里面的書雜亂無章，工作人員仍需花費很長時間去整理并重新上架。 基于以上問題，本文把握大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新技術(shù)發(fā)展趨勢， 創(chuàng)新性地提出了一套適用于開放式圖書館智能還書整理系統(tǒng)， 以減輕工作人員勞動強度，提升圖書館智能化管理和公共服務水平。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作流程

該智能還書整理系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成： 一是智能書架系統(tǒng)，二是智能書筐系統(tǒng)（又分為智能小型書筐和智能大型書筐）。

1.1 智能書架系統(tǒng)

智能書架系統(tǒng)工作流程如圖1 所示。

在書架上放置攝像頭模塊， 通過攝像頭掃描圖書上的條形碼，將讀到的信息傳給圖書資料數(shù)據(jù)庫，發(fā)送SQL 數(shù)據(jù)庫查詢命令， 若查詢正確則說明放對了，查詢錯誤則說明放錯了。當有人將圖書放錯位置時，書架上的語音提示系統(tǒng)會提示“您的圖書放置位置有誤”。 考慮到圖書館需要保持安靜，提醒一次不再提醒，然后警報燈開始閃爍，提醒該人將圖書放在正確位置。 若5 min 內(nèi)仍處于警報狀態(tài)，將給管理員數(shù)據(jù)庫發(fā)送SQL 數(shù)據(jù)庫添加命令， 添加放置錯誤消息。若添加后不再報警，則立刻向管理員數(shù)據(jù)庫發(fā)送SQL 數(shù)據(jù)庫刪除命令，刪除剛才的放置錯誤信息。 工作人員可隨時查詢管理員數(shù)據(jù)庫來進行書籍整理。如果有人不知道圖書放在哪里， 可以按下書架上的幫助按鈕。按鈕按下后，語音提示系統(tǒng)會告訴正確的位置，并在大屏幕上顯示地圖。

圖1 智能書架系統(tǒng)流程圖

攝像頭可對書的全貌和內(nèi)部進行圖像采集，將拍攝到的照片與內(nèi)置書籍破損的典型照片， 逐一比對，若有兩張及兩張以上比對成功，則可判定書籍破損嚴重。當有人把損壞的圖書放到書架上時，書架上的語音提示系統(tǒng)會提示“您的圖書已損壞，請帶著損壞的圖書到前臺處理”。 考慮到圖書館需要保持安靜，提醒一次不再提醒，然后警報燈開始閃爍，提醒該人圖書損壞。 若5 min 內(nèi)仍處于警報狀態(tài)，系統(tǒng)將給管理員數(shù)據(jù)庫發(fā)送SQL 數(shù)據(jù)庫添加命令， 添加書籍損壞消息。若添加后不再報警，則立刻向管理員數(shù)據(jù)庫發(fā)送SQL 數(shù)據(jù)庫刪除命令， 刪除剛才的書籍損壞消息。 工作人員可隨時查詢管理員數(shù)據(jù)庫來進行書籍更換。書架上懸掛有使用說明和注意事項，配有專人保養(yǎng)和維護。 書架旁邊設有專門的智能小型書筐停放點。

1.2 智能書筐系統(tǒng)

智能書框系統(tǒng)流程如圖2 所示。

圖2 智能書筐系統(tǒng)流程圖

智能小型書筐底部有壓力傳感器，當其內(nèi)的書到達額定容量時，智能小型書筐內(nèi)置的“藍牙發(fā)送”模塊將直接發(fā)消息給工作人員所攜帶的“藍牙接收”模塊，工作人員收到消息后，立刻到達指定位置整理書籍。

智能大型書筐在中央大廳處放置。 智能大型書筐內(nèi)的攝像頭模塊掃描圖書上的條形碼， 將讀到的信息傳給圖書資料數(shù)據(jù)庫， 發(fā)送SQL 數(shù)據(jù)庫查詢命令， 圖書資料數(shù)據(jù)庫會將查詢到的圖書信息進行投影運算， 只保留該圖書的地址并發(fā)送給智能大型書筐的內(nèi)置“藍牙接收”模塊。 該模塊根據(jù)所接收到的信息，啟動不同的傳動裝置，將圖書運送到不同的分區(qū)，等待智能小型書筐的到來。

智能大型書筐內(nèi)的攝像頭模塊內(nèi)置一些書籍破損的典型照片， 攝像頭可對書的全貌和內(nèi)部進行圖像采集，將拍攝到的照片與內(nèi)置照片逐一比對，若有兩張及兩張以上比對成功，則可判定書籍破損嚴重。若圖書被判定損壞， 會被傳送裝置運送到一個單獨的分區(qū)。 智能大型書筐的每個分區(qū)底部都有壓力傳感器，當裝有損壞圖書的分區(qū)達到額定容量時，智能大型書筐的內(nèi)置“藍牙發(fā)送”模塊將直接發(fā)消息給工作人員所攜帶的“藍牙接收”模塊，工作人員收到消息后，應立刻到達指定位置處理書籍。

