基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的樹莓派智能工位預(yù)設(shè)研究

羅詠涵 黎江曉 劉曦蕾

關(guān)鍵詞：樹莓派；座位預(yù)約；圖書館

據(jù)各類高校圖書館自習(xí)情況的調(diào)查來(lái)看，基于圖書館安靜舒適的環(huán)境和濃厚的學(xué)習(xí)氛圍，到圖書館學(xué)習(xí)成了眾多學(xué)子提升自我、追逐夢(mèng)想的不二選擇。隨著社會(huì)迅速發(fā)展，各類資源競(jìng)爭(zhēng)難免愈發(fā)激烈，而圖書館的座位資源，往往供不應(yīng)求。而供不應(yīng)求的結(jié)果，可能會(huì)出現(xiàn)惡意搶占資源的現(xiàn)象，譬如惡意搶座、占座等。這些現(xiàn)象會(huì)在不同程度上增加圖書館工作人員的管理難度，甚至可能引發(fā)不必要的矛盾。如何把圖書館或者其他公共場(chǎng)所的座位資源合理利用、如何更好地為使用者提供便利、降低管理難度，是本項(xiàng)目亟待解決的問(wèn)題。

一、項(xiàng)目構(gòu)想

基于圖書館、自習(xí)室及其他流動(dòng)性辦公場(chǎng)所中的座位分配問(wèn)題，目前較為成熟的管理系統(tǒng)有：基于單片機(jī)的座位管理系統(tǒng)、基于RFID 技術(shù)的圖書館座位管理系統(tǒng)、基于B/S 模式的座位管理系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)仍有不足，如需要用戶線下排隊(duì)座位預(yù)約，未能提供座位預(yù)約服務(wù)和智能化的座位處理方案。而利用樹莓派設(shè)計(jì)一個(gè)兼有預(yù)約和管理功能的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)座位的“智能化”“人工化”是一個(gè)可行的解決方案。該方案的實(shí)現(xiàn)有助于實(shí)現(xiàn)圖書館等公共場(chǎng)所及資源共享座位或工位的效率化、人性化、經(jīng)濟(jì)化分配，從而實(shí)現(xiàn)管理效率的提高和資源的合理使用，促進(jìn)各個(gè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展[1]。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)選用樹莓派（搭載了Linux 系統(tǒng)）作為主控核心，各類設(shè)備均以模塊化的形式由其進(jìn)行統(tǒng)一式管理。樹莓派通過(guò)GPIO 控制各類設(shè)備所相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，從而智能化地管理各類設(shè)備。該項(xiàng)目整體通過(guò)python 編程實(shí)現(xiàn)樹莓派和其他嵌入式部件的通信，完成核心功能；通過(guò)小程序或web 頁(yè)面連接進(jìn)行前端展示和控制交互；在基本需求實(shí)現(xiàn)后完成實(shí)體組裝部分；通過(guò)PHP 語(yǔ)言完善后端和服務(wù)器端的開發(fā)，完善設(shè)備[2]。項(xiàng)目整體分為三大模塊，每個(gè)模塊通過(guò)編程技術(shù)進(jìn)行功能的實(shí)現(xiàn)。各模塊功能如圖1 所示。

（一）GPIO 和紅外識(shí)別的線下感應(yīng)模塊

本項(xiàng)目基于樹莓派進(jìn)行嵌入式程序的開發(fā)，當(dāng)前通過(guò)GPIO 管腳外接嵌入式設(shè)備來(lái)進(jìn)行一系列線下系統(tǒng)的控制，可通過(guò)微信掃碼激活，在打卡激活設(shè)備后，通過(guò)每間隔時(shí)間向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求讀取并比對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的后臺(tái)預(yù)約信息，信息識(shí)別成功后，由樹莓派內(nèi)python 程序控制并發(fā)送片選信號(hào)，嵌入式設(shè)備通過(guò)GPIO 接收到信號(hào)后，即可控制電力設(shè)備，并啟動(dòng)供電設(shè)施。

