CN104091237A

CN104091237A - 利用无线传感技术的图书馆座位管理系统

Info

Publication number: CN104091237A
Application number: CN201410324477.5A
Authority: CN
Inventors: 张海涛; 乐洋; 陈羽茜; 朱菊; 黄锐; 胡栋; 沙超; 张波波; 霍晓宇; 葛国栋
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2014-07-08
Filing date: 2014-07-08
Publication date: 2014-10-08

Abstract

本发明提供一种利用无线传感技术的图书馆座位管理系统，该系统由数据采集、数据传输、实时监控三部分构成，使用超声波传感模块自动探测座位使用状态、按键控制模块设定临时离开座位状态、LED模块显示座位当前使用状态；使用蓝牙传输模块将数据采集部分获取的座位状态信息，从发送端无线传输到接收端，并使用网络传输模块传递到局域网中，对座位状态进行实时显示；自动感应、操作简单：无需要求学生在图书馆门口排队刷卡，并执行选座位的操作，座位上的超声波传感模块可自动感应座位的使用状态；设计灵活，更具人性化：通过组合使用超声波传感模块和按键控制模块，可实现学生暂时离开座位的管理，也可有效应对“占座”问题。

Description

利用无线传感技术的图书馆座位管理系统

技术领域

本发明涉及一种利用无线传感技术的图书馆座位管理系统。

背景技术

近年来，国内高校招生规模不断招大，充分利用已有的基础设施，是实现资源高效管理的关键。高校图书馆具有丰富的馆藏资源和浓厚的学习氛围，是大学师生非常喜爱的学习场所。但是，数量有限的图书馆的座位资源，加之不善的座位管理方式，为图书馆的系统管理带来了挑战。

由于图书馆的座位资源有限,在临近学期末的时候会出现十分严重的“占座”的现象。同时又因为与上课时间冲突的问题，一些被“占座”的座位常常会被闲置，而别的同学又无法使用。

一些高校的图书馆采用人工巡查方式进行座位管理。但是，这种方式不仅会造成人力资源的浪费，还会引起对“占座”问题的误判，例如：一些座位上的同学，可能只是临时出去接个电话而暂时离开，也会被误认为“占座”。

此外，还有一些高校采用刷卡方式进行座位管理。基本操作步骤：刷卡进入系统—>选定座位—>入座—>离开—>刷卡退出系统。这种方式存在的问题是：

(1)系统不够灵活，学生在学习过程中，如果需要临时离开(例如，接电话、上厕所等)，必须“刷卡退出系统”，当其再次回到图书馆后，还须再“刷卡进入系统”，并执行“选定座位”的操作。这种方式不仅操作繁琐，而且还为学生的学习带来不便。因为，“刷卡退出系统”后座位就不再保留，再次“刷卡进入系统”不能保证再次选定座位就是原来的座位，这对于学生需要结伴学习时尤其不便。

(2)系统管理存在漏洞，当学生离开图书馆的时候，如果忘记“刷卡退出系统”，系统会将其使用座位一直显示为使用状态。此外，也无法解决“占座”的问题，如果执行“刷卡退出系统”、“选定座位”操作后，直接离开图书馆，系统也将会为其一直保留座位，不能实现座位的充分使用。

发明内容

本发明目的是提出了一种基于超声波和蓝牙无线传感技术的图书馆座位管理系统，通过图书馆座位信息的自动感知、实时监控，解决现有技术中存在的传统的使用人工管理方式、刷卡方式的图书馆座位管理系统，存在不够灵活、系统管理存在漏洞等问题

本发明的技术解决方案是：

一种利用无线传感技术的图书馆座位管理系统，包括数据采集单元、数据传输单元、实时监控单元；

数据采集单元，使用超声波传感模块自动探测座位使用状态、按键控制模块设定临时离开座位状态、LED模块显示座位当前使用状态；

数据传输单元，使用蓝牙传输模块将数据采集单元获取的座位状态信息，从发送端无线传输到接收端，并使用网络传输模块进一步通过有线方式传递到局域网中；

实时监控单元，接收数据传输单元传递过来的座位状态信息，并使用网页对座位状态进行实时显示；

具体为：

通过超声波检测座位是否有人，检测到有人则使LED灯灭，未检测到有人则使LED灯亮，显示座位无人；

在座位有人时，持续检测是否离开，如离开，则判断是否按下暂时离开按键，如按下暂时离开按键，使LED灯闪烁，提示为暂时离开；如离开未按下暂时离开按键，则使LED灯亮，显示座位无人；

