宋朝霞 張 麗

（北京語言大學(xué) 北京 100083）

1 引言

計(jì)算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了圖書館的管理模式由數(shù)字化管理向智能化管理的發(fā)展和創(chuàng)新［1~2］。智能化管理通過智能化手段收集用戶信息數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行分析，以此作為向用戶提供服務(wù)的依據(jù)。它能夠通過對(duì)讀者定位，了解分析讀者需求動(dòng)向，并對(duì)圖書環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)；利用數(shù)據(jù)挖掘、搜索和分析技術(shù)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而確定圖書館的購書方向；也可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)讀者檢索需求為讀者推薦最合適的圖書資源，從而加強(qiáng)圖書館信息服務(wù)效能，提高圖書館信息服務(wù)質(zhì)量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是適用于圖書館的智能化和精確化管理的重要技術(shù)手段。

本文從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手，通過分析智慧圖書館的應(yīng)用需求，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了智慧圖書館中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了在智慧圖書館中利用無線傳感器收集讀者信息數(shù)據(jù)，通過整理數(shù)據(jù)分析讀者閱讀需求，制定出符合讀者需求的購書計(jì)劃和圖書擺放策略，提高讀者的滿意度。

2 問題提出

“智慧圖書館”的概念是芬蘭奧盧大學(xué)艾托拉教授在文章《智慧圖書館：基于位置感知的移動(dòng)圖書館服務(wù)》［3］中首次提出的。這種新型圖書館需要將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和智能化設(shè)備等現(xiàn)代化信息技術(shù)運(yùn)用到圖書館建設(shè)中，通過信息通信技術(shù)對(duì)外部服務(wù)環(huán)境變化進(jìn)行感知、了解用戶需求，并分析服務(wù)模式的變化趨勢(shì)，逐步完成對(duì)圖書館信息資源的智慧化搜索、個(gè)性化定制和智慧化推送，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)共享和讀者需求智慧感知［4］。進(jìn)行高校智慧圖書館建設(shè)，需要根據(jù)具體情況，利用智能化相關(guān)設(shè)備從自身工作過程中積累大量有效數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析整理，實(shí)現(xiàn)對(duì)原有資源進(jìn)行優(yōu)化和改造以及對(duì)圖書館所有知識(shí)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和有機(jī)整合［5］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)集數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸于一體，它是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，是通信與信息技術(shù)的新領(lǐng)域［6］。與其他種類的無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著大規(guī)模、自組織性、動(dòng)態(tài)性和可靠性的特點(diǎn)［7~8］。它融合了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、微電子技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和無線通信技術(shù)等多個(gè)學(xué)科［9］，在智慧圖書館［10］的應(yīng)用領(lǐng)域中有著重要科研價(jià)值及使用價(jià)值。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)盡可能多地搜集用戶數(shù)據(jù)，把各種用戶數(shù)據(jù)綜合在一起進(jìn)行分析整理，通過數(shù)據(jù)挖掘來發(fā)現(xiàn)不同類型用戶在各方面的需求，構(gòu)建以實(shí)現(xiàn)“圖書館智慧管理”和以“為讀者提供智慧服務(wù)”為目標(biāo)的智慧圖書館，是實(shí)現(xiàn)高校智慧圖書館智慧化管理的最佳途徑。因此，在高校智慧圖書館中，需要充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源，根據(jù)收集到的有效數(shù)據(jù)來分析發(fā)現(xiàn)它們的潛在規(guī)律，利用知識(shí)統(tǒng)計(jì)分析理論得到有關(guān)讀者閱讀需求的結(jié)論，以此為依據(jù)來改進(jìn)高校圖書館智慧型服務(wù)模式，提高圖書館的服務(wù)質(zhì)量和能效。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［11］綜合了傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)、嵌入式等多學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)匯總的多功能通信平臺(tái)，是目前通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［12］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［13］技術(shù)具有快速自組織、低功耗、低成本、多功能等優(yōu)點(diǎn)［14］，能夠通過感知技術(shù)，將監(jiān)測(cè)對(duì)象與信息世界融合在一起，成為溝通真實(shí)物理世界和信息世界的橋梁。

智慧圖書館中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件基本結(jié)構(gòu)如圖1，它的基本組成包括傳感器節(jié)點(diǎn)（Node）、匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink）和圖書館監(jiān)控中心的管理節(jié)點(diǎn)。這個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵核心是單個(gè)收集信息的傳感器節(jié)點(diǎn)，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)地安置在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部，它們不僅具有收集數(shù)據(jù)的功能，同時(shí)也具有傳輸數(shù)據(jù)的功能。能夠?qū)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)收集到的信息利用逐跳傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行傳輸，經(jīng)過多跳后最終傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中用于收集各傳感器節(jié)點(diǎn)感知到的信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部有線通信網(wǎng)絡(luò)的有效連接。為實(shí)現(xiàn)匯聚節(jié)點(diǎn)的重要作用，需要根據(jù)實(shí)際的監(jiān)測(cè)環(huán)境對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須保證它具有足夠的能源，能夠?qū)⑹占降男畔l(fā)送到圖書館監(jiān)控中心。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

