图书馆自助购书图书入库装置设计

张铭玉

(福建理工大学 图书馆,福建 福州 350118)

0 引言

随着科技的发展和知识大爆炸的到来,越来越多的科技文献和专著层出不穷,而作为一个综合性的高校,图书馆采购的书籍多种多样。如何精准而有效地为广大师生提供图书服务是图书馆采购书目时需要考虑的重要问题[1-2]。目前,有些高校推出了一项服务,师生提出需要书目的申请,自行采购阅读完以后入库。这样不仅提高了购书的精准性和流通性,还避免了图书馆图书采购人员采购图书产生的偏差。同时,无人值守移动图书馆逐渐普及,可以布置在教学楼、宿舍楼、学院门厅等地方,为师生员工的图书借阅和归还提供了方便[3-4]。

目前,自助购书阅读后,还书入库还不能像已经登记在册的图书一样方便,必须到图书馆人工登记入库。本设计是在无人值守移动图书馆现有的功能上,增加自助购书这部分未登记入库的图书,也能自助还书,且在出现网络中断的紧急情况下,也能实现还书功能。而本装置收集的信息主要用于防止新生的错误还书或者恶意虚假还书。

1 自助图书识别原理

1.1 图书入库流程调整

现有的图书入库流程是图书信息登录系统,二维码输入,贴RFID磁条,上架。自助购书还书的流程与原流程略有区别,首先识别图书的类型,然后通过无人值守自助移动图书馆的新书还书功能,将书归还到移动图书馆,最后通过网络通知图书馆工作人员,收集到图书馆,再由人工完成其余的入库流程。故本文在移动图书馆的新书入库中需实现的功能为识别图书及记录还书人。

1.2 图书识别方案

目前,自助还书功能采用的是RFID射频识别技术。随着图像识别功能的普及,技术上有实现的方法,但图像识别数据处理量大,对需要处理这些数据的计算机硬件和软件要求较高,图像识别设备成本相对较高,用条形码还书时需输入较多信息,不方便还书人员操作。

从美学和设计学的角度出发,分析图书封面的特点。图书封面主要包括了体现图书内容的图案和书名文字信息,其文字信息大多处于书名的上下或者左右黄金分割线处,而图像信息则多种多样。

根据以上信息,本文设计思路为抛弃具体的图像识别功能,采用典型的局部颜色采集,可以将图书按九宫格划分为9个部分,每个九宫格中又可以均匀布置2个点,而图书九宫格纵向的颜色采集点则是将图书放在输送带上,通过控制输送带的运动位置实现颜色采集。

2 总体设计和功能实现方案

该方案设计将融入移动图书馆,但其功能相对独立,即只用于归还新采购图书。其结构主要包括:还书传输带组件(包括传输电机、皮带和定位装置)、定位传感器、颜色传感器、带弹性的压书滚轮、储书箱,如图1所示。

图1 自助还书机总体方案

该装置的工作流程为将需归还的新图书放置在传送带上,书的顶端靠紧图书定位器,在触摸屏上输入简单的图书信息,包括图书名、购书人及选择图书尺寸规格(16K/大16K……),按下触摸屏上的还书按钮,传送带开始运动,图书随着传送带开始运动,定位传感器安装在固定位置,不随输送带一起运动,当图书运动到定位传感器时,颜色传感器准备工作,将颜色传感器检测到的数据保存后,通过传送带将书收集到储书箱中,带弹性的压书滚轮则是使书封面平整,有利于颜色传感器采集正确颜色,其工作流程如图2所示。

图2 自助还书的流程

3 数据采集传输方案

新书入库可以采用互联网连接图书馆网络,实现在线还书功能,也可以在没有网络的情况下,实现还书。

3.1 在线功能方案

移动图书馆的功能已经成熟,新增的功能只需要通过Wi-Fi模块实现局域网和图书馆互联网的相连,既可以实现在线还书功能,还可以将数据直接传输到图书馆网站上。

3.2 离线还书功能

离线还书功能则是在网络通信出现故障,而自助移动图书馆有电力供应的情况下,实现自动还书功能。离线还书功能设计思路为:将归还入库新书封面颜色先保存在本地的单片机中,当在线功能恢复后,通过自助图书馆的网络通信传输至图书馆系统,也可以将该信息通过本地Wi-Fi模块传输给收集图书的管理员。

