基于红外线的图书馆座位智能管理系统的研究

程子懿 延炳龙 付卫红 曹昕妮

摘 要：随着在图书馆内学习的人数逐渐增多，图书馆的座位管理显得越发重要。本文主要利用为STC89C52单片机以及HC-SR04超声波测距对座位进行实时监测判断是否有人并附加红外线测温模块用以实时测温，便于疫情防控常态化。同时该系统可由计算机后台统计座位空闲情况，并将数据实时展现在图书馆管理员的计算机和手机app上，便于图书馆管理员进行管理和同学掌握座位情况，改善图书馆占座，管理员难以管理等问题，进而提高图书馆座位的利用率。

关键词：座位管理;红外線测温;HC-SR04超声波模块;STC89C52单片机

基金项目：天津市大学生创新创业训练计划（202110058048）

在大学中，图书馆是学生自习的重要场所之一。图书馆环境安静，图书资源种类多，学习氛围浓厚，一直深受广大学生的青睐，是学生自习的首选目标。图书馆的座位数量决定了图书馆的容量，因此如何让图书馆座位的利用达到最大化成为首要解决的问题。同时图书馆座位有限，以天津工业大学为例，目前天津工业大学全日制在校学生为2.8万人，而图书馆的阅览位3000余席，到了期末复习阶段，图书馆座位原本就不能满足广大在校学生的复习需求。但仔细观察发现，很多座位只放置着物品却没有人，其实这些位置被一些学生提前占座，却没有及时回到座位，这就使其他学生无法正常地使用座位，导致图书馆的座位利用率不高，图书馆自习室占座的问题日益严重。

虽然高校图书馆自习室的相关工作人员定期会阻止一些占座的行为，不过占座者经常以出去有事马上回来当作借口，使得图书馆管理员也不易辨别，最终导致座位的利用率不高。并且有的同学看不惯有些学生一直占座的行为，选择拿走其他学生占座的物品，这就在一定程度上造成了学生之间的矛盾，给在图书馆自习的同学带来一定的麻烦和问题。

在当今疫情防控常态化的情况下，按照防疫要求在图书馆阅览位自习的同学需要保持一定的间距。因此图书馆可利用的阅览位更少了，这也加剧了图书馆座位的紧张情况。随着物联网技术的发展，可以借助单片机进行图书馆座位的管理。本产品利用超声波测距检测座位是否有人，大大简化管理员的工作量，避免同学间因不当占座而产生的矛盾，维护了图书馆良好的学习氛围。通过红外线测温，实时监测同学体温，配合疫情常态化防控政策。利用智能管理设备，可以将图书馆座位的使用情况通过电子显示屏和Android移动终端显示出来，同学无需在图书馆漫无目的的寻找座位，同时也可以辅助图书馆的相关人员进行图书馆座位的管理。由于Android操作系统较为开源，源代码丰富，比较容易进行二次开发。

一、系统功能模块设计

通过对问题的分析，基于红外线的图书馆座位智能显示系统应由核心模块、测温测距模块、反馈模块、显示模块以及电源模块构成。本系统主要使用STC89C52完成对数据的加载、处理和输出。STC89C52单片机具有多端口、低功耗、高性能、低成本以及高可靠性等特点，因此广泛的应用于科学研究、嵌入式开发以及工业产品中。

二、系统前端交互设计

系统在系统主要功能是显示此座位使用情况主要显示此座位使用情况，如图1所示。

三、座位显示系统界面设计

为了方便同学寻找图书馆中没有被使用的座位以及图书馆工作人员对于图书馆座位的管理，此系统将座位情况显示到图书馆管理员的终端中及图书馆显示大屏幕中，并同时显示在学生的智能手机中。手机中可以显示座位是否有人在使用以及是否有人占座。在当今疫情防控常态化的情况下，在系统中增加了对于体温的监测模块，在终端中可以将体温过高的同学标红以提醒图书馆相关工作人员及时处置此类突发事件，以保证同学们的健康。

四、硬件系统设计

基于已有图书馆座位管理系统出现的各种问题，本项目的创新之处在于主程序采用红外线完成座位人员检测，形成分析内容，确定是否有人在使用此座位。可以将此设备安装在图书馆桌面及桌面边缘，考虑到可能有座椅后背的影响，通过使用红外线检测温度来感知是否有人正在使用此位置，使用超声波测量距离来感知桌上是否有物品。硬件流程图如图3。

（1）核心部分：STC89C52单片机完成对数据的加载、处理和输出。STC89C52单片机具有多端口、低功耗、高性能、低成本以及高可靠性等特点，因此广泛的应用于科学研究、嵌入式开发以及工业产品中。

