翁晓晖

摘要：物物相连，人物相连——是物联网首要的开发细想。智慧图书馆管理系统主要研究物联网技术在图书馆中的实践应用。系统通过搭建安全稳定的物联感知层搭配智慧图书馆管理软件实现自动化管理。使用良好的人机交互界面，充分反馈各个设备的工作状态以及数据，用户只需在电脑前完成简单的操作即可控制远程的设备乃至系统的全自动化办公。系统拥有“智慧”的算法完成自动恒温、自控灯光、天气实时消息推送、火情监控、安防监控等等，对比传统的图书馆管理模式，智慧图书馆管理系统能为图书馆工作人员带来更加轻松便捷的工作体验，为读者带来温馨舒适的阅读环境。

关键词：物联网;传感网;智慧图书馆;信息技术;自动化技术

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）34-0075-04

1 引言

1.1 物联网梗概

物联网是建立在互联网基础之上并且是互联网的扩展和延伸[1-2]，将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。物联网技术的发展几乎涉及了信息技术的方方面面，是一种聚合性、系统性的创新应用与发展，因此被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮[3]。

1.2 研究意义

回顾过去，传统的图书馆管理方式存在诸多单一、重复性高的工作，例如：调节空调排气、控制灯光、推送温度、人工监控。采用这种传统工作模式的图书馆将投入巨大的人力和财力，员工挑战低、机械性工作、工作热情降低从而降低了服务质量、缺少人文关怀。

根据图书馆的发展史，图书馆的每一次发展以及成长均借助技术以及智能[4]。通过利用通信技术将身边各式设备连接起来，并运用智慧算法替代传统方式实现跨设备跨平台联调联控、无人值守自动化办公。物联网技术的融入将带来全新的工作环境。

2 概要设计

2.1 智慧图书馆架构图

智慧图书馆管理系统分为三个层次：感知层、网络层、应用层。图1为该系统系统架构图。

感知层搭载系统所需的环境传感器、执行器、摄像机等物联网设备负责采集系统所需的各项数据。感知层顾名思义感知层就像是人的感知系统，是机器感知与探索现实世界感官。网络层是将设备与设备之间连接起来并且让设备在网络中拥有唯一的ID标志，负责转发设备控制信号和传递信息。应用层位于系统的最高层，它负责接收保存环境数据、分析数据、判断执行，是整个系统中央控制。

2.2 软件结构图

根据需求分析得到的需求用例转换为4大系统软件结构：登录退出模块实现登录注册注销等功能;用户中心：实现周工作记录功能;环境监控：实现系统采集感知、数据显示、设备控制等功能;安防监控实现图像录像采集、入侵检测、摄像机控制等功能。

图2为智慧图书馆管理系统软件结构图。

2.3 软件原型设计

原型设计是UI设计师和软件设计师最好的沟通方式，它是脱离界面样式主题的软件框架设计，将界面模块、元素、控件以及交互形式等用线框的方式描绘，了解软件内容、结构以及粗略的布局[5]。图3为智慧图书馆管理系统核心模块的原型图。

2.4 数据库设计

智慧图书馆管理系统随着运行时间的增加，系统无间断的环境采集将产生庞大的数据量，为了便于数据的存储和管理系统采用数据库为数据存储。

2.4.1 数据表分析

该系统分为两类数据表一类基础数据表，在系统运行初期及不产生用户数据的数据库表，另一类是动态创建的数据表，当用户创建周工作表时，周工作表内容表将自动被系统创建（使用代码创建），动态创建的数据表以用户名加创建时间命名且没有外键约束，通过一张基础数据表WorksheetIndex中记录的周工作表表名，对周工作内容表进行增删改查。

如图4和图5为动态数据表及其索引表示例。

2.4.2 E-R图

智慧图书馆管理系统中各数据表的逻辑关系（E-R图）如图6所示。

3 感知層设计与实现

3.1 感知层分析

为完成智慧图书馆自动化无人操作的核心功能：恒温、环境采集、安防监控、推送LED、自控灯光等。核心设备如：典型传感器、执行继电器、LED和远程摄像头等均选用工业化产品，根据设备施工难易度、数据优先级，将设备通信方式分为两大类。

第一类，有线通信方式。有线通信具有安全可靠、抗电磁干扰性强、天气因素影响低等要素极其适合连接实时性、安全性、可靠性高的物联网设备。温湿度传感器、光照传感器等感知设备所采集数据具有实时性和易过期性等性质。采用有线通信的方式等最大程度降低数据延迟所带来的系统反应时间长数据分析不可靠的现象。此外还有监控设备采用有线的通信方式如：红外传感器、摄像机等，监控入侵不仅需要系统的即时反应，还需要数据的实时、安全、稳定，有线通信通过加装抗电磁干扰、防剪等保护装置可以有效防止不法分子扰乱、破坏监控设备;同时有线网络提供的高速通道为监控图像的传输奠定基础。

