無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智慧圖書館中的應(yīng)用*

宋朝霞 張 麗

（北京語言大學(xué) 北京 100083）

1 引言

計算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展推動了圖書館的管理模式由數(shù)字化管理向智能化管理的發(fā)展和創(chuàng)新［1~2］。智能化管理通過智能化手段收集用戶信息數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行分析，以此作為向用戶提供服務(wù)的依據(jù)。它能夠通過對讀者定位，了解分析讀者需求動向，并對圖書環(huán)境進(jìn)行檢測；利用數(shù)據(jù)挖掘、搜索和分析技術(shù)對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而確定圖書館的購書方向；也可以實現(xiàn)根據(jù)讀者檢索需求為讀者推薦最合適的圖書資源，從而加強(qiáng)圖書館信息服務(wù)效能，提高圖書館信息服務(wù)質(zhì)量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是適用于圖書館的智能化和精確化管理的重要技術(shù)手段。

本文從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點入手，通過分析智慧圖書館的應(yīng)用需求，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要求，進(jìn)行了智慧圖書館中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計。實現(xiàn)了在智慧圖書館中利用無線傳感器收集讀者信息數(shù)據(jù)，通過整理數(shù)據(jù)分析讀者閱讀需求，制定出符合讀者需求的購書計劃和圖書擺放策略，提高讀者的滿意度。

2 問題提出

“智慧圖書館”的概念是芬蘭奧盧大學(xué)艾托拉教授在文章《智慧圖書館：基于位置感知的移動圖書館服務(wù)》［3］中首次提出的。這種新型圖書館需要將物聯(lián)網(wǎng)、云計算和智能化設(shè)備等現(xiàn)代化信息技術(shù)運(yùn)用到圖書館建設(shè)中，通過信息通信技術(shù)對外部服務(wù)環(huán)境變化進(jìn)行感知、了解用戶需求，并分析服務(wù)模式的變化趨勢，逐步完成對圖書館信息資源的智慧化搜索、個性化定制和智慧化推送，從而實現(xiàn)知識共享和讀者需求智慧感知［4］。進(jìn)行高校智慧圖書館建設(shè)，需要根據(jù)具體情況，利用智能化相關(guān)設(shè)備從自身工作過程中積累大量有效數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析整理，實現(xiàn)對原有資源進(jìn)行優(yōu)化和改造以及對圖書館所有知識的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和有機(jī)整合［5］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)集數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸于一體，它是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，是通信與信息技術(shù)的新領(lǐng)域［6］。與其他種類的無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著大規(guī)模、自組織性、動態(tài)性和可靠性的特點［7~8］。它融合了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、微電子技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和無線通信技術(shù)等多個學(xué)科［9］，在智慧圖書館［10］的應(yīng)用領(lǐng)域中有著重要科研價值及使用價值。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)盡可能多地搜集用戶數(shù)據(jù)，把各種用戶數(shù)據(jù)綜合在一起進(jìn)行分析整理，通過數(shù)據(jù)挖掘來發(fā)現(xiàn)不同類型用戶在各方面的需求，構(gòu)建以實現(xiàn)“圖書館智慧管理”和以“為讀者提供智慧服務(wù)”為目標(biāo)的智慧圖書館，是實現(xiàn)高校智慧圖書館智慧化管理的最佳途徑。因此，在高校智慧圖書館中，需要充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源，根據(jù)收集到的有效數(shù)據(jù)來分析發(fā)現(xiàn)它們的潛在規(guī)律，利用知識統(tǒng)計分析理論得到有關(guān)讀者閱讀需求的結(jié)論，以此為依據(jù)來改進(jìn)高校圖書館智慧型服務(wù)模式，提高圖書館的服務(wù)質(zhì)量和能效。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［11］綜合了傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)、嵌入式等多學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)匯總的多功能通信平臺，是目前通信領(lǐng)域的研究熱點之一［12］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［13］技術(shù)具有快速自組織、低功耗、低成本、多功能等優(yōu)點［14］，能夠通過感知技術(shù)，將監(jiān)測對象與信息世界融合在一起，成為溝通真實物理世界和信息世界的橋梁。

智慧圖書館中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件基本結(jié)構(gòu)如圖1，它的基本組成包括傳感器節(jié)點（Node）、匯聚節(jié)點（Sink）和圖書館監(jiān)控中心的管理節(jié)點。這個系統(tǒng)的關(guān)鍵核心是單個收集信息的傳感器節(jié)點，大量的傳感器節(jié)點被隨機(jī)地安置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部，它們不僅具有收集數(shù)據(jù)的功能，同時也具有傳輸數(shù)據(jù)的功能。能夠?qū)鞲衅鞴?jié)點收集到的信息利用逐跳傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行傳輸，經(jīng)過多跳后最終傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。匯聚節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中用于收集各傳感器節(jié)點感知到的信息，同時實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部有線通信網(wǎng)絡(luò)的有效連接。為實現(xiàn)匯聚節(jié)點的重要作用，需要根據(jù)實際的監(jiān)測環(huán)境對其進(jìn)行設(shè)計，必須保證它具有足夠的能源，能夠?qū)⑹占降男畔l(fā)送到圖書館監(jiān)控中心。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計

