Nutzungsmessung von Präsenzzeitschriften mittels Sensoren

2.1 Der Sensor

Der Sensor ist ein Bewegungssensor der Firma Aqara, der auf Infrarot-Strahlung reagiert (Modell RTCGQ11LM).^[3] Er wird mit einer Halterung in der Zeitschriftenbox in einem bestimmten Winkel befestigt, so dass lediglich Bewegungen innerhalb der Zeitschriftenbox gemessen werden, selbst wenn die Klappe der Zeitschriftenbox geöffnet ist. Da ein Bewegungssensor immer eine Bewegung (also eine Strecke von A nach B) messen muss und diese Bewegung innerhalb der Zeitschriften-Box stattfinden muss (sonst würde der Sensor auch außerhalb reagieren), gibt es einen Fehlerbereich, in dem der Sensor auch innerhalb der Zeitschriften-Box nicht misst. Dieser beträgt 1–1,5cm. Die Halterung für die Sensoren wurden im 3D-Druck selbst hergestellt. Damit können die Sensoren leicht angewinkelt in die Ecke der Zeitschriften-Box geklebt und optimal ausgerichtet werden. Fasst eine Nutzer:in in das Reaktionsfeld überträgt der Sensor eine Nachricht, dass eine Bewegung stattgefunden hat, die Uhrzeit, die Sensor-ID und den Batteriestand des Sensors.^[4]

Abb. 1:

Bewegungsmelder Aqara RTCGQ11LM

Die Nachrichtenübertragung an den Empfänger erfolgt über das ZigBee-Funkprotokoll. ZigBee ist ein Funkprotokoll für geringes Datenaufkommen und geringem Stromverbrauch. Der Sensor ist batteriebetrieben, das heißt, es müssen keine Kabel verlegt werden. Die Lebensdauer der Batterien wird vom Hersteller mit mindestens zwei Jahren angegeben. In der Berliner Stadtbibliothek läuft die Anlage seit 18 Monaten und die Batterien der Sensoren sind immer noch bei ca. 63 %. Die maximale Reichweite der Sensoren wird vom Hersteller mit 40 Metern angegeben und nimmt mit der Anzahl der die Funkverbindung störenden Ereignisse ab. In der BStB beträgt die größte Entfernung zwischen Sensor und Empfänger 20 Meter und die Zeitschriftenboxen sind aus Metall. Die Funkverbindung ist unproblematisch möglich.

Testberichte über die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der genutzten Sensoren liegen nicht vor. Die Sensoren sind allerdings CE-zertifiziert. Damit bürgt der Hersteller, dass die Sensoren die europäischen Normen über die elektromagnetische Verträglichkeit einhalten. Darüber hinaus ist ZigBee als Funkstandard auf niedrigen Batterieverbrauch und geringe Datenmengen ausgelegt. Aktive Scans, um die Erreichbarkeit im Netzwerk zu testen und sicherzustellen, werden selten durchgeführt. Daher ist die elektromagnetische Strahlenbelastung durch ZigBee-Sensoren im Vergleich zu anderen Funknetzwerken als gering einzustufen.

2.2 Der Transmitter

Abb. 2:

Raspberry Pi 4B ohne Case

Der Transmitter hat die Funktion, die ZigBee-Nachrichten zu empfangen, weiterzuverarbeiten und an die Datenbank zu senden. Dazu wird ein Raspberry Pi benutzt, der mit einem Conbee-II-Stick und dem Smart-Home-Programm Node-RED ausgestattet ist.

Ein Raspberry Pi ist ein Ein-Platinen-Computer, der speziell zum Programmieren und Experimentieren entwickelt worden ist. Die Leistungsfähigkeit der Raspberry Pis hat in den letzten Jahren kontinuierlich zugenommen. Für die Anlage wird ein Raspberry Pi 4B mit 2GB RAM benutzt. Vor drei Jahren waren die Raspberry Pis 4B für ca. 65 EUR erhältlich, aufgrund der Lieferproblematiken im IT-Bereich kosten diese Raspberries inzwischen um die 165 EUR pro Stück.

