基于物联网架构的图书馆书目智能管理系统设计

张晶

（北京师范大学珠海校区，广东 珠海 519085)

1 引言

图书馆中包含多种多样的图书类型，能够满足人们更多的阅读需求，为人们提供更多的新知识[1]。但是，随着书目种类与数量的上升，图书馆书目管理遇到了前所未有的难题，不但加大了管理人员的工作量，也为读者带来了较大的不便[2]。

图书馆界研究者发现物联网相关技术能够大幅度提升工作效率与服务质量，能够为图书馆管理带来更多的利益[3]。例如刘婧等人就提出利用物联网进行图书馆智慧化资源系统的构建，实现了智慧化书目推荐，精准化推送等功能[4]，但现有图书馆书目智能管理系统由于硬件与软件的自身缺陷，存在着书目误检率高、查全率低的问题，无法满足读者与书目管理的需求，故提出基于物联网架构的图书馆书目智能管理系统设计研究。

2 图书馆书目智能管理系统硬件设计

为了解决现有系统存在的问题，此研究应用物联网架构设计图书馆书目智能管理系统。设计系统硬件单元为服务器选取单元、RFID硬件选取单元及其系统通信单元，具体硬件单元设计过程如下所示。

2.1 服务器选取单元

服务器是设计系统稳定运行的基础与前提，依据图书馆书目智能管理需求，选取4台服务器与交换机进行连接。其中，2台IBM X3850M2服务器是设计系统的核心硬件设备，通过光纤通道与IBM SAN16B-2 交换机、IBM DS4700阵列柜连接，共同构成全冗余结构。IBM DS4700阵列柜由硬盘、硬盘插口、扩展柜等组成，其对应数量分别为8 个、8 个及其1 个。扩展柜最大容量限值为8TB。另外，两台IBM X3250M2服务器承担着中间件的功能[4]。

为了符合设计系统的需求，对选取服务器相关性能参数进行合理设置，具体如表1所示。

表1 服务器相关性能参数表

设计系统选取的4台服务器在网络条件允许前提下，通过千兆端口与交换机进行连接。若是网络条件较差，通常情况下，将服务器2 个百兆端口进行聚合，以此来满足端口网络需求[5]。在服务器存储空间不足时，可以通过加满阵列柜插槽实现存储空间的增加，最多能够增加2.4TB存储空间。另外，要是存储空间还不足够的话，可以增加扩展柜或者阵列柜等装置[6]。

服务器硬件结构如图1所示。

图1 服务器硬件结构示意图

2.2 RFID硬件选取单元

RFID技术是物联网架构中发展较为成熟，使用较为广泛的技术，并非常适用于图书馆书目智能管理，其硬件主要包括电子标签与阅读器[7]。

电子标签内部结构如图2所示。

图2 电子标签内部结构示意图

电子标签由线圈、标签天线与标签芯片构成，能够依据供电形式、数据调制方式、可读写性对其类型进行划分，由于篇幅的限制，不对其进行过多的赘述[8]。

阅读器在RFID 技术中起着至关重要的作用。阅读器的频率与功率都会影响书目电子标签识别效果，其中，频率会影响标签识别工作频段，功率会影响标签识别距离。阅读器主要承担着响应接收指令、发出对应指令的任务[9]。阅读器工作原理示意图如图3所示。

图3 阅读器工作原理示意图

2.3 系统通信单元

系统通信单元主要承担着图书馆书目电子标签信息的接收、发送与传输任务。根据设计系统需求，选取CC2530 芯片作为通信核心硬件，CC2530 芯片可以通过较低的材料成本构建强大的网络节点，降低设计系统开发成本[10]。

CC2530 芯片具备多个引脚，为了发挥芯片最大功效，需要对引脚进行相应的定义，部分引脚定义情况如表2所示。

表2 CC2530芯片部分引脚定义表

上述过程完成了设计系统硬件单元的选取与设计，但是仍然无法实现图书馆书目的智能管理，故以设计好的硬件单元为基础，设计系统软件模块。

3 图书馆书目智能管理系统软件设计

设计系统软件模块为书目信息整合模块、图书馆书目检索模块及其书目定位跟踪模块，具体软件模块设计过程如下所示。

3.1 书目信息整合模块

书目信息整合指的是依据一定标准，将图书馆书目电子标签信息与读者相关信息进行处理，并显示到设计系统中[11]。

在书目信息整合之前，需要对信息进行归一化处理，保障信息格式与单位的一致性，归一化处理公式为

式(1)中，k表示的是图书馆书目电子标签信息整合参数；P表示的是归一化处理因子；Hmin表示的是图书馆书目电子标签信息基本特征；Mmax表示的是读者相关信息基本特征[12]。

