无线传感器网络在智慧图书馆中的应用*

宋朝霞 张 丽

（北京语言大学 北京 100083）

1 引言

计算机和通信网络技术的发展推动了图书馆的管理模式由数字化管理向智能化管理的发展和创新［1~2］。智能化管理通过智能化手段收集用户信息数据，并对其进行分析，以此作为向用户提供服务的依据。它能够通过对读者定位，了解分析读者需求动向，并对图书环境进行检测；利用数据挖掘、搜索和分析技术对收集到的数据进行分析，从而确定图书馆的购书方向；也可以实现根据读者检索需求为读者推荐最合适的图书资源，从而加强图书馆信息服务效能，提高图书馆信息服务质量。无线传感器网络技术是适用于图书馆的智能化和精确化管理的重要技术手段。

本文从无线传感器网络结构特点入手，通过分析智慧图书馆的应用需求，根据无线传感器网络设计要求，进行了智慧图书馆中的无线传感器网络结构设计。实现了在智慧图书馆中利用无线传感器收集读者信息数据，通过整理数据分析读者阅读需求，制定出符合读者需求的购书计划和图书摆放策略，提高读者的满意度。

2 问题提出

“智慧图书馆”的概念是芬兰奥卢大学艾托拉教授在文章《智慧图书馆：基于位置感知的移动图书馆服务》［3］中首次提出的。这种新型图书馆需要将物联网、云计算和智能化设备等现代化信息技术运用到图书馆建设中，通过信息通信技术对外部服务环境变化进行感知、了解用户需求，并分析服务模式的变化趋势，逐步完成对图书馆信息资源的智慧化搜索、个性化定制和智慧化推送，从而实现知识共享和读者需求智慧感知［4］。进行高校智慧图书馆建设，需要根据具体情况，利用智能化相关设备从自身工作过程中积累大量有效数据，通过对数据的分析整理，实现对原有资源进行优化和改造以及对图书馆所有知识的科学发现和有机整合［5］。无线传感器网络能够实现集数据的采集、处理和传输于一体，它是新一代的传感器网络，是通信与信息技术的新领域［6］。与其他种类的无线通信网络相比，无线传感器网络有着大规模、自组织性、动态性和可靠性的特点［7~8］。它融合了现代传感器技术、分布式信息处理技术、微电子技术、嵌入式系统技术和无线通信技术等多个学科［9］，在智慧图书馆［10］的应用领域中有着重要科研价值及使用价值。通过无线传感器网络尽可能多地搜集用户数据，把各种用户数据综合在一起进行分析整理，通过数据挖掘来发现不同类型用户在各方面的需求，构建以实现“图书馆智慧管理”和以“为读者提供智慧服务”为目标的智慧图书馆，是实现高校智慧图书馆智慧化管理的最佳途径。因此，在高校智慧图书馆中，需要充分利用无线传感器网络资源，根据收集到的有效数据来分析发现它们的潜在规律，利用知识统计分析理论得到有关读者阅读需求的结论，以此为依据来改进高校图书馆智慧型服务模式，提高图书馆的服务质量和能效。

3 系统结构

无线传感器网络［11］综合了传感器、通信网络、嵌入式等多学科的先进技术，构建集数据采集、数据传输和数据汇总的多功能通信平台，是目前通信领域的研究热点之一［12］。无线传感器网络［13］技术具有快速自组织、低功耗、低成本、多功能等优点［14］，能够通过感知技术，将监测对象与信息世界融合在一起，成为沟通真实物理世界和信息世界的桥梁。

智慧图书馆中的无线传感器网络硬件基本结构如图1，它的基本组成包括传感器节点（Node）、汇聚节点（Sink）和图书馆监控中心的管理节点。这个系统的关键核心是单个收集信息的传感器节点，大量的传感器节点被随机地安置在监测区域内部，它们不仅具有收集数据的功能，同时也具有传输数据的功能。能够将传感器节点收集到的信息利用逐跳传输的方式进行传输，经过多跳后最终传输到汇聚节点。汇聚节点在无线传感器网络中用于收集各传感器节点感知到的信息，同时实现无线传感器网络与外部有线通信网络的有效连接。为实现汇聚节点的重要作用，需要根据实际的监测环境对其进行设计，必须保证它具有足够的能源，能够将收集到的信息发送到图书馆监控中心。