第二类，无线通信。无线通信容易受天气、人为、电磁信号等诸多外部因素的影响，但是其部署简易、低成本具有不可小觑的优势。本案例中灯光控制等设备将采用Zigbee通信方式，Zigbee具备低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全等特点[6]，为设备搭配大容量电池或光伏发电装置，Zigbee设备能够实现超长待机、长时间工作续航的能力。

3.2 感知层搭建

感知层搭建基于分析的结果实验室模型环境，分为3层自底向上为传感层、工控设备层、TCP/IP层。

传感层：各类传感器的安装、电源的接入以及将其信号线与合适的工控设备相连。

工控设备层：采用ADAM-4017和ADAM-4150两种设备分别实现对模拟量和数字量两种不同传感数据的采集。

TCP/IP层：主要设备有串口服务器和网络摄像头，串口服务器将工控设备和LED、Zigbee设备等串口通信设备级联，通过TCP/IP网络协议进行数据传输。

为了有效、稳定可靠的搭建感知层平台，使用微软推出的Viso设计感知层搭建图纸，如图7所示。

4 系统核心功能的设计与实现

智慧图书馆是物联网图书馆典型应用案例，系统在软件开发方面最为核心的就是与每个设备信息的交互、数据的处理以及实现全自动化的智能算法，本章将详细介绍这些技术和代码编写。

4.1 环境数据采集与处理

数据采集是物联网应用中最基础的一个部分，也是机器感知外界环境的唯一手段，以下小节将介绍本系统中常见设备的信息通信和数据处理。

4.1.1 ADAM模块

ADAM采用Modbus协议进行数据传输。Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其他设备之间可以通信[7]。经许多公司的实际应用，逐渐为世人所认可，成为一种标准的通讯规约，只遵循Modbus协议进行数据传输，不同系统之间就可以完成通讯。

ADAM-4017模拟量采集模块能够采集传感器实时回馈的模拟量环境数据，如温湿度、光照等。如光照传感器将信号线连接至模块采集端口，即可通过ADAM-4017获得实时光照值的模拟量数据，在进行计算处理（AD转换）获得实际光照值（单位lx），模拟量数据是传感器根据当前环境因素也就是当前光照值所反馈的电流量，即用电流值模拟光照强度。

ADAM-4150数字量IO模块具有DI（信号）输入功能和DO（信号）输出功能，采用Modbus通信协议。DI输入端口用于采集烟雾、火焰、人体红外、红外对射等具有布尔特性的传感器数据。如火焰传感器，当传感器的感应头受环境影响，与传感器信号线相连的DI端口将输入高电平，此时火焰传感器的数据为真，表示在传感器探知范围内检测到火焰。DO出入端口用于控制执行器，如灯光、风扇等设备，通常DO端口与执行器之间相连一个继电器用于接收DO端口输出的高低电平以完成设备的开关控制。DI端口和DO端口都是以高低电平的方式采集布尔类型的数据以及控制设备电源的通断。

1）通讯规约

当通讯命令发送至仪器时，符合相应地址码的设备接通讯命令，并除去地址码，读取信息，如果没有出错，则执行相应的任务;然后把执行结果返送给发送者。返送的信息中包括地址码、执行动作的功能码、执行动作后结果的数据以及错误校验码。如果出错则不反馈任何信息。

地址码：是信息帧结构的第一字节，有8位，最大取值范围0～255。每个模块拥有独立唯一的地址码，在反馈数据的信息帧中地址码表示发送该数据的设备。

功能码：指定设备执行什么任务。

数据区：数据区包含需要设备执行的动作、由设备反馈的采集信息。

错误校验码：冗余循环码（CRC）包含2个字节，即16位二进制。CRC码放置于发送信息的尾部。设备接收到通信命令会重新计算CRC码，比较计算结果与接收的校验码是否相符，不相符则表明数据出错。

4.1.2 Zigbee通信

Zigbee是一个功耗低、短距离通信的设备，由于设备安装便捷被业界广泛使用。Zigbee通信对比于ADAM模块就简单许多，不同开发方式的Zigbee模块也具有不同的通信协议，本系统中只需将与Zigbee模块相连的串口设置频率为34800，打开端口后就能实时无间断的收到模块传递的数据以及发送命令，在接收到数据长度为27，同时buffer数组第17位为0x30时判断为有效数据并解析该数据。