在LED灯开始闪烁提示暂时离开时，计时器开始计时，计时未超过预设时间，超声波持续检测座位是否有人，如仍未检测到有人，保持LED灯闪烁状态提示暂时离开；如检测到有人，使LED灯灭；如计时超过预设时间，则使LED灯亮，显示座位无人。

进一步地，数据采集单元包括：

超声波传感模块：利用超声波双程传播时间来测量超生波发射器与被探测物体之间的距离，设置超声波的有效探测距离，探测座位是否有人；

LED显示模块：依据超声波传感模块的检测结果，使用LED灯表示座位被使用的3种状态，“亮”提示座位无人，“闪烁”提示暂时离开，“暗”提示座位有人；

按键计时模块：依据超声波传感模块的检测结果，通过控制LED显示模块的闪烁状态与灯亮状态，区分“暂时离开”和“离开”的状态。

进一步地，数据传输单元包括：

蓝牙传输模块：包括发送端和接收端，发送端和接收端的角色通过使用串口调试的AT指令进行设置，发送端通过发射蓝牙无线信号，将数据采集单元获取的座位状态信息，无线传输给接收端；

网络传输模块：通过有线网络，将蓝牙传输模块接收端的数据，高速传递到局域网络上；

LED状态模块：将数据采集部分获取的信息，在数据传输单元进行直观显示，该模块的状态信息与数据采集单元的LED显示模块保持一致。

进一步地，实时监控单元，包括网页实时显示模块，使用PC、PDA或者智能手机有线或无线接入局域网，对图书馆座位的使用状态信息进行查询和实时监控。

进一步地，数据采集单元具体为：采用Arduino UNO R3硬件开发板对超声波模块、LED显示模块、按键计时模块以及蓝牙传输模块的发送端进行集成，其中，超声波模块选用HC-SR04，蓝牙传输模块的发送端选用HC-05。

进一步地，蓝牙传输模块的通信协议设置，具体操作为：利用USB转TTL数据线，将HC-05蓝牙连接到计算机的USB接口；使用串口工具，将HC-05蓝牙的RS232电平转换连接到计算机的com接口；使用他串口工具，通过发送AT指令对发送端和接收端进行通信协议的设置。

进一步地，数据传输单元具体为：采用Arduino UNO R3硬件开发板对蓝牙传输模块的接收端、网络传输模块以及LED状态模块进行集成，其中，蓝牙传输模块的接收端也选用HC-05，网络传输模块选用W5100。

本发明的有益效果是：与现有占位管理方式相比，该系统具有如下优势：

一、自动感应、操作简单。有别于市场上基于刷卡方式进行图书馆座位管理的系统，该系统无需要求学生在图书馆门口排队刷卡，并执行选座位的操作，座位上的超声波传感模块可自动感应座位的使用状态。这种自动感应的方式，没有过多改变学生原有的使用图书馆的模式，且操作简单。

二、设计灵活，更具人性化。通过组合使用超声波传感模块和按键控制模块，即可实现学生暂时离开座位的管理，也可有效应对“占座”问题。学生在需要暂时离开座位时，只要按下按键，LED灯开始持续“闪烁”，其他同学看到LED处于“闪烁”状态，即了解该座位已被其他同学占用、只是其临时离开，从而可以实现暂时离开、保留座位的需求。在设定的等待时间内(30分钟)，如果学生回到座位，系统通过使用超声波传感自动将座位恢复为有人使用状态(LED灯“暗”)。否则，系统将该座位自动设定为无人使用的状态(LED灯“亮”)，图书馆管理人员看到LED灯“亮”，但座位又实际无人使用，则可认定为是“占座”。

附图说明

图1是实施例系统的体系结构图。

图2是实施例系统的工作流程图。

图3是数据采集单元的体系结构图。

图4是数据采集单元的原理图。

图5是数据传输单元的体系结构图。

图6是HC-05蓝牙传输模块的接收端及LED显示模块与Arduino UNO R3硬件开发板硬件连接的原理图。

图7是W5100网络传输模块与Arduino UNO R3硬件开发板硬件连接的原理图。

图8是实施例中实时监控部分运行界面的示例图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细描述。应当明确，以下内容仅仅用来描述本发明而不作为对本发明的限制。