4 系统功能设计

为了解用户对图书馆资源的动态需求情况，实现面向应用的动态资源管理及实时动态监测，我们设计的智慧图书馆无线传感器网络管理参考模型如图2所示。

图2 无线传感器网络管理参考模型

4.1 数据收集

数据收集层是构建智慧图书馆的基础设施层，无线传感器是收集数据信息的基本单元。它不仅需要采集存储数据，还要负责将采集的数据进行简单处理后通过逐跳传输的方式传输给汇聚节点。所以它的硬件结构应该包括能量供应模块（电池）、无线通信模块、处理器模块和数据采集模块（传感器模块）四部分，如图3所示。其中的能量供应模块主要负责为节点内的各用电模块提供足够能量；无线通信模块主要负责进行收/发数据信息和交换控制/通信信息；处理器模块主要负责控制整个传感器节点的操作、存储和处理数据；传感器模块主要负责采集信息并进行信息转换，它始终处于工作状态。这些无线传感器节点使功能单一的感知设备之间能够通过协作方式完成感知任务。我们选择的无线传感器的信息传输最远距离大约在50m左右，能够实现相邻节点之间通过无线方式有效传输数据。

图3 无线传感器硬件结构

在智慧图书馆入口的闸机处地面上安装压力传感器用于感知读者体重，在闸机附近的墙壁或其它装置上安装感光传感器用于感知读者身高。另外，在图书馆中每个书架两侧也都需要部署感光传感器和压力传感器来感知读者信息。读者在图书馆入口处通过刷校园卡的方式进入图书馆，在检测校园卡信息后打开闸门的同时无线传感器需要感知读者身高和体重信息。感知数据被传送给管理监控中心，所感知到的身高和体重信息数据将会和校园卡中的卡号信息一起被写入管理监控中心的数据库。在图书馆内部的书架两侧也同样安装有感光传感器和压力传感器（如图1），我们可以通过它们来感知进出某固定书架区域的读者信息，如果感知到的数据在有效范围内（35kg<体重<100kg，并且145cm<身高<200cm）就记录下感知到的具体信息数据：包括读者身高、体重信息，传感器所在的书架序号信息以及此信息被感知的具体时间。同一书架上的传感器如果在同一天的不同时间感知到两次压力和身高都相同的数据，就可以认为同一读者进出此通道一次。这些信息被简单处理后存储在无线传感器的存储器中，等待本节点竞争信道后被发送。

4.2 数据的无线传输

由于无线传感器节点体积很小，使用电池供电，同一楼层相邻传感器节点之间的距离控制在有效的通信范围内，要求传输的数据量也不大，所以可以通过自组网的形式相互通信。将需要传输的数据通过无线传输方式从一个传感器节点按照目的节点方向依次传递到另一个相邻的传感器节点，最终到达本楼层汇聚节点。

传感器节点的通信模块有三种工作状态：空闲、接收和发射。本文设计的智慧图书馆无线传感器网络中各传感器节点采用相同的活跃/睡眠周期交替策略（如图4）。为了减小能耗，只有当需要传感器节点进行发送或接收数据时，才开启无线通信模块，用于收发数据。当节点不需要收发数据时，则关闭无线通信模块，以减少空闲侦听时间，降低能量消耗。

图4 同步机制的数据传输

传感器节点处于休眠状态时，通过sleep定时器设定休眠周期。经过预定的周期时间，就会唤醒传感器节点，启动listen定时器。节点从休眠状态被唤醒后，首先监听信道，如果此时节点有数据需要发送并且信道空闲就开始发送数据，否则就进入侦听状态。如果此时有多个节点需要发送数据就开始信道竞争，竞争到信道的节点才能开始发送数据，其他邻节点转入接收数据状态。当节点没有数据需要发送或接收时，无线收发装置会被置于休眠模式，等到需要的时候再唤醒它。

