LoRa技术在智慧图书馆中的应用研究

2021-06-22周杰

新世纪图书馆 2021年5期

周杰

摘要为促进智慧图书馆建设，满足图书馆智慧化建设对于技术的需求，文章利用低功耗远距离通信LoRa技术完善图书馆智慧化建设。在分析智慧图书馆技术应用现状的前提下，详细介绍其技术特点及在智慧图书馆中的可行性与应用优势，最后构建四个基于LoRa技术的智慧图书馆应用场景。LoRa技术具有远距离、低功耗、多节点、高速率等技术特点，弥补了现有无线通信技术的不足，开创了低功耗局域网无线标准，将其应用到智慧图书馆中，将改善图书馆无线通信网络质量，助推图书馆提供智慧化服务，并为无线通信技术应用到智慧图书馆建设中提供借鉴。

关键词 LoRa技术智慧图书馆无线通信技术智慧化服务

分类号 G250.7

DOI 10.16810/j.cnki.1672-514X.2021.05.010

Research on the Application of Lora Technology in Smart Library

Zhou Jie

Abstract For the purpose of promoting the construction of intelligent library and meeting the demand for technology in the construction of intelligent library， this paper makes use of low power and long distance communication LoRa technology to perfect the intelligent construction of library. Based on the analysis of the present situation of intelligent library technology application， this paper introduces its technical characteristics， feasibility and application advantages in intelligent library in detail， and finally constructs four application scenarios of intelligent library based on LoRa technology. LoRa technology has the characteristics of long distance， low power consumption， multi-node， high speed and so on， which makes up for the deficiency of the existing wireless communication technology， and creates the low power LAN wireless standard. Applying it to the wisdom library will improve the quality of library wireless communication network， promote the library to provide intelligent services， and provide reference for the application of wireless communication technology in the construction of intelligent library.

Keywords Lora technology. Smart library. Wireless communication technology. Intelligent service.

大数据、物联网技术的发展推动了智慧图书馆的建设。智慧图书馆是数字图书馆、智能图书馆的模式更新，是图书馆创新发展的产物。智慧图书馆建设可分为图书馆的实体建设与虚拟建设，任何一方都离不开技术的辅助。LoRa技术作为新型无线通信技术，拓展了无线通信领域，乃至物联网行业的发展，弥补了现有无线网络通信的不足。LoRa技术已被用于智慧城市、智慧医院、智慧安防、智能工业园区等垂直领域，是一种低功耗无线通信技术，将其应用到图书馆智慧化建设中，将在数据传输、智能设备控制、资源有效利用、空间转型升级、智慧平台建设方面发挥技术应用价值，促进馆内资源协同共享，优化网络通信，完善智慧图书馆建设，为推动图书馆智慧化服务提供有力支撑。

1 智慧图书馆技术应用研究综述

智慧图书馆是数字图书馆的转型升级，数字图书馆是利用数字技术构建适用于图书馆的分布式信息系统，而智慧图书馆一直没有统一的定义，国内最早的智慧图书馆研究者严栋认为，智慧图书馆是通过物联网、大数据实现智慧化服务[1]，也有研究者认为，智慧图书馆是运用智能技术构建的智能建筑，是智能建筑与数字图书馆的有机结合与创新[2]。从研究者关于智慧图书馆的见解之中可知，智慧图书馆建设离不开技术，技术的加入是图书馆智慧化的关键。

