基于物联网的智能图书馆监控系统的设计

一、绪论(一)研究背景及意义2021年9月10日，工业和信息化部等八部门联合印发的《物联网新型基础设施建设三年行动计划(2021-2023年)》[1]可以看出，我国要加快建设新的物联网基础设施，提升其应用能力。大力发展物联网基础设施，充分利用其在促进数字经济发展、加快传统工业转型升级中所起到的重要作用。聚焦基础较好、转型意愿强的重点产业，促进技术创新，深化重点领域应用。物联网产业快速发展，能促进经济增长，做到支持科技强国和制造强国的现代化建设。其中智慧图书馆，作为物联网产业应用发展的方向之一。此次，研究的是智慧图书馆安防方面的功能。当前，图书馆安防方面，存在较多问题。例如，当发生火灾时，传统的图书馆防护不能及时的发现，从而导致图书馆内的书籍等物品收到损坏。以及，当有人夜间靠近图书馆进行偷窃和破坏时，不能及时被发现，导致图书馆受到损失的事件频频发生。鉴于，以上存在具体的问题，为了进一步的完善图书馆防护方面的功能。使得图书馆能得到更好的保护。才选了本次课题，来进行研究。先开始对目标用户群体，进行调查。通过，调查所得出来的信息，明确之前的图书馆防护，存在的具体问题。通过，完善图书馆防护存在的问题，来设计图书馆防护相应的产品。确定了，产品的用户，以及产品所实现的功能定位，剩下的关键就是，如何实现产品的防护功能。科学技术的进步极大地改变了人们的工作和生活，各种各样智能化的产品出现在我们的工作生活中。这些，智能化的设备使我们的工作与生活，更加的便捷。改善了我们的生活品质和提高生产力。随着计算机技术不断的发展，人们对图书馆的防护需求进一步的提高。图书馆的防护正朝着信息化、便捷化、安全稳定性高的方向发展。智能图书馆主要是以图书馆为主体，依托快速发展的物联网技术、无线通信技术、智能感知等技术对图书馆相应区域的进行检测。实现信息的实时传递，各个传感器模块组成了信息化、智能化的图书馆防护功能，给用户带来了便捷化的防护体验，图书馆的安全性得到了提高。智能化的图书馆防护，简化了图书馆的防护难度，节省了大量的人力与资源。通过物联网应用技术，依托单片机处理器来控制和处理检测的信息，使得各个传感器模块组成一个紧密的整体。进而，提高智能图书馆的可靠性与稳定性。在智能图书馆环境中，使用者可以通过各个传感器以及报警器，来及时的掌握图书馆的信息情况。此次，防护系统的创新点与贡献如下。此次图书馆防护系统，设计一个WIFI通讯模块，通过该模块就可以实现把检测到的数据能实时的传输给手机端。此次，把WIFI模块当做通讯传输模块,主要是该传感器设备的通讯距离较远，能达到几十米远。这个功能的设计与实现，提高了产品的竞争力。使用者能在一定的范围内，及时的掌握图书馆内的信息，提升了用户的使用体验感。本次研究的内容也能为，以后研究此方向的人员，提供一些研究基础与研究思路。当前市场上的智能图书馆防护系统,质量参差不齐。绝大多数的防护系统，防护功能不足，导致防护的效果很差。此次，研究的智能图书馆防护系统，与之前的防护系统相比，本次研究的防护系统性价比更高，经济实惠。推广起来更加的容易，能够节省资源。再加上市场的需求，故此，研究智能图书馆的防护系统，具有很大的意义。(二)论文研究的内容与结构本文主要围绕着智能图书馆安防监控系统展开研究设计。此次，研究的图书馆智能安防系统，主要侧重的功能为图书馆防护功能。本文根据图书馆安防系统的防护需求，利用了物联网应用技术和无线通讯技术，构造出了智能图书馆安防系统的总体框架。从功能上主要分为，人体红外传感器，在图书馆夜间闭馆时，当有人靠近到图书馆一定距离时，传感器把检测到的信息，传输给单片机进行信息数据的处理，之后蜂鸣器报警，对值班人员起到警示作用；MQ-2烟雾传感器，在图书馆储藏室内以及图书阅览室内检测烟雾的信息。