Abb. 3:

USB-Stick Conbee II

Abb. 4:

Datenstrom eines Sensor-Ereignisses in Node-RED

Der Conbee II ist ein USB-Stick der Firma Dresden Elektronik, der ZigBee-Nachrichten empfangen kann.^[5] Der Vorteil von Conbee II gegenüber anderen ZigBee-Empfängern ist, dass die Daten nicht automatisch in einer proprietären Hersteller-Cloud weiterverarbeitet werden müssen. An jeden Conbee-II-Stick können 200 Sensoren gekoppelt werden. Es ist möglich, verschiedene Sensorentypen wie Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, Lichtschranken an einen Conbee-II-Stick zu koppeln (vgl. hierzu Exkurs zum Magazin-Monitoring in diesem Aufsatz).

Der Conbee-II-Stick ist mit dem Raspberry Pi 4b 2GB verbunden. Auf dem Raspberry ist das Programm deCONZ installiert,^[6] das die Daten vom Conbee-II-Stick empfängt und mit dem Smart-Home-Programm Node-RED gekoppelt werden kann.

Node-RED ist ein Programm zur Steuerung von ereignisbasierten Datenströmen.^[7] In Node-RED können diese Datenströme analysiert, manipuliert und in verschiedene Kanäle weitergeleitet werden. Dabei gibt es für jeden dieser Handlungen vorgefertigte Funktionen („Nodes“), die nach dem Baukastenprinzip zusammengesetzt werden können.

Der Datenstrom eines Sensor-Ereignisses mit den entsprechenden Nodes sieht folgendermaßen aus:

Die erste Node „ZLB-R2-200“ stellt die Verbindung zu dem ZigBee-Empfänger-Programm deCONZ her. „ZLB-R2-200“ ist der selbstgewählte Name der Node und auch des Sensors und meint „der 200ste Sensor, welcher an den Raspberry Nummer 2 in der ZLB gekoppelt ist“.

Die zweite Node „oeffnungszeiten“ legt fest, dass die empfangene Nachricht nur weitergeleitet wird, wenn sie innerhalb der Bibliotheksöffnungszeiten erstellt worden ist. Diese Einschränkung ist aus personalrechtlichen Aspekten nötig.

Die dritte Node „Definition Nutzung“ legt fest, dass nur jede zweite Nachricht, die der Sensor misst, weitergeleitet wird. Wie bei Nutzungsmessung von anderen Medien auch, musste bei den Zeitschriften festgelegt werden, wie die Nutzung gezählt werden soll. Der Nutzungsprozess von Zeitschriften besteht aus der Entnahme der Zeitschrift, der Nutzung der Zeitschrift über einen Zeitraum von mindestens einer Minute und dem Zurücklegen der Zeitschrift in das Fach. Der Nutzungsvorgang ist mit dem Zurücklegen der Zeitschrift – also mit der zweiten gemessenen Bewegung im Fach – abgeschlossen. Daher soll lediglich diese Bewegung gezählt werden. Aus diesem Grund ist diese Node so programmiert, dass nur jede zweite gemeldete Nutzung weitergeleitet wird. Da es sich um einen Präsenzbestand handelt wird die Nutzungsmessung am Ende des Tages auf „0“ zurückgesetzt.

Durch diese Zählweise ergeben sich folgende mögliche Fehler in der Zählung:

• Wenn zwei Nutzer:innen an einem Tag in das Fach greifen, ohne eine Zeitschrift zu entnehmen wird das als Nutzung gezählt.

• Wenn eine Nutzer:in die Zeitschrift nutzt, aber nicht in das Zeitschriftenfach zurücklegt, zählt das als keine Nutzung.

• Wenn eine Nutzer:in die Zeitschrift auf die Ablage des Zeitschriftenfachs zurückstellt, zählt das als keine Nutzung.

Die Belastbarkeit und Aussagekraft der Messung wird durch die beschriebenen Ereignisse nicht infrage gestellt.