為了解用戶對(duì)圖書館資源的動(dòng)態(tài)需求情況，實(shí)現(xiàn)面向應(yīng)用的動(dòng)態(tài)資源管理及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，我們?cè)O(shè)計(jì)的智慧圖書館無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理參考模型如圖2所示。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理參考模型

4.1 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)收集層是構(gòu)建智慧圖書館的基礎(chǔ)設(shè)施層，無線傳感器是收集數(shù)據(jù)信息的基本單元。它不僅需要采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，還要負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后通過逐跳傳輸?shù)姆绞絺鬏斀o匯聚節(jié)點(diǎn)。所以它的硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)該包括能量供應(yīng)模塊（電池）、無線通信模塊、處理器模塊和數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器模塊）四部分，如圖3所示。其中的能量供應(yīng)模塊主要負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)內(nèi)的各用電模塊提供足夠能量；無線通信模塊主要負(fù)責(zé)進(jìn)行收/發(fā)數(shù)據(jù)信息和交換控制/通信信息；處理器模塊主要負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作、存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)；傳感器模塊主要負(fù)責(zé)采集信息并進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換，它始終處于工作狀態(tài)。這些無線傳感器節(jié)點(diǎn)使功能單一的感知設(shè)備之間能夠通過協(xié)作方式完成感知任務(wù)。我們選擇的無線傳感器的信息傳輸最遠(yuǎn)距離大約在50m左右，能夠?qū)崿F(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)之間通過無線方式有效傳輸數(shù)據(jù)。

圖3 無線傳感器硬件結(jié)構(gòu)

在智慧圖書館入口的閘機(jī)處地面上安裝壓力傳感器用于感知讀者體重，在閘機(jī)附近的墻壁或其它裝置上安裝感光傳感器用于感知讀者身高。另外，在圖書館中每個(gè)書架兩側(cè)也都需要部署感光傳感器和壓力傳感器來感知讀者信息。讀者在圖書館入口處通過刷校園卡的方式進(jìn)入圖書館，在檢測(cè)校園卡信息后打開閘門的同時(shí)無線傳感器需要感知讀者身高和體重信息。感知數(shù)據(jù)被傳送給管理監(jiān)控中心，所感知到的身高和體重信息數(shù)據(jù)將會(huì)和校園卡中的卡號(hào)信息一起被寫入管理監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫。在圖書館內(nèi)部的書架兩側(cè)也同樣安裝有感光傳感器和壓力傳感器（如圖1），我們可以通過它們來感知進(jìn)出某固定書架區(qū)域的讀者信息，如果感知到的數(shù)據(jù)在有效范圍內(nèi)（35kg<體重<100kg，并且145cm<身高<200cm）就記錄下感知到的具體信息數(shù)據(jù)：包括讀者身高、體重信息，傳感器所在的書架序號(hào)信息以及此信息被感知的具體時(shí)間。同一書架上的傳感器如果在同一天的不同時(shí)間感知到兩次壓力和身高都相同的數(shù)據(jù)，就可以認(rèn)為同一讀者進(jìn)出此通道一次。這些信息被簡(jiǎn)單處理后存儲(chǔ)在無線傳感器的存儲(chǔ)器中，等待本節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道后被發(fā)送。

4.2 數(shù)據(jù)的無線傳輸

由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)體積很小，使用電池供電，同一樓層相鄰傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離控制在有效的通信范圍內(nèi)，要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也不大，所以可以通過自組網(wǎng)的形式相互通信。將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過無線傳輸方式從一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)按照目的節(jié)點(diǎn)方向依次傳遞到另一個(gè)相鄰的傳感器節(jié)點(diǎn)，最終到達(dá)本樓層匯聚節(jié)點(diǎn)。

傳感器節(jié)點(diǎn)的通信模塊有三種工作狀態(tài)：空閑、接收和發(fā)射。本文設(shè)計(jì)的智慧圖書館無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn)采用相同的活躍/睡眠周期交替策略（如圖4）。為了減小能耗，只有當(dāng)需要傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，才開啟無線通信模塊，用于收發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)不需要收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，則關(guān)閉無線通信模塊，以減少空閑偵聽時(shí)間，降低能量消耗。

圖4 同步機(jī)制的數(shù)據(jù)傳輸

傳感器節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)時(shí)，通過sleep定時(shí)器設(shè)定休眠周期。經(jīng)過預(yù)定的周期時(shí)間，就會(huì)喚醒傳感器節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)listen定時(shí)器。節(jié)點(diǎn)從休眠狀態(tài)被喚醒后，首先監(jiān)聽信道，如果此時(shí)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送并且信道空閑就開始發(fā)送數(shù)據(jù)，否則就進(jìn)入偵聽狀態(tài)。如果此時(shí)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)就開始信道競(jìng)爭(zhēng)，競(jìng)爭(zhēng)到信道的節(jié)點(diǎn)才能開始發(fā)送數(shù)據(jù)，其他鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送或接收時(shí)，無線收發(fā)裝置會(huì)被置于休眠模式，等到需要的時(shí)候再喚醒它。