当检测到的烟雾浓度或可燃气体的浓度达到一定浓度时，把检测到的信息及时传输给单片机处理器，之后在传输给蜂鸣器。温湿度传感器，把检测到的温湿度信息传输给单片机，当检测到的温湿度超过预设值时，把信号及时传给蜂鸣器，给值班人员起到警示的作用。显示模块，把对应的传感器所检测到的信息显示到液晶屏上。蜂鸣器传感器模块，把单片机传来的信号及时处理，进行讯响处理起到警示作用。WIFI模块，把硬件检测的信息传给手机端，实现无线通讯。二、基于物联网的智能图书馆系统关键技术(一)物联网技术1.物联网的定义物联网，物物相连的互联网。物联网可以定义为：把所有物品通过信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化辨识、运作与管理功能的网络。其次，物联网的全面感知是每时每刻地对被检测物体进行信息收集和信息处理，主要用到的技术种类有物联网智能感知技术、RFID技术、无线通讯技术。物联网是一种集成的多种感知技术，其应用过程中，需要各种技术相互配合来实现具体的检测功能。物联网是一种以互联网为基础的网络，能够适应各种网络和通信协议，确保信息准确、及时的传输。作为互联网的一个分支，物联网也遵循传统的通信协议。采用相应的软硬件通信体系，将各种网络有机地结合起来，准确及时地传递所获取目标的感知信息。物联网将智能感知技术和信息处理技术相融合，再通过无线信息通讯技术，以及结合云计算及各种前沿智能科技，进一步扩充了物联网技术的应用领域。2.物联网的体系结构物联网主要应用于智慧城市管理、智能数字家庭服务、以RFID为基础的智慧数字医疗、通过成千上万的传感器节点和低空探测传感节点所组成的防入侵安全保护系统。其覆盖应用领域涉及国家民生的各个方面。解决好信息安全技术，是物联网发展面临的迫切问题。物联网的作用，能确保对环境监测可以起到全面的感知能力和具有高速的处理能力。公认物联网的体系构造为三层，分别为感知层、网络层、应用层。这三个层次，每个体系层的职能不同，所起到的作用也不相同[2]。感知层：物联网感知层是通过各种传感器、RFID、GPS等感知技术，通过相应的技术手段用来收集与检测环境信息。本层是运用传感器设备，通过感知技术来对相应区域的信息进行实时的监控，本层也接受上一层传输过来的控制信息。网络层：网络层的主要作用是把最下层感知层感知到的物理信息数据高效率、安全的、进行数据传递。网络层需要解决的主要问题是第一层所感知到的数据在一定范围内，特别是远距离信息的传输问题。应用层：应用层是物联网的核心处理层，是极其重要的一层。应用层的主要作用是把感知和传输来的信息进行分析和整理，最终做出正确的处理，这一层解决的是信息处理的问题。物联网具有实时性和交互性的特点，使得物联网无处不在。智能图书馆是物联网技术在图书馆智能安防领域实际应用和不断发展的最终产物。图书馆信息感知技术，是通过RFID等智能感知技术，在任何时刻，具体的检测位置来对智能图书馆相应物理信息进行数据收集[3]。3.物联网的应用物联网技术的快速发展，得益于物联网广阔的应用领域。物联网应用是以底层的感知传输器技术为基础，中层通过网络传输层构成了数据传输，上层是单片机处理完信息后，通过前端或者别的形式所展现给使用者具体信息功能的应用层。物联网应用领域覆盖了智慧家居、智慧医疗、智慧交通、智慧农业、智能物流、智能安防、智能制造等领域，几乎覆盖了各行各业，其物联网应用模式正日益趋向成熟和稳定。物联网产业的快速发展，推动了国民经济的发展，使国民的生活质量得到了提高，同时推动了物联网产业链上下游的产业发展，带动了相关计算机科技的发展。