基于書架應(yīng)力的圖書熱度自動分析系統(tǒng)設(shè)計

面對現(xiàn)如今圖書需求量大、 圖書管理困難等問題，根據(jù)不同類別的書架所受應(yīng)力情況，設(shè)計了一套圖書熱度自動分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由書架應(yīng)力采集器、借閱室監(jiān)測分機(jī)和圖書管理中心三部分組成， 書架應(yīng)力采集器主要對書架各層隔板應(yīng)力進(jìn)行實時采集和數(shù)據(jù)計算， 然后將數(shù)據(jù)上傳給借閱室監(jiān)測分機(jī)， 借閱室監(jiān)測分機(jī)對各書架應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總， 再通過 Wi⁃Fi 網(wǎng)絡(luò)上傳給圖書管理中心，圖書管理中心通過應(yīng)力分析來研究讀者在使用圖書過程中的規(guī)律和特點(diǎn)，為圖書采購和管理決策提供相應(yīng)的參考。

0 引言

圖書作為人們所受教育和學(xué)習(xí)知識的主要途徑，其重要性是不言而喻的，為了更好地便于全民閱讀與學(xué)習(xí)，各個地區(qū)以及高校均建立了大型圖書館來滿足人們對圖書的借閱需求。

隨著借閱需求的不斷提高，圖書館的圖書收藏數(shù)量和種類也日益增加，書籍?dāng)?shù)目的增加，一方面更好地滿足了人們對書籍的需求，但另一方面也增大了對圖書管理的工作量和難度。

隨著數(shù)字圖書的推廣應(yīng)用，有些圖書館藏室人氣不旺，圖書管理人員工作的積極性不高同時其工作難以量化考核。

為了解決現(xiàn)階段圖書管理這一方面問題，本文提出了基于書架應(yīng)力的圖書熱度自動分析系統(tǒng)，通過對不同類別圖書的書架狀態(tài)分析，來完成對圖書熱度的評估，為圖書管理者的采購和管理決策提供相應(yīng)的參考，以便更高效的利用存放圖書，為讀者提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù) 。

1 圖書熱度自動分析系統(tǒng)架構(gòu)

基于書架應(yīng)力的圖書熱度自動分析系統(tǒng)設(shè)計框架如圖 1 所示，其主要包括書架應(yīng)力采集器、借閱室監(jiān)測分機(jī)和圖書管理中心三個組成部分。

應(yīng)力傳感器采用光纖光柵應(yīng)力傳感器，其分別安裝在書架每層隔板的底部，用于測量書架各層隔板的應(yīng)力值。 光纖光柵解調(diào)單元對光纖光柵應(yīng)力傳感器反射光的中心波長進(jìn)行實時解調(diào)，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，上傳到書架應(yīng)力采集器。

應(yīng)力采集器實時采集所處書架各層隔板的應(yīng)力狀況，并與初始時書架各層隔板受應(yīng)力對比，然后通過 Zigbee 通信模塊將數(shù)據(jù)上傳給該借閱室的監(jiān)測分機(jī)，各借閱室的監(jiān)測分機(jī)再通過 Wi⁃Fi 將所有數(shù)據(jù)上傳給圖書管理中心。 工作人員可通過圖書管理中心對書架的受力狀態(tài)進(jìn)行實時記錄和數(shù)據(jù)分析，由于書架每層放置的書籍為同一類型，可通過對不同層應(yīng)力傳感器和不同類別書架采集器的編號來確定書籍種類，并通過測量應(yīng)力變化來確定各類書籍的借閱量，從而確定了各類書籍的熱門程度，為圖書管理和采購提供理論參考。

2 書架應(yīng)力采集器設(shè)計

書架應(yīng)力采集器主要用于對書架各層應(yīng)力進(jìn)行采集和應(yīng)力初始差值計算，其設(shè)計分為書架應(yīng)力采集器硬件設(shè)計和書架應(yīng)力采集器軟件設(shè)計。

2. 1 應(yīng)力采集器硬件設(shè)計

書架應(yīng)力采集器其結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示，是由FBG 應(yīng)力傳感器、光纖光柵解調(diào)單元設(shè)計、微處理器、ID 設(shè)定電路、供電電路、ZigBee 通信模塊組成。

對于 FBG 應(yīng)力傳感器的設(shè)計，主要考慮傳感器使用量程、彈性元件材料的選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及熱敏性補(bǔ)償四個方面。

2. 1. 1 使用量程的確定

FBG 應(yīng)力傳感器使用量程是由彈性元件材料的應(yīng)變范圍來決定的。 對于圖書館來說考慮到書架的價格、堅固穩(wěn)定性和便于拆卸等多方面因素，一般

采用 Q345 鋼制材料，已知其鋼制材料最大許用應(yīng)力為 360MPa，在最大許用應(yīng)力的作用下，其應(yīng)變量最大為 1. 79 × 10- 3ε。而光纖光柵傳感器應(yīng)變范圍在 ± 1000με 到 ± 2000με 之間，足以滿足鋼制書架的測量應(yīng)變范圍。

