开放式图书馆智能还书整理系统设计

刘文伯

（济南大学自动化与电气工程学院，山东 济南 250001）

0 引言

读者不能把书放回正确的书架位置是目前开放式图书馆存在的一个主要问题。 有的人干脆将书随便插入书架，给后期图书整理造成了很大困难，需要工作人员逐架排查，浪费了大量时间和精力［1］。 为方便读者还书，图书馆在各个角落设置了还书筐，但由于书筐分布零散和偏僻，书筐里面的书杂乱无章，工作人员仍需花费很长时间去整理并重新上架。 基于以上问题，本文把握大数据、云计算、人工智能等新技术发展趋势， 创新性地提出了一套适用于开放式图书馆智能还书整理系统， 以减轻工作人员劳动强度，提升图书馆智能化管理和公共服务水平。

1 系统构成及工作流程

该智能还书整理系统由两部分构成： 一是智能书架系统，二是智能书筐系统（又分为智能小型书筐和智能大型书筐）。

1.1 智能书架系统

智能书架系统工作流程如图1 所示。

在书架上放置摄像头模块， 通过摄像头扫描图书上的条形码，将读到的信息传给图书资料数据库，发送SQL 数据库查询命令， 若查询正确则说明放对了，查询错误则说明放错了。当有人将图书放错位置时，书架上的语音提示系统会提示“您的图书放置位置有误”。 考虑到图书馆需要保持安静，提醒一次不再提醒，然后警报灯开始闪烁，提醒该人将图书放在正确位置。 若5 min 内仍处于警报状态，将给管理员数据库发送SQL 数据库添加命令， 添加放置错误消息。若添加后不再报警，则立刻向管理员数据库发送SQL 数据库删除命令，删除刚才的放置错误信息。 工作人员可随时查询管理员数据库来进行书籍整理。如果有人不知道图书放在哪里， 可以按下书架上的帮助按钮。按钮按下后，语音提示系统会告诉正确的位置，并在大屏幕上显示地图。

图1 智能书架系统流程图

摄像头可对书的全貌和内部进行图像采集，将拍摄到的照片与内置书籍破损的典型照片， 逐一比对，若有两张及两张以上比对成功，则可判定书籍破损严重。当有人把损坏的图书放到书架上时，书架上的语音提示系统会提示“您的图书已损坏，请带着损坏的图书到前台处理”。 考虑到图书馆需要保持安静，提醒一次不再提醒，然后警报灯开始闪烁，提醒该人图书损坏。 若5 min 内仍处于警报状态，系统将给管理员数据库发送SQL 数据库添加命令， 添加书籍损坏消息。若添加后不再报警，则立刻向管理员数据库发送SQL 数据库删除命令， 删除刚才的书籍损坏消息。 工作人员可随时查询管理员数据库来进行书籍更换。书架上悬挂有使用说明和注意事项，配有专人保养和维护。 书架旁边设有专门的智能小型书筐停放点。

1.2 智能书筐系统

智能书框系统流程如图2 所示。

图2 智能书筐系统流程图

智能小型书筐底部有压力传感器，当其內的书到达额定容量时，智能小型书筐内置的“蓝牙发送”模块将直接发消息给工作人员所携带的“蓝牙接收”模块，工作人员收到消息后，立刻到达指定位置整理书籍。

智能大型书筐在中央大厅处放置。 智能大型书筐内的摄像头模块扫描图书上的条形码， 将读到的信息传给图书资料数据库， 发送SQL 数据库查询命令， 图书资料数据库会将查询到的图书信息进行投影运算， 只保留该图书的地址并发送给智能大型书筐的内置“蓝牙接收”模块。 该模块根据所接收到的信息，启动不同的传动装置，将图书运送到不同的分区，等待智能小型书筐的到来。

智能大型书筐内的摄像头模块内置一些书籍破损的典型照片， 摄像头可对书的全貌和内部进行图像采集，将拍摄到的照片与内置照片逐一比对，若有两张及两张以上比对成功，则可判定书籍破损严重。若图书被判定损坏， 会被传送装置运送到一个单独的分区。 智能大型书筐的每个分区底部都有压力传感器，当装有损坏图书的分区达到额定容量时，智能大型书筐的内置“蓝牙发送”模块将直接发消息给工作人员所携带的“蓝牙接收”模块，工作人员收到消息后，应立刻到达指定位置处理书籍。