作为战略新兴产业中的一个关键环节，物联网产业对促进经济转型起到了积极的促进作用。在场馆安防等应用领域已取得显著效果；在电力行业的应用正在逐步拓展；在交通领域，正在发挥着重要的作用；在物流领域，监测应用正在广泛推广；在医疗领域，远程医疗等应用日趋成熟[4]。(二)智能图书馆关键技术本项目关键技术主要用到以下几种。第一种，智能感知技术，传感器作为信息获取的重要设备。各种传感器是可以感受到规定的被测量并按一定规律转为可用输出讯号的电子器件或装置的总称。通过各种传感器，来获取所需要的物理信息，在图书馆相应的位置进行数据的实时收集。主要对图书馆的烟雾信息、图书储藏室以及阅览室的温湿度、以及夜间闭馆时，有人靠近图书馆等信息数据进行检测，来达到预期设计的图书馆防护效果。相应的传感器，可以及时的获得这些图书馆的数据信息，这对图书馆的安全防护是非常重要的。各种传感器可以用于采集各种图书馆需要的物理要素数据。第二种，无线通信技术为主的信息传输技术，该技术在嵌入式物联网开发以及其它领域都有广阔的应用前景。无线通信是指利用电磁波信号能够在自由空间中传播的基本特性进行数据信息交换的一种通信形式[5]。现如今，进入5G时代无线通讯技术得到了快速的发展。第三种，嵌入式开发技术，本智能图书馆系统的设计。结合软硬件开发，软件就是代码部分，硬件就是单片机和传感器。通过对智能图书馆功能的需求分析，在利用AltiumDesigner软件，来对系统的电路进行设计，设计完电路后。在通过对硬件单片机以及传感器等硬件器件工作原理的了解，在合理的通过KEIL软件进行代码编程。最后在进行硬件电路的焊接。三、智能图书馆的系统设计(一)智能图书馆的定义智能图书馆安防系统，融合物联网智能感知技术、无线网络通讯技术、嵌入式技术于一体。根据用户需要的检测数据，把相应的传感器放在恰当的检测位置，对需要检测的位置实施实时的安全防护检测。通过无线通讯网络把众多的传感器所获取的物理数据信息，及时、准确、高效、安全的传输给应用层进行处理和控制。以无线通讯网络为纽带，就可以随时随地的掌握图书馆内的各种信息，能实现对图书馆智能设备远程控制。与传统图书馆防护相比，智能图书馆不仅能提供给阅读学习者舒适的阅读体验生活空间，更能带给工作人员便捷的工作体验。把图书馆环境由原来静止结构转变为具有动态智慧化的数据环境，提供更加便捷的数据交互功能。物联网时代的到来，为智能图书馆的发展创造了前所未有的条件。发展智能图书馆防护，需要使用物联网应用技术、无线通信技术等技术对烟雾检测、夜间红外感应、储藏室内温湿度对图书馆的信息进行检测和防护。要进行严谨化设计、精准化控制、合理化运行和科学化管理。实现对各种需要检测数据要素的“全面感知、可靠传输和智慧化处理”[6]，最终达到可靠、高效、安全、稳定、准确的物联网应用目标。(二)智能图书馆的功能需求随着社会的发展，用户对智能图书馆监控防护的功能需求主要体现在全面的安全保护、舒适的阅读学习环境。图书馆防护系统的设计所用的物联网开发技术，使用户能够对图书馆内的情况进行实时了解。图书馆监控系统主要做到如下功能。对图书馆内情况进行随时监控。通过各种类别的传感器获取图书馆室内的环境物理信息，主要包括图书馆内相应区域内的温度、湿度、烟雾等数据信息的检测，这些物理环境信息直接的体现出了图书馆内的环境以及安全情况。对图书馆内环境信息异常的区域进行及时传输与处理。当图书馆现场的传感器所获取到异常数据信息时，系统处理器可以对异常区域进行及时的处理，以便及时对将要发生的事故进行处理，避免图书馆受到破坏。对于图书馆防盗方面，是通过红外传感器及蜂鸣器来实现报警功能，来实现夜间对图书馆的安全防护。实时监测，当检测到有人接近到图书馆一定距离时，当发生危险的时候，通过单片机及时报警。