基于书架应力的图书热度自动分析系统设计

面对现如今图书需求量大、 图书管理困难等问题，根据不同类别的书架所受应力情况，设计了一套图书热度自动分析系统。该系统是由书架应力采集器、借阅室监测分机和图书管理中心三部分组成， 书架应力采集器主要对书架各层隔板应力进行实时采集和数据计算， 然后将数据上传给借阅室监测分机， 借阅室监测分机对各书架应力数据进行汇总， 再通过 Wi⁃Fi 网络上传给图书管理中心，图书管理中心通过应力分析来研究读者在使用图书过程中的规律和特点，为图书采购和管理决策提供相应的参考。

0 引言

图书作为人们所受教育和学习知识的主要途径，其重要性是不言而喻的，为了更好地便于全民阅读与学习，各个地区以及高校均建立了大型图书馆来满足人们对图书的借阅需求。

随着借阅需求的不断提高，图书馆的图书收藏数量和种类也日益增加，书籍数目的增加，一方面更好地满足了人们对书籍的需求，但另一方面也增大了对图书管理的工作量和难度。

随着数字图书的推广应用，有些图书馆藏室人气不旺，图书管理人员工作的积极性不高同时其工作难以量化考核。

为了解决现阶段图书管理这一方面问题，本文提出了基于书架应力的图书热度自动分析系统，通过对不同类别图书的书架状态分析，来完成对图书热度的评估，为图书管理者的采购和管理决策提供相应的参考，以便更高效的利用存放图书，为读者提供更优质的服务 。

1 图书热度自动分析系统架构

基于书架应力的图书热度自动分析系统设计框架如图 1 所示，其主要包括书架应力采集器、借阅室监测分机和图书管理中心三个组成部分。

应力传感器采用光纤光栅应力传感器，其分别安装在书架每层隔板的底部，用于测量书架各层隔板的应力值。 光纤光栅解调单元对光纤光栅应力传感器反射光的中心波长进行实时解调，将光信号转换成电信号，上传到书架应力采集器。

应力采集器实时采集所处书架各层隔板的应力状况，并与初始时书架各层隔板受应力对比，然后通过 Zigbee 通信模块将数据上传给该借阅室的监测分机，各借阅室的监测分机再通过 Wi⁃Fi 将所有数据上传给图书管理中心。 工作人员可通过图书管理中心对书架的受力状态进行实时记录和数据分析，由于书架每层放置的书籍为同一类型，可通过对不同层应力传感器和不同类别书架采集器的编号来确定书籍种类，并通过测量应力变化来确定各类书籍的借阅量，从而确定了各类书籍的热门程度，为图书管理和采购提供理论参考。

2 书架应力采集器设计

书架应力采集器主要用于对书架各层应力进行采集和应力初始差值计算，其设计分为书架应力采集器硬件设计和书架应力采集器软件设计。

2. 1 应力采集器硬件设计

书架应力采集器其结构框图如图 2 所示，是由FBG 应力传感器、光纤光栅解调单元设计、微处理器、ID 设定电路、供电电路、ZigBee 通信模块组成。

对于 FBG 应力传感器的设计，主要考虑传感器使用量程、弹性元件材料的选型、结构设计以及热敏性补偿四个方面。

2. 1. 1 使用量程的确定

FBG 应力传感器使用量程是由弹性元件材料的应变范围来决定的。 对于图书馆来说考虑到书架的价格、坚固稳定性和便于拆卸等多方面因素，一般

采用 Q345 钢制材料，已知其钢制材料最大许用应力为 360MPa，在最大许用应力的作用下，其应变量最大为 1. 79 × 10- 3ε。而光纤光栅传感器应变范围在 ± 1000με 到 ± 2000με 之间，足以满足钢制书架的测量应变范围。

2. 1. 2 弹性元件材料选型

根据图书馆书架结构和材质，采用 30CrMnSiA合金结构钢作为应力传感器的弹性元件材料，其有着加工变形小、强度高、抗疲劳、加工性好等优点，其力学性能如表1所示。

2. 1. 3 结构设计

FBG应力传感器主要由光纤光栅应变片和弹性基体组成，考虑到该传感器在书架安装的需求，其结构设计如图3所示，在弹性基体的两端均具有金具安装孔，方便现场传感器的安装;在基体的中心位置开有细槽，光纤光栅平行粘附在细槽中。当基体发生弹性形变时，光纤光栅随之形变。

2. 1. 4热敏性温度补偿设计

考虑到光纤光栅传感器对温度和应变的双重敏感性，需要对温度进行补偿来保证测量应变数据的准确性。 针对其交叉敏感问题，采用光纤光栅的方法来解决温度漂移引起的应变误差。 光纤光栅法是将 FBG 传感器分为两部分，第一部分 FBG 传感器安装在书架隔板的主应力方向上，另一部分 FBG 传感器安装在只受温度作用的无应力载荷方向上，其与主应力方向成 90°夹角如图 4 所示。

通过将 FBG 第一部分的波长变化量与第二部

分的波长变化量做差来实现对书架的应变测量，即：

Δλε = Δλ1 -Δλ2

(1)式中，Δλε 是由应力产生的波长变化量;Δλ1 是波长变化总量;Δλ2 是温度引起波长变化量。

其传感器的应变量为：

ε =ΔλεKεΔλ1= Δλ1-KTΔTKεΔλ1

(2)式中， KT为温度传感系数;Kε为应变灵敏度系数;ΔT 为温度变化。

对 FBG 传感器来说，其主要通过变化的波长来完成对应变信息量的采集，对于波长微量的变化，采用可调谐滤波器法来实现书架隔板应变波长的解调。 如图 5 所示，宽带光源发出的光经过隔离器传入 FBG 传感器中，再将出现的反射光信号通过耦合器进入可调光纤 F⁃P 腔中，当 F⁃P 滤波器在扫描状态时，通过施加锯齿波扫描电压来完成窄通道一定范围内的扫描。

若其与 FBG 的反射波长相匹配时，传感光栅的反射信号顺利通过。 由此，可通过 F⁃P滤波器驱动电压和透射波长的关系来求解反射信号的波长。

书架应力采集器的微处理器采用 STM32F4 单片机，其传输速度快、性价比高，可满足系统性能需求。 书架应力采集器采用蓄电池供电，其大小为直流 12V，3AH。 通过电源模块 WRA1205YMD -6W 将输入电压直流 12V 转换为直流 5V，再通过稳压电源芯片 AMS1117 -3.

3 将直流 5V 转换为直流3V。

书架应力采集器与借阅室监测分机在同一借阅室之内，考虑到室内电磁干扰较弱、传输距离较短，因此采用 Zigbee 通讯模块进行数据传输。

开关可提供 64 个 ID 编号，将 ID 编号设定给书架应力采集器，实现不同类型书架的区分与识别。

2. 2 应力采集器软件设计

书架应力采集器软件主要实现对书架各层隔板应力的数据采集、数据处理、应力计算和数据传输等功能，其流程如图 6 所示。书架编码通过 ID 设定电路实现，采用 6 路拨码当借阅室监测分机向书架应力采集器发出采集命令时，书架应力采集器通过串口通信接收命令，读取命令所需采集的 ID 地址，判断是否符合本身 ID，如果符合则启动定时器，通过安装在书架隔板的FBG 应力传感器采集应力数据，并将现有应力数据与初始值进行应力计算，然后再将数据进行打包，发送给书架所处借阅室的监测分机。