基于Raspberry Pi的智慧图书馆落座系统的设计与实现

徐涛 杨震 顾明虎 戴家树 章平

摘要：针对近来图书馆出现占座现象，提出了一种基于Raspberry Pi的智慧图书馆落座系统来解决这类现象。系统通过软硬件结合的方式，采用人脸识别技术，利用云平台和物联网平台，辅助数据可视化的方式实现实时监控图书馆内部座位落座情况以及将最新图书馆座位信息的动态数据通过云平台反馈到用户的微信小程序内的功能。通过对系统的测试从硬件控制核心、人脸采集识别、数据传输得到图书馆中读者聚集的高峰时间、高密度区域等信息。最后通过系统的智慧监测，反馈给读者选择出行时间和图书馆管理人员的管理，将图书馆管理数字化、智能化。

关键词：Raspberry Pi;人脸识别;物联网;云平台;图书馆

中图分类号：TP311       文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）28-0104-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： In view of the recent phenomenon of library occupancy， a new intelligent library seating system based on Raspberry Pi is proposed to solve this phenomenon.Through the combination of software and hardware， the system adopts face recognition technology， USES cloud platform and Internet of things platform and auxiliary data visualization to realize real-time monitoring of the seating situation inside the library and feedback the latest dynamic data of library seating information to the user's WeChat small program through the cloud platform.Through the test of the system， the information such as the peak hours and high-density areas of readers in the library can be obtained from the hardware control core， face collection and recognition， and data transmission.Finally， through the intelligent monitoring of the system， feedback to readers to choose travel time and library management staff management， library management digital， intelligent.

Key words： Raspberry Pi; face recognition; the Internet of things; cloud platform; the library

近年来，随着全民对获取知识的热情不断高涨，各大城市和高校的图书馆座位资源出现紧缺，于是就带来了占座难的问题。为了提升图书馆公共资源的利用效率，我们设计了一种基于Raspberry Pi的智慧图书馆落座监测系统。

Raspberry Pi是一种基于开源的Linux操作系统、配备SD/MicroSD卡作为内存的微型电脑主板，具备所有PC的基本功能。因为其具有个体微小、价格低廉但功能却十分齐全的优势，深受广大创客的喜爱。研究者对Raspberry Pi的应用研究包括农业监测、智能家居、巡检机器人、虹膜识别等等。周毅飞、吕晓菡等人利用Raspberry Pi实现农业智慧监测[1]，可监控植物生长过程中的环境数据的变化，监测获取作物生长相关参数和环境因子的数据，为作物生产提供数据支撑。朱得元、俞宝库等[2]人利用Raspberry Pi实现智能家居的远程控制，采用底层各类型的微型传感器作为数据采集节点的微控制器以及使用蓝牙通信技术与Android智能设备进行远程控制。而赵琛、张益等人利用Raspberry Pi设计实现的巡检机器人，则可以通过网络传输视频、调整控制状态[3]。李济帆利用Raspberry Pi实现了人机语音交互，打破了传统的人机交互，使人与机器的关系更加便捷、智能化[4]。

本项目结合硬件上的无线网络技术，以开源的硬件平台Raspberry Pi作为中心处理器、以超声波测距传感器用来监测该座位是否被入座、摄像头采集周围人脸数据自主判断入座情况，以此利用物联网技术对周围环境的状况转换为数据，得到原始数据集，将收集到的信息实时反馈给云，达到准确监测、利于充分利用图书馆资源的目的。

1 技术原理

Raspberry Pi[5]是一款针对电脑业余爱好者等用户的微型电脑，其内部装有Linux系统，但是其特点在于体积仅相当于一张普通的扑克的大小，但是运算性能却和智能手机相差不远。在接口方面Raspberry Pi具有很好的擴展性。首先，Raspberry Pi拥有数个USB接口，此外还有快速以太网接口、SD卡扩展接口以及1个HDMI高清视频输出接口，树莓派结构图如图1所示。

本项目通过各传感器元件连接Raspberry Pi端口，Raspberry Pi将超声波测距传感器通过内置无线网卡使用环境中的局域网连接到服务器平台，将图书馆位置空余数、就座情况等数据信息，传输到服务器中MySQL数据库。读者用户可通过手机上的微信程序访问查看实时数据，了解图书馆状况。利用图书馆安置的摄像头，对就座读者做人脸识别，进一步确定读者在座，以弥补传统探测元件的不足。同时，将数据库中每月、每季度的信息汇总后，在后台通过调用matlab软件调用程序，将抽象的数据转化为友好的可视化数据图。

2 项目设计与实现

2.1 数据采集和控制中枢模块

本系统采用的是Raspberry Pi作为核心控制单元。相对比较而言，我们采用的Raspberry Pi 3是一种年轻的智能硬件设备。同时此版本内置无线接收器，可连接环境中的Wi-Fi，利用物联网技术得到原始数据集，将收集到的数据实时反馈给云，为数据收集、传输提供了硬件上的支持。