通過(guò)在類似的模塊進(jìn)行貼合項(xiàng)目需要的改進(jìn)，完成了樹莓派與各類嵌入式設(shè)備的交互。其中制定了兩種情況的實(shí)現(xiàn)模式，一種是現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)微信掃碼后向服務(wù)器發(fā)送比對(duì)信號(hào)，成功后跳轉(zhuǎn)到線下打卡界面如圖2、圖3所示；另一種是采用紅外識(shí)別當(dāng)前座位是否正在使用中[3]。

此模塊通過(guò)紅外感應(yīng)來(lái)查看座位狀態(tài)，使用者在離開座位后系統(tǒng)便會(huì)開始計(jì)時(shí)，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未能返回，系統(tǒng)則會(huì)開啟節(jié)能模式。反之，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)返回系統(tǒng)將會(huì)停止計(jì)時(shí)，繼續(xù)工作。其中的墨水顯示屏使用的電子紙采用“微膠囊電泳顯示”技術(shù)進(jìn)行圖像顯示，其基本原理是懸浮在液體中的帶電納米粒子受到電場(chǎng)作用而產(chǎn)生遷移。電子紙顯示屏是靠反射環(huán)境光來(lái)顯示圖案的，在自然光下，電子紙顯示屏清晰可視，可視角度幾乎達(dá)到了180°。因此，電子紙顯示屏適用于瀏覽閱讀。其使用8PIN 排線連接，在樹莓派終端中開啟SPI 接口，配合python 編程即可使用。

（二）LNMP 架構(gòu)模式的遠(yuǎn)程預(yù)留工位模塊

在本模塊中， 使用LNMP 架構(gòu)模式， 在Linux系統(tǒng)（ 本項(xiàng)目在Ubuntu 虛擬機(jī)中實(shí)現(xiàn)） 下使用Nginx+MySQL+Python 的方式進(jìn)行服務(wù)器的搭建。搭建服務(wù)器的大致流程如下：

通過(guò)瀏覽器發(fā)送http request 請(qǐng)求到服務(wù)器（Nginx），服務(wù)器響應(yīng)并處理web 請(qǐng)求，將一些靜態(tài)資源（CSS、頁(yè)面圖片等）保存至服務(wù)器上，將php 腳本通過(guò)接口傳輸協(xié)議（網(wǎng)關(guān)協(xié)議）PHP-FCGI（fast-cgi）傳輸給PHPFPM（進(jìn)程管理程序），通過(guò)PHP-FPM 調(diào)用PHP 解析器進(jìn)程，PHP 解析器解析php 腳本信息。將解析后的腳本返回到PHP-FPM，PHP-FPM 再通過(guò)fast-cgi 的形式將腳本信息傳送給Nginx 進(jìn)行處理。服務(wù)器再通過(guò)Httpresponse 的形式傳送給瀏覽器。瀏覽器在進(jìn)行解析與渲染后呈現(xiàn)可視化界面。在網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)中采用HTML5、CSS、JavaScript 等前端技術(shù)，進(jìn)行可視化交互界面編寫。該過(guò)程中參考了現(xiàn)有市面上流行的，大眾可接受、經(jīng)常使用的UI 設(shè)計(jì)，在大眾接受的美觀、簡(jiǎn)介的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理的特色化改進(jìn)，在符合產(chǎn)品理念和初心的同時(shí)，使產(chǎn)品既有創(chuàng)新點(diǎn)，又不為大眾用戶的使用造成負(fù)擔(dān)，預(yù)約界面如圖4、圖5 所示。

此外，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，可以輕松檢索信息，提高信息的質(zhì)量和一致性，易于更新和維護(hù)。并使用Java 編寫后端服務(wù)模塊功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)用。在數(shù)據(jù)層通過(guò)固定的服務(wù)器，每間隔時(shí)間接收樹莓派發(fā)出的請(qǐng)求，通過(guò)PHP 編寫程序控制服務(wù)器并對(duì)相應(yīng)的請(qǐng)求進(jìn)行處理并反饋信號(hào)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)狀態(tài)，避免數(shù)據(jù)沖突及讀取錯(cuò)誤信息。