4.3 信息处理和传输

智慧图书馆网络中的信号汇聚节点是传感器节点信息的汇集点，它可以和传感器节点通过功耗比较低的Zigbee技术［15］进行无线通信，组成一个探测单元，完成信号的收集，并可以对收集到的读者数据信号进行预处理，具有信息分发、融合和汇聚等功能（如图5）。考虑到图书馆的具体面积和传感器节点的分布特点及信息有效传输距离，可以在图书馆的每个楼层中心位置设置一个汇聚节点并配置可靠的供电电源。为保证对数据的有效处理，汇聚节点还需要配置较大容量存储单元以及较高性能的微处理器。每个汇聚节点可以连接多个终端节点，一方面实现数据的就地采集，另一方面也可以较为便利地融合与汇集下层网络收集的数据。

图5 汇聚节点数据流

汇聚节点需要先对本楼层的传感器节点收集到的信息进行简单的数据融合，将无效的和可信度较差的冗余数据删除，然后将有效数据通过有线通信系统传递给监控中心，其流程图如图6。

图6 汇聚节点软件流程图

4.4 信息管理及分析

高校图书馆入口处设置的刷卡装置，可以在读者刷卡时得知读者姓名、年级、专业等信息。图书馆入口处设置的无线传感器可以感知读者的身高和体重信息作为进入图书馆后的读者标识，并和校园卡内信息进行绑定。图书馆内部书架两侧布置的无线传感器所感知到的有效读者身高、体重信息，可以用于计算读者进入和离开此书架的时间，分析读者在每个区域停留时间。监控中心接收来自各楼层汇聚节点的信息，和读者进入图书馆时所收集的信息进行汇总，就可以感知每天的特定时间段进入图书馆的人数，再对读者的专业、年级、停留时间进行统计，然后对这些数据进行分析，就可以得知哪些区域的哪些书籍比较受哪些学生人群的欢迎，从而为图书馆采购书籍策略提供参考。也可以根据读者进入特定区域的人数和时间来编排和分配书架和书籍的布局，从而最大化地利用好图书馆的学习空间。

5 系统测试和验证

为测试所设计的无线传感器网络的性能，我们选取了图书馆内固定区域为实验区域，在实验区域入口处放置读卡器并安装压力传感器、感光传感器，读者需要通过刷卡方式进入实验区域，刷卡时将读者体重、身高信息以及校园卡中信息同时上传给监控中心数据库，将传感器感知到的信息与校园卡的信息进行绑定。在实验区域内部并列摆放10个书架，每个书架上摆放不同研究方向的书籍。各书架两端安装感光传感器和压力传感器，用于采集阅读本书架书籍的读者信息，传感器的信息传输距离为50m，在实验区域中间部分安装汇聚节点，汇聚节点收集各传感器节点发送的数据后进行存储与融合，再通过有线传输方式将数据上传给监控中心，监控中心对采集到的有效数据进行分析。

测试及分析结果表明，在进行测试的五天中共有203名学生通过刷卡进入该实验区域。所设计的无线传感器网络通过监控中心的数据统计得出了这203名学生中进入每个书架区域的学生具体人数、专业、年级和停留时间，与人工记录的信息相符，实现了对于数据的采集和保存。这些数据可以用于图书馆购书计划的制定和图书摆放策略的分析。

6 结语

基于无线传感器网络对读者和书籍数据采集，利用得到的数据改进高校智慧图书馆服务，是提高高校图书馆服务水平的重要途径。本文首先对无线传感器网络进行了简要介绍，重点讨论了对读者信息进行采集的无线传感器网络的设计。通过分析系统所采集到的数据，与大数据等新一代信息技术相结合，可以实现图书馆的智能化管理，这对高校图书馆的数字化建设具有重要意义。