唐 红

(淮安市图书馆，江苏 淮安 223299)

近年来，随着智慧图书馆新理念的提出和实施，为图书馆未来的发展指明了新的方向，通过构建智慧图书馆来提供各类智能服务，是未来图书馆服务模式发展的新思路[1～3]。通过构建智慧馆舍，提高图书馆座位使用效率和读者学习质量，解决随意占座、任性占座情况等突出问题。本文设计一款基于无线传感器网络的座位管理系统，通过微信公众号实现座位预约，使用传感器实时采集座位参数以及读者状态在线参数，通过无线传感器网络将数据发送智能网关，经智能网关传输至图书馆云服务器[4]，该系统有效缓解图书馆座位占座问题，提高馆员处理突发事件效率，具有很好的推广价值[5～7]。

1 总体设计

智能图书馆座位管理系统的总体方案主要由无线传感器网络、智能网关、图书馆云服务器、微信公众平台组成，其设计总体框架如图1所示。无线传感器网络包含参数采集节点、状态显示节点和汇聚节点。采集节点主要功能是通过红外传感器和压力传感器采集读者状态参数，状态显示节点实现读者和座位的状态信息实时显示，汇聚节点完成了馆室中所有节点的汇聚功能。智能网关包括主控制器和Wifi通信模块，网关实现图书馆云服务器与节点之间无线数据交互，云服务器将采集的座位参数和读者状态参数存储至数据库，同时接收图书馆微信公众平台读者数据，将多组数据进行分析处理后，将数据发送至显示节点，显示读者和座位信息。

图1 系统总体设计

2 网络架构

无线传感网络采用拓扑结构相对简单的星形拓扑结构，由一个汇聚节点，两个协调器和多个终端节点组成[8～10]，其拓扑结构如图2所示。终端节点分为参数采集节点和状态显示节点两种，参数采集节点采集图书馆座位压力和红外参数，以判断是否有读者在座位上；状态显示节点通过智能网关接收来自服务器的读者数据信息，在座位屏幕上显示。汇聚节点的任务是建立并维护馆室内部网络，收集节点传感器采集的信息和座位状态信息，实现各终端节点与智能网关的无线通信。

图2 无线传感网络拓扑结构

系统是以B/S模式开发的，如图3所示，读者使用智能手机登录微信公众号，预约图书馆座位，预约信息被发送至微信服务器，微信服务器再将消息发送图书馆云服务器，最后消息至微信公众平台进行数据解析，结果再原路返回到读者微信客户端，通过微信公众平台与读者进行互动交流，座位预约系统架构服务流程为：①读者向微信公众号发送座位预约申请，申请消息指令经服务器发送至微信公众平台；②微信公众平台将申请消息转发至数据解析模块；③数据解析模块将预约申请消息指令分类处理，并将应答预约消息发至微信公众平台；④应答预约消息经图书馆云服务器传送给读者。

图3 预约系统架构

3 座位系统管理功能

经手机微信公众号实现在线预约，预约成功后，微信公众号会收到应答消息，同时座位显示模块上显示读者信息；座位预约成功后，读者需要在规定时间内到达座位就座。若超过规定时间后，压力传感器和红外传感器检测到没有读者就座，会取消此次预约，并记读者违规1次，读者在座位按时就座后，通过微信公众号点击签到，经数据解析模块返回签到成功应答信息，参数采集节点采集到压力和红外参数后，同时在显示模块上显示座位状态和读者信息；若其他读者就座已经被预约的座位，参数采集节点检测到有人就座信息，但是系统未收到签到信息，将违规信息发送至管理者，管理者查明后，处理本次违规。

4 系统设计

4.1 系统硬件设计

系统硬件设计由两部分组成，智能网关和无线传感器网络，无线传感器网络有三部分节点组成，参数采集节点、状态显示节点和汇聚节点，状态显示节点包含CC2530，显示模块。

4.1.1 智能网关。智能网关主要由主控芯片STM32F103C8T6和Wifi模块组成，主控芯片通过串口接收汇聚节点发送的数据，并将数据发送给Wifi模块，Wifi模块连接图书馆云服务器，将数据上传至Internet网络，从而整个过程就实现了将图书馆座位在线数据发送至外网的功能。

4.1.2 参数采集节点。参数采集节点包含CC2530、红外传感器、压力传感器，红外传感器安装在桌子下面，压力传感器安装在座位下面，检测座位是否有读者在线，红外传感器检测位置是否有人，两种传感器同时检测，确保检测结果的正确性，CC2530控制器将采集的两种传感器数据存储，同时将采集数据进行数据处理，将检测结果发送至状态显示节点，同时通过RF通信，将检测结果发送至汇聚节点。

4.1.3 状态显示节点。接收来自参数采集节点的数据，将读者数据在液晶屏上面显示。

4.1.4 汇聚节点。汇聚节点接收来自多个座位的参数采集节点的读者在线状态检测结果，通过智能网络发送至图书馆云服务器。

4.2 系统软件设计

4.2.1 微信公众号。如图4所示，读者启动手机微信，进入图书馆微信公众平台，点击读者，进入座位预约栏，选择当日或者非当日座位预约，选择日期和时间段后，继续选择馆室，系统为读者随机分配座位，平台提供取消预约功能，必须在预约时间到达前半小时，一周取消2次及以上，该读者记违规一次。读者按时到达后，通过平台电子签到，如果过期未签到，记违规1次。违规2次以上则被系统加入黑名单，2周后自动撤销处罚。