实施例一种基于超声波和蓝牙无线传感技术的图书馆座位管理系统，采用自动感知、实时监控的方式进行图书馆座位的管理。相对于传统的方法具有两点优势：一、具有自动感应、操作简单：无需要求学生在图书馆门口排队刷卡，并执行选座位的操作，座位上的超声波传感模块可自动感应座位的使用状态。二、设计灵活，更具人性化：通过组合使用超声波传感模块和按键控制模块，即可实现学生暂时离开座位的管理，也可有效应对“占座”问题。

该种基于超声波和蓝牙无线传感技术的图书馆座位管理系统，包括信息采集、数据传输、信息实时查询监控三部分。系统体系结构如图1所示，系统工作流程如图2所示。

数据采集部分，使用超声波传感模块自动探测座位使用状态、按键控制模块设定临时离开座位状态、LED模块显示座位当前使用状态。然后，数据传输部分，使用蓝牙传输模块将数据采集部分获取的座位状态信息，从发送端无线传输到接收端，并使用网络传输模块进一步通过有线方式传递到局域网中。最后，实时监控部分，接收数据传输部分传递过来的座位状态信息，并使用网页对座位状态进行实时显示。

数据采集部分的体系结构设计，采用Arduino UNO R3硬件开发板对超声波模块、LED显示模块、按键计时模块以及蓝牙传输模块的发送端进行集成，体系结构如图3所示。其中，超声波模块选用HC-SR04，蓝牙传输模块的发送端选用HC-05，整个数据采集部分依靠Arduino UNO R3硬件开发板的USB接口或16VDC输入接口进行供电。

数据采集部分的硬件设计与实现，硬件连接的原理图分别如图4所示，详细信息如下：

HC-SR04超声波模块与Arduino UNO R3硬件开发板的连接：HC-SR04超声波模块的GND引脚连接到Arduino UNO R3硬件开发板的GND端口，HC-SR04超声波模块的Echo引脚连接到Arduino UNO R3硬件开发板的数字(DIGITAL)5端口，HC-SR04超声波模块的Trig引脚连接到Arduino UNO R3硬件开发板的数字(DIGITAL)6端口，HC-SR04超声波模块的VCC引脚连接到Arduino UNO R3硬件开发板的电源(POWER)5V端口。

LED显示模块与Arduino UNO R3硬件开发板的连接：LED显示模块的正极长引脚连接到Arduino UNO R3硬件开发板的数字(DIGITAL)7端口，LED显示模块的负极短引脚连接到Arduino UNO R3硬件开发板的电源(POWER)GND端口(需串联220Ω电阻)。

按键计时模块与Arduino UNO R3硬件开发板的连接：按键计时模块的引脚1连接到Arduino UNO R3硬件开发板的电源(POWER)5V端口，按键计时模块的引脚2连接到Arduino UNO R3硬件开发板的数字(DIGITAL)8端口，按键计时模块的引脚3连接到Arduino UNO R3硬件开发板的电源(POWER)GND端口(需串联220Ω电阻)。

HC-05蓝牙传输模块的发送端与Arduino UNO R3硬件开发板的连接：HC-05蓝牙传输模块的发送端的VCC引脚连接到连接到Arduino UNO R3硬件开发板的电源(POWER)5V端口，HC-05蓝牙传输模块的发送端的GND引脚连接到Arduino UNO R3硬件开发板的电源(POWER)GND端口，HC-05蓝牙模块的发送端的TX_5V引脚连接到Arduino UNO R3硬件开发板的数字(DIGITAL)RX0端口，HC-05蓝牙传输模块的RX_5V引脚连接到Arduino UNO R3硬件开发板的数字(DIGITAL)TX1端口。

数据采集部分的程序代码实现，采用Arduino IDE作为程序集成开发环境，具体功能实现如下：

HC-SR04超声波模块进行测距的基本原理：采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，也即：测试距离＝(高电平时间*声速(340M/S))/2。

HC-SR04超声波模块在设定的距离范围内对学生是否使用座位状态进行探测，并将结果输出到LED显示模块的功能实现见数据采集部分功能代码示例中代码20～47行。其中，代码20～24行实现超声波模块测距，代码25～27行以及代码35～36行实现将超声波探测结果输出到LED显示。

HC-SR04超声波模块与按键计时模块联合，对学生临时离开座位的进行管理：学生临时离开时，按下按键开始计时，并设定临时离开的时间为30分钟。30分钟时间内，如果HC-SR04超声波模块探测到学生回来，则LED灯“暗”，否则LED“闪烁”直至30分钟后LED灯“亮”。因为从按下按键开始计时起，LED即开始“闪烁”，其他同学看到LED处于“闪烁”，即了解该座位已被其他同学占用，只是其临时离开。因此，其他同学也不会去使用该座位，从而可以避免学生临时离开座位，而被其他同学占用的情况。