4 软硬件实现

4.1 自助新书还书硬件

对新购书的自助还书装置硬件的总体要求是在质量可靠的前提下降低成本,故笔者对市场上的产品进行选择,确定硬件如下:传送带组件中驱动还书输送带的电机种类很多,有交流伺服电机、直流伺服电机、步进电机及特种电机,各种电机的应用都非常广泛[5-7],本设计为实现可靠性和经济性,选择两相混合式步进电机,型号86BYG-250D带驱动器[8],定位传感器采用漫反射型光电开关E3F-DS30C4,颜色传感器采用TCS3200[9],Wi-Fi模块采用ESP8266,控制器采用Arduino Mega 2560 Rev3。图书定位器则是一块固定在传送带上的矩形亚克力板,用于和书的顶端对齐。

4.2 输送带运动的要求

输送带是由步进电机进行控制,当图书正面向上,图书顶端和传送带上的图书定位器靠紧,起到定位的作用后,按下还书按钮,记录还书的时间标记后,步进电机开始工作,为了使颜色传感器准确地采集颜色信息,当步进电机运行到九宫格的黄金分割线附近采集颜色时,停顿1 s,一本书入库需停3次,传送带的速度初步设定为3 m/min,传送带驱动滚筒直径为200 mm,转换为步进电机转速约5 r/min,转速慢,因此可以不考虑步进电机的失步现象。步进电机的步距角1.8/0.9°,通过驱动器进一步地细分设置为每转1 600步,输送带的定位精度0.4 mm。颜色传感器的采集定位通过对步进电机的输出脉冲控制其步数来决定。采用控制器Arduino输出脉冲信号的个数实现步进电机的位置控制,输出脉冲的频率实现步进电机的速度,其接步进电机驱动器的PUL-接口,PUL+接+24 V。控制步进电机方向的DIR-接Arduino控制器的方向控制引脚,DIR+接+24 V。

4.3 颜色传感器的数据采集

在光电开关传感器检测到图书定位器后,根据步进电机每个脉冲驱动输送带运动0.4 mm距离进行控制,图书定位器与输送带的距离为 4 mm,需10个脉冲距离后,根据输入的图书尺寸大小,将图书输送到颜色传感器的采集位置时停下采集颜色,一次采集9个点的数据,并将该颜色数据表示为RGB(0-255)采集后,分别存储在二维数组中,分别保存还书的序号和该书封面颜色的数据。因为颜色传感器内滤波器设置是通过传感器上的引脚S2和S3进行高低电平的设置实现的,因此,为了实现准确测量采集,可以在同一段程序中将3种颜色分别设置,即将一次采集时,完成红蓝绿3种滤波器和清除滤波器的设置。而传感器的S0和S1通过高低电平来设置不同频率的方波,与不同颜色相对应实现不同光强度设置。这样在不同图书封面的图像都尽量采集较多信息,同时也降低了硬件成本。颜色传感器的输出是频率信号,在使用前先对其进行校准,使用标准的白色,利用白光和3种滤波器设置比例系数,从而测算出实际颜色值。该颜色值与实际的值会有一定的区别,但本装置的目的不是采集实际的颜色,而是采集该值后,防止出现误还书或者恶意用其他图书代替,因此只需要采集该图书的颜色信息后,能用该装置重新验证该书的信息,且误差相同,则可以完成对该书的确认。

4.4 数据传输

本装置集成到现有的自助移动图书馆中,在正常状况下,控制器Arduino Mega 2560 Rev3有4个串行通信口,将TX0和RX0用于和自助移动图书馆通信,传输数据到原有的自助移动图书馆,并将数据通过互联网传输到图书馆的中心网络,实现在线通信。

将TX1和RX1设置通过Wi-Fi模块ESP8266进行通信,该模块是在异常情况下,仍然可以进行正常还书,这时所还图书的颜色信息无法通过互联网传输至图书馆中心网络,图书馆外派的读者服务人员可以在收集新书时,同时通过自带的平板电脑或工作手机连接ESP8266局域网完成颜色采集数据,即相对应的二维数组数据,通过局域网直接传输到工作手机。在无互联网情况下使用Wi-Fi模块时,将模块设置为透明传输模式,可将每台移动图书馆的名字按一定规则命名,例如某校第几编号的移动图书馆等。可以统一设置密码。通信握手信号可自主设置,例如在读者服务管理员手机端App按下读取图书信号时,可以发送字符“r”给自助新书归还端控制器Arduino,在控制器Arduino程序端的通信中断读取到字符“r”时,则将当前已经储存图书封面颜色信息的二维数组通过Wi-Fi模块ESP8266传输至手机端。

5 结语

针对分散式自由购书后的还书入库,本文在自助移动图书馆的功能上增加了自助的新购图书还书功能,完成了总体方案设计以及为了完成该功能所需的各个部分的功能要求和设计,各个功能包括了输送带运动、颜色传感器的数据采集、数据传输及其硬件选型和相应的软件设计。