基于无线传感技术的图书馆自动借阅系统

时间：2024-07-28

陈文生

(南京科技职业学院，图书馆，江苏，南京 210048)

0 引言

图书信息管理主要是管理图书馆内的图书借阅情况[1]，是图书馆工作的主要组成部分。图书馆内图书数量的海量性、图书品类的复杂性以及图书借阅归还的无限循环性造成图书借阅管理工作开展得较为困难[2]，因此采用现代信息技术进行图书借阅信息管理成为辅助图书借阅管理工作的有效方式[3]。

当前使用的信息管理系统主要有基于云平台的信息管理系统[4]、基于大数据决策的信息管理系统[5]和基于异构数据集成技术的信息管理系统[6]。基于云平台的信息管理系统以云计算、大数据技术为基础，以信息化、智能化平台服务为支撑，实现智慧图书馆系统设计；但该系统运行过程中存在能耗较大的问题。基于大数据决策的信息管理系统以大数据决策支持为基础，深入研究图书馆管理系统的安全风险识别与管理；但该系统信息采集精度存在一定不足。基于异构数据集成技术的信息管理系统以异构数据规划化设计与管理为核心，设计差异化信息监测中心，满足信息管理需求；但该系统数据处理过程复杂，信息管理效率较差。

无线传感技术以无线传感器为核心，由无线器、无线检测器和测量电路共同组成[7]，具有远距离、无接触、速度快、精度高等显著优势[8]。针对上述信息管理系统中存在的缺陷，本文考虑无线传感技术的优势，设计了一种基于无线传感技术的图书馆自动借阅系统，以期有效提升图书馆图书借阅信息管理的工作质量。

1 基于无线传感技术的图书馆自动借阅系统设计

1.1 系统整体设计

基于无线传感技术的图书馆自动借阅系统整体架构如图1所示，由下至上分别是感知控制层、异构网络通信层和综合应用层。感知控制层主要利用无线传感技术进行图书信息采集；异构网络通信层内包含系统信息传输的不同网络载体，如无线网络、GMS/CDMA公共传输网络以及Internet网络等；综合应用层的主要功能是实现用户与系统之间的交互功能，依照用户指令进行远程监控、图书信息监视以及智能报警等功能的扩展应用。

图1 系统内整体架构

1.2 感知控制层设计

感知控制层是系统的基础支撑[9]，本文采用无线传感技术进行设计。感知控制层整体结构设计如图2所示。

图2 感知控制层整体结构

感知控制层利用无线传感器节点采集图书借阅信息，通过无线传感技术进行图书借阅信息通信。感知控制层设计过程中为防止输送信号产生碰撞问题，以频分复用思想为基础[10]，将信道带宽划分为若干个频段(子通道)，各频段间不存在重叠现象，且不同通道之间存在相应的空间距离，各传输信号均具有各自固定的子通道。通信模块接收端基于定向天线接收图书信息信号，同时利用异构网络通信层内的不同选频网络分离通信信号与能量信号，分离过程获取的通信信号对无线传感器节点实施读取操作，由此获取无线传感器节点内的图书数据。图书数据由原道反馈至通信模块发射端，能量信号被整合后，经由负载阻抗结合获取直流电压，实现无线传感器节点输电。

为保障感知控制层内无线传感器有效运行，需确保输出频率与通信单元接收频率一致，因此在感知控制层中需设计本振电路。感知控制层内的本振电路设计选取ADF4350，其具有小数与整数频率合成器，式(1)可描述ADF4350输出频率控制原理：

RFOUT=IN+FRMO×fPRF

(1)

式中，RFOUT和RF分别表示ADF4350的分频器频率输出与分频器，IN和FR分别表示整数分频系数和小数分频系数，MO和fP分别表示ADF4350的模数和细分压控振荡器频率的输出分频器。

式(2)描述fP的输出频率Q：

Q=RIN×1+σR×(1+T)

(2)

式中，RIN和σ分别表示ADF4350的基准频率输入和RF、RIN的倍频器位，R和T分别表示RF分频器的基准分频系数和0或1的基准2分频位。

通过设计感知控制层内的本振电路可确保感知控制层有效运行，实现感知控制层内软件设计。

1.3 综合应用层设计

在综合应用层内，异构网络通信层内的不同选频网络将不同类型的图书感知数据传输至个人或相关部门，通过数据与分析融合过程，监控图书馆内不同区域的图书，并且依照实际情况远程控制图书信息。同时，综合应用层内扩展不同应用，如图书目录检索、咨询服务、用户终端等，通过不同应用实现图书馆内图书资源共享。图3为综合应用层结构图。

图3 综合应用层结构图

综合应用层内采用数据挖掘技术统计不同图书借阅者的图书借阅记录，并对记录内容进行分析，构建相应的需求偏好模型。基于所构建的需求偏好模型，通过一系列分析计算后可确定图书借阅者感兴趣的图书，并通过各种形式向图书借阅者推荐相关图书，供图书借阅者选择。图书推荐过程如下。

在系统内输入图书借阅者的相关信息(借书证号)E={e1,e2,…,em}、图书借阅者特征F={f1,f2,…,ft}、图书在架复本数C={cy1,cy2,…,cyn}以及图书借阅者—图书借还时间间隔。