智慧图书馆的建设重构了图书馆的资源、空间、服务和设备，要求图书馆朝着资源数字化、空间智慧化、服务个性化、设备智能化方向发展，而应用技术研究是智慧图书馆建设的重要环节。通过检索数据库发现，智慧图书馆建设的技术主要有物联网技术、大数据技术、信息技术。宋兴辉将其中的RFID技术应用到深圳智慧图书馆的建设中，不仅为读者提供了自助式服务，而且促进了图书的智能化流通[3]。学者通过实际案例将可穿戴技术应用到高校智慧图书馆建设中，发现可穿戴技术是分析用户行为，为用户提供精准服务的重要工具[4]。在无线通信领域，蓝牙技术短距离、速率高的特点被广泛应用到图书馆智慧建设中，有学者提出基于二维码与Beacon构建完善的智慧图书馆应用方案，实现图书馆对于室内定位的需求[5]。伴随着大数据、人工智能时代的到来，一系列技术被应用到智慧图书馆建设中。秦鸿等人提出将人脸识别技术融合到传统图书馆中，将加快智慧图书馆的建设[6]。有学者还提出利用“人工智能+图书馆”构建智慧型学科服务空间，助力高校图书馆提供知识服务[7]。当然还有学者将深度学习融入智慧图书馆移动视觉搜索系统中，在整合多源异构视觉数据、读者个性化偏好等方面发挥重要作用[8]。在感知智能方面，韩业江等提出利用情境感知技术实现图书馆智慧服务，提升个性化服务水平[9]。在新一轮的信息技术冲击下诞生的区块链技术，因其具有去中心化、安全性高等特点被应用到图书馆的智慧化建设中。5G技术作为移动网络发展的最新產物，因其传输速率高、时延低等特点，逐渐被应用到图书馆中。

综上所述，智慧图书馆建设中应用的技术要么属于物联网技术，要么与物联网有直接关系或间接关系，WIFI、ZIGBEE、蓝牙4.0无线通信技术被应用到图书馆智慧建设中，但因为技术自身的不足导致应用价值不高，存在高时延、速率低、高功耗、短距离、安全性低等其缺陷，而本文的研究对象LoRa技术，将有效改善技术不足，加快智慧图书馆的建设进度，提升图书馆智慧化服务水平。

2 LoRa技术及应用

LoRa（Long Range Radio）是一种线性调频扩频的调制技术，后被 Semtech公司所收购，并研发了LoRa芯片，开创了低功耗局域网无线标准，弥补了远距离高功耗，低功耗短距离的不足。Semtech公司为了促进LoRa产业落地，还积极研发无线数传模块，包括最早的APC220、APC230等GFSK调制方式的数传模块，以及最新的适用于LoRa扩频的APC340数传模块，为LoRa技术开启物联网市场提供了支撑。LoRa具有远距离、低功耗、低时延、多节点、速率快、安全性高等特点。LoRa 采用 CSS 调制技术（Chirp Spread Spectrum），在拥有低功耗的同时增加了传输距离，相较于APC220、230的GFSK 技术，以及稳定性和安全性相对不足的短距离射频技术，其具有远距离、抗干扰性强等优点，传输距离可达3Km。对比大多数的网络拓扑结构，LoRa网络构架主要由四部分组成：应用/终端节点、LoRa网关、NET服务器和应用服务器，采用半双工通信模式，星状灵活组网，实现应用/终端节点不绑定唯一LoRa网关。另外，LoRa 技术无需建设基站，一个LoRa网关可以连接多个LoRa节点，采用AES128加密算法，能够在有效保障数据安全的同时加快传输速率。

在Semtech公司的技术支持下，多家厂商联合组建LoRa联盟，推动LoRa产业发展。LoRa技术的成熟，加之国家政策的扶持，使得越来越多的互联网巨头加入其中，LoRa也因此成为了无线通信领域必然的选择项。由Semtech 公司公开的数据显示，已有超过75个国家，110多家网络运营商着手部署LoRa，而实际部署的节点已超过9000万个，国内有像阿里、腾讯这样的互联网公司的加入，也有像联通这样的运营商的加盟[10]，这直接说明LoRa无论是从其技术本质、产业结构还是市场需求，都将会是物联网技术发展的重要部分。

本研究综合理论研究与实际落地项目，梳理了LoRa技术的具体应用领域，发现其应用领域包括基于LoRa设计实现的智能抄表系统，实现远距离、多节点获取电表数据;基于LoRa的矿井无线通信，实现相对安全的矿井作业;采用LoRa设计的地质灾害分布式实时监测系统、智慧医疗系统、智慧校园、智能照明系统、低功耗水压系统、智能农业系统、智慧家居等系统，实现了远距离控制智能终端，达到实时采集数据的目的。而在智慧图书馆建设的过程中，无线通信技术的应用尚为短板，暂无基于LoRa技术构建图书馆智慧服务的相关研究，LoRa技术的引入将改变现有智慧图书馆无线通信模块建设与应用的不足。

