基于窄帶物聯網的圖書館座位智能管理系統設計方案

一、系統設計背景與目標

隨著圖書館資源利用率的提升，傳統人工管理方式已難以滿足讀者對高效、公平座位分配的需求。基于窄帶物聯網（NB-IoT）技術的智能管理系統，通過實時監測座位狀態、數據云端處理及用戶交互界面，可顯著提升座位周轉率并降低管理成本。本方案以低成本、低功耗、廣覆蓋為核心目標，構建包含座位信息采集終端、云平臺、應用服務器及用戶端的完整系統架構。

二、硬件設計

1. 座位信息采集終端

元器件選型與功能

• 熱釋電紅外傳感器（HC-SR501）

• 傳感器輸出信號連接至微控制器（MCU）的數字輸入引腳，通過濾波算法消除抖動。

• 高靈敏度：可探測人體腿部移動信號，避免因靜態坐姿導致的誤判。

• 低功耗：工作電流僅50μA，適合電池供電場景。

• 抗干擾性強：內置菲涅爾透鏡，可屏蔽環境光線干擾。

• 功能：通過檢測人體紅外輻射變化識別座位占用狀態。

• 選型理由：

• 電路設計：

• 微控制器（Arduino Nano/STM32F103C8T6）

• 低成本驗證：選用Arduino Nano，通過軟件實現狀態機邏輯。

• 量產部署：采用STM32F103C8T6，預留擴展接口（如按鍵輸入、LED指示燈）。

• Arduino Nano：

• STM32F103C8T6：

• 優勢：開發門檻低，適合快速原型驗證。

• 局限性：資源有限（14路GPIO、32KB Flash），難以擴展復雜功能。

• 優勢：72MHz主頻、64KB Flash、20KB RAM，支持實時操作系統（RTOS）。

• 適用場景：需處理多傳感器數據或復雜算法時（如動態閾值調整）。

• 功能：處理傳感器數據、控制NB-IoT模塊通信及本地邏輯判斷。

• 選型對比：

• 推薦方案：

• NB-IoT模塊（移遠BC95-B5）

• 通過UART接口與MCU通信，使用AT指令配置網絡參數（如CDP服務器地址、APN）。

• 低功耗：PSM模式功耗低至2μA，電池壽命可達數年。

• 廣覆蓋：支持3GPP Release 13標準，覆蓋半徑達10公里。

• 運營商兼容性：適配中國電信物聯網平臺，支持CoAP/UDP協議。

• 功能：將座位狀態數據上傳至云端。

• 選型理由：

• 電路設計：

• 電源管理模塊（AMS1117-3.3V）

• 高效率：轉換效率達95%，減少發熱。

• 過流保護：內置短路保護功能，提升系統可靠性。

• 功能：將5V輸入電壓轉換為3.3V，為MCU、傳感器及NB-IoT模塊供電。

• 選型理由：

2. 硬件連線與PCB設計

• 傳感器連接：

• HC-SR501的OUT引腳連接至MCU的數字輸入引腳（如D2-D9），VCC和GND分別接3.3V和地。

• NB-IoT模塊連接：

• BC95-B5的TXD/RXD引腳交叉連接至MCU的UART接口（如D10/D11），PWRKEY引腳通過按鍵控制模塊啟停。

• PCB布局要點：

• 天線隔離：NB-IoT模塊天線區域與數字電路保持20mm以上間距，避免干擾。

• 電源濾波：在3.3V電源線上并聯10μF電解電容和0.1μF陶瓷電容，抑制高頻噪聲。

三、軟件設計

1. 座位信息采集端程序

核心功能實現

• 狀態檢測算法：

• 動態閾值調整：根據環境溫度變化自動調整傳感器靈敏度，避免誤報。

• 長時間占用判定：若座位狀態持續15分鐘未變化，則判定為“空閑”。

• NB-IoT通信流程：

  
  void init_nbiot() {
  
  uart_send("AT", 1000); // 測試模塊響應
  
  uart_send("AT+CFUN=1", 1000); // 開啟射頻功能
  
  uart_send("AT+NCDP=180.101.147.115,5683", 1000); // 配置CDP服務器
  
  uart_send("AT+CGATT=1", 1000); // 激活網絡
  
  }
  
  
  
  void send_seat_data(int floor, int table, int seat, int status) {
  
  char data[64];
  
  sprintf(data, "{"floor":%d,"table":%d,"seat":%d,"status":%d}", floor, table, seat, status);
  
  uart_send(data, 2000); // 發送JSON格式數據
  
  }

2. 云平臺與服務器設計

中國電信物聯網平臺配置

• 產品模型定義：

• floor（樓層編號，int型）

• table（桌子編號，int型）

• seat（座位編號，int型）

• status（座位狀態，0-空閑/1-占用，int型）

• 創建自定義產品，定義以下屬性：

• 數據轉發規則：

• 配置HTTP/HTTPS推送，將NB-IoT模塊上報的數據轉發至應用服務器。

應用服務器（Django框架）

• 核心組件：

• Nginx：反向代理，處理靜態資源請求。

• uWSGI：WSGI服務器，與Django交互。

• MySQL：存儲座位狀態、用戶預約記錄等數據。

• 關鍵代碼示例：

  
  # views.py
  
  from django.http import JsonResponse
  
  from .models import SeatStatus
  
  
  
  def get_seat_status(request):
  
  seats = SeatStatus.objects.all().values('floor', 'table', 'seat', 'status')
  
  return JsonResponse(list(seats), safe=False)

3. 用戶端設計

• 前端技術棧：

• HTML/CSS/JavaScript：構建響應式界面。

• Bootstrap：加速UI開發。

• jQuery：簡化AJAX請求。

• 核心功能：

• 實時座位狀態展示：通過WebSocket或輪詢獲取服務器數據。

• 在線預約：用戶選擇樓層、桌號及座位后提交預約請求。

四、系統優化與擴展

1. 低功耗優化

• 硬件層面：

• 采用低功耗MCU（如STM32L系列），支持STOP模式（電流<1μA）。

• 優化傳感器采樣頻率（如每5分鐘檢測一次）。

• 軟件層面：

• 實現NB-IoT模塊的PSM模式配置，延長電池壽命。

2. 功能擴展

• 違規行為監測：

• 集成壓力傳感器，檢測座位是否被非法占用（如用物品占座）。

• 圖書定位導航：

• 在圖書標簽中嵌入NB-IoT模塊，結合室內定位算法實現路徑規劃。

五、元器件選型總結

六、結論

本方案通過窄帶物聯網技術實現了圖書館座位的智能化管理，解決了傳統人工管理效率低、公平性差的問題。硬件層面采用低功耗元器件與優化電路設計，軟件層面通過動態閾值算法與云端數據處理，確保系統實時性與可靠性。未來可進一步集成圖書定位、環境監測等功能，打造全場景智慧圖書館。