利用式(3)确定不同图书借阅者之间的主要特征相似度：

simf(ei,ej)=α×simp(ei,ej)+β×simg(ei,ej)+

χ×sims(ei,ej)

(3)

式中，simp(ei,ej)、simg(ei,ej)和sims(ei,ej)分别表示图书借阅者ei、ej的专业相似度、年龄相似度和性别相似度，α、β和χ均表示一个正数，α+β+χ=1。

利用式(4)确定图书借阅者之间图书借阅时间间隔频度云的相似度：

sime(ei,ej)=cos(Vei,Vej)=Vei·VejVei×Vej

(4)

式中,云ei、ej的数字特征向量分别为Vei=(Exei,Enei,Heei)和Vej=(Exej,Enej,Heej)，其中Ex、En和He分别表示数值特征期望、熵和超熵。

结合式(3)与式(4)，利用式(5)计算不同图书借阅者间的相似度：

sim(ei,ej)=θ×imf(ei,ej)+(1-θ)×ime(ei,ej)

(5)

式中，θ∈[0,1]表示权重因子。

依照式(5)将sim(ei,ej)降序排序，确定目标图书借阅者ei的最近邻居集合Nej=(N1,…,Nk)。依照Nej内不同图书借阅者对图书的偏好，确定ei对图书yi的偏好程度：

Pei,yi=eyei+∑ek∈Nejsim(ei,ej)×(eyek,i-eyek)∑ek∈Nejsim(ei,ek)

(6)

式中，eyei和Nej分别表示目标图书借阅者ei外借与归还图书的平均时间间隔和ei的最近邻居，sim(ei,ek)表示ei与图书借阅者ek的相似度。

将Pei,yi最高，且图书馆内在架副本数部位0的l本图书推荐给目标图书借阅者ei。

通过上述过程准确的向图书借阅者推荐符合其需求的图书，至此完成基于无线传感技术的图书馆自动借阅系统的设计。

2 性能分析

实验为测试本文所设计的基于无线传感技术的图书馆自动借阅系统的实际应用性能，选取某市图书馆为应用对象，在其管理部门搭建本文系统进行图书自动借阅管理，测试结果如下。

2.1 系统模块功能性测试

系统模块功能性测试的主要内容是测试本文系统综合应用层内图书借阅模块和自动还书模块的性能。为保障图书借阅模块和自动还书模块对输入内容的健壮性，以不同模块设计功能需求为标准，采用黑盒测试法进行测试。

2.1.1 图书借阅模块性能测试

采用黑盒测试法测试图书借阅模块，测试用例、预期输出与实际输出如表1所示。分析表1可知，图书借阅首先需要扫描读者借书证，确定图书借阅者身份。在确定图书借阅者身份后，需扫描图书，系统将捆绑图书借阅者的相关信息(借书证号)与图书信息(ISBN号)，点击确定按钮后，即可完成图书借阅。分析表1还可得到，图书借阅模块能够识别图书借阅者相关信息(借书证号)是否注册，且能够根据图书借阅者相关信息(借书证号)判断其可借图书的上限量。针对为注册的图书借阅者提示其“用户不存在”。表1内的相关测试用例的实际输出与预期输出完全一致，由此说明本文系统图书借阅模块设计符合预期要求。

2.1.2 自动还书模块性能测试

采用黑盒测试法测试自动还书模块，测试用例、预期输出与实际输出如表2所示。分析表2得到，本文系统自动还书模块能够识别图书是否存在，是否被借阅，是否被归还。表2内的相关测试用例的实际输出与预期输出完全一致，由此说明本文系统自动还书模块设计符合预期要求。

2.2 图书信息采集测试

为测试本文系统中图书信息采集精度，在应用对象数据库内随机选取6 500组数据作为实验数据进行测试。以文献[4]中基于云平台的管理系统和文献[5]中基于大数据决策的管理系统为对比系统，对比相同实验环境下本文系统与对比系统在图书信息采集方面的准确度(所采集的不同大小的数据同原始数据间的一致度，单位为%)，结果如表3所示。分析表3可知，本文系统针对不同大小的图像信息数据进行采集，所采集数据同原始数据间的一致度均值达到98.39%，与文献[4]系统和文献[5]系统相比，一致度均值分别提升6.69%和5.27%。以上数据充分说明本文系统对图书信息数据采集的准确度较高，因此采用本文系统进行图书自动解约管理具有较高的可靠性。

表3 不同系统图书信息采集精度测试结果

2.3 能耗分析

在相同实验环境下，随机选取连续时段(24小时)，在所选的连续时段内，每隔4小时进行一次能耗检测并记录检测结果。单次检测完成后，将能耗清零后再次进行下一时间节点能耗检测，再次记录监测结果。对比本文系统与两个对比系统的在所选连续时段内的能耗，测试结果如图4所示。分析图4得到，在0点至8点之间，研究对象处于非开馆状态，三个系统均处于待机模式，本文系统电能消耗显著低于两个对比系统。在8点至20点之间，三个系统均处于工作模式，因此三个系统的能耗量均处于逐渐提升的状态，本文系统电能消耗显著低于两个对比系统。20点至24点之间，三个系统均回归待机模式，本文系统电能消耗显著低于两个对比系统。结果说明，无论系统处于待机模式还是处于工作模式，本文系统的电能消耗均显著低于两个对比系统，由此说明本文系统与两个对比系统相比能够有效节约电能。

图4 能耗测试结果