智慧圖書(shū)館智能座位預(yù)定系統(tǒng)

智慧圖書(shū)館智能座位預(yù)定系統(tǒng)

目錄

第一節(jié)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).........................................................2

一、總體設(shè)計(jì).................................................................2

二、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì).........................................................3

第二節(jié)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì).........................................................3

一、座位的預(yù)約.............................................................3

二、座位的使用.............................................................4

三、違規(guī)說(shuō)明.................................................................4

四、注意事項(xiàng).................................................................5

第三節(jié)系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì).........................................................5

一、座位管理節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì).........................................5

二、LoRa基站硬件設(shè)計(jì)................................................6

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).........................................................7

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第一節(jié)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

一、總體設(shè)計(jì)

基于LoRa的智能圖書(shū)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(diǎn)、LoRa基站、智能圖書(shū)館云平臺(tái)服

務(wù)器以及用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)平臺(tái)。座位管理節(jié)點(diǎn)包括采集模塊以及顯

示模塊兩部分，對(duì)采集座位狀態(tài)信息的模塊稱(chēng)為采集模塊，

對(duì)顯示座位狀態(tài)信息的模塊稱(chēng)為顯示模塊。LoRa基站保證了

智能圖書(shū)館云平臺(tái)服務(wù)器與座位管理節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交互。

智能圖書(shū)館云平臺(tái)服務(wù)器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，

將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)，在需要時(shí)隨時(shí)提取出來(lái)供用戶(hù)使用。用戶(hù)

訪(fǎng)問(wèn)平臺(tái)包括Web與手機(jī)APP。另外，一個(gè)LoRa基站覆蓋一

整棟圖書(shū)館的所有座位管理節(jié)點(diǎn)，一個(gè)智能圖書(shū)館云平臺(tái)服

務(wù)器可連接多個(gè)LoRa基站，實(shí)現(xiàn)多圖書(shū)館統(tǒng)一管理。本系

統(tǒng)總體設(shè)計(jì)支持?jǐn)?shù)據(jù)雙向傳輸。由下至上時(shí)，由采集模塊檢

測(cè)座位狀態(tài)信息，通過(guò)LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絃oRa基站，再經(jīng)過(guò)

4G網(wǎng)絡(luò)上傳到智能圖書(shū)館云平臺(tái)服務(wù)器，最終用戶(hù)就可以獲

取到實(shí)時(shí)座位狀態(tài)信息。由上至下時(shí)，由用戶(hù)通過(guò)Web或移

動(dòng)前端發(fā)送指令給智能圖書(shū)館云平臺(tái)服務(wù)器，再經(jīng)過(guò)4G網(wǎng)

絡(luò)將指令發(fā)送給LoRa基站，最后經(jīng)過(guò)LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給顯示

模塊，通過(guò)LED指示燈來(lái)顯示座位狀態(tài)。

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二、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

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(gè)典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這個(gè)

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(shū)館座位管理系統(tǒng)中，終端設(shè)備為

座位管理節(jié)點(diǎn)，后端中央服務(wù)器為智能圖書(shū)館云平臺(tái)服務(wù)

器。

另外，LoRa基站與智能圖書(shū)館云平臺(tái)服務(wù)器通過(guò)4G網(wǎng)

絡(luò)建立通信鏈路，在此過(guò)程中采用TCP/IP協(xié)議。

第二節(jié)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

一、座位的預(yù)約

1.通過(guò)Web網(wǎng)頁(yè)、手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)預(yù)約。

2.座位預(yù)約成功后，LED指示燈為藍(lán)色，讀者會(huì)有30分

鐘的時(shí)間到達(dá)座位就坐。若30分鐘后紅外傳感器檢測(cè)到無(wú)

人就坐，會(huì)自動(dòng)釋放該座位，并判定為一次違規(guī)；讀者到達(dá)

指定座位后，點(diǎn)擊“確認(rèn)到達(dá)”后即可就坐，LED指示燈變

為綠色，若點(diǎn)擊了確認(rèn)達(dá)到，但30秒后紅外傳感器檢測(cè)到

無(wú)人就坐會(huì)自動(dòng)釋放該座位，并判定為一次違規(guī)。

3.若他人強(qiáng)行就坐已經(jīng)被預(yù)約的座位，紅外傳感器檢測(cè)