智能大型书筐的每个分区底部都有压力传感器， 当除装有损坏图书分区外的分区到达额定容量时，智能大型书筐的外部“蓝牙发送”模块将给相应的智能小型书筐的外部“蓝牙接收”模块发出“集合”命令。智能小型书筐的“蓝牙接收”模块收到信号后，它将立刻从停放处出发， 通过GPS 定位模块到达指定地点。沿途通过红外模块检测行人，用PID 算法精确控制轮子的转角， 进行有效避让。 到达指定地点后，智能小型书筐的外部“蓝牙发送”模块将给智能大型书筐的外部“蓝牙接收”模块做出“已到”回复。智能大型书筐的相应分区会打开闸门， 同时传送带开启，将分区里的书籍传送到智能小型书筐中。

当检测到传送带在转动且相应分区的传感器压力为0 时，说明书籍已经被传送完毕。 此时，延迟适当时间，关闭闸门，传送带停转，智能大型书筐的外部“蓝牙发送”模块将给相应的智能小型书筐的外部“蓝牙接收”模块发出“回家”命令，智能小型书筐的“蓝牙接收”模块收到信号后，它将立刻出发，通过GPS 定位模块重新回到书架附近的指定停放处，等待下一次“集合”命令。

智能大型书筐和小型书筐上都要悬挂有使用说明和注意事项，配有专人保养和维护。

2 硬件选取原则

2.1 主控芯片

在本系统中， 主控芯片是实现智能化功能必不可少的器件，本设计从性能、能耗、价格3 个方面进行论证，能够实现多个模块间进行通信，处理复杂程序，运算速度快，耗电少，价格低的为最佳选择。

2.2 电动机

在本系统中，电动机主要负责驱动传送带和书筐轮子转动，对电动机的扭矩没有太多要求，但对速度调节的灵活度要求较高。减速电动机是减速机构和电动机的集成体，传动比精细，选择范围广，转速型谱宽；能耗低、噪音小、节能环保、性能优越，振动小；通用性强，使用维护方便。 考虑到减速电动机的成本较低，调速灵活，减速比高，便于突发情况的急停或刹车，因此，本设计选用减速电动机更贴合实际需求。

2.3 电动机驱动模块

在本系统中， 电动机驱动模块是连接主控芯片和减速电动机的缓冲部件，本设计从调速特性、调速范围、过载能力、安全寿命、价格等方面进行论证，选择性价比更高的驱动模块。

2.4 编码器

在本系统中，编码器固定在减速电机周围，采集电动机实时转速信息， 通过PID 算法对电动机的转向实施精准控制。

由于本系统对编码器无特殊要求， 所以选择普遍使用的增量式编码器，易于编程，成本低，性能好。由于书筐在图书馆内行驶的速度一般不高， 所以选择T 法［2］，以在低速转动下保持较高的精度。

2.5 压力传感器

本系统所需压力传感器主要用于测定和监测书筐中书的余量，方便书筐及时进行还书，因此对灵敏度和精确度要求不是太高。 传统的压力传感器价格便宜且技术成熟，能够实现预期功能，应变片压力传感器原则对本系统来说是一个较好的选择。

3 软件设计原则

3.1 远距离通信方式

远距离通信方式主要从传输的及时性、 传输速率、通信质量、互操作的鲁棒性、价格等方面进行论证，结合开放式图书馆智能还书整理系统功能，选择适合本系统的即为最优。

3.2 数据库系统

数据库系统主要从软件界面、安全性、灵活性等方面论证［3］，选用的代码易懂易操作，适合于本系统的SQL 数据库可完成智能还书整理系统构建。

3.3 避障

由于光速比声速要快得多， 用红外测距传感器要更灵敏一些；红外测距传感器的程序比较容易写，超声波的程序则需要一些计算和转化； 红外测距传感器受环境影响较小。综上考虑，在设计构建本系统中，选用红外测距传感器来进行避障更好。

4 结束语

随着计算机和互联网技术的应用和发展， 图书馆管理方式和服务模式将发生深刻变化［4］。 开放式图书馆智能还书整理系统的设计开发， 借鉴了大型物流企业快递智能分拣技术与“无人超市”思想，探索应用了射频控制技术、“蓝牙模块”技术、大数据、物联网及信息智能等技术， 自动化、 智能化程度较高，友好互动性强。 该项目的实现，可有效提升读者自助还书正确率， 减轻图书馆工作人员整理图书的劳动强度，具有良好的应用前景。