為了解用戶對圖書館資源的動態(tài)需求情況，實現(xiàn)面向應(yīng)用的動態(tài)資源管理及實時動態(tài)監(jiān)測，我們設(shè)計的智慧圖書館無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理參考模型如圖2所示。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理參考模型

4.1 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)收集層是構(gòu)建智慧圖書館的基礎(chǔ)設(shè)施層，無線傳感器是收集數(shù)據(jù)信息的基本單元。它不僅需要采集存儲數(shù)據(jù)，還要負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理后通過逐跳傳輸?shù)姆绞絺鬏斀o匯聚節(jié)點。所以它的硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)該包括能量供應(yīng)模塊（電池）、無線通信模塊、處理器模塊和數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器模塊）四部分，如圖3所示。其中的能量供應(yīng)模塊主要負(fù)責(zé)為節(jié)點內(nèi)的各用電模塊提供足夠能量；無線通信模塊主要負(fù)責(zé)進(jìn)行收/發(fā)數(shù)據(jù)信息和交換控制/通信信息；處理器模塊主要負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作、存儲和處理數(shù)據(jù)；傳感器模塊主要負(fù)責(zé)采集信息并進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換，它始終處于工作狀態(tài)。這些無線傳感器節(jié)點使功能單一的感知設(shè)備之間能夠通過協(xié)作方式完成感知任務(wù)。我們選擇的無線傳感器的信息傳輸最遠(yuǎn)距離大約在50m左右，能夠?qū)崿F(xiàn)相鄰節(jié)點之間通過無線方式有效傳輸數(shù)據(jù)。

圖3 無線傳感器硬件結(jié)構(gòu)

在智慧圖書館入口的閘機(jī)處地面上安裝壓力傳感器用于感知讀者體重，在閘機(jī)附近的墻壁或其它裝置上安裝感光傳感器用于感知讀者身高。另外，在圖書館中每個書架兩側(cè)也都需要部署感光傳感器和壓力傳感器來感知讀者信息。讀者在圖書館入口處通過刷校園卡的方式進(jìn)入圖書館，在檢測校園卡信息后打開閘門的同時無線傳感器需要感知讀者身高和體重信息。感知數(shù)據(jù)被傳送給管理監(jiān)控中心，所感知到的身高和體重信息數(shù)據(jù)將會和校園卡中的卡號信息一起被寫入管理監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫。在圖書館內(nèi)部的書架兩側(cè)也同樣安裝有感光傳感器和壓力傳感器（如圖1），我們可以通過它們來感知進(jìn)出某固定書架區(qū)域的讀者信息，如果感知到的數(shù)據(jù)在有效范圍內(nèi)（35kg<體重<100kg，并且145cm<身高<200cm）就記錄下感知到的具體信息數(shù)據(jù)：包括讀者身高、體重信息，傳感器所在的書架序號信息以及此信息被感知的具體時間。同一書架上的傳感器如果在同一天的不同時間感知到兩次壓力和身高都相同的數(shù)據(jù)，就可以認(rèn)為同一讀者進(jìn)出此通道一次。這些信息被簡單處理后存儲在無線傳感器的存儲器中，等待本節(jié)點競爭信道后被發(fā)送。

4.2 數(shù)據(jù)的無線傳輸

由于無線傳感器節(jié)點體積很小，使用電池供電，同一樓層相鄰傳感器節(jié)點之間的距離控制在有效的通信范圍內(nèi)，要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也不大，所以可以通過自組網(wǎng)的形式相互通信。將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過無線傳輸方式從一個傳感器節(jié)點按照目的節(jié)點方向依次傳遞到另一個相鄰的傳感器節(jié)點，最終到達(dá)本樓層匯聚節(jié)點。

傳感器節(jié)點的通信模塊有三種工作狀態(tài)：空閑、接收和發(fā)射。本文設(shè)計的智慧圖書館無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點采用相同的活躍/睡眠周期交替策略（如圖4）。為了減小能耗，只有當(dāng)需要傳感器節(jié)點進(jìn)行發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，才開啟無線通信模塊，用于收發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)節(jié)點不需要收發(fā)數(shù)據(jù)時，則關(guān)閉無線通信模塊，以減少空閑偵聽時間，降低能量消耗。

圖4 同步機(jī)制的數(shù)據(jù)傳輸

傳感器節(jié)點處于休眠狀態(tài)時，通過sleep定時器設(shè)定休眠周期。經(jīng)過預(yù)定的周期時間，就會喚醒傳感器節(jié)點，啟動listen定時器。節(jié)點從休眠狀態(tài)被喚醒后，首先監(jiān)聽信道，如果此時節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送并且信道空閑就開始發(fā)送數(shù)據(jù)，否則就進(jìn)入偵聽狀態(tài)。如果此時有多個節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)就開始信道競爭，競爭到信道的節(jié)點才能開始發(fā)送數(shù)據(jù)，其他鄰節(jié)點轉(zhuǎn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送或接收時，無線收發(fā)裝置會被置于休眠模式，等到需要的時候再喚醒它。