In der vierten Node „Nachricht definieren“ bestimmen wir, was an die Datenbank weitergegeben werden soll. Folgende Elemente soll die Nachricht beinhalten:

message[„ID“] = „ZLB-R2-200“

message[„zustand“] = msg.payload_raw.state.presence

message[„timestamp“] = msg.payload_raw.state.lastupdated

message[„battery“] = msg.meta.config.battery

message[„reachable“] = msg.meta.config.reachable

Die fünfte Node „HTTP-Anwendung“ schickt diese Nachrichteninhalte mittels eines POST-Requests an eine Datenbank, eine Elastic-Datenbank, die „in der Cloud“ angemietet wurde.

Ferner gibt es noch zwei Formen von „Kontroll-Nodes“, also Nodes, die das Funktionieren des Systems überwachen sollen. Die erste Kontroll-Node kontrolliert die Funktionsweise des Raspberries: Funktioniert der Raspberry Pi, schickt er jeden Morgen um 10.00 Uhr eine Telegramm-Nachricht auf ein Handy. Wird keine Nachricht versendet, ist der Raspberry vom Netz abgekoppelt.

Abb. 5:

Index-Eintrag einer Nutzung in Elastic

Die zweite Art Kontroll-Nachricht kontrolliert die Verbindung des Sensors mit Node-RED. Ist der Sensor nicht mehr mit Node-RED verbunden, erkennt die Status-Node, dass sich der Verbindungsstatus verändert hat und sendet eine Telegramm-Nachricht auf das Handy.

2.3 Die Datenbank

Als Datenbank wird eine gehostete Instanz der Datenbank Elasticsearch^[8] benutzt. Elasticsearch ist eine NoSQL-Datenbank und speichert Dokumente in einem Index. Elasticsearch ist extrem leicht einzurichten und hat mit Kibana ein hervorragendes Visualisierungstool.

In unserem Fall empfängt Elasticsearch die vom Raspberry gesendete Nachricht und reichert sie mit in einem weiteren Index hinterlegten Metadaten der Zeitschrift an. Ein Datenbank-Eintrag sieht letztendlich aus wie in Abb. 4 dargestellt.

2.4 Das Dashboard

Im Dashboard können die Anzahl der Nutzungen insgesamt, die Anzahl der gemessenen Zeitschriften und die Anzahl der Zeitschriften ohne eine Ausleihe (Nuller) auf einen Blick erfasst werden. Ferner werden in einer Gesamttabelle alle relevanten Daten für jede einzelne Zeitschrift gelistet. Dabei gibt es die Möglichkeit, nach Fachgebiet, Erwerbungsart, Preis oder Anzahl der Nutzungen zu filtern. Fachlektor:innen können damit den Gesamtbestand auf ihr Fachgebiet einschränken und sich die Zahlen ihrer Zeitschriften in den entsprechenden Facetten angucken. Die Nutzung des Dashboards kann für verschiedene Nutzungsgruppen (Führungskräfte, Fachlektor:innen etc.) mit verschiedenen Rechten freigeschaltet werden. Die einzelnen Elemente des Dashboards sind als .csv und Excel-Datei exportierbar.

3.1 Installationsaufwand

Um einen Sensor an die Begebenheiten der Messung anzupassen, benötigt man durchschnittlich 15 Minuten. Das beinhaltet Abkleben oder Austausch der Sensorlinse auf den gewünschten Reaktionsbereich, Ansprühen der Sensoren auf die Farbe der Zeitschriften-Box, Montage der Sensoren, das Koppeln der Sensoren an den Conbee-II-Stick und das Einrichten der Datenströme in Node-RED.

Für die Einrichtung der Datenbank und die Erstellung des Dashboards benötigt man ca. vier Arbeitstage.

3.2 Pflegeaufwand

Mit der Anlagentechnik (Sensor, Raspberry Pis) gibt es bisher keine größeren Störungen und die Anlage läuft seit zwei Jahren weitgehend ohne großen Pflegeaufwand. Alle drei Monate wird kontrolliert, ob die Sensoren noch funktionieren. Das dauert ca. vier Stunden.

