郭奕颖 谢小奕 李佳琪 江耿豪
摘要:随着智能时代的到来,图书馆向智慧图书馆转型成为必然趋势。智慧图书馆旨在为用户提供智能化的服务。针对传统图书馆存在的功能单一、服务质量低、环境配置缺失等问题,文章设计了基于Arduino的智慧图书馆系统,创新了诸多智慧管理和服务场景,系统包含智能推荐子系统、阅览室子系统、环境监测子系统和智能卫生间子系统,各子系统均由多种功能模块构成,对比传统的图书馆,能够满足用户的需求,并提高了图书馆管理效率和服务质量。
关键词:智慧图书馆;智慧图书馆系统;Arduino;智能化硬件设计;系统软件设计
中图分类号:TP216.6 文献标志码:A
0 引言
智慧图书馆是基于物联网、云计算、大数据等新兴技术,通过智能方式改善用户和图书馆系统之间的互动,实现智能建筑、智能设备、智能图书馆系统的有机结合。图书馆的智慧化成为当前社会发展的趋势,智慧图书馆系统作为图书馆信息化建设的一种手段,为图书馆的现代化建设提供了技术支撑,从而实现更便捷、高效的图书馆服务。
随着智能时代的到来,对于图书馆而言,智能并不等于智慧,智慧图书馆并不是多种技术机械拼盘式的整合。基于Arduino的智慧图书馆系统,将“系统+设备”组合是建设智慧图书馆的重点。
1 智慧图书馆系统的研究现状
1.1 相关文献回顾
笔者以检索词“智慧图书馆系统”在中国知网上寻找近3年相关文献,剔除不符合要求的无效文献,通过对有效文献进行整理分析,发现研究内容主要分为3类:第一类是针对智慧图书馆某个专门应用系统的设计。徐田[1]运用协同算法分析读者的阅读需求以实现智能阅读推送的目的。吴花果[2]以聚合分析为核心探究读者阅读偏好进行推送。曾红霞等[3]提出了自适应环境调控算法,可动态调控图书馆温度等,同时将环境数据传送给后台管理系统。
第二类是针对具体某项技术的智慧图书馆系统。蔡媛欢[4]指出RFID技术能解决条形码识别效率低下的问题。管胜波等[5]分析了RFID技术能够提高图书查找效率及维护图书安全。翁晓晖[6]指出搭建安全稳定的物联网搭配智慧图书馆管理软件能够有效地为图书馆工作人員减轻工作负担。吴琳等[7]设计出基于物联网技术的智慧图书馆书目管理系统以提升书目管理的准确性与效率。徐蕾等[8]采用大数据技术实现实时全面的数据收集并进行精准的个性化推荐。田文武[9]指出大数据技术在智慧图书馆建设中能提供知识共享、推荐及服务优化。
第三类是针对多种技术集成的智慧图书馆系统。李强[10]探讨了利用新一代人工智能+5G技术对智慧图书馆服务模式进行重构,提出将底层5G网络技术、中层技术和上层AI技术深度融合,并应用于各种图书馆场景中;张文勇等[11]利用数据可视化、虚拟现实、增强现实等技术提升智慧图书馆信息服务,介绍了基于读者偏好的馆藏智能推荐和古籍三维立体虚拟沉浸式体验;陈莉等[12]从元宇宙的视角探讨了元宇宙核心技术集成的智慧图书馆。
1.2 问题提出
从已有文献看,智慧图书馆系统建设的应用型文献较少,各个专门的应用系统未能集成。笔者总结出存在的问题:从某个专门应用系统这一层面,现有的个性化服务推荐系统主要是根据用户的兴趣爱好有针对性地推荐书籍,虽然可以满足不同用户的需求,但易导致阅读种类受限。现有的环境检测系统不仅实现技术复杂,而且仅围绕图书馆的空间环境设计,缺少针对读者的个性化空间设计。从具体某项技术和多种技术集成的这2个层面,现有的系统主要研究大多集中在管理层面,而忽略其他方面的服务。同时,组建技术实现存在较大难度,且维护数据需要较大投入,成本成为首要关注的因素。
2 系统总体设计
2.1 设计思路
智慧图书馆系统与传统图书馆相比,更加突出个性化服务与学习空间,智慧图书馆系统借助Arduino,设计了多个子系统,拟在智慧学习空间设计和个性化服务方面进行技术设计和实现[13]。
在智慧学习空间设计方面,系统兼具丰富的子系统。通过对Arduino硬件的应用,在智能推荐子系统下,设计了书籍推荐模块,通过点击相应的图书标志,可以显示图书梗概,更加方便读者选择图书。同时还设计了藏书模块,针对归还的图书未能及时处理等情况,利用智能分类以减少工作人员的负担。在环境子系统下,设计了噪声监测模块,以维持图书馆低噪声状态;智能断电模块,利用超声波测距传感器和继电器,实现智能断电,以减少资源的浪费。除此之外,本系统还设计了智能卫生间子系统,具有智能冲水、开关水、开关灯等功能。
在个性化服务方面,本系统提供精准化服务。在阅览室子系统下,设计了占座模块、计数识别模块、灯光调节模块和驼背监测模块,实现阅览室的个性化服务。特别是驼背监测模块和灯光调节模块,为了更加符合人体工学,桌椅设置了防驼背系统和灯光调节系统,以期提供更好的智能服务体验。
综上所述,智慧图书馆技术实现的可能性较大,且多系统排斥反应容易解决,能够实现以低成本助力智慧图书馆新发展。
2.2 系统功能结构
系统总体的功能结构如图1所示。
2.3 上位机、下位机软件的技术开发方案
2.3.1 上位机Arduino软件设计
Arduino是一个开放源码的电子原型平台,拥有灵活的硬件和软件,主要采用USART通信模式,有硬串口、软串口2种实现方式。本系统主要采用硬串口,接收来自各传感器模块的输入信号从而检测出运行环境,并通过控制电机以及其他驱动器,实现不同场景的多样化功能。