此次，系统设计要能做到远程实时监测的目标。通过WIFI模块，来实现远距离的信息通讯。把实时检测到的图书馆室内环境物理信息，及时的传输给一定范围内的终端并显示具体的检测数据信息。(三)智能图书馆监控系统的功能结构此次，图书馆的项目用的是C52型号的单片机，为控制处理核心。利用MQ-2烟雾传感器来检测图书馆室内环境的烟雾信息，用来防护图书馆室内的火灾情况。人体红外传感器，来检测夜间人员对图书馆进行非法进入、破坏等行为。用DHT11温湿度模块、LCD1602显示模块、蜂鸣器报警模块来实现具体的检测功能。传感器所获取到的室内环境信息，通过网络层进行传输数据。最后，STC89C52单片机作为处理与控制中心，来对传输过来的信息数据进行运算处理。显示中心是LCD1602为主体的，作为主要的人机交互界面，可以让负责图书馆值班工作人员能直观的对图书馆室内实时环境信息变化情况的监视与掌控，及时准确的对图书馆设备进行调节。系统的整体功能框架如图所示。图3-3为系统整体功能框架图(四)智能图书馆系统的总体设计智能图书馆监控系统为用户提供全面的信息交换功能，能支持图书馆室内和外部，用户与图书馆环境之间保持信息互换的畅通，提高用户的工作环境与工作效率。一个完整的智能图书馆防护系统需要解决的问题包括：方便用户远距离的对图书馆室内环境远程信息显示，即随时随地实现对室内环境信息的显示；烟雾传感器对图书馆相应的位置进行检测，对图书馆室内烟雾信息的检测，提供烟雾信息当烟雾值到达预设的报警值时，传输给单片机信息，进行报警提醒；安防报警模块是利用人体红外传感器和蜂鸣器报警在夜间随时检测图书馆室外的环境。馆内信息获取对具体位置的温度和湿度的数据信息，时刻感知馆内的环境数据信息。现如今，智能图书馆监控系统虽然绝大多数部分都可以很好的解决如上问题，也有如下存在的问题：初次建立系统的费用高，系统灵活性差，功能华而不实，实用性较低等。物联网发展的目的是发展感知、无线传输等技术。对系统要求功耗低，而且要做到具有无线网络覆盖、安全性高、高效的信息处理能力。基于物联网的智能图书馆安全防护系统的特点：组建系统简便，操作简单，有较强的实用性，能达到预期防护效果的系统。满足人们在方便性和舒适度方面的要求。达到系统预期的检测与防护效果。性价比高。要全面的研究系统的功能与价格的要求，要尽量压缩成本。要采用兼容性好，符合通用信息协议的信息技术规范。要保证传感器在图书馆内部获取到的信息不受距离的限制，实现大范围远距离的数据传输。要确保安全性，系统运行中信息传输的安全性要得到保障。(五)系统整体结构图书馆防护系统作为物联网的其中一个应用领域能按照物联网的体系结构将其整体划分为如下三个层次：感知层、网络层以及应用层。基于物联网的智能图书馆监控系统的设计要求划分为三层。图3-5为系统整体的划分结构感知层要做到的功能包括两点，对图书馆内信息的检测，接收到上一层网络的控制信息，把搜集到的环境信息传输给网络层进行信息传输，完成相应的运行控制功能。此层包含各种与图书馆馆内环境感知信息有关的设备，利用通讯网络组建数据传输的连接。网络层要做到图书馆内部的网络能与外部网络进行可靠的、安全的、高效的进行信息传输。智能图书馆的网络层主要是由馆内网络连接外部网络所构成的整体，实现不同应用协议规范的互联互通。应用层做到用户能实时利用网络对图书馆内的环境信息进行查询的能力。智能图书馆的应用层依靠手机、平板、个人电脑等终端设备，提供实时的连接和容易掌握的人机交互界面。四、系统硬件设计此次基于智能图书馆监控系统的设计，目的是及时的感知与获取图书馆监控的环境信息，经过分析得到的环境变量对图书馆防护产生的影响。单片机对传输过来的信息，及时的做出处理与正确的控制操作。