4.3 信息處理和傳輸

智慧圖書館網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)匯聚節(jié)點(diǎn)是傳感器節(jié)點(diǎn)信息的匯集點(diǎn)，它可以和傳感器節(jié)點(diǎn)通過功耗比較低的Zigbee技術(shù)［15］進(jìn)行無線通信，組成一個(gè)探測(cè)單元，完成信號(hào)的收集，并可以對(duì)收集到的讀者數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，具有信息分發(fā)、融合和匯聚等功能（如圖5）。考慮到圖書館的具體面積和傳感器節(jié)點(diǎn)的分布特點(diǎn)及信息有效傳輸距離，可以在圖書館的每個(gè)樓層中心位置設(shè)置一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)并配置可靠的供電電源。為保證對(duì)數(shù)據(jù)的有效處理，匯聚節(jié)點(diǎn)還需要配置較大容量存儲(chǔ)單元以及較高性能的微處理器。每個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)可以連接多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的就地采集，另一方面也可以較為便利地融合與匯集下層網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)。

圖5 匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流

匯聚節(jié)點(diǎn)需要先對(duì)本樓層的傳感器節(jié)點(diǎn)收集到的信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)融合，將無效的和可信度較差的冗余數(shù)據(jù)刪除，然后將有效數(shù)據(jù)通過有線通信系統(tǒng)傳遞給監(jiān)控中心，其流程圖如圖6。

圖6 匯聚節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

4.4 信息管理及分析

高校圖書館入口處設(shè)置的刷卡裝置，可以在讀者刷卡時(shí)得知讀者姓名、年級(jí)、專業(yè)等信息。圖書館入口處設(shè)置的無線傳感器可以感知讀者的身高和體重信息作為進(jìn)入圖書館后的讀者標(biāo)識(shí)，并和校園卡內(nèi)信息進(jìn)行綁定。圖書館內(nèi)部書架兩側(cè)布置的無線傳感器所感知到的有效讀者身高、體重信息，可以用于計(jì)算讀者進(jìn)入和離開此書架的時(shí)間，分析讀者在每個(gè)區(qū)域停留時(shí)間。監(jiān)控中心接收來自各樓層匯聚節(jié)點(diǎn)的信息，和讀者進(jìn)入圖書館時(shí)所收集的信息進(jìn)行匯總，就可以感知每天的特定時(shí)間段進(jìn)入圖書館的人數(shù)，再對(duì)讀者的專業(yè)、年級(jí)、停留時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，就可以得知哪些區(qū)域的哪些書籍比較受哪些學(xué)生人群的歡迎，從而為圖書館采購書籍策略提供參考。也可以根據(jù)讀者進(jìn)入特定區(qū)域的人數(shù)和時(shí)間來編排和分配書架和書籍的布局，從而最大化地利用好圖書館的學(xué)習(xí)空間。

5 系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)證

為測(cè)試所設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能，我們選取了圖書館內(nèi)固定區(qū)域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)域，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域入口處放置讀卡器并安裝壓力傳感器、感光傳感器，讀者需要通過刷卡方式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)區(qū)域，刷卡時(shí)將讀者體重、身高信息以及校園卡中信息同時(shí)上傳給監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫，將傳感器感知到的信息與校園卡的信息進(jìn)行綁定。在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)部并列擺放10個(gè)書架，每個(gè)書架上擺放不同研究方向的書籍。各書架兩端安裝感光傳感器和壓力傳感器，用于采集閱讀本書架書籍的讀者信息，傳感器的信息傳輸距離為50m，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域中間部分安裝匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)收集各傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)后進(jìn)行存儲(chǔ)與融合，再通過有線傳輸方式將數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對(duì)采集到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

測(cè)試及分析結(jié)果表明，在進(jìn)行測(cè)試的五天中共有203名學(xué)生通過刷卡進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)區(qū)域。所設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出了這203名學(xué)生中進(jìn)入每個(gè)書架區(qū)域的學(xué)生具體人數(shù)、專業(yè)、年級(jí)和停留時(shí)間，與人工記錄的信息相符，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于數(shù)據(jù)的采集和保存。這些數(shù)據(jù)可以用于圖書館購書計(jì)劃的制定和圖書擺放策略的分析。

6 結(jié)語

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)讀者和書籍?dāng)?shù)據(jù)采集，利用得到的數(shù)據(jù)改進(jìn)高校智慧圖書館服務(wù)，是提高高校圖書館服務(wù)水平的重要途徑。本文首先對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)討論了對(duì)讀者信息進(jìn)行采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。通過分析系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)，與大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)圖書館的智能化管理，這對(duì)高校圖書館的數(shù)字化建設(shè)具有重要意義。