Die Pflege der Datenbank (das Einpflegen neuer Zeitschriften-Metadaten, die Makulatur alter Zeitschriften-Metadaten) ist dagegen zeitaufwendig, da die Zeitschriften-Metadaten als weiteren Index in Elasticsearch hinterlegt wurden. Index-Einträge können aber im Nachhinein nicht gut geändert werden, das heißt, wenn sich ein Zeitschriftenname oder ein Preis ändert, wurde noch kein gutes Vorgehen gefunden, die Änderungen mit einem annehmbaren Aufwand einzupflegen. Im Nachhinein scheint es daher sinnvoller, die Metadaten als SQL-Datenbank zu hinterlegen.

3.3 Probleme und Reparaturen im Betrieb

Im Laufe des Jahres mussten zwei Sensoren von 517 ausgetauscht werden, weil sie nicht mehr funktionstüchtig waren. Darüber hinaus war die Anlage innerhalb des Jahres drei Mal mit einer Länge von insgesamt zwölf Öffnungstagen inaktiv. Einmal gab es einen Stromausfall und zweimal funktionierte das Internet nicht. Als Reaktion darauf wurden die oben beschriebenen Kontroll-Nodes installiert, die täglich meldeten, ob die Anlage noch am Netz ist, sodass auf solche Ereignisse schneller reagiert werden konnte. Darüber hinaus kam es immer wieder vor, dass Fachlektor:innen ihren Zeitschriftenbestand neu sortieren und die Zeitschriftenboxen neu bestücken, ohne darüber zu informieren. Diese Veränderungen wurden spätestens bei dem dreimonatigen Wartungsfenstern bemerkt. Inzwischen gibt es aber entsprechende Absprachen, Veränderungen anzuzeigen.

Ansonsten gab es keine nennenswerten technischen Probleme, vor allem:

• Alle Batterien haben gehalten. Eine Stichprobe bei den Batterien von zehn zufällig ausgesuchten Sensoren ergab, dass der Ladestand nach eineinhalb Jahr Nutzung bei durchschnittlich 63 % beträgt.

• Kein Sensor wurde gestohlen oder beschädigt oder ist abgefallen.

• Keine SD-Karte der Raspberry Pis ist kaputtgegangen.^[9]

• Keine Nutzer:in hat sich durch die Messung gestört gefühlt.

3.4 Voraussetzungen für den Betrieb der Anlage

Es gibt einige Begebenheiten, die die Installation einer solchen Anlage wesentlich begünstigen:

1. Der Sensor darf nicht reagieren, wenn außerhalb der Zeitschriftenkästen eine Bewegung stattfindet. Es ist daher wichtig, dass die Zeitschriftenkästen möglichst geschlossen sind. Zeitschriftenkästen, die nach hinten offen oder Löcher an den Seiten und an der Decke haben, müssen entweder entsprechend präpariert werden oder das Reaktionsfeld des Sensors muss entsprechend eingeschränkt werden.

2. Es sollte möglichst nur eine Zeitschrift in einer Zeitschriftenbox untergebracht sein. Liegen mehrere Zeitschriften in einem Fach, können die Reaktionsfelder der Sensoren so eingeschränkt werden, dass immer nur eine DIN-A4-Breite gemessen wird. Für eine solche Messung werden aber mehr Sensoren nötig und es kommt bei der Messung wahrscheinlich häufiger zu Fehlern. Besser ist: Eine Zeitschrift, eine Box.

3. Aktuelle Zeitschriftenhefte sollten nicht auf die Ablage der Zeitschriftenbox gestellt werden. Es gäbe zwar eine Möglichkeit, einen Gewichtssensor an einen ähnlichen Sensortyp zu löten und so auch diese Ablage zu messen. Aufgrund der Anzahl der zusätzlich benötigten Sensoren wäre das mit zusätzlichen Kosten und einem hohen Aufwand verbunden.^[10]

4. Die Zeitschriften sollten nicht zu sehr vereinzelt in der Bibliothek verteilt sein, weil alle 20 bis 40 Meter ein Transmitter installiert werden muss.

5. Die Transmitter brauchen eine stabile Strom- und Internetverbindung. Langwierige Probleme mit dem Transmitter gab es nur, wenn aufgrund eines Strom- oder Internetausfalls der Fernzugriff auf den Transmitter unterbrochen war.