2.3.2 上位机Android Studio软件设计
Android Studio可直接访问内置的SQLite数据库,藏书模块的书籍信息(如书名、作者、类别等)等相关数据利用SQLite数据库技术实现,并通过Android Studio调用。
SQLite的优点之一是能够自动压缩数据,占用空间资源低。它能够支持市場上主流的操作系统,同时能够跟很多程序语言相结合,满足智慧图书馆系统对数据操作的需求,主要的通信协议是在编程语言内的直接API调用。
2.3.3 下机位Arduino UNO R3板
Arduino生态中包括多种开发板、模块、扩展板。其中UNO R3功能齐全、转换速度快和内存大等特点,能够满足智慧图书馆系统兼容多模块、多功能的需求。UNO R3版本在Linux或者MAc下不需要安装任何驱动程序,并且能外接键盘、鼠标、摇杆等。
2.3.4 下机位DFRobot IO传感器扩展板V7.1
DFRobot IO传感器扩展板V7.1兼容Arduino新一代主控器DUE。在扩展板丰富的通信和存储模块接口支撑下,各子系统间数据传输便捷,易于维护。外部电源扩展也为本系统提供了持久的续航。
3 分模块技术实现
3.1 智能推荐子系统
3.1.1 藏书模块
藏书模块利用Mind+中Arduino机器学习模块,通过学习,将图书进行相应归类。当归还图书时,工作人员将归还的书籍放于该系统前方,系统将会呈现相应类别,方便图书馆管理人员对图书进行分类,提高工作效率。
藏书模块采用Mind+中的机器学习(ML5),即Machine Learning5,机器学习ML5扩展功能中含有KNN分类功能,以实现各种智能识别的AI功能。分类流程如图2所示。
3.1.2 书籍推荐模块
书籍推荐模块是先从图书馆数据库筛选优质的书籍,再每周定时挑选出不同类别作为推荐书籍,以书单的形式呈现在交互大屏幕上,并提供情境交互服务功能。学生可以根据自己的学习需求点击书籍名称, 交互大屏幕会对应显示关于这本书的简介、作者信息等内容,且以动画加文字的形式呈现。而传统的书籍推荐模块主要是基于书籍名称进行推荐,读者输入关键词后,常会出现各种未经严格筛选的书籍,一定程度上增加了读者的选择难度,降低了阅读质量。
书籍推荐模块基于Makey Makey和Mind+开发设计,采用的电路板体积很小,拥有一个连接电脑的USB接口以及用于挂接其他物体的鳄鱼夹,不需要安装驱动程序,如图3所示。
图3 书籍推荐模块实现原理
3.2 阅览室子系统
3.2.1 占座模块
占座模块是蓝牙模块通过无线电波将单片机和手机连接在一起,形成一个小型的物联网。通过手机连接书桌上的蓝牙,结合信号灯能够实现占座功能。成功连接的蓝牙会出现红色的信号灯,显示是占座的状态;若书桌上信号灯呈现绿色,则是没有人占座的状态。
本蓝牙模块采用HC-05,作为数据接收端,当蓝牙App上提示连接成功后,会发送对应的信号,能够实现占座和离座功能。
3.2.2 计数识别模块
计数识别模块可以通过人脸识别来实现阅览室人员的计数功能,这有助于控制流量,实时记录自习室的人数,提升智能化、安全性和便捷性,满足图书馆的需求。
计数识别模块采用人脸识别摄像头进行人脸图像的采集和识别。通过控制舵机实现门的远程控制。当人脸识别算法认证通过后,Arduino会发送信号给舵机,使其旋转到预设的状态,从而实现门的自动开闭。
3.2.3 灯光调节模块
灯光调节模块可以由学生自行地根据个人习惯和实际环境光线灵活调节自习桌旁的灯光亮度。常规阅览室的大灯光是由学校统一控制,但不同学生对学习环境的需求不同,自行调节灯光的光照强度和亮度,是预防近视的重要手段,且有助于提升学习效率。
模拟角度传感器属于Arduino传感器模块中的模拟信号元件,是一个高精度的电位器,可旋转10圈,通过简单旋转角度就可以调节其电压变化,实现微小变化的互动效果。
3.2.4 驼背监测模块
驼背监测模块可以实时监测学生在学习过程中的坐姿是否正确,当出现学生驼背、倚靠在椅子上等不良现象,红色信号灯会闪烁提醒学生。
驼背监测模块是基于模拟压电陶瓷震动传感器实现的,通过感知桌椅震动和压力的强弱,转化为电信号,输出相应模拟电压值,如图4所示。当没有对压电陶瓷片施加压力时,输出的模拟量为0;当对压电陶瓷片施加压力,输出模拟量会发生变化,而且与压力成正比。
3.3 智能卫生间子系统
智能卫生间子系统是综合运用触摸按钮、人体感应传感器、压力传感器和舵机,实现卫生间各模块协同运行的功能。通过触摸开关模块,控制卫生间灯的状态。将人体感应传感器模块置于水龙头内,并把开关阀门换成舵机控制。将压力传感器模块内置于卫生间地板固定位置,当给予一定压力时,控制内置于卫生间的舵机水阀,实现智能冲水功能。
本系统的创新之处在于人体感应传感器、压力传感器和舵机的结合应用,人体感应传感器能检测到红外线而输出电信号,结合舵机实现智能开关水的功能;压力传感器模块能感受压力信号并按照一定规律将压力信号转换成可用的输出电信号,当压力值超过一定范围,会启动舵机打开水阀,实现卫生间智能冲水功能。
3.4 环境子系统