4.3 信息處理和傳輸

智慧圖書館網(wǎng)絡(luò)中的信號匯聚節(jié)點是傳感器節(jié)點信息的匯集點，它可以和傳感器節(jié)點通過功耗比較低的Zigbee技術(shù)［15］進(jìn)行無線通信，組成一個探測單元，完成信號的收集，并可以對收集到的讀者數(shù)據(jù)信號進(jìn)行預(yù)處理，具有信息分發(fā)、融合和匯聚等功能（如圖5）?？紤]到圖書館的具體面積和傳感器節(jié)點的分布特點及信息有效傳輸距離，可以在圖書館的每個樓層中心位置設(shè)置一個匯聚節(jié)點并配置可靠的供電電源。為保證對數(shù)據(jù)的有效處理，匯聚節(jié)點還需要配置較大容量存儲單元以及較高性能的微處理器。每個匯聚節(jié)點可以連接多個終端節(jié)點，一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的就地采集，另一方面也可以較為便利地融合與匯集下層網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)。

圖5 匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)流

匯聚節(jié)點需要先對本樓層的傳感器節(jié)點收集到的信息進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)融合，將無效的和可信度較差的冗余數(shù)據(jù)刪除，然后將有效數(shù)據(jù)通過有線通信系統(tǒng)傳遞給監(jiān)控中心，其流程圖如圖6。

圖6 匯聚節(jié)點軟件流程圖

4.4 信息管理及分析

高校圖書館入口處設(shè)置的刷卡裝置，可以在讀者刷卡時得知讀者姓名、年級、專業(yè)等信息。圖書館入口處設(shè)置的無線傳感器可以感知讀者的身高和體重信息作為進(jìn)入圖書館后的讀者標(biāo)識，并和校園卡內(nèi)信息進(jìn)行綁定。圖書館內(nèi)部書架兩側(cè)布置的無線傳感器所感知到的有效讀者身高、體重信息，可以用于計算讀者進(jìn)入和離開此書架的時間，分析讀者在每個區(qū)域停留時間。監(jiān)控中心接收來自各樓層匯聚節(jié)點的信息，和讀者進(jìn)入圖書館時所收集的信息進(jìn)行匯總，就可以感知每天的特定時間段進(jìn)入圖書館的人數(shù)，再對讀者的專業(yè)、年級、停留時間進(jìn)行統(tǒng)計，然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，就可以得知哪些區(qū)域的哪些書籍比較受哪些學(xué)生人群的歡迎，從而為圖書館采購書籍策略提供參考。也可以根據(jù)讀者進(jìn)入特定區(qū)域的人數(shù)和時間來編排和分配書架和書籍的布局，從而最大化地利用好圖書館的學(xué)習(xí)空間。

5 系統(tǒng)測試和驗證

為測試所設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能，我們選取了圖書館內(nèi)固定區(qū)域為實驗區(qū)域，在實驗區(qū)域入口處放置讀卡器并安裝壓力傳感器、感光傳感器，讀者需要通過刷卡方式進(jìn)入實驗區(qū)域，刷卡時將讀者體重、身高信息以及校園卡中信息同時上傳給監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫，將傳感器感知到的信息與校園卡的信息進(jìn)行綁定。在實驗區(qū)域內(nèi)部并列擺放10個書架，每個書架上擺放不同研究方向的書籍。各書架兩端安裝感光傳感器和壓力傳感器，用于采集閱讀本書架書籍的讀者信息，傳感器的信息傳輸距離為50m，在實驗區(qū)域中間部分安裝匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點收集各傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)后進(jìn)行存儲與融合，再通過有線傳輸方式將數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對采集到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

測試及分析結(jié)果表明，在進(jìn)行測試的五天中共有203名學(xué)生通過刷卡進(jìn)入該實驗區(qū)域。所設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出了這203名學(xué)生中進(jìn)入每個書架區(qū)域的學(xué)生具體人數(shù)、專業(yè)、年級和停留時間，與人工記錄的信息相符，實現(xiàn)了對于數(shù)據(jù)的采集和保存。這些數(shù)據(jù)可以用于圖書館購書計劃的制定和圖書擺放策略的分析。

6 結(jié)語

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對讀者和書籍?dāng)?shù)據(jù)采集，利用得到的數(shù)據(jù)改進(jìn)高校智慧圖書館服務(wù)，是提高高校圖書館服務(wù)水平的重要途徑。本文首先對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了簡要介紹，重點討論了對讀者信息進(jìn)行采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。通過分析系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)，與大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)圖書館的智能化管理，這對高校圖書館的數(shù)字化建設(shè)具有重要意義。