通過(guò)后端相應(yīng)控制程序的連接與調(diào)用，讀取相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)指定格式傳送至前端界面，實(shí)現(xiàn)信息的更新。同時(shí)將信息更新至可視化模塊，即展示于本地的電子墨水屏。在此模塊中，用戶可以自行在線上進(jìn)行座位的預(yù)訂和時(shí)間的選擇，同時(shí)可以看到所有座位的預(yù)約及使用情況，也可以自主選擇自己喜歡的座位。

（三） Python 實(shí)現(xiàn)的可視化打卡激活模塊

在此模塊中，實(shí)現(xiàn)了用戶到達(dá)工位后進(jìn)行掃碼激活打卡，以此來(lái)啟動(dòng)設(shè)備，在獲取掃碼用戶簡(jiǎn)單信息的同時(shí)，運(yùn)用python 編寫程序，通過(guò)樹莓派控制相關(guān)嵌入式設(shè)備的啟動(dòng)與關(guān)閉。之所以采用Python 語(yǔ)言，是因?yàn)槟苡煤?jiǎn)單的方式向樹莓派提供命令。這與低級(jí)語(yǔ)言（比如匯編），形成了鮮明的對(duì)比，匯編語(yǔ)言更接近計(jì)算機(jī)思維，但讓一個(gè)沒有經(jīng)驗(yàn)的人用它來(lái)編程幾乎不可能。高級(jí)與自然清晰的語(yǔ)法使Python 成為一個(gè)有價(jià)值的工具[4-5]。而該模塊也是用戶第二核心接觸的模塊，再通過(guò)外設(shè)的連接，來(lái)傳輸信息，樹莓派每間隔時(shí)間向服務(wù)器進(jìn)行請(qǐng)求，更新數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)字段存儲(chǔ)內(nèi)容，同時(shí)通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)電力開關(guān)控制，及相應(yīng)服務(wù)設(shè)施的啟動(dòng)。

如圖6 所示，用戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行預(yù)約后通過(guò)PHP編寫程序控制服務(wù)器并對(duì)相應(yīng)的請(qǐng)求進(jìn)行處理并反饋信號(hào)，再將信息儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，運(yùn)用Python 編程，控制通過(guò)樹莓派控制相關(guān)嵌入式設(shè)備的啟動(dòng)與關(guān)閉。例如在紅外感應(yīng)到用戶離開半小時(shí)后自動(dòng)控制斷電，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上實(shí)現(xiàn)人員信息的登記。

三、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高校圖書館或自習(xí)室座位資源無(wú)法得到充分利用的問(wèn)題，本項(xiàng)目基于樹莓派開發(fā)的座位預(yù)約功能系統(tǒng)將改變傳統(tǒng)的占座位模式，在合理規(guī)劃座位資源的同時(shí)，還能在一定程度上使座位“智能化”“人性化”，以此滿足用戶在學(xué)習(xí)或工作時(shí)段的主要需求，為用戶提供更為便利的服務(wù)。另一方面，在一定程度上降低了公共場(chǎng)所中座位資源的管理難度，方便人們的使用，將資源的利用分配與數(shù)字科技聯(lián)系到一起，體現(xiàn)了強(qiáng)有力的為民服務(wù)的宗旨，讓資源利用合理化和公共設(shè)施便民化深入人心。用戶可以做到足不出戶，就能通過(guò)線上的方式進(jìn)行座位的預(yù)約，既節(jié)省時(shí)間，又能提高公共場(chǎng)所座位以及共享資源的效率化、人性化、經(jīng)濟(jì)化分配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管理效率的提高和資源的合理使用。此外，后臺(tái)可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出用戶的預(yù)約偏好，進(jìn)而方便工作人員合理安排工作管理時(shí)間。綜上，本項(xiàng)目可在一定程度上促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展，提高經(jīng)濟(jì)效益。