4.1.3 模拟量AD转换

温度传感器测量电流范围4～20mA，电流差为16mA，如温度传感器测量范围-10～60°C与4～20mA相对应。

在AD转换前先将传感器高地位數据拼接，通信数据帧结构上低位数据在前，高位数据在后所以把byte类型的高位数据乘以256加上低位数据存放于int类型数据空间。获得完整电流原始数据后进行AD转换，先计算出传感器当前电流值：

电流 = 满量程电源 * （CHxH+CHxL）/满量程AD值/电流采样电阻

系统中满量程电源为3300（满量程电压值3.3V）， 满量程AD值为1023，电流采样电阻为150。即：

电流 = 3300 * （CHxH+CHxL）/1023/150

然后将计算出电流值减去最低测量电流的差除以量程电流差乘上传感器量程，即：

测量数据=（电流-4）/16*传感器量程

图8为数据拼接以及AD转换的编码。

4.2 接口设计

为了提高系统的扩展性以及可维护性，本系统采用多层开发模式各层分工明确并具有良好通信接口。系统层次如图9所示。

视图层：具有必要的界面组件、控件以及良好的人机交互体验。

控制层：控制视图的切换、系统功能以及设置功能参数。

SysService：系统后台服务用于实时采集感知层环境数据以及自动控制执行器。

数据访问层：封装数据库的操作。SQLBLL为数据库的业务逻辑处理，SQLHelper为数据库操作工具类具有连接/断开数据库、增、删、改、查等接口。

DeviceCtrlHelper：封装每个设备的工具类，如ADAM、LED、Zigbee等。部分设备工具类需要设备底层DLL的支持。

4.3 自动化功能实现

自动化功能包括：自动灯光控制、自动风扇控制、自动推送各类实时消息（天气实况、火情等）。

自动灯光控制通过采集得到的当前环境光照值进行分析判断，当环境光照值低于用户设定的数值时，输出ADAM-4150 DO端口的控制信号。此时继电器通电完成开灯操作，当高于用户设定的数值时停止输出端口的控制信号。此时继电器短路完成关灯操作。自动风扇控制同理。

自动火情推送功能是根据火焰传感器、烟雾传感器检测情况判断火情自动推送LED推送内容，一共有三种火情警报：发现烟雾情况、发现失火、发生严重火灾。

4.4 UI配色

蓝色几乎是所有群体都会比较愿意接受的颜色[8]，它能够体现科技、现代、理智、干净等诸多元素。基于色彩的特性智慧图书馆管理系统选用蓝色为主题颜色。

5 结束语

智慧图书馆是物联网技术对图书馆的一种应用案例，在当前大力发展高新技术的政策以下极具有研究意义。

对比于传统图书馆的机械性烦琐的管理工作，智慧图书馆采用温湿度传感器、红外傳感器、烟雾火焰传感器、光照传感器、摄像头等感知设备，利用Zigbee、wifi等网络通信技术搭建一个实时稳定的感知平台。智慧图书馆提供实时精准的环境数据采集、智能温控、数据分析，无人值守稳定的火情监控、安防监控，系统初始配置后无人值守、智能分析、自动处理，减少员工作业成本提高工作价值的同时让读者感受到一个有温度的图书馆。

参考文献：

[1] ITU Strategy and Policy Unit （SPU）.ITU Internet Reports2005：The Internet of Things[R].Geneva：International Tele-communication Union （ITU），2005.

[2] 钱志鸿，王义君.物联网技术与应用研究[J].电子学报，2012，40（5）：1023-1029.

[3] 刘强，崔莉，陈海明.物联网关键技术与应用[J].计算机科学，2010，37（6）：1-4，10.

[4] 李鹏.智慧图书馆核心技术解构与展望[J].电子技术与软件工程，2021（16）：180-181.

[5] 原型设计[EB/OL].[2021-04-09].https：//baike.baidu.com/item/%E5%8E%9F%E5%9E%8B%E8%AE%BE%E8%AE%A1.

[6] zigbee[EB/OL].[2021-04-09].https：//baike.baidu.com/item/zigbee.

[7] MODBUS协议[EB/OL].[2021-04-09]. https：//baike.baidu.com/item/MODBUS%E5%8D%8F%E8%AE%AE.

[8] 戴文雅，叶方.研究色彩心理学在UI界面设计中的应用[J].设计，2021，34（16）：96-98.

【通联编辑：谢媛媛】