2. 1. 2 彈性元件材料選型

根據(jù)圖書館書架結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，采用 30CrMnSiA合金結(jié)構(gòu)鋼作為應(yīng)力傳感器的彈性元件材料，其有著加工變形小、強(qiáng)度高、抗疲勞、加工性好等優(yōu)點(diǎn)，其力學(xué)性能如表1所示。

2. 1. 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

FBG應(yīng)力傳感器主要由光纖光柵應(yīng)變片和彈性基體組成，考慮到該傳感器在書架安裝的需求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示，在彈性基體的兩端均具有金具安裝孔，方便現(xiàn)場傳感器的安裝;在基體的中心位置開有細(xì)槽，光纖光柵平行粘附在細(xì)槽中。當(dāng)基體發(fā)生彈性形變時，光纖光柵隨之形變。

2. 1. 4熱敏性溫度補(bǔ)償設(shè)計

考慮到光纖光柵傳感器對溫度和應(yīng)變的雙重敏感性，需要對溫度進(jìn)行補(bǔ)償來保證測量應(yīng)變數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 針對其交叉敏感問題，采用光纖光柵的方法來解決溫度漂移引起的應(yīng)變誤差。 光纖光柵法是將 FBG 傳感器分為兩部分，第一部分 FBG 傳感器安裝在書架隔板的主應(yīng)力方向上，另一部分 FBG 傳感器安裝在只受溫度作用的無應(yīng)力載荷方向上，其與主應(yīng)力方向成 90°夾角如圖 4 所示。

通過將 FBG 第一部分的波長變化量與第二部

分的波長變化量做差來實現(xiàn)對書架的應(yīng)變測量，即：

Δλε = Δλ1 -Δλ2

(1)式中，Δλε 是由應(yīng)力產(chǎn)生的波長變化量;Δλ1 是波長變化總量;Δλ2 是溫度引起波長變化量。

其傳感器的應(yīng)變量為：

ε =ΔλεKεΔλ1= Δλ1-KTΔTKεΔλ1

(2)式中， KT為溫度傳感系數(shù);Kε為應(yīng)變靈敏度系數(shù);ΔT 為溫度變化。

對 FBG 傳感器來說，其主要通過變化的波長來完成對應(yīng)變信息量的采集，對于波長微量的變化，采用可調(diào)諧濾波器法來實現(xiàn)書架隔板應(yīng)變波長的解調(diào)。 如圖 5 所示，寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過隔離器傳入 FBG 傳感器中，再將出現(xiàn)的反射光信號通過耦合器進(jìn)入可調(diào)光纖 F⁃P 腔中，當(dāng) F⁃P 濾波器在掃描狀態(tài)時，通過施加鋸齒波掃描電壓來完成窄通道一定范圍內(nèi)的掃描。

若其與 FBG 的反射波長相匹配時，傳感光柵的反射信號順利通過。 由此，可通過 F⁃P濾波器驅(qū)動電壓和透射波長的關(guān)系來求解反射信號的波長。

書架應(yīng)力采集器的微處理器采用 STM32F4 單片機(jī)，其傳輸速度快、性價比高，可滿足系統(tǒng)性能需求。 書架應(yīng)力采集器采用蓄電池供電，其大小為直流 12V，3AH。 通過電源模塊 WRA1205YMD -6W 將輸入電壓直流 12V 轉(zhuǎn)換為直流 5V，再通過穩(wěn)壓電源芯片 AMS1117 -3.

3 將直流 5V 轉(zhuǎn)換為直流3V。

書架應(yīng)力采集器與借閱室監(jiān)測分機(jī)在同一借閱室之內(nèi)，考慮到室內(nèi)電磁干擾較弱、傳輸距離較短，因此采用 Zigbee 通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

開關(guān)可提供 64 個 ID 編號，將 ID 編號設(shè)定給書架應(yīng)力采集器，實現(xiàn)不同類型書架的區(qū)分與識別。

2. 2 應(yīng)力采集器軟件設(shè)計

書架應(yīng)力采集器軟件主要實現(xiàn)對書架各層隔板應(yīng)力的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、應(yīng)力計算和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽淞鞒倘鐖D 6 所示。書架編碼通過 ID 設(shè)定電路實現(xiàn)，采用 6 路撥碼當(dāng)借閱室監(jiān)測分機(jī)向書架應(yīng)力采集器發(fā)出采集命令時，書架應(yīng)力采集器通過串口通信接收命令，讀取命令所需采集的 ID 地址，判斷是否符合本身 ID，如果符合則啟動定時器，通過安裝在書架隔板的FBG 應(yīng)力傳感器采集應(yīng)力數(shù)據(jù)，并將現(xiàn)有應(yīng)力數(shù)據(jù)與初始值進(jìn)行應(yīng)力計算，然后再將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，發(fā)送給書架所處借閱室的監(jiān)測分機(jī)。