图书馆反占座系统的设计与实现

（江南大学，江苏 无锡 214000）

0 引 言

众所周知，图书馆是学校的文献信息中心，是为教学和科学研究服务的学术性机构，是学校信息化的重要基地。每天到图书馆的学生都非常多，图书馆座位供不应求，占座现象一直存在。尤其是临近期末考试，图书馆的占座现象愈演愈烈，入馆学习的同学稍稍晚去一步，图书馆的座位上已经被早去的人放上了书，他们大多是给室友或朋友占座，而这些书有时候会放一个上午，甚至一整天。长时间占用座位，使得图书馆紧张的座位资源更是变得一座难求[1]。占座是一种资源浪费，使公共资源无法达到人人共享和有效利用，一直以来都是困扰高校图书馆的难题。本文提出的图书馆反占座系统设计，为解决占座问题提供了一个科学的理论解决方案，为入馆学习的学生提供了一个很好的学习环境。

查阅资料发现，自2015年以来，国内仅少数高校购买或自行研发图书馆座位管理系统。它们通过VB、数据库等技术，研制适合自己学校实际情况的软件管理系统，在某种程度上缓解了占位现象引起的不必要麻烦[2]，一定程度上提高了座位的使用率，但是成本太高，并且具有特殊性，很难推广到其他大学。

2019年12月前2周，通过对江南大学图书馆9:00—10:00座位使用情况的调研统计，发现占座率（即座位有书但没人坐的位置总数/调查的座位总数）约为18.5%，占座现象比较严重。之后通过对图书馆的进出率、上座率、学生的平均离座时长进行了为期1周的调研，借助SPSS交叉表方法，发现卡方检验的结果Sig值大于0.05。因此，认为不同离座时长与座位的利用率两者存在着一种显著的线性关系，由此考虑对学生离座时间进行检测，设计离座计时检测装置，来实时检测并反馈座位的使用情况。

系统规则制定如下：

（1）发现空座（无任何物品），可直接刷卡入座，任何人以任何理由要求让座，都不予理睬。

（2）发现空座（有私人物品），这时候会出现三种情况：原学生没有刷卡，新来学生刷卡后，可直接就座学习，座位归属新来学生；原学生已经刷卡，此时座位在保护状态，在一定时长内（根据调研结果设定最佳时间）原学生回来，座位仍属于他；原学生在规定时间内未归，此时座位释放，其他任何学生均可刷卡入座[3]。

（3）如果学生短暂离开，系统会自动提供短时间（例如20 min）的座位保护。

（4）如果学生想长时间的离开座位，比如回宿舍午休等，学生需要刷卡，激活座位长时间保护功能，系统会提供长时间（例如2 h）的保护权限。

1 系统设计与实现

1.1 基于RFID技术的图书馆就座身份识别

RFID模块具有使用方便、性能稳定、可靠性强、尺寸小、便于集成等特点。它采用电磁耦合的方式使得标签从读写器耦合线圈的辐射近场中获得能量，从而实现与读写器交换数据的功能[4]。用户无需理解复杂的射频通信协议，只需通过专用指令与阅读器进行信息交互，即可实现盘点UID、读存储区和写存储区等操作。

在本设计中，读卡器识别江南大学学生一卡通，当然可以推广到其他大学的学生卡识别。射频标签中记录了持卡者的所有信息，由读卡器读出卡中的信息后上传到主控模块，由主控模块处理信息。主控模块选用STM32系列。RFID技术可以在反占座系统中实现快速准确地对学生身份的信息识别，从而实现入馆学生单卡单座，极大地避免了代刷卡占座的问题[5]。

此外，驱动模块包含了系统所需的所有驱动电路，例如灯光控制电路、门锁开关驱动电路等。GSM 模块具有发送短信通知等功能，可以实现各种方式的安全通报。点阵模块可以显示不同类型的图案，用于显示座位目前所处状态，便于同学进馆后准确选座。射频识别系统的组成结构如图1所示。