3 LoRa技术在智慧图书馆的应用优势

在图书馆领域，智慧化的建设离不开物联网技术，而LoRa技术的独有优势应用到智慧图书馆建设中，将有效改善实体与虚拟图书馆建设的不对称问题。随着知识与技术的不断融合与发展，助推智慧图书馆技术革新与服务模式需要更多的节点，以及远距离的管理，LoRa的技术特点能够很好地解决图书馆面临的问题。

3.1 “远距离、低功耗”助力馆内资源共享

图书馆空间转型升级这一主题是智慧图书馆建设下的研究热点，多元信息学术共享空间是其发展目标，空间的转型升级代表着图书馆整体结构的变化，馆与馆之间、馆与部门之间资源共享交互成为其不得不考虑的方面。高校智慧图书馆应利用万物互联的思想实现馆与校园各部门互联互通，构建资源集成分布式系统。远距离、低功耗的技术特点在此扮演重要角色，LoRa技术远距离、低功耗与物联网的碎片化、低成本相得益彰，保障了万物互联理念的实现。

3.2 “高速率、低时延”促进馆内数据流通

LoRa技术采用半双工的通信模式，应用数据可实现双向上下行传输。当终端进行上行数据的发送与数据重发时，可根据链路环境的好坏决定扩频因子，扩频越低传输速率越快。另外，LoRa具有三种工作模式，不同的模式适用于不同的业务选择，即A类终端设备提供双向通信，B类设备在兼容A类的基础上，支持下行时调度并执行信息监听，C类设备适用于最大下行数据的应用[11]。LoRa其双向上下行数据传输模式决定了高速率，低时延的技术特点。在大规模多结构数据的冲击下，图书馆为保障服务质量的提升，拓展了服务模式，从数据服务到信息服务，再到智慧图书馆下的个性化、智慧化服务。为保障服务模式的变革，数据流通过程决定变革的水平，LoRa高速率、低时延的特点以及APC340数传大容量缓冲区（外部接口透明传输方式）的设计，能够提高馆内上下行数据传输效率，加快各终端数据交互，促进馆内数据流通。

3.3 “多节点、容量大”增强通信质量及网络容量

网状拓扑是网络结构中的重要分支，但其网络节点不相关性较多，加重了网络连接与传输的复杂性，而LoRa网络采用星状拓扑结构，即LoRa网关连接多个终端，但终端却不唯一绑定某一网关，同时终端还可将上行数据发送到多个网关中。在实体图书馆中，图书馆智慧化在一定程度上体现在是否拥有多个智能设备上，而智能终端所采用的组网方式决定了图书馆智慧服务的质量，如何在保障节点数据传输的同时保障通信的质量是智慧图书馆的重要议题。LoRa技术无需建立基站，可由一个网关控制多个终端节点，并可根据具体环境实行mesh、点对点、星状等组网，实现馆内业务环境下的灵活组网方式，以增强通信质量与网络容量。

3.4 “AES128加密算法”保障數据传输安全

加密算法的优化更新保障了数据资源的安全，在数据源加密、数据传输过程中加密、数据终端加密等是研究的热点。在一份数据的收发过程中，数据传输环节安全保障占据第一位，LoRa加密为AES（对称加密算法），以128bit为一组，加密字为16字节，为保障数据传输的安全，加密字只允许设置，不允许修改查询。智慧图书馆个性化服务中，采集用户个人行为数据、构建用户画像会涉及到隐私数据的保护，而LoRa加密传输算法可有效保护隐私数据传输环节的安全，促进数据交流共享。

4 基于LoRa技术的智慧图书馆应用系统设计

无线通信技术之中最重要的是信号的接收与发送，因此传感器是最重要的组件之一，在此过程中需要相关设备的支持以及控制传感器的调控及节点的传输;LoRa技术应用到智慧图书馆建设中，其前端与后端有APC340数据传输模块的连接，该模块集成了单片机与扩频射频芯片，并在具体的系统设计中加入一定的传感设备，由LoRa网关连接一个或多个节点，并由LoRa节点（传感器设备）应用于多个不同的场景，如信息共享空间、职能部门资源共享平台、自助3D打印、智能檢索机。