（2）测温测距模块：选用适当的红外线测温模块及HC-SR04超声波测距模块，测量温度距离且输出数据流。选用合适的存储器，缓冲数据，使得处理器能加载完成处理与输出数据。

其中本文测距模块使用的是HC-SR04超声波测距模块，此模块具有性能稳定、测量距离准确、模块精度高、盲区小等优势。通常用于机器人避障、物体测距、公共安防和停车场检测等项目中。HC-SR04超声波模块测距模块的原理为： 模块四个的引脚为触发信号Trig，回声信号Echo，供电VCC和GND，测量周期在60ms以上。当系统赋予Trig一个10us以上的脉冲时，HC-SR04内部自动循环发出8个频率为40KHz的脉冲，回声信号Echo刚收到回波时置1（超出一定范围收到的信号不够HC-SR04模块置1定时器不计数），单片机定时器开始计数，直到回声信号Echo没有收到信号置0，记录（TH+TL）次机器周期，一个机器周期需要12个振荡周期，由此可以计算时间，再用时间乘速度就可以计算出距离S。

（3）反馈模块：当桌面边缘测温结果不等于周围环境测温结果时系统判定为有人使用此座位，当测温结果等于周围环境测温结果时判定为无人使用此座位。考虑到有的同学可能暂时离座，系统可以设置一个临时离开的开关，当接通此开关时，系统自动判定为临时离开。当临时离开时长大于预定时间，或桌面边缘测温结果等于周围环境测温结果且桌面测距模块测距结果为有物品时，系统判定为恶意占座，发提醒信息给占座但是没去的同学，提醒他一个小时后如果座位还没人东西就会被清理，系统还可以发信息给工作人员，提示这个座位已经多少个小时没人使用，可以清理。并将实时座位数据显示到图书馆管理员的终端中及图书馆显示大屏幕中和学生的智能手机中，便于图书馆管理员及学生了解座位情况。一旦测温模块检测到上座人员面部体温异常，将通知上坐人员以及学校相关人员处理此突发事件，保障学生们的健康。

（4）电源模块：220V市电的总电源，经变压器变压，整流桥整流，稳压输出5V电压供给红外线测温模块、HC-SR04超声波测距模块、STC89C52单片机及其外围电路使用。

（5）显示模块：使同学以及图书馆相关工作人员较为方便的了解图书馆座位情况，此系统可以将座位使用情况显示到图书馆的大屏幕以及手机中。

五、软件设计

软件流程如图5。其中扫码登记是为了便于此后系统长时间未检测到学生落座时通知其尽快返回座位，同时如果其体温异常也可以及时通知学生和学校相关人员，保障学生的安全。

检测桌面边缘温度是否等于周围温度，若等于，则记为此座无人，并将结果发送至终端;若不等于，记为有人使用。当临时离开时长大于预定时间，或桌面边缘测温结果等于周围环境测温结果且桌面测距模块测距结果为有物品并且这种状态保持一定的时间后，系统判定为恶意占座，发提醒信息给占座但是不在座位的同学，提醒他一个小时后如果座位还没人东西就会被清理，并将座位状态调整为空闲，系统还可以发信息给工作人员，提示这个座位已经多少个小时没人使用，可以清理。若没有物品，则判断测距模块。当探测不到桌面上有书本时，记为此座无人;测距结果表明有物品时，则记為恶意占座，并且时常大于预定值后通知收走其物品。

其中测温模块可以检测上座人员面部的温度，可以通过此方法检测上座人员的体温。一旦体温异常，将在移动终端的系统中使用红色标记，并且同时发出警告，通知学校相关人员，及时处理此类突发事件，保障学生安全。

六、程序仿真

c语言是一种较为底层的通用编程语言，其广泛的应用到嵌入式开发中。由于c语言可以较为方便的导入到单片机中，并且相较于汇编语言更加简单便捷效率较高，故使用keil4进行c语言的编译，并将程序导入到单片机中进行运行。本文使用Proteus软件绘制电路图，电路图如图6。

此后将使用c语言编写的程序导入到绘制电路图中的STC89C52单片机中并进行仿真。仿真结果显示其可以探测在2厘米外4.5米内的物体，符合设计需要的要求，达到了预期效果。

七、结束语

高校内的图书馆是学校的公共资源，它是大学生第二个学习的场所，学生在图书馆中不仅需要严格遵守图书馆的规章制度，而且还需要科学合理地应用图书馆内的所有公共学习资源。本文提出的图书馆座位管理系统的应用，既减少了恶意占座行为的发生，提高图书馆座位利用率，又节省了学生寻座时间，优化了图书馆的座位管理体系，为学生营造了满意的自习环境，同时也为智慧图书馆的建设增加了新的内涵。

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