本次研究的成果能为之后的研究者，提供了较为全面信息数据的参考。对图书馆监控防护功能的实现，能满足当今社会对智能图书馆信息化、智慧化的需求。信息采集是此系统正常运转的第一步，获取到的馆内环境信息无误可靠，是系统正常运转的前提保障。要做好众多传感器，遍布图书馆各处，节点间均匀分布，互不干预获取环境信息。此次，智能图书馆防护的项目，其无线模块是通过WIFI模块进行无线信息通讯传输信息的。功耗低：怎么减轻节点的损耗，增长各个传感器节点的使用时间，这对于系统的安全运行是极其重要的。微小化：各个传感器需要在图书馆馆内检测区域要大量的布置，对此次系统各个传感器单独的体积要尽可能的小。造价成本低：在此次防护系统中传感器数目众多且性能简单，独个传感器的成本可以很大程度上的影响整个系统的成本。因此，在确保各个节点功能的前提下要尽量的减少单个传感器的成本，进而降低整个图书馆项目的造价。可扩展兼容性：根据不同的用户要求添加传感器硬件。基于以上四点要求规划，在此次系统中的各个传感器硬件结构如下图所示。图4-0为系统传感器硬件结构图(一)烟雾及可燃气体检测模块的设计本次选择的传感器设备所工作的场所包括工厂和场馆等应用场所。能当做检测可燃气体泄露的设备，也能用做烟雾检测，多用于检测火灾的发生。该传感器探查范围广并具有良好的性能，工作时能稳定的运行，损耗能量较少。具有良好的抗干扰性。经过大量的市场调查各类传感器，最终发现MQ-2的性价比高。在火灾发生之前，一开始都会产生大量的烟雾，在此次系统中是用气敏型烟雾传感器来进行火灾前的探测。该气敏型传感器按照检测到的气体或烟雾含量，采集到的信号经过单片机进行处理，最终传给蜂鸣器，从而判断发生火灾，发出火灾报警信号。根据硬件的特性，通过AltiumDesigner来画出该模块的电路图。根据合理的布局，把硬件焊接到恰当的位置。图4-1烟雾传感器电路(二)人体红外检测模块的设计本设备模块具有较强感应光的能力，具有一对红外线发射与接收管，发射管发出红外线。当被检测的方向遇到障碍物，红外线反射回来被接收管接收，经过传感器内部电路处理之后，模块端口输出数字模拟信号。红外模块的检测范围可以根据需要来进行调节。该红外模块具有方便安装、隐蔽性好、功耗低、不受电磁波的干扰、体积小等特点。红外模块引脚接口如下，VCC、GND、OUT这三个接口需要跟单片机进行数据相连。VCC引脚外接电压；GND引脚外接GND；OUT引脚外接数字量输出接口。通过，对红外传感器模块电路合理的设计，能为系统降低电量的功耗。这也方便以后对红外模块的编程和焊接硬件时的调试。图4-2红外传感器电路(三)温湿度检测模块的设计在本次智能图书馆系统设计过程中，本系统采用DHT11型号的温湿度传感器，来检测获取图书馆馆内温、湿度环境信号。在出厂时己经是校准过数字信号输出的温湿度传感器模块。在此次设计过程中，采用DHT11型号传感器，能保证智能图书馆系统运行的稳定与可靠性。最终的输出信号形式为数字信号，设有固定螺栓孔，方便安装。把传感器相应的引脚，连接到单片机的引脚串口上。该传感器模块，把检测到的馆内温湿度的信息，转变为数字信号传输给单片机进行处理。通过，对温湿度硬件的了解，利用keil编写出，适合温湿度的程序代码，用简便的运算代码，实现对应的检测功能。图4-3DHT11温湿度传感器电路(四)显示模块的设计此次，项目采用的是LCD1602屏模块。显示液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。该显示模块，功耗少、显示内容全面、体积小巧，所以经常用在低功耗应用系统中。确定模块的选择，进行相应模块的电路设计。