具体的功能实现见数据采集部分功能代码示例中代码17～18行以及代码50～80行。其中，代码17行对是否按下按键进行判断，代码52～57行实现计时和LED灯的“闪烁”，代码58～65行以及代码73～77行实现在计时期间的超声波距离探测以及将探测结果输出到LED显示。

座位的使用状态信息，通过采用串口通信方式以9600波特率，从Arduino UNO R3硬件开发板传递到HC-05蓝牙传输模块的发送端。具体的功能实现见数据采集部分功能代码示例中代码13、25～46、63～78行。其中，代码12行将串口通信的波特率设置为9600，代码25～35行实现超声波没有探测到物体时信息传递，代码36～46行实现超声波探测到物体时信息传递，代码63～73行实现按键计时期间、超声波探测到物体的信息传递，代码74～78行实现按键计时期间、超声波没有探测到物体的信息传递。

为了实现基于超声波距离探测，确定座位是否被使用具有更强的容错性。在代码25～46、63～78行中还设定连续离座、在座时延超过1分钟的条件，以减少误判的概率。

数据采集部分功能代码示例：

数据传输部分的体系结构设计，其中，蓝牙传输模块的接收端、网络传输模块以及LED显示模块的集成也采用Arduino UNO R3硬件开发板，体系结构如图5所示。其中，蓝牙传输模块的接收端也选用HC-05，网络传输模块选用W5100。同样，整个数据传输部分也依靠Arduino UNO R3硬件开发板的USB接口或16VDC输入接口进行供电。

数据传输部分的硬件设计与实现，HC-05蓝牙传输模块的接收端以及LED 显示模块与Arduino UNO R3硬件开发板硬件连接的原理图分别如图6所示。W5100网络传输模块与Arduino UNO R3硬件开发板的硬件连接的原理图分别如图7所示。详细信息如下：

HC-05蓝牙传输模块的接收端与Arduino UNO R3硬件开发板的连接：HC-05蓝牙传输模块的接收端的VCC引脚连接到Arduino UNO R3硬件开发板的电源(POWER)5V端口，HC-05蓝牙传输模块的接收端的GND引脚连接到Arduino UNO R3硬件开发板的电源(POWER)GND端口，HC-05蓝牙传输模块的接收端的TX_5V引脚连接到Arduino UNO R3硬件开发板的数字(DIGITAL)RX0端口，HC-05蓝牙传输主模块的RX_5V引脚连接到Arduino UNO R3硬件开发板的数字(DIGITAL)TX1端口。连接后蓝牙模块就可以自动配对，蓝牙自带LED灯状态为重复2秒快闪时，表示配对成功。

LED显示模块与Arduino UNO R3硬件开发板的连接：LED显示模块的负极短引脚连接到Arduino UNO R3硬件开发板的电源(POWER)GND端口，LED显示模块的正极长引脚连接到Arduino UNO R3硬件开发板的数字(DIGITAL)12端口(需串联220Ω电阻)。

W5100网络传输模块与Arduino UNO R3硬件开发板的连接：W5100网络传输模的数字端口(DIGTAL PWM(^/)的23^/45^/6^/789^/10^/11^/1213TX->10->RX)的引脚线插入Arduino UNO硬件开发板数字(DIGTAL)端口(2345678910111213TX1RX0)的引脚孔，W5100网络传输模的AREF、GND引脚线插入Arduino UNO硬件开发板的AREF、GND引脚孔，W5100网络传输模的6个ICSP引脚线插入Arduino UNO硬件开发板的6个ICSP引脚孔，W5100网络传输模的模拟端口(ANALOG IN A0A1A2A3A4A5)的引脚线插入Arduino UNO硬件开发板的模拟端口(ANALOG IN012345)引脚孔，W5100网络传输模的电源端口(Vin GND GND5V3.3V)的引脚线插入Arduino UNO硬件开发板的电源(POWER)端口(Vin GND GND5V3V3)引脚孔，W5100网络传输模的RESET端口的引脚线插入Arduino UNO硬件开发板的RESET端口引脚孔。

HC-05蓝牙无线传输模块的通信协议的设置，具体操作如下：

将模块通过RS232电平转换连接到电脑COM口，可以直接利用USB转TTL数据线，连接五根线，包括VCC，GND，tx,RX,KEY，其中KEY接高电平时表示进入AT模式。