3.4.1 智能断电系统
智能断电系统可以通过超声波测距传感器和继电器的设定参数来实现自动断电,可以根据距离检测进行相应的控制,这对于提高能源利用效率、保护设备和人员安全具有重要作用。
超声波测距传感器可以发射超声波,并通过接收返回的声波来测量距离。继电器是一种电磁开关,可以接通或断开电路。通过控制继电器的通断状态实现对电力设备的自动控制。
3.4.2 噪声监测模块
噪声监测模块可以通过声音传感器与LED的闪烁实现噪声监测作用,可以实时监测噪声情况并及时采取相应措施,保障图书馆的音量环境。
声音传感器是一种能够将环境中的声音转换为电压信号的传感器,电压信号通过Arduino的模拟输入引脚输入,并进行模数转换。Arduino利用内置的模数转换器将模拟信号转换为数字值,表示环境的噪声强度。LED的闪烁是通过Arduino的数字输出引脚控制LED所接通的电路来实现的。通过以一定频率交替输出高低电平信号,可实现LED的闪烁效果。
4 结语
本文从传统图书馆存在的功能单一、服务质量低、环境配置缺失等方面的实际问题出发,围绕多个应用场景设计构建了基于Arduino的智慧图书馆系统。本系统有如下创新之处:
(1)在系统硬件支撑方面,实现多模块融合赋能,推进应用创新。常规的智慧图书馆系统不能同时满足多种功能,实现技术难度较大,维护数据需要较高投入。而本文所提出的系统兼具丰富的子系统,在保障性能良好的前提下,实现系统硬件结构层次由交织向独立转变,硬件组成由复杂难管理向简单易维护转变,各硬件相互独立,灵活性良好,实现成本低。
(2)在智能服务方面,兼具精准化和个性化,满足学生多元需求。智慧图书馆系统以学生为服务主体,围绕其身心发展特点,构建多个特色模块,如驼背监测模块、灯光调节模块,实现驼背监测、燈光调节等智能服务。
(3)在环境配置方面,利用技术赋能环境,提升服务质量。本系统通过融合传感器,创新图书馆环境配置,如实现气体的信息化数据采集和评估,提升安全性,实时监测可燃气体的浓度,保障读者的人身安全;噪声监测模块为维持图书馆低噪声状态提供途径。
本文提出的基于Arduino的智慧图书馆系统旨在为智慧图书馆创造诸多便捷管理和个性服务场景,催生深层次的服务模式。探索智慧图书馆系统的建设和优化,为推动传统图书向智慧图书馆转型升级提供了新思路。但本系统仍存在不足之处,在数据更新方面尚不够完备。“智能+”时代下,如何运用AI智能算法分析描绘读者画像,帮助学生高效获取个性化知识服务是智慧图书馆检索平台建设的重要命题。
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(编辑 沈 强编辑)
Design of a smart library system based on Arduino
Guo Yiying, Xie Xiaoyi, Li Jiaqi, Jiang Genghao*
(Hanshan Normal University,Chaozhou 521011,China)
Abstract: With the advent of the intelligent era, the evolution of the library to the intelligent library has become an inevitable trend. Smart library aims to provide users with intelligent services. In view of the traditional library of single function, low service quality, lack of environmental configuration, designed the wisdom of the library system based on Arduino, create a lot of intelligent management and service scenarios, system contains intelligent recommendation subsystem, reading room subsystem, environmental monitoring subsystem and intelligent toilet subsystem, each subsystem is composed of a variety of functional modules, compared with the traditional library, can meet the needs of users, and improve the efficiency of library management and service quality.
Key words: intelligent library; intelligent library system; Arduino; intelligent hardware design; system software design