通过AltiumDesigner来画出显示模块的电路图，以在学校所学习的知识为基础，能画出LCD1602的模块电路图。根据，对该模块工作原理特性的理解，画出电路原理图，进而确定程序代码的编写与调试。通过Keil软件编写的程序代码，来控制显示屏对检测数据的显示。图4-4LCD1602显示屏电路(五)单片机模块的设计根据本次系统设计的需求，此次系统选择的微处理核心控制器是STC89C52。该单片机具有低功耗的特点，是一款具有高性能的51内核的CMOS8位单片机，使用简单且价格成本较低。该信号单片机，使用方便且器件本身稳定。经过多年的发展，该型号的单片机质量可靠，适合本次系统的开发需要。STC89C52单片机的引脚众多，方便使用与分配。该单片机运行功能稳定，可直接使用串口下载，串口功能强大。断电保护方式下，内容能被保存，防止数据丢失。通过代码程序，来对相应的引脚进行操作。通过AltiumDesigner来画出单片机的电路图，根据在学校学过的知识，可以画出STC89C52型号单片机的电路图，以及单片机的最小系统。AltiumDesigner这个软件，里面有非常多的资源库，是一款功能强大的电路设计软件。图4-5STC89C52单片机电路(六)WIFI通讯模块此模块选择的是USR-WIFI232-A2。通过该模块，传统的串口设备能很方便的接入WIFI无线网络，进而实现物联网络控制与管理。通过简单的操作，就可以实现串口与WIFI之间数据交换传输。该模块功能强大，热点能容纳32个WIFI客户端同时接入，该模块内部自行完成协议转换。WIFI模块性能：支持串口自由、3.3V单电源供电、提供简洁的Web配置页面、能做出厂参数定制化信息设置服务。把焊接好的各个传感器及硬件，通上电。最后，通过安装好的手机端软件。用手机连接上WIFI后，就能通过手机端来实时的查看图书馆内的环境信息。图4-6WIFI模块电路五、系统测试(一)系统测试目的在对智能图书馆系统研究的硬件做了周密的设计后，本章内容重点进行了系统功能模块的测试。此次，系统功能测试是对系统中的烟雾采集报警测试、温度和湿度采集测试、人体红外模块测试、连接手机端显示数据模块的测试。在此次功能测试之前，进行了测试试验步骤的设计，使用的是STC89C52单片机对各个模块功能进行安全运转的测试。在系统测试中，将硬件传感器模块接上电源，在进行各个功能模块的安全运转测试。(二)系统测试结果1.温湿度传感器模块和烟雾传感器模块测试结果先测试的是，温度与湿度的检测功能，能否在显示屏上显示温度与湿度。证明本系统实现了对图书馆内环境信息的获取与显示。系统运行后，当检测到的温湿度，当本模块所检测到的温度与湿度的数据信息达到之前预先设定的湿度与温度的范围时，报警传感器能及时进行讯响，提醒值班的工作人员按照应急预案的规范进行处理。通过在烟雾传感器旁边点燃一张纸或者使用打火机放出一些可燃气体，来对防火报警模块功能进行安全测试。当检测到的烟雾信息含量大于设定的烟雾含量时，蜂鸣器进行报警，及时提醒相关的工作人员按照应急预案规定，进行规范处理。经过以上的功能测试，检测结果证明，本次设计的智能图书馆系统实现了对馆内环境温湿度信息及烟雾信息的检测。通过不同的场景情况来进行相应的功能测试。经测试，本系统对图书馆馆内环境信息采集的功能检测，经检测温湿度模块和烟雾传感器模块工作运转稳定，已经达到了预期的目的。图5-1温湿度及烟雾传感器测试结果2.人体红外传感器模块测试结果之后测试的是，人体红外信息采集模块，当夜间打开该功能模块进行运行。当检测到图书馆一定范围内，有人或物体在靠近图书馆时，该模块所检测到信息及时传输给单片机。单片机及时的进行信息数据处理与控制。此时，报警模块进行运转工作。及时提醒相关的工作人员按照应急预案规定，进行规范处理。通过