智慧圖書館智能座位預(yù)定系統(tǒng)

第一節(jié)系統(tǒng)總體設(shè)計 1一、總體設(shè)計 1二、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計 2第二節(jié)系統(tǒng)功能設(shè)計 3一、座位的預(yù)約 3二、座位的使用 3三、違規(guī)說明 4四、注意事項 4第三節(jié)系統(tǒng)平臺設(shè)計 4一、座位管理節(jié)點硬件設(shè)計 5二、LoRa基站硬件設(shè)計 6三、系統(tǒng)軟件設(shè)計 7第一節(jié)系統(tǒng)總體設(shè)計一、總體設(shè)計基于LoRa的智能圖書館座位管理系統(tǒng)整體上由四部分組成，即：座位管理節(jié)點、LoRa基站、智能圖書館云平臺服務(wù)器以及用戶訪問平臺。座位管理節(jié)點包括采集模塊以及顯示模塊兩部分，對采集座位狀態(tài)信息的模塊稱為采集模塊，對顯示座位狀態(tài)信息的模塊稱為顯示模塊。LoRa基站保證了智能圖書館云平臺服務(wù)器與座位管理節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交互。智能圖書館云平臺服務(wù)器對整個系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行處理，將其存入數(shù)據(jù)庫，在需要時隨時提取出來供用戶使用。用戶訪問平臺包括Web與手機APP。另外，一個LoRa基站覆蓋一整棟圖書館的所有座位管理節(jié)點，一個智能圖書館云平臺服務(wù)器可連接多個LoRa基站，實現(xiàn)多圖書館統(tǒng)一管理。本系統(tǒng)總體設(shè)計支持數(shù)據(jù)雙向傳輸。由下至上時，由采集模塊檢測座位狀態(tài)信息，通過LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絃oRa基站，再經(jīng)過4G網(wǎng)絡(luò)上傳到智能圖書館云平臺服務(wù)器，最終用戶就可以獲取到實時座位狀態(tài)信息。由上至下時，由用戶通過Web或移動前端發(fā)送指令給智能圖書館云平臺服務(wù)器，再經(jīng)過4G網(wǎng)絡(luò)將指令發(fā)送給LoRa基站，最后經(jīng)過LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給顯示模塊，通過LED指示燈來顯示座位狀態(tài)。二、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計在本系統(tǒng)中，LoRa技術(shù)采用LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。而LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一一個典型的星形拓撲結(jié)構(gòu)，在這個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，LoRa基站是傳輸?shù)闹欣^，連接終端設(shè)備和后端中央服務(wù)器。在該智能圖書館座位管理系統(tǒng)中，終端設(shè)備為座位管理節(jié)點，后端中央服務(wù)器為智能圖書館云平臺服務(wù)器。另外，LoRa基站與智能圖書館云平臺服務(wù)器通過4G網(wǎng)絡(luò)建立通信鏈路，在此過程中采用TCP/IP協(xié)議。第二節(jié)系統(tǒng)功能設(shè)計一、座位的預(yù)約1.通過Web網(wǎng)頁、手機APP實現(xiàn)在線預(yù)約。2.座位預(yù)約成功后，LED指示燈為藍色，讀者會有30分鐘的時間到達座位就坐。若30分鐘后紅外傳感器檢測到無人就坐，會自動釋放該座位，并判定為一次違規(guī)；讀者到達指定座位后，點擊“確認到達”后即可就坐，LED指示燈變?yōu)榫G色，若點擊了確認達到，但30秒后紅外傳感器檢測到無人就坐會自動釋放該座位，并判定為一次違規(guī)。3.