基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的圖書館座位智能管理系統(tǒng)設(shè)計

戴晶華

（內(nèi)蒙古自治區(qū)法治培訓(xùn)中心，內(nèi)蒙古呼和浩特，010070）

0 引言

長時間占用圖書館的座位，導(dǎo)致圖書館座位的使用效率降低，影響其他讀者對公共資源的使用。雖然圖書館的管理員也在進(jìn)行管理，但工作量很大，也存在監(jiān)管不到位的情況。因此，開發(fā)一種可對圖書館座位進(jìn)行遠(yuǎn)程實時管理的智能管理系統(tǒng)，以提高圖書館座位的利用效率。將基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)這一具有覆蓋廣、連接多、成本低、功耗低等特點的新興技術(shù)應(yīng)用到圖書館座位智能管理系統(tǒng)中，具有極大的開發(fā)前景和極強的現(xiàn)實意義，可明顯提高圖書館座位的使用效率。

1 系統(tǒng)研究方案

1.1 系統(tǒng)整體概述

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由以下三個部分構(gòu)成：座位信息采集終端、云平臺端及應(yīng)用服務(wù)器端。座位信息采集端負(fù)責(zé)實時檢測圖書館內(nèi)各座位的使用情況，當(dāng)檢測到其狀態(tài)發(fā)生變化時，通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺端。云平臺端負(fù)責(zé)接收座位信息采集端上傳的數(shù)據(jù)，將其解碼后轉(zhuǎn)發(fā)給后臺應(yīng)用服務(wù)器端。應(yīng)用服務(wù)器端負(fù)責(zé)處理云平臺及用戶的請求，將云平臺發(fā)送來的數(shù)據(jù)解析后存入數(shù)據(jù)庫，當(dāng)用戶訪問時，從數(shù)據(jù)庫中取出數(shù)據(jù)，并將前端界面返回給用戶。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 硬件實現(xiàn)方案

1.2.1 座位信息采集端

座位信息采集端由多組座位信息采集終端構(gòu)成。各終端主要由以下三部分構(gòu)成：熱釋電紅外傳感器、Arduino微控制器、窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊。

采用HC-SR501熱釋電紅外傳感器模塊安裝于桌下，每個座位所對應(yīng)的位置上方。向下檢測用戶腿部的移動信號，當(dāng)用戶腿部發(fā)生移動時紅外輻射溫度發(fā)生變化，傳感器內(nèi)失去電荷平衡，向外釋放電荷。通過該模塊可將用戶的移動信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，供后續(xù)電路處理。

采用Arduino Nano微控制器作為座位信息采集端的核心，處理分析熱釋電紅外傳感器的信號并通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。Arduino Nano是Arduino USB接口的微型版本，具有14路數(shù)字輸入/輸出口、一路串口，且其尺寸較小，在滿足本系統(tǒng)設(shè)計的同時可最大程度上縮小座位信息采集終端，使其便于放置。

采用以具有高性能、低功耗等特點的移遠(yuǎn)BC95-B5無線通信芯片為核心的NB101窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊來發(fā)送數(shù)據(jù)，其體積較小，在滿足終端需求的同時，最大限度的減少了座位信息采集終端的體積。

綜上所述，在各圖書館內(nèi)，各桌下放置座位信息采集終端來采集各圖書館內(nèi)各座位的使用情況，以構(gòu)成座位信息采集端，完成采集圖書館內(nèi)座位信息的要求。

1.2.2 云平臺端

由于采用的窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊的核心為BC95電信版本，遂采用中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺，作為云平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼等處理。該云平臺可在線設(shè)置解碼器及配置文件對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以便后續(xù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及后端服務(wù)器處理。

1.2.3 應(yīng)用服務(wù)器端

應(yīng)用服務(wù)器端使用阿里云的云服務(wù)器ECS。方便部署操作系統(tǒng)，不需進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)穿透等煩瑣操作，且免費提供 DDoS 防護、木馬查殺、防暴力破解等服務(wù)。

1.3 軟件方案

1.3.1 座位信息采集端

使用Visual Studio Code及Arduino插件部署Arduino開發(fā)環(huán)境，使用C/C++編寫庫及主程序。通過AT指令控制窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。

1.3.2 云平臺端

使用中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的在線開發(fā)環(huán)境，設(shè)置部署解碼器及配置文件。

1.3.3 應(yīng)用服務(wù)器端

（1）后端

在阿里云服務(wù)器上部署Ubuntu 16.04操作系統(tǒng)，搭建Python 3.6運行環(huán)境，使用Nginx和uWSGI進(jìn)行Django的生產(chǎn)環(huán)境部署。使用Mysql數(shù)據(jù)庫存儲圖書館內(nèi)座位信息。