到有人會(huì)直接將其判定為占座，LED指示燈變?yōu)榧t色，并將

信號(hào)發(fā)送給值班管理員，管理員查明后，判定為一次違規(guī)。

3

二、座位的使用

1.可通過(guò)Web網(wǎng)頁(yè)或者APP實(shí)現(xiàn)暫離座位、釋放座位以

及查看個(gè)人賬號(hào)信息。

2.若要暫時(shí)離開(kāi)座位必須點(diǎn)擊“暫離"，LED指示燈變?yōu)?/p>

藍(lán)色，暫離時(shí)間是25分鐘，若超過(guò)規(guī)定時(shí)長(zhǎng)，人體熱釋電

紅外傳感器檢測(cè)到還無(wú)人就坐會(huì)自動(dòng)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(gè)時(shí)段保留

60分鐘)。若離開(kāi)時(shí)沒(méi)有點(diǎn)擊“暫離”，則30秒內(nèi)紅外傳感

器檢測(cè)到無(wú)人會(huì)自動(dòng)釋放該座位，并判定為一次違規(guī)。

3.若要釋放座位必須點(diǎn)擊“釋放”，LED指示燈熄滅；若

沒(méi)有點(diǎn)擊“釋放”便離開(kāi)，則30秒內(nèi)紅外傳感器檢測(cè)到無(wú)

人會(huì)自動(dòng)釋放該座位，并判定為一次違規(guī)。若到了圖書(shū)館閉

館時(shí)間，可直接離開(kāi)圖書(shū)館，無(wú)需手動(dòng)釋放該座位。

三、違規(guī)說(shuō)明

1.讀者預(yù)約座位卻未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)或者點(diǎn)擊了“確

認(rèn)到達(dá)”，卻無(wú)人就坐。

2.讀者沒(méi)有預(yù)約座位，卻強(qiáng)行就坐已經(jīng)被預(yù)約的座位。

3.讀者離開(kāi)時(shí)沒(méi)有點(diǎn)擊“暫離”或者點(diǎn)擊了“暫離”但

未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)返回。

4.讀者提前離開(kāi)圖書(shū)館但未釋放座位。

5.若讀者有三次違規(guī)操作，則智能圖書(shū)館云平臺(tái)服務(wù)器

系統(tǒng)自動(dòng)將該名讀者列入黑名單，讀者等待三天后會(huì)被移出

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黑名單。在黑名單期間，讀者不能在線(xiàn)預(yù)約座位。

四、注意事項(xiàng)

1.賬號(hào)與借書(shū)卡賬號(hào)綁定。

2.每日可在線(xiàn)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(xiàn)預(yù)約限額，便會(huì)關(guān)閉在線(xiàn)預(yù)約座位窗口，此時(shí)

讀者只能到圖書(shū)館現(xiàn)場(chǎng)就座。

第三節(jié)系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)可知，硬件部分包括座位管理節(jié)點(diǎn)

和LoRa基站。

一、座位管理節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的座位管理節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(wú)線(xiàn)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(lái)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(duì)于座位管理節(jié)點(diǎn)，并不需要復(fù)雜的計(jì)算，但

考慮其低功耗需求，座位管理節(jié)點(diǎn)選取STC公司生產(chǎn)的

STC89C52RC單片機(jī)為主控芯片。STC89C52RC是一款低功耗、

高速、超強(qiáng)抗干擾的CMOS8位微處理器，在傳統(tǒng)的51單片

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機(jī)上做了許多改進(jìn)，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(wú)線(xiàn)通訊模塊采用Rejeee

的M-GW1全雙工LoRa無(wú)線(xiàn)通訊模塊。M-GW1功耗低，是高性

能工業(yè)級(jí)芯片，可快速部署LoRa網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離低功耗

的控制和數(shù)據(jù)采集的目的。

座位節(jié)點(diǎn)示意圖

二、LoRa基站硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)LoRa基站設(shè)計(jì)，由網(wǎng)絡(luò)接口模塊、電源模塊、