基于公式(1)获得的整合参数k对图书馆书目电子标签信息与读者相关信息进行整合处理，以此为基础，对涉及信息进行基本定义，具体如表3所示。

依据表3信息格式定义标准对设计系统涉及信息进行存储，以此为后续书目检索、书目定位跟踪提供基础依据[13]。

表3 信息格式定义表

3.2 图书馆书目检索模块

以上述图书馆书目信息整合结果为基础，依据读者对书目的具体要求，对书目进行检索，具体过程如下所示。

图书馆书目信息具有海量特性，并且书目之间也存在着数据交换现象，在具体书目寻找过程中，现有系统会浪费大量的时间与资源[14]。设计系统主要通过物联网架构对书目进行集中检索，为读者提供更优质的服务。

图书馆书目检索主要分为四个阶段，具体如下：

一是书目清理[15]。书目数量较大，有可能出现电子标签信息冗余的现象，故对其进行一定程度清理，表达式为

式(2)中，Mf表示的是清理后书目数量；m表示的是书目维度；n表示的是书目清理因子；j表示的是书目规约特性。

二是书目集成。以阶段一书目清理结果为基础，采用云计算技术对书目进行集成，表达式为

式(3)中，H|k|表示的是书目电子标签信息；l 表示的是书目格式；a表示的是书目集成因子。

三是书目变换。书目变换主要是对多种书目信息进行规范化，为后续检索做充足的准备。依据设计系统需求，选取光滑技术规范化处理书目信息，表达式为

式(4)中，Gi表示的是规范化处理参数；Q表示的是规范化因子；i表示的是书目类型序号；gi表示的是书目不确定信息部分。

四是书目规约[16]。在书目变换后，删除信息中的空值、冗余值等，降低整体书目信息量，对其进行归纳，即可获得书目检索结果，表达式为

3.3 书目定位跟踪模块

在书目定位跟踪过程中，需要定位服务器、电子标签、RFID阅读器等设备的支撑。为书目设置唯一的RFID信息，同时在图书馆内设置多个RFID 阅读器，使其服务范围覆盖整个图书馆，并对RFID阅读器位置信息进行记录[17]。利用RFID阅读器获取服务范围内书目的信息，读者与管理人员能够通过方位信息确定书目的具体位置，为书目管理与检索提供极大的便利。

通过上述硬件单元与软件模块的设计，实现了图书馆书目智能管理系统的运行，有效地减少了管理人员的工作量，也提升了图书馆的服务水平。

4 实验与结果分析

上述过程实现了图书馆书目智能管理系统的设计与运行，为了验证设计系统的应用性能，采用Windows Core i7处理器，16GB内存，2.20Hz 闪存，1TB硬盘作为实验的硬件配置，以某图书馆历史数据作为数据来源，构建包含书目标签的数据库。选取100条数据构建训练集，对设计系统进行训练，设置最大迭代次数为200 次，初始学习率为0.05，学习率变化因子为0.1，训练完成后，验证其性能。具体实验过程如下所示。

4.1 物联网架构配置

物联网架构是设计系统的关键应用，故在实验过程中，需要对物联网架构进行科学地、合理地配置。根据实验需求，选择物联网架构接口类型，具体如图4所示。

图4 物联网架构接口类型示意图

4.2 实验数据准备

实验数据是实验顺利进行的基础与前提。此研究在某图书馆历史数据中随机抽出10条数据，作为实验数据，为了保障数据格式的一致性，对其进行一定处理。最终，实验数据如表5所示。

表5 实验数据表

4.3 实验结果分析

依据上述配置的物联网架构，准备的实验数据，进行图书馆书目智能管理实验。通过书目误检率与查全率来显示系统的应用性能，具体如下所示。

通过实验获得系统应用性能数据如表6所示。

表6 系统应用性能数据表

如表6数据显示，现有系统书目误检率范围为4.52%-7.25%，书目查全率范围为65.00%-75.46%；设计系统书目误检率范围为0.70%-2.00%，书目查全率范围为80.00%-92.90%。通过数据对比可知，与现有系统相比较，设计系统书目误检率较低，查全率较高，充分证实设计系统应用性能更佳。

5 结束语

此研究应用物联网架构中的RFID 技术对图书馆书目进行智能管理，极大地降低了书目误检率，提升了书目查全率，为图书馆管理人员提供有效的帮助，也能够为读者提供更加优质的服务水平。