當(dāng)客戶端（用戶瀏覽器、云平臺）發(fā)起http/https請求時，首先到達(dá)Nginx，Nginx收到請求后進(jìn)行解析處理（如果是靜態(tài)請求，直接返回靜態(tài)頁面），然后將請求發(fā)送給uWSGI，uWSGI對Nginx的請求進(jìn)行處理，將處理后的結(jié)果發(fā)送給Django應(yīng)用，Django應(yīng)用收到請求之后，對請求進(jìn)行處理,從Mysql中讀取或存儲數(shù)據(jù)，將結(jié)果返回給uWSGI，uWSGI收到Django應(yīng)用的處理結(jié)果后，對該結(jié)果進(jìn)行處理打包，發(fā)送給Nginx，Nginx將收到的結(jié)果返回給客戶端（用戶瀏覽器）。

（2）前端

使用HTML+CSS+JavaScript編寫前端界面，并安裝Bootstrap前端開發(fā)框架和jQuery函數(shù)庫。使用HTML設(shè)置網(wǎng)頁的內(nèi)容，使用CSS設(shè)置樣式，使用JavaScript控制網(wǎng)頁的行為。

2 系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件設(shè)計主要為座位信息采集終端的設(shè)計。各熱釋電紅外傳感器信號線依次連接Arduino的D2到D9引腳，Arduino的D10引腳連接LED；D11和D12在程序中設(shè)置為軟串口用來輸出調(diào)試信息，方便調(diào)試，不使用時可懸空；串口通過短路帽連接窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊，當(dāng)燒寫程序時，需斷開短路帽，防止出錯。

圖2 硬件連線圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.2.1 座位信息采集端

程序流程如圖3所示，安裝終端前需在各終端的Arduino程序上設(shè)置該終端所在圖書館編號，樓層，桌子編號。上電后首先點亮LED指示燈，初始化串口，設(shè)置波特率為9600，設(shè)置D11和D12為軟串口作為調(diào)試串口，設(shè)置波特率為9600。然后初始化窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊，依次向串口發(fā)送AT指令，并向調(diào)試串口輸出日志，指令依次為AT，確保AT指令正常；AT+CFUN=1，開啟射頻；AT+NCDP=180.101.147.115,5683（第一個參數(shù)為中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺窄帶物聯(lián)網(wǎng)接入IP地址，第二個參數(shù)為非加密端口），配置電信平臺的CDP服務(wù)器地址；AT+CGATT=1，激活網(wǎng)絡(luò)；AT+NNMI=1，配置核心板將接收到的數(shù)據(jù)直接輸出到串口。最后初始化各座位對象（設(shè)置D2到D9引腳的類型為輸入）。關(guān)閉LED指示燈。

圖3 座位信息采集端程序流程圖

為避免用戶暫時離開座位或較長時間未移動產(chǎn)生誤報，使用以下算法：逐個檢測各座位對象當(dāng)前狀態(tài)，獲取當(dāng)前該座位對象所對應(yīng)的座位的使用情況，與該座位對象上一次的狀態(tài)進(jìn)行對比，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化時，分析其變化：若狀態(tài)從已使用變化為未占用則為該座位對象添加計數(shù)器標(biāo)志，當(dāng)下一次檢測該座位時，如果狀態(tài)未變化，則計數(shù)器加一，當(dāng)計數(shù)器值達(dá)到15分鐘時，確認(rèn)該座位未被占用，可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果座位狀態(tài)變化回已使用，則清零計數(shù)器，清除計數(shù)器標(biāo)志，保持該座位為已使用狀態(tài)；若狀態(tài)從未占用變化為已占用，且沒有計數(shù)器標(biāo)志則確認(rèn)該座位已被使用，可以發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2.2 云平臺端

云平臺端接入流程如圖4所示。

圖4 云平臺接入流程圖

首先通過“天翼物聯(lián)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”微信公眾號或“天翼物聯(lián)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”網(wǎng)站填寫開放平臺測試賬號申請，賬號申請通過后，收到賬號和初始密碼。登錄中國電信物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)中心。

點擊創(chuàng)建項目，填寫“項目名稱”、“所屬行業(yè)”、“描述”等項目信息后，點擊“創(chuàng)建”。

點擊新建產(chǎn)品，選擇自定義產(chǎn)品，在設(shè)置產(chǎn)品信息中填入產(chǎn)品名稱、型號、廠商ID、所屬行業(yè)、設(shè)備類型、接入應(yīng)用層協(xié)議類型、數(shù)據(jù)格式等信息，點擊創(chuàng)建。產(chǎn)品是某一類具有相同能力或特征的設(shè)備的集合稱，除了設(shè)備實體，產(chǎn)品還包含該類設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)能力建設(shè)中產(chǎn)生的產(chǎn)品信息、產(chǎn)品模型（Profile）、插件、測試報告等資源。