若他人強行就坐已經(jīng)被預(yù)約的座位，紅外傳感器檢測到有人會直接將其判定為占座，LED指示燈變?yōu)榧t色，并將信號發(fā)送給值班管理員，管理員查明后，判定為一次違規(guī)。二、座位的使用1.可通過Web網(wǎng)頁或者APP實現(xiàn)暫離座位、釋放座位以及查看個人賬號信息。2.若要暫時離開座位必須點擊“暫離"，LED指示燈變?yōu)樗{色，暫離時間是25分鐘，若超過規(guī)定時長，人體熱釋電紅外傳感器檢測到還無人就坐會自動釋放該座位，并判定為一次違規(guī)(12：00-13：00和17：30-18：30兩個時段保留60分鐘)。若離開時沒有點擊“暫離”，則30秒內(nèi)紅外傳感器檢測到無人會自動釋放該座位，并判定為一次違規(guī)。3.若要釋放座位必須點擊“釋放”，LED指示燈熄滅；若沒有點擊“釋放”便離開，則30秒內(nèi)紅外傳感器檢測到無人會自動釋放該座位，并判定為一次違規(guī)。若到了圖書館閉館時間，可直接離開圖書館，無需手動釋放該座位。三、違規(guī)說明1.讀者預(yù)約座位卻未在規(guī)定時間內(nèi)到達或者點擊了“確認到達”，卻無人就坐。2.讀者沒有預(yù)約座位，卻強行就坐已經(jīng)被預(yù)約的座位。3.讀者離開時沒有點擊“暫離”或者點擊了“暫離”但未在規(guī)定時間內(nèi)返回。4.讀者提前離開圖書館但未釋放座位。5.若讀者有三次違規(guī)操作，則智能圖書館云平臺服務(wù)器系統(tǒng)自動將該名讀者列入黑名單，讀者等待三天后會被移出黑名單。在黑名單期間，讀者不能在線預(yù)約座位。四、注意事項1.賬號與借書卡賬號綁定。2.每日可在線預(yù)約座位數(shù)量限額為座位總數(shù)30%。每日只要超出在線預(yù)約限額，便會關(guān)閉在線預(yù)約座位窗口，此時讀者只能到圖書館現(xiàn)場就座。第三節(jié)系統(tǒng)平臺設(shè)計根據(jù)本系統(tǒng)總體設(shè)計可知，硬件部分包括座位管理節(jié)點和LoRa基站。一、座位管理節(jié)點硬件設(shè)計本系統(tǒng)的座位管理節(jié)點設(shè)計包括采集模塊和顯示模塊兩部分。采集模塊由人體熱釋電紅外傳感器、主控芯片、電源、LoRa無線通訊模塊四部分組成，其主要任務(wù)是將采集到的座位就坐狀態(tài)信息數(shù)據(jù)上傳給LorRa基站。顯示模塊由LED指示燈、電源、主控芯片、三部分組成，主要任務(wù)是響應(yīng)LoRa基站下發(fā)的控制指令來控制LED指示燈的狀態(tài)。其中出于低成本，小體積等因素的考慮，采集模塊與顯示模塊共用主控芯片、電源。對于座位管理節(jié)點，并不需要復(fù)雜的計算，但考慮其低功耗需求，座位管理節(jié)點選取STC公司生產(chǎn)的STC89C52RC單片機為主控芯片。STC89C52RC是一款低功耗、高速、超強抗干擾的CMOS8位微處理器，在傳統(tǒng)的51單片機上做了許多改進，使其為更多嵌入式系統(tǒng)提供有效的解決方案。另外，人體熱釋電紅外傳感器采用HC-SR501型紅外傳感器，其感應(yīng)角度在100°的錐角內(nèi)可調(diào)，感應(yīng)距離在3m內(nèi)可調(diào)，均符合功能需求。LoRa無線通訊模塊采用Rejeee的M-GW1全雙工LoRa無線通訊模塊。M-GW1功耗低，是高性能工業(yè)級芯片，可快速部署LoRa網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠距離低功耗的控制和數(shù)據(jù)采集的目的。座位節(jié)點示意圖二、LoRa基站硬件設(shè)計本系統(tǒng)LoRa基站設(shè)計，由網(wǎng)絡(luò)接口模塊、電源模塊、主控芯片、LoRa無線通訊模塊四部分組成。LoRa基站一方面將座位管理節(jié)點中的采集模塊采集到的座位狀態(tài)信息數(shù)據(jù)發(fā)送給智能圖書館云平臺服務(wù)器，另一方面響應(yīng)智能圖書館云平臺服務(wù)器下發(fā)的指令，并讓座位管理節(jié)點中的顯示模塊執(zhí)行。對于LoRa基站，除了低功耗特性外還需要滿足一定復(fù)雜計算能力，因此LoRa基站選取ST公司的STM32F103為主控芯片。