基于書架應力的圖書熱度自動分析系統(tǒng)設計

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力情況，設計了一套圖書熱度自動分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由書架應力采集器、借閱室監(jiān)測分機和圖書管理中心三部分組成， 書架應力采集器主要對書架各層隔板應力進行實時采集和數(shù)據(jù)計算， 然后將數(shù)據(jù)上傳給借閱室監(jiān)測分機， 借閱室監(jiān)測分機對各書架應力數(shù)據(jù)進行匯總， 再通過 Wi⁃Fi 網絡上傳給圖書管理中心，圖書管理中心通過應力分析來研究讀者在使用圖書過程中的規(guī)律和特點，為圖書采購和管理決策提供相應的參考。

0 引言

圖書作為人們所受教育和學習知識的主要途徑，其重要性是不言而喻的，為了更好地便于全民閱讀與學習，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，書籍數(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的參考，以便更高效的利用存放圖書，為讀者提供更優(yōu)質的服務 。

1 圖書熱度自動分析系統(tǒng)架構

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

應力傳感器采用光纖光柵應力傳感器，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力值。 光纖光柵解調單元對光纖光柵應力傳感器反射光的中心波長進行實時解調，將光信號轉換成電信號，上傳到書架應力采集器。

應力采集器實時采集所處書架各層隔板的應力狀況，并與初始時書架各層隔板受應力對比，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，各借閱室的監(jiān)測分機再通過 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 書架應力采集器設計

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

2. 1 應力采集器硬件設計

書架應力采集器其結構框圖如圖 2 所示，是由FBG 應力傳感器、光纖光柵解調單元設計、微處理器、ID 設定電路、供電電路、ZigBee 通信模塊組成。

對于 FBG 應力傳感器的設計，主要考慮傳感器使用量程、彈性元件材料的選型、結構設計以及熱敏性補償四個方面。

2. 1. 1 使用量程的確定

FBG 應力傳感器使用量程是由彈性元件材料的應變范圍來決定的。 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力為 360MPa，在最大許用應力的作用下，其應變量最大為 1. 79 × 10- 3ε。而光纖光柵傳感器應變范圍在 ± 1000με 到 ± 2000με 之間，足以滿足鋼制書架的測量應變范圍。

2. 1. 2 彈性元件材料選型

根據(jù)圖書館書架結構和材質，采用 30CrMnSiA合金結構鋼作為應力傳感器的彈性元件材料，其有著加工變形小、強度高、抗疲勞、加工性好等優(yōu)點，其力學性能如表1所示。

2. 1. 3 結構設計

FBG應力傳感器主要由光纖光柵應變片和彈性基體組成，考慮到該傳感器在書架安裝的需求，其結構設計如圖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槽，光纖光柵平行粘附在細槽中。當基體發(fā)生彈性形變時，光纖光柵隨之形變。

2. 1. 4熱敏性溫度補償設計

考慮到光纖光柵傳感器對溫度和應變的雙重敏感性，需要對溫度進行補償來保證測量應變數(shù)據(jù)的準確性。 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力方向上，另一部分 FBG 傳感器安裝在只受溫度作用的無應力載荷方向上，其與主應力方向成 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)對書架的應變測量，即：

Δλε = Δλ1 -Δλ2

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

其傳感器的應變量為：

ε =ΔλεKεΔλ1= Δλ1-KTΔTKεΔλ1

(2)式中， KT為溫度傳感系數(shù);Kε為應變靈敏度系數(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變信息量的采集，對于波長微量的變化，采用可調諧濾波器法來實現(xiàn)書架隔板應變波長的解調。 如圖 5 所示，寬帶光源發(fā)出的光經過隔離器傳入 FBG 傳感器中，再將出現(xiàn)的反射光信號通過耦合器進入可調光纖 F⁃P 腔中，當 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濾波器驅動電壓和透射波長的關系來求解反射信號的波長。

書架應力采集器的微處理器采用 STM32F4 單片機，其傳輸速度快、性價比高，可滿足系統(tǒng)性能需求。 書架應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 轉換為直流 5V，再通過穩(wěn)壓電源芯片 AMS1117 -3.

3 將直流 5V 轉換為直流3V。

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

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

2. 2 應力采集器軟件設計

書架應力采集器軟件主要實現(xiàn)對書架各層隔板應力的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、應力計算和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ�，其流程如圖 6 所示。書架編碼通過 ID 設定電路實現(xiàn)，采用 6 路撥碼當借閱室監(jiān)測分機向書架應力采集器發(fā)出采集命令時，書架應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 應力傳感器采集應力數(shù)據(jù)，并將現(xiàn)有應力數(shù)據(jù)與初始值進行應力計算，然后再將數(shù)據(jù)進行打包，發(fā)送給書架所處借閱室的監(jiān)測分機。