主控芯片、LoRa無(wú)線(xiàn)通訊模塊四部分組成。LoRa基站一方

面將座位管理節(jié)點(diǎn)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(shū)館云平臺(tái)服務(wù)器，另一方面響應(yīng)智能圖書(shū)

館云平臺(tái)服務(wù)器下發(fā)的指令，并讓座位管理節(jié)點(diǎn)中的顯示模

塊執(zhí)行。對(duì)于LoRa基站，除了低功耗特性外還需要滿(mǎn)足一

定復(fù)雜計(jì)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

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微處理器，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，有睡眠、停機(jī)、待機(jī)3種低功

耗模式等特點(diǎn)。LoRa無(wú)線(xiàn)通訊模塊采用M-GW1全雙工LoRa

無(wú)線(xiàn)通訊模塊，與座位管理節(jié)點(diǎn)相同。

LoRa基站示意圖

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為確保各個(gè)部分間的正常通信，本系統(tǒng)在軟件部分對(duì)座

位管理節(jié)點(diǎn)、LoRa基站和通信協(xié)議3個(gè)部分進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，

實(shí)現(xiàn)座位管理節(jié)點(diǎn)、LoRa基站、智能圖書(shū)館云平臺(tái)服務(wù)器三

者之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與可靠性，以下分別介紹。

（一）座位管理節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

LoRa節(jié)點(diǎn)在LoRaWAN協(xié)議里被分為ClassA、ClassB和

ClassC三類(lèi)不同的工作模式。本系統(tǒng)中的座位管理節(jié)點(diǎn)

ClassB模式是固定周期時(shí)間同步，兼顧實(shí)時(shí)性和低功耗。啟

動(dòng)LoRa無(wú)線(xiàn)通訊模塊后，每當(dāng)結(jié)束字節(jié)完成時(shí)，則進(jìn)行數(shù)

據(jù)幀類(lèi)型的判斷。對(duì)來(lái)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(guò)LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至LoRa基站；對(duì)來(lái)

自L(fǎng)oRa基站的數(shù)據(jù)，先解幀，拆除幀頭、幀尾、然后把數(shù)

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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(shí)現(xiàn)了采集模塊數(shù)據(jù)的上傳與LoRa基站指令

的下達(dá)。

座位管理節(jié)點(diǎn)流程圖

（二）LoRa基站軟件設(shè)計(jì)

啟動(dòng)LoRa無(wú)線(xiàn)通訊模塊后，每當(dāng)結(jié)束字節(jié)完成時(shí)，則

進(jìn)行數(shù)據(jù)幀類(lèi)型的判斷。對(duì)來(lái)自智能圖書(shū)館云平臺(tái)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(guò)LoRa網(wǎng)絡(luò)

發(fā)送至座位管理節(jié)點(diǎn)；對(duì)來(lái)自座位管理節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀，先解

幀，拆除幀頭、幀尾，然后通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)接口模塊發(fā)送至智

能圖書(shū)館云平臺(tái)服務(wù)器，后者接收到數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)地推送給

用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)平臺(tái)。至此，便實(shí)現(xiàn)了LoRa基站數(shù)據(jù)的上傳與智

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能圖書(shū)館云平臺(tái)服務(wù)器指令的下達(dá)。

LoRa基站流程圖

（三）通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與可靠性，根據(jù)系

統(tǒng)需求設(shè)計(jì)出4種類(lèi)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(shū)館

云平臺(tái)服務(wù)器；下行反饋幀表示下層座位管理節(jié)點(diǎn)在收到該

幀后可以得知上層智能云平臺(tái)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(shū)館云平臺(tái)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(shū)館云平臺(tái)服務(wù)

器收到該幀后可以得知下層座位管理節(jié)點(diǎn)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(jì)了一條通

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用數(shù)據(jù)幀，幀內(nèi)每一個(gè)字段的數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制方式存儲(chǔ)。每

一幀都包含幀頭、數(shù)據(jù)字段、幀尾3個(gè)部分。其中，幀頭由

幀首