图1 射频识别系统的组成结构

1.2 基于红外传感的座位使用情况检测

图书馆每一层阅览区、自习室的座位都装有红外线探测器，对学生使用座位或者离座进行实时检测，能得到相关的座位信息，进而得到座位目前的状态，之后将得到的信号传送到图书馆座位使用情况统计终端。

1.2.1 技术层面

热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到20世纪60年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。

热释电元件的感应元将波长在8～12 μm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅尔透镜，使环境的干扰受到明显的抑制。菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到红外探测元件上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性[6]；热释电红外传感器是座位识别设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较。当传感器探测到人体辐射的红外线信号并经放大后送给窗口比较器时，若信号幅度超过窗口比较器的上下限，系统将输出高电平信号；无异常情况时则输出低电平信号。

1.2.2 原理层面

查阅资料可知：人体辐射的红外线中心波长为9～10 μm，而探测元件的波长灵敏度在0.2～20 μm范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7～10 μm，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其他波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用于探测人体辐射的红外线传感器，正好满足本设计的实际需求。

1.3 硬件电路

CPU选用STM32F103C8T6单片机，它是一款基于ARM Cortex-M内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64 KB，需要电压2～3.6 V，工作温度为-40～85 ℃。电路连接图如图2所示。系统供电稳压电路如图3所示。本设计选用AMS1117-3.3，其是一种输出电压为3.3 V的正向低压降稳压器。显示模块为点阵模块，当人离开座位超过一段时间后点阵图案发生变化。此时座位被释放，其他人可以使用该座位，长时间离座者被记入系统违规处罚名单。

图2 STM32F103C8T6电路连接

图3 供电稳压电路

人体红外感应模块选用HC-SR501，它是基于红外线技术的自动控制模块，灵敏度高，可靠性强，低压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备。其采用了菲涅尔光学透镜原理，并且距离越远感应越强。人体红外感应模块如图4所示。

图4 人体红外感应模块

将以上各模块进行电路连接，便组成了图书馆反占座系统的硬件电路，如图5所示。

图5 离座后有计时功能的硬件电路图

1.4 软件编程

用SQL Server实现对图书馆座位信息的增删改查等具体操作，进一步可用Eclipse和MySQL数据库进行网页搭建。网页主要功能：用户注册、用户登录、用户列表展示、用户信息修改、用户信息删除、选座界面、座位实时统计、预约界面[7]。借助UI进行界面优化设置，网页有内容发布功能，即需要在客户端进行网络访问和数据传输，本设计用到了HTTP协议。在预约开放时间内，学生通过联网的任何设备，在任何地方即可实时查看当前座位使用情况，选择预约未被占用的座位，并按照自己预约的时间到自己选定的图书馆座位即可[8]。网页选座界面如图6所示，图中数字为图书馆座位标号，白色为空座位，学生可以任意选择；红色座位则表示座位已有人。

图6 网页选座模块

1.5 违规处罚规则

学生被系统检测到占座会有违规信息。第一种情况是，学生帮其他同学占座，对应空座超过一定时间后，LED灯亮，对应空座的同学会被记入处罚名单；另一种情况是，离座超过规定时间，这时座位会被释放，而座位原学生会被记入处罚名单一次[9]。

系统中的处罚名单有两个参数：离座时长和违规次数。这两个参数的设置要根据实际情况而定。此外，系统将学生列入处罚名单几次可以禁止学生再次使用馆内的座位，需要进行调研分析，进行合理设定，要符合学生的基本情况，达到基本的公平。本设计中以学期为时间段，每一学期结束，系统处罚名单全部清零，具体流程如图7所示。

图7 违规处罚规则流程

2 结 语

图书馆对每个高校来说都是十分重要且必备的，所以要对此引起足够的重视。我们要清楚知道座位管理系统存在的利弊，不断加强图书馆座位的管理，从而提高座位的使用率[10]。

针对江南大学图书馆的占座现象，本文提出了图书馆反占座系统的设计与实现，制定了全新的图书馆入座规则，在学生的身份识别上用到了RFID技术，对于馆内座位的状态监测利用了人体红外传感装置。本文创新点是分析出了座位利用率与离座时间有很大关联，设置了离座计时监测装置，极大地解决了占座问题。