4.2.2 智能网关。智能网关是从室内局域网连接到Internet的关键模块，主要的功能就是帮助图书馆管理人员远程监控，智能网关工作流程如图5所示。

4.2.3 通信协议制定。为了保证数据收发的准确性，在数据双向传输过程中，除了帧头和帧尾外，其他所有数据都转换成ASCII码，一个字节的数据转换成两个字节的ASCII码，虽然数据的长度会增大，但是保证了数据帧中不会出现和帧头、帧尾相同的字符，本通信协议包含2个数据帧、2个应答帧，分别为上传数据帧、下传应答帧、下传数据帧、上传应答帧。

上传数据帧表示智能网关将采集到的座位状态信息发送给图书馆云服务器；下传应答帧表示智能网关在收到该帧数据后可以得知上层图书馆云服务器是否接收到上行数据帧；下传数据帧表示上层智能图书馆云服务器发送给智能网关的指令，智能网关收到指令后，将数据传输至状态显示节点；上传应答帧表示上层图书馆云服务器收到该帧后可以得知下层终端节点是否接收到了下行指令帧。

根据本座位管理系统的特定需求，设计了一条通用数据帧，数据帧和应答帧均使用，帧内每一个字段的数据以十六进制方式存储。每一帧都包含帧头、数据字段、校验字段、帧尾4个部分。其中，帧头由帧首、数据长度、数据帧类型三部分组成。数据字段由座位管理节点ID号、物理地址、有效数据这3个部分组成。如表1所示，帧的开始和结束判断由帧首，帧尾来完成。帧首表示帧起始的字符，用 “*”表示。帧尾表示帧结束的字符，用“&”表示。数据长度表示数据字段的长度。座位终端节点ID号表示一个座位终端节点的编号。物理地址表示对应座位终端节点的IEEE地址。

表1 数据帧

数据校验就是对接收到的帧数据的有效性进行判断，对帧数据和座位采集节点ID号，参与校验和计算的数据按字节进行求和，得到2位校验码，然后与从接收到的一帧数据中分离出的校验码对比，如结果一致，则认为数据接收正确，说明数据传输无误，否则认为该帧数据传输出错，丢弃处理。

5 系统存在问题及对策

基于无线传感器网络的座位管理系统，相比于国内部分公共图书馆、高校图书馆已使用的座位管理系统，如：常见的上海盛卡恩智能系统有限公司的座位管理系统、杭州联创信息技术有限公司的座位管理系统、南京智佰闻欣文化传媒有限公司的座位系统以及基于微信“不占座”小程序相比，除了实现图书馆座位的查询、预约、短时离座、统计分析等管理功能外,其最大优点该系统通过传感器识别空座信息,遏制一些读者利用图书、包等物品进行“占座”现象，从而一定程度上解决了图书馆的占座问题。

基于无线传感器网络的座位管理系统，在测试过程中，主要存在一些问题。如读者用户反应不能签到问题，部分读者没有智能手机或者没带手机，无法使用微信签到；座位管理系统后台时间限定问题，主要集中在中途离开时间的长短，以及中午吃饭时长是否合理；存在恶意预约座位问题，极少数读者多次到点不签到的情况，虽然有黑名单处罚，但是违规情况屡禁不止。这些因素导致座位使用效率受到一定影响。

针对上述问题，图书馆给予以下解决问题的对策：图书馆一方面通过其网站、微博、公众号以及告示栏进行广泛的前期宣传，让文明使用座位资源“不占座”理念深入人心。另一方面安排工作人员或志愿者根据后台提示，进行巡视，使读者们自觉执行图书馆座位管理规则，真正发挥系统管理的作用，使每个到图书馆的读者享有公平的权利。

①以读者进馆数据、座位数据以及座位使用率为基础，座位的70%使用系统预约，剩余座位仍采用传统方式，满足部分读者使用习惯。②向读者展开问卷调查，根据大部分读者意见进行时间限定，系统中中途离开时间限定参数设置规则：中午离开时间限定1.5h内，中途离开时间累积0.5h内，超过时间限定按违规处理。③针对多次违规的读者，馆方采取集中的入馆教育，经培训后，仍我行我素的，延长其在黑名单内时间。

6 结束语

笔者将无线传感器网络技术应用到智能图书馆座位管理当中，经无线传感器网络、智能网关和图书馆云服务器，将读者在线参数无线传输，满足系统实时需求。笔者通过软硬件及通信协议的设计研究，改变了读者使用座位的习惯。系统测试结果表明座位使用效率得到明显提高，减少了占座现象，避免了占座引起的读者间纠纷，同时系统的使用，提高了图书馆管理水平，也为图书馆减少了管理人员相应的人力的投入，系统具有不错的应用推广前景。