使用超级终端或串口调试助手，通过发送AT指令对发送端和接收端进行通信协议的设置。其中，HC-05蓝牙传输模块的发送端执行如下设置：设备测试、设备复位、设置设备名称、设置设备为从模块、设置从模块设备的配对密码、设置主模块设备的串口参数。对于HC-05蓝牙传输模块的接收端执行如下设置：设备测试、设备复位、设置设备名称、设置设备为主模块、设置主模块设备的配对密码、设置主模块设备的连接模式为“任意蓝牙地址连接模式”、设置主模块设备的串口参数。具体的AT指令及说明，见数据网络传输与系统监控部分功能代码示例。

数据传输部分的程序代码实现，采用Arduino IDE作为程序集成开发环境，具体功能实现如下：

通过波特率9600端口，HC-05蓝牙传输模块的接收端将座位监控状态数据传递到Arduino UNO R3的串口上，具体的功能实现代码见数据网络传输与系统监控部分功能代码示例中代码9～12行。其中，代码9行设置串口波特率为9600，代码10～12行等待建立连接。

利用Arduino UNO R3的串口，将座位的使用状态数据传递到LED显示模块的功能实现见数据网络传输与系统监控部分功能代码示例中代码56-67行。

实时监控部分的程序代码实现，采用Arduino IDE作为程序集成开发环境，具体功能实现如下：

W5100局域网服务器的初始化，具体的功能实现代码见数据网络传输与系统监控部分功能代码示例中代码5～7行、13～17行。其中，代码5～7行对W5100局域网的MAC地址格式、IP地址以及访问端口进行配置，代码13～17行完成局域网连接建立、局域网服务器启动、以及通过序列端口输出局域网IP地址等操作。

在路由器中加入上述的IP和MAC地址到路由器的静态列表，本操作只需设置一次，后续使用时无需再次设置。

利用Arduino UNO R3的串口，将座位的使用状态数据传递到W5100局域网服务器，具体的功能实现代码见数据网络传输与系统监控部分功能代码示例中代码25～54行、69～95行，其中代码41行调用代码69～95行定义的初始化函数，对W5100局域网服务器的输出结果进行初始化。代码43～49行利用Arduino UNO R3的串口，将座位的使用状态数据传递到W5100局域网服务器。

实时监控部分，使用PC、PDA或者智能手机等设备有线(或无线)接入W5100局域网，在浏览器上输入W5100局域网服务器的IP地址后，即可对座位的使用状态数据进行实时监控。使用PC浏览器进行实时监控的网页界面如图8所示。

数据网络传输与系统监控部分功能代码示例：

。

Claims

1.一种利用无线传感技术的图书馆座位管理系统，其特征在于：包括数据采集单元、数据传输单元、实时监控单元；

具体为：

2.如权利要求1所述的利用无线传感技术的图书馆座位管理系统，其特征在于，数据采集单元包括：

3.如权利要求2所述的利用无线传感技术的图书馆座位管理系统，其特征在于，数据传输单元包括：

4.如权利要求3所述的利用无线传感技术的图书馆座位管理系统，其特征在于，实时监控单元，包括网页实时显示模块，使用PC、PDA或者智能手机有线或无线接入局域网，对图书馆座位的使用状态信息进行查询和实时监控。

5.如权利要求1-4任一项所述的利用无线传感技术的图书馆座位管理系统，其特征在于，数据采集单元具体为：采用Arduino UNO R3硬件开发板对超声波模块、LED显示模块、按键计时模块以及蓝牙传输模块的发送端进行集成，其中，超声波模块选用HC-SR04，蓝牙传输模块的发送端选用HC-05。

6.如权利要求5所述的利用无线传感技术的图书馆座位管理系统，其特征在于，蓝牙传输模块的通信协议设置，具体操作为：利用USB转TTL数据线，将HC-05蓝牙连接到计算机的USB接口；使用串口工具，将HC-05蓝牙的RS232电平转换连接到计算机的com接口；使用他串口工具，通过发送AT指令对发送端和接收端进行通信协议的设置。

7.如权利要求6所述的利用无线传感技术的图书馆座位管理系统，其特征在于，数据传输单元具体为：采用Arduino UNO R3硬件开发板对蓝牙传输模块的接收端、网络传输模块以及LED状态模块进行集成，其中，蓝牙传输模块的接收端也选用HC-05，网络传输模块选用W5100。