然后創(chuàng)建產(chǎn)品模型（也稱Profile）用于描述設(shè)備具備的能力和特性。通過定義Profile，在云平臺構(gòu)建一款設(shè)備的抽象模型，使云平臺理解該款設(shè)備支持的服務(wù)、屬性、命令等信息。設(shè)置服務(wù)名稱為Seat，添加以下五個屬性用于承載上報的數(shù)據(jù)。

（1）樓層編號：floor，數(shù)據(jù)類型為int，范圍為1-10，必選且只讀。

（2）桌子編號：table，數(shù)據(jù)類型為int，范圍為1-50，必選且只讀。

（3）座位編號：seat，數(shù)據(jù)類型為int，范圍為1-8，必選且只讀。

（4）座位狀態(tài)：status，數(shù)據(jù)類型為int，范圍為0-1，必選且只讀。

（5）圖書館編號：library，數(shù)據(jù)類型為int，范圍為1-10，必選且只讀。

由于座位信息采集端發(fā)送的數(shù)據(jù)在中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺做協(xié)議解析時，會轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的json格式，以方便Web服務(wù)器使用。最終與產(chǎn)品模型建立映射后按協(xié)議順序轉(zhuǎn)換成如下json格式數(shù)據(jù){"libra ry":1,"floor":2,"table":3,"seat":7,"status":0}。當(dāng)設(shè)置完產(chǎn)品模型及解碼插件后，可接入設(shè)備進(jìn)行測試。最后設(shè)置應(yīng)用訂閱，設(shè)置訂閱設(shè)備數(shù)據(jù)變化接口及訂閱地址。

2.2.3 應(yīng)用服務(wù)器端

Django為重量級Web框架，為使業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)、界面開發(fā)分離，解除耦合。使用MTV的框架模式，其中視圖Views響應(yīng)用戶http請求，進(jìn)行邏輯處理，模型Models描述服務(wù)器儲存的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)庫的表），模板templates用來生產(chǎn)HTML頁面（返回給用戶的HTML頁面是由模型和模板渲染出來的）。

2.2.4 數(shù)據(jù)庫端

通過models在數(shù)據(jù)庫PW中創(chuàng)建三個數(shù)據(jù)表：

在sm_library中 設(shè) 置id（ 主 鍵）、name及introduce字段，用于存儲圖書館名稱及簡介。

在sm_seat中設(shè)置id（主鍵）、library、serialID 、floor_num、equipID、status字段，用于存儲圖書館編號，座位號，樓層，桌子編號，座位狀態(tài)。其中設(shè)置library外鍵約束為sm_library的主鍵，使其保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性，禁止出現(xiàn)sm_library存儲以外的信息。

在sm_order中設(shè)置id（主鍵）、seat、user、start_time、end_time字段，用于儲存座位，用戶，預(yù)訂開始時間，預(yù)訂結(jié)束時間。其中設(shè)置seat外鍵約束為sm_seat的主鍵，防止對未知的座位進(jìn)行操作，擾亂程序操作。

3 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

座位采集終端的實物連接如圖5所示。在Visual Studio Code中連接Arduino的硬件串口，出口的輸出結(jié)果如圖6所示。當(dāng)完成初始化后，連接在D2端口上的熱釋電紅外傳感器檢測到移動，通過AT指令發(fā)送數(shù)據(jù)。一號圖書館的一樓一號桌一號座位狀態(tài)為已占用。

圖5 座位采集終端實物連接圖

圖6 串口輸出數(shù)據(jù)

將數(shù)據(jù)中的status改為1后，由postman模擬發(fā)送數(shù)據(jù)，整體用戶測試界面如圖7所示，可見對應(yīng)座位樣式發(fā)生變化。

4 總結(jié)

本設(shè)計針對圖書館座位利用效率較低這一問題展開研究，采用熱釋電傳感器采集座位使用信息，Arduino微控制器處理數(shù)據(jù)，窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊傳輸數(shù)據(jù)，中國電信物聯(lián)網(wǎng)平臺解碼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，阿里云云服務(wù)器搭建應(yīng)用服務(wù)器接收數(shù)據(jù)，B/S模式展示數(shù)據(jù)的方式完成以下功能：

（1）非接觸式，實時主動采集座位使用信息；

（2）人性化判斷座位的使用情況，排除了一些干擾；

（3）低功耗數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)約系統(tǒng)維護成本；

（4）各端數(shù)據(jù)可視，方便數(shù)據(jù)追蹤；

（5）圖書館管理員遠(yuǎn)程管理，用戶遠(yuǎn)程查看，預(yù)訂座位；

（6）圖書館內(nèi)座位使用情況圖形化展示，使數(shù)據(jù)展示更加直觀。