Das sind erfahrungsgemäß die wichtigsten Voraussetzungen für einen Bau der Anlage. Bei weiteren Fragen zum Nachbau melden Sie sich gern.

3.5 Exkurs: Temperatur und Feuchtigkeitsmessung im Magazin

In der ZLB besteht – wie in vielen Bibliotheken – Bedarf eines Temperatur- und Feuchtigkeits-Monitorings in den Magazinen. Die hier beschriebene Anlage lässt sich in eine kostengünstige Monitoring-Anlage umbauen. Dazu wird anstelle eines Bewegungssensors ein Temperatur- und Feuchtigkeitssensor an den ZigBee-Empfänger angeschlossen. Die weiteren technischen Abläufe (Weiterverarbeitung der Nachricht in Node-RED, speichern der Nachricht in Elastic und Darstellung der Nachricht im Dashboard) sind dieselben. Zurzeit wird eine Anlage in einem ca. 25m * 15m großen Magazin mit fünf Aqara Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren getestet. Besonders interessant sind Alarmfunktionen: Soweit eine bestimmte Temperatur oder Luftfeuchtigkeit überschritten werden, wird eine Nachricht via Messenger auf das Handy gesendet.^[11]

4.1 Gesamtnutzung

Die gut 500 Zeitschriften im Freihandbestand der BStB wurden innerhalb eines Jahres – noch mit coronabedingten Einschränkungen – im Durchschnitt ca. elfmal genutzt. Angesichts der hohen Zahl an Fach- und der geringen Zahl an Publikumszeitschriften scheint das ein akzeptabler Wert. Die Nutzungen verteilen sich allerdings sehr ungleich, das heißt, es gibt einige Zeitschriften, die häufig genutzt werden, der überwiegende Teil der Zeitschriften wird aber eher selten genutzt. Für ca. 10 % der Zeitschriften konnte keine Nutzung verzeichnet werden.

Die zehn am häufigsten genutzten Zeitschriften kommen ausschließlich aus den Fachbereichen Wirtschaft und Informatik und verbuchen mit 1 421 Nutzungen ca. 25 % der Gesamtnutzung. Ein Einfluss der „Hefte pro Jahr“ auf die „Nutzungen pro Jahr“ ist nicht direkt ersichtlich.

4.2 Nutzung pro Fachgebiet

Für viele Fachgebiete entspricht der Anteil an der Nutzung ungefähr dem Anteil, den das Fachgebiet am Zeitschriftenbestand hat. Dennoch lässt sich feststellen, dass der Fachbereich Informatik im Vergleich zu anderen Fachbereichen stärker genutzt wird. Auch die Zeitschriften des Fachbereichs Wirtschaft werden insgesamt überdurchschnittlich genutzt, hier zeigt sich allerdings – anders als bei der Informatik – ein stärkeres Ungleichgewicht in der Verteilung der Nutzung. So gibt es einige sehr gut genutzte Zeitschriften, während die übrigen Zeitschriften durchschnittlich genutzt werden.

Im Fachbereich Medizin hingegen liegt der Anteil an der Gesamtnutzung deutlich unter dem Anteil am Gesamtbestand. Auch der Anteil der Nuller liegt über dem Durchschnitt. Das ist darin begründet, dass das Fachgebiet Medizin – wegen der Übernahme der Ärztebibliothek der Berliner Ärzteschaft – einen höheren Anteil an vertiefter Literatur führt als die anderen Fachgebiete.

4.3 Kosten pro Nutzung pro Zeitschrift

Jeder Zeitschrift können die jährlichen Abonnement-Kosten zugeordnet werden und somit die „Kosten pro Nutzung“ ausweisen. Hier zeigt die Auswertung, dass einige Zeitschriften sehr hohe Kosten pro Nutzung aufweisen.