智能大型書筐的每個分區(qū)底部都有壓力傳感器， 當除裝有損壞圖書分區(qū)外的分區(qū)到達額定容量時，智能大型書筐的外部“藍牙發(fā)送”模塊將給相應的智能小型書筐的外部“藍牙接收”模塊發(fā)出“集合”命令。智能小型書筐的“藍牙接收”模塊收到信號后，它將立刻從停放處出發(fā)， 通過GPS 定位模塊到達指定地點。沿途通過紅外模塊檢測行人，用PID 算法精確控制輪子的轉(zhuǎn)角， 進行有效避讓。 到達指定地點后，智能小型書筐的外部“藍牙發(fā)送”模塊將給智能大型書筐的外部“藍牙接收”模塊做出“已到”回復。智能大型書筐的相應分區(qū)會打開閘門， 同時傳送帶開啟，將分區(qū)里的書籍傳送到智能小型書筐中。

當檢測到傳送帶在轉(zhuǎn)動且相應分區(qū)的傳感器壓力為0 時，說明書籍已經(jīng)被傳送完畢。 此時，延遲適當時間，關(guān)閉閘門，傳送帶停轉(zhuǎn)，智能大型書筐的外部“藍牙發(fā)送”模塊將給相應的智能小型書筐的外部“藍牙接收”模塊發(fā)出“回家”命令，智能小型書筐的“藍牙接收”模塊收到信號后，它將立刻出發(fā)，通過GPS 定位模塊重新回到書架附近的指定停放處，等待下一次“集合”命令。

智能大型書筐和小型書筐上都要懸掛有使用說明和注意事項，配有專人保養(yǎng)和維護。

2 硬件選取原則

2.1 主控芯片

在本系統(tǒng)中， 主控芯片是實現(xiàn)智能化功能必不可少的器件，本設計從性能、能耗、價格3 個方面進行論證，能夠?qū)崿F(xiàn)多個模塊間進行通信，處理復雜程序，運算速度快，耗電少，價格低的為最佳選擇。

2.2 電動機

在本系統(tǒng)中，電動機主要負責驅(qū)動傳送帶和書筐輪子轉(zhuǎn)動，對電動機的扭矩沒有太多要求，但對速度調(diào)節(jié)的靈活度要求較高。減速電動機是減速機構(gòu)和電動機的集成體，傳動比精細，選擇范圍廣，轉(zhuǎn)速型譜寬；能耗低、噪音小、節(jié)能環(huán)保、性能優(yōu)越，振動?。煌ㄓ眯詮?，使用維護方便。 考慮到減速電動機的成本較低，調(diào)速靈活，減速比高，便于突發(fā)情況的急?；騽x車，因此，本設計選用減速電動機更貼合實際需求。

2.3 電動機驅(qū)動模塊

在本系統(tǒng)中， 電動機驅(qū)動模塊是連接主控芯片和減速電動機的緩沖部件，本設計從調(diào)速特性、調(diào)速范圍、過載能力、安全壽命、價格等方面進行論證，選擇性價比更高的驅(qū)動模塊。

2.4 編碼器

在本系統(tǒng)中，編碼器固定在減速電機周圍，采集電動機實時轉(zhuǎn)速信息， 通過PID 算法對電動機的轉(zhuǎn)向?qū)嵤┚珳士刂啤?/p>

由于本系統(tǒng)對編碼器無特殊要求， 所以選擇普遍使用的增量式編碼器，易于編程，成本低，性能好。由于書筐在圖書館內(nèi)行駛的速度一般不高， 所以選擇T 法［2］，以在低速轉(zhuǎn)動下保持較高的精度。

2.5 壓力傳感器

本系統(tǒng)所需壓力傳感器主要用于測定和監(jiān)測書筐中書的余量，方便書筐及時進行還書，因此對靈敏度和精確度要求不是太高。 傳統(tǒng)的壓力傳感器價格便宜且技術(shù)成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)預期功能，應變片壓力傳感器原則對本系統(tǒng)來說是一個較好的選擇。

3 軟件設計原則

3.1 遠距離通信方式

遠距離通信方式主要從傳輸?shù)募皶r性、 傳輸速率、通信質(zhì)量、互操作的魯棒性、價格等方面進行論證，結(jié)合開放式圖書館智能還書整理系統(tǒng)功能，選擇適合本系統(tǒng)的即為最優(yōu)。

3.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要從軟件界面、安全性、靈活性等方面論證［3］，選用的代碼易懂易操作，適合于本系統(tǒng)的SQL 數(shù)據(jù)庫可完成智能還書整理系統(tǒng)構(gòu)建。

3.3 避障

由于光速比聲速要快得多， 用紅外測距傳感器要更靈敏一些；紅外測距傳感器的程序比較容易寫，超聲波的程序則需要一些計算和轉(zhuǎn)化； 紅外測距傳感器受環(huán)境影響較小。綜上考慮，在設計構(gòu)建本系統(tǒng)中，選用紅外測距傳感器來進行避障更好。

4 結(jié)束語

隨著計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用和發(fā)展， 圖書館管理方式和服務模式將發(fā)生深刻變化［4］。 開放式圖書館智能還書整理系統(tǒng)的設計開發(fā)， 借鑒了大型物流企業(yè)快遞智能分揀技術(shù)與“無人超市”思想，探索應用了射頻控制技術(shù)、“藍牙模塊”技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及信息智能等技術(shù)， 自動化、 智能化程度較高，友好互動性強。 該項目的實現(xiàn)，可有效提升讀者自助還書正確率， 減輕圖書館工作人員整理圖書的勞動強度，具有良好的應用前景。