文章在LoRa技术的基础上构建智慧图书馆应用系统，由四部分组成，分别为信息共享空间系统、自助3D打印系统、职能部门资源共享平台、智能检索机系统。

4.1 基于LoRa技术的信息共享空间系统

信息共享空间（Information Commons）是在图书馆馆藏空间、信息空间的基础上，加入开放共享的思想，进一步促进图书馆空间模式的变革，促使信息服务到个性化知识服务的转变。在IC空间架构下，参考咨询服务、各媒介服务、研究资料服务空间的关系密切，成为一种可供读者学习、交流、研究的具有连续性的整体空间。伴随着图书馆空间转型升级的热潮，信息共享空间得以从理论变为现实，先后有多家高校建立信息共享空间，如浙江大学图书馆、清华大学人文社科图书馆信息共享空间等，并向着学术信息共享空间的方向发展。信息共享空间秉持多元资源、多样空间、多种服务融合为一体的理念，创新图书馆获取馆藏数据、使用数字信息、挖掘个人知识的方式，成为一种综合性的、协作式的学习空间。

为了便于对IC内部各区域空间管理，文章基于LoRa技术实现对IC系统的统一调度与管理，主要有个人图书馆馆藏区、团队学习交流区、智能化多媒体设备区、研讨室、信息咨询区、自助扫描打印区等，通过多个采集节点、中继节点、汇聚节点实现对IC资源的获取与收集，最终集成到图书馆数据中心（详见图1）。图书馆通过行为数据、空间利用程度等进行数据挖掘、图谱分析、画像构建，进一步满足用户在信息共享空间的个性化需求，提供智慧化的知识服务。

4.2 基于LoRa技术的自助3D打印系统

伴随着智慧图书馆的建设，智能设备不断增多，如3D打印机、机器人等。以3D打印机为例，为满足读者的需求，打印机通常分布在馆内各空间楼层，一旦出现故障，管理员很难及时处理。为解决此类问题，可通过部署LoRa网络，数传模块，并结合一定的定位系统与传感器，由图书馆控制中心实现对系统的监测控制，通过汇聚节点及时反馈信息，实现对系统的异常处理。如打印机A在工作过程中出现异常（缺纸等）时，将通过LoRa网络与APC340内嵌单片机调控打印机状态，并上报图书馆控制中心，以及时处理。

4.3 基于LoRa技术的职能部门资源共享平台

图书馆智慧化服务质量的好与坏，从智慧馆建设的内部来看，取决于各职能部门是否能够实现资源共享。在倡导开放共享的理念下，有必要通过技术整合图书馆内部各职能部门的数据流通、资源共享。利用LoRa的星状组网方式，在以太网与局域网的配合下，发挥一网关可控制多终端的优势，整合各部门数据资源，并结合区块链技术的“去中心化”优势，构建各职能部门资源共享交流平台，实现对馆内资源的合理调度，保障服务的个性化、精准性。

4.4 基于LoRa技术的智能检索机系统

智慧图书馆的背景下，提供资源的方式发生了变化，读者无需在繁杂的书海里盲目寻找，只需通过个人终端或馆内检索终端，即可实现信息检索。为了提供个性化的服务，馆内检索设备的部署需更加智能化，读者可随时通过检索设备检索信息，智能检索设备也可以通过收集读者的行为数据（检索、浏览、收藏）进行用户画像的分析。将LoRa技术应用到智能检索系统中的具体实现流程如图2所示。

在APC340数传模块的支持下，结合传感器、Beacon定位技术并结合收发节点与单片机的定时性能控制检索机。读者在使用智能检索机前，需通过借阅证验证身份，获取检索机提供的个性化信息，同时在LoRa网络下组成LoRa局域网结构，各智能检索机便可组成馆内社区交流平台，有助于馆内隐性知识显性化。

5 结语

现今正处于大数据、物联网时代，伴随着物联网技术的发展，图书馆正从传统图书馆到数字图书馆，再向着智慧图书馆的方向演进，而建设智慧图书馆，技术不可或缺，无论是大范围的物联网技术、人工智能技术，还是无线通信技术，都是图书馆实现智慧化建设的关键。文章选取低功耗远距离LoRa技术，将其应用到智慧图书馆中，将有助于物联网技术带动图书馆智慧化的建设，而随着对LoRa技术的不断深入研究，如LoRaWAN技术，将为其他无线通信技术应用到智慧图书馆建设中提供参考。

参考文献：

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