STM32F103是一款A(yù)RMCortex-M3內(nèi)核的32位微處理器，內(nèi)置高速存儲器，有睡眠、停機、待機3種低功耗模式等特點。LoRa無線通訊模塊采用M-GW1全雙工LoRa無線通訊模塊，與座位管理節(jié)點相同。LoRa基站示意圖三、系統(tǒng)軟件設(shè)計為確保各個部分間的正常通信，本系統(tǒng)在軟件部分對座位管理節(jié)點、LoRa基站和通信協(xié)議3個部分進行了詳細設(shè)計，實現(xiàn)座位管理節(jié)點、LoRa基站、智能圖書館云平臺服務(wù)器三者之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性與可靠性，以下分別介紹。（一）座位管理節(jié)點軟件設(shè)計LoRa節(jié)點在LoRaWAN協(xié)議里被分為ClassA、ClassB和ClassC三類不同的工作模式。本系統(tǒng)中的座位管理節(jié)點ClassB模式是固定周期時間同步，兼顧實時性和低功耗。啟動LoRa無線通訊模塊后，每當結(jié)束字節(jié)完成時，則進行數(shù)據(jù)幀類型的判斷。對來自采集模塊的數(shù)據(jù)，先封裝成幀，添加幀頭、幀尾，然后通過LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至LoRa基站；對來自LoRa基站的數(shù)據(jù)，先解幀，拆除幀頭、幀尾、然后把數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示模塊，后者接收到數(shù)據(jù)后，調(diào)整LED燈顯示狀態(tài)。至此，便實現(xiàn)了采集模塊數(shù)據(jù)的上傳與LoRa基站指令的下達。座位管理節(jié)點流程圖（二）LoRa基站軟件設(shè)計啟動LoRa無線通訊模塊后，每當結(jié)束字節(jié)完成時，則進行數(shù)據(jù)幀類型的判斷。對來自智能圖書館云平臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)，先封裝成幀，添加幀頭和幀尾，然后通過LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至座位管理節(jié)點；對來自座位管理節(jié)點的數(shù)據(jù)幀，先解幀，拆除幀頭、幀尾，然后通過4G網(wǎng)絡(luò)接口模塊發(fā)送至智能圖書館云平臺服務(wù)器，后者接收到數(shù)據(jù)后，實時地推送給用戶訪問平臺。至此，便實現(xiàn)了LoRa基站數(shù)據(jù)的上傳與智能圖書館云平臺服務(wù)器指令的下達。LoRa基站流程圖（三）通信協(xié)議的設(shè)計為了實現(xiàn)本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性與可靠性，根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計出4種類型的數(shù)據(jù)幀，分別為上行數(shù)據(jù)幀、下行反饋幀、下行指令幀、上行反饋幀。上行數(shù)據(jù)幀表示：下層采集模塊將采集到的座位狀態(tài)信息發(fā)送給上層智能圖書館云平臺服務(wù)器；下行反饋幀表示下層座位管理節(jié)點在收到該幀后可以得知上層智能云平臺服務(wù)器是否接收到上行數(shù)據(jù)幀；下行指令幀表示上層智能圖書館云平臺服務(wù)器發(fā)送給顯示模塊的指令；上行反饋幀表示上層智能圖書館云平臺服務(wù)器收到該幀后可以得知下層座位管理節(jié)點是否接收到了下行指令幀。另外，根據(jù)本系統(tǒng)的性能以及功能需求，設(shè)計了一條通用數(shù)據(jù)幀，幀內(nèi)每一個字段的數(shù)據(jù)以十六進制方式存儲。每一幀都包含幀頭、數(shù)據(jù)字段、幀尾3個部分。其中，幀頭由幀首、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)幀類型三部分組成。數(shù)據(jù)字段由座位管理節(jié)點ID、M