除了使用Raspberry Pi外，在系统底层的信息采集系统采用还采用了超声波测距传感器和摄像头两个元件以及警示灯等辅助工具。超声波测距传感器，原理是采用传感器发送超声波，超声波碰到物体后就会有回波现象，通过这个原理，运用精确的时差测量技术，就可以测量传感器到目标物体的距离。系统利用它来完成对该座位是否被入座的监测功能。而摄像头设备，以图像的形式对周围环境监控，对就座读者做人脸识别，进一步确定读者在座，以弥补传统探测元件的不足。

2.2 人脸识别技术[6]

系统通过摄像头采集到的周边数据图片，将其通过调用百度的API，发送由key和ID组成生成token，使用token将我们采集到的图书馆数据图片发送到百度的服务器端，进行检测将收到的数据用openCV显示在图片上判断座位上是否有人就座。模块的人脸识别效果图如图3所示：

2.3 数据可视化

数据分析[7]模块，通过数据库中各位置的以时间为轴，区域位置入座率为参数，分析图书馆中各位置的入座数据分析。既帮助图书馆管理人员找出一些地方入座率少的原因，也可以作为建议疏导，缓解这一块区域人群密度过大，另一块区域人群密度过小的问题，避免安全隐患。

使用模拟数据，在数据库中录入各区域各时间段入座人数。之后将数据库中的数据导出为csv文件，通过python的pandas库清洗数据，得到的数据转化为txt文件格式。最后利用matlab编程处理，完成三维、二维等需要的关系模型，将数据趋势可视化，以图像直观的方式供读者和管理人决策使用，效果如图4所示：

2.4 数据库设计

系统租用服务器，搭建了一个小型的网络云平台[8]，通过安装云平台的Mysql数据库，记录当前从图书馆传感器传回的图书馆位置的落座情况。数据库目前设计了三张表格，分别是“学生用户表”、“就座记录表”和“图书馆管理员表”。三者的关系是，就座记录表记录着学生就座的开始时间和结束时间，学生用户表记录着学生用户的基本信息，图书馆管理员表主要管理其他两者。系统数据库E-R图如图5所示：

2.5 客户端界面设计

利用微信涉众广、其内置小程序方便的特点，不采用独立的对应App，通过调用相关的API开发了与系统配套的小程序，实现用户查询、选座、入座功能。系统采用较为美观的UI界面，将选座放在中心位置。点开后，我们将提示用户扫描二维码宣布入座，完成用户的线上登录，此时，超声波测距将每分钟发出一次，以监测是否读者是否仍在就座;监控摄像头每5分钟拍摄一张图对周围座位上的人作自动判断是否在座。

当座位被就座，超声波测距传感器和摄像头均采集到相关数据，则该位置颜色由蓝色变成红色，以表示此位置有人入座。小程序客户界面如图7所示：

3 总结

本系统通过软硬件结合的方式，发挥Raspberry Pi占用空间小、功能较为齐全的优势，结合人脸识别技术作智能优化，构成了底层数据收集工作。再通过图书馆内的无线网络向服务器发送数据。整个系统利用人工智能、云平台和物联网技术，既能够实时监控图书馆内部座位落座情况，又可以将最新图书馆座位信息的动态数据通过云平台反馈到用户的微信小程序内。用户不必安装多余的App，仅需打开微信就能知道图书馆的位置空余状况、查询、预约入座，也通过物联网模块的信息收集解决占位问题。

另外，系统增加数据分析的功能，分析读者聚集的高峰时间、高密度区域等，方便读者选择出行时间和图书馆管理人员的管理，有效解决了图书馆现在面临的主要问题，将图书馆管理数字化、智能化。

参考文献：

[1] 周毅飞，吕晓菡，李庆海，等.基于“树莓派”三代的农业智慧监测系统研究[J].南方农业，2019，13（10）：62-65.

[2] 朱得元，胡冰，俞宝库.基于Android/Raspberry Pi的智能家居安防系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2017，13（19）：158-161.

[3] 赵琛，张益，裴方晟， 等.基于Arduino和Raspberry Pi的巡检机器人系统设计[J].电子设计工程，2019，27（7）：104-108.

[4] 李济帆.使用Raspberry Pi的人机语音交互系统[J].计算机产品与流通，2019（2）：118.

[5] 周定坤，付浩海.基于Raspberry Pi的语音指令匹配系统在智能家居场景的研究与实现[J].计算机产品与流通，2019（2）：104.

[6] 彭湘华.人脸识别技术在高职院校课程考核中的应用[J].科技创新与应用，2019（21）：153-154.

[7] 陆祝政，宓永迪.图书馆大数据的价值应用与风险控制[J].图书馆研究与工作，2019（6）：73-78.

[8] 王仡捷.高校移動图书馆系统设计与实现[J].安徽广播电视大学学报，2018（3）：121-124.

【通联编辑：梁书】