4.4 Fazit inhaltliche Auswertung der Messung und Ausblick

Mit dem Aqara-Bewegungsmelder als Sensor, dem Conbee-II-Stick als Empfänger, dem Raspberry Pi als Transmitter, mit Node-RED als Bearbeitungssoftware und Elasticsearch als Internetdatenbank ist es gelungen, eine Anlage aus frei auf dem Markt befindlichen Komponenten zusammenzusetzen. Die Abstimmung der Komponenten aufeinander war mit Zeit, Interesse und etwas Programmier- und IT-Kenntnissen auch für einen Nicht-ITler möglich.

Als zeitintensiv hat sich die Präparierung der Sensoren und die Wartung der Datenbank herausgestellt. Während der Arbeitsumfang bei der Präparierung der Sensoren immer von den örtlichen Begebenheiten abhängt und schwer zu vereinfachen ist, kann die Anlage mit einer Möglichkeit Zeitschriften-Metadaten schnell einzuarbeiten dauerhaft verbessert werden.

Ansonsten zeigte sich das System einfach in der Wartung und robust in der Anwendung. Auch mit den Nutzer:innen gab es keine Probleme. Als praktisch stellt sich heraus, dass die Anlage durch Austausch der Sensoren auf andere Anwendungen wie z. B. Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsmessung im Magazin übertragbar ist.

Die Diskussion über die Interpretation der Zahlen und die zu ergreifenden Maßnahmen ist innerhalb der ZLB noch nicht abgeschlossen. Die obenstehende Analysen erlauben aber folgende Problembereiche und folgende Ziele zu benennen:

• die hohe Anzahl an Nullern soll verringert werden,

• Disproportionalitäten bei der Anzahl an Zeitschriften pro Fachgebiet sollen betrachtet werden, wobei gleichzeitig alle Fachbereich adäquat vertreten bleiben sollen,

• die Anzahl an Zeitschriften mit hoher Kosten/Nutzung-Ratio soll verringert werden.

Da die ZLB ihren Nutzer:innen auch den Zugriff auf Zeitschriften in den Magazinen ermöglicht und ohnehin nicht alle noch laufend erworbenen Zeitschriften in der Freihand stehen, ist bei der Diskussion auch stets zu entscheiden, ob Abonnements beendet oder nur der Aufstellort geändert wird. Dies entscheidet sich aus einer Abwägung, ob eine wenig genutzte Zeitschrift dennoch für die Zielgruppen der ZLB mit ihrem systemergänzenden Versorgungsauftrag wichtig ist.

Die Diskussion innerhalb der ZLB richtet sich aber auch darauf, wie der existierende Bestand besser angeboten werden kann, z. B. durch attraktivere Aufstellungsformen, die Schaffung von Sitzmöglichkeiten mit einer hohen Aufenthaltsqualität und dem stärkeren Einbezug der Zeitschriften bei der inhaltlichen Auskunft der Nutzer:innen.

Darüber hinaus zeigt sich, dass die Messung wiederholt werden sollte, wenn die Konsequenzen aus der ersten Messung gezogen und entsprechende Maßnahmen ergriffen worden sind. Es ist daher absehbar, dass es in den nächsten Jahren immer wieder Phasen der Messung geben wird und Phasen, in denen die Bestände überarbeitet werden. Nach wie vielen solcher Kreisläufe sich der Gesamtbestand und die einzelnen Fachbereiche sich in ein für uns gutes Nutzungsverhältnis eingependelt haben, bleibt abzuwarten.

Ferner ist es geplant, die Messung auf unser zweites Haus, die Amerika-Gedenkbibliothek (AGB), auszuweiten. In der AGB gibt es über 700 weitere Zeitschriften im Freihandbereich, davon weniger Zeitschriften aus den naturwissenschaftlichen Fächern. Technisch herausfordernd ist die Messung in der AGB, weil dort drei bis vier Zeitschriften in einem Zeitschriftenkasten nebeneinander liegen. Um eine Bewegung einer Zeitschrift zuordnen zu können, wird das Reaktionsfeld des Sensors auf genau eine DIN-A4-Seite eingeschränkt. Geplant ist, mit der Messung in der AGB im zweiten Quartal 2023 starten zu können. Ferner wird angestrebt, im zweiten Quartal 2023 den BStB-Bestand so weit zu bearbeiten, dass mit einem zweiten Messzyklus begonnen werden kann.