無線傳感網絡監測系統在圖書館古籍保護領域的應用

摘要：古籍特藏文獻是圖書館各類文獻中最為重要和珍貴的文獻，由于保存條件落后等原因，殘損情況嚴重。要保護、管理、利用好古籍資源，需要科技力量的支持。利用各種環境傳感器多點監測古籍，同時通過無線數傳方式將環境數據上傳，達到實時監測古籍保存環境。

關鍵詞：古籍；WSN；傳感器

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A ？搖文章編號：1674-9324（2013）47-0115-02

一、前言

古籍作為中華民族的文化遺產，要求永久保存。但在古籍保存過程中出現損壞的原因是多方面的，在眾多的原因之中，保存環境的溫濕度條件、水、火災害是最主要的影響因素。蟲、霉的危害主要是由于溫濕度的控制不當引起的，而水、火災除了管理上疏忽外也與技術設施的缺乏有著直接的關系。過去，因受經濟、技術等條件的制約，對古籍的保護只能是相對的。如今，隨著微機電系統（Micro-Electro-Mechanism System，MEMS）、片上系統（System On Chip，SOC）、無線通訊和低功耗嵌入式技術的飛速發展，孕育出無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）。通過無線通訊形成網絡系統，目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發給觀察者。強大的數據獲取和處理能力使得其應用范圍十分廣泛，并已得到越來越多的關注。運用此技術實現古籍特藏文獻的保護是可行并成熟的。另一方面，節能減排、綠色環保也是社會所倡導和大力弘揚的，本系統也正是順應了此發展形勢應運而生，實現古籍文獻的溫、濕度、水和火焰的監測。

根據《圖書館古籍特藏書庫基本要求》中所述，古籍特藏書庫溫、濕度的控制標準為：溫度16℃（冬季）～22℃（夏季），相對濕度45%（冬季）～60%（夏季）。同時要求溫濕度24小時恒定，避免波動范圍過大。書庫的防火設計是建筑設計的重要內容，國家標準建筑設計防火規范（GBJ16-87）、人民防空工程設計防火規范（GB50098-98）、文化行業標準圖書館建筑防火安全技術標準（WH0506-96）是書庫建筑防火設計要求的規范性文件，古籍書庫的防火設計必須符合其中的有關規定。理論依據為系統設計提供了數據，同時也為最終系統的實現提供了可靠的保證。

二、系統簡介

本系統利用終端的傳感器（溫度、濕度、火焰、漏水）采集數據，以特定的數據格式、無線傳輸的方式上傳至服務器，由計算機程序匯總錄入并實時監測，當終端數據異常時則報警。本系統按功能分為兩個部分，一部分是獲取環境參數；另一部分是數據處理。下面首先介紹獲取環境參數的過程。獲取環境參數主要由終端節點通過傳感器獲取。終端節點負責采集各個房間或者同一房間不同位置的環境參數，比如溫、濕度、火焰等；并把采集到的環境參數通過無線傳輸（433MHZ）的方式傳送到服務端節點。數據處理部分的流程如下：服務端節點接收到終端數據后通過有線通信，把環境參數傳送給控制中心（計算機服務器）。控制中心接收到環境參數后，放入存儲區域，然后啟動數據智能管理分析功能，對收集到的環境參數進行分析，最終做出決策。并可對控制中心的存儲數據進行統計，得到一段時間以來的溫、濕度曲線做分析使用。

三、系統的設計

（一）節點的硬件設計

1.溫濕度檢測模塊。采用DHT11數字溫濕度傳感器作為檢測器件，該傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件，在5V電源電壓下，工作平均最大電流0.5mA，功耗很低。

2.火焰、漏水檢測模塊。火焰檢測傳感器采用LM393芯片，紅外接收頭，用于檢測波長在760納米～1100納米范圍內的熱源，探測角度可達60度。漏水檢測傳感器采用表面接觸性水汽傳感器，靈敏度可通過電位器調節，可直接與CPU的I/O通訊。

3.微控制器單元設計。終端節點采用以單片機STC12C5A60S2作為系統CPU。該單片機是單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統的8051，但速度快8-12倍。

4.RF射頻通訊模塊和功放模塊電路設計。（1）RF射頻通信模塊設計。CC1100芯片是Chipcon公司的單片的UHF收發器，專為低功耗的無線應用而設計。電路設定433MHz的工作頻率波段。單片機和CC1100的GDO0，GDO1，CSN，UCKL1，SIMO1，SOMI1相連，用以對CC1100進行的信號控制，對CC1100寄存器和工作模式進行配置。（2）PA功放模塊電路設計。很多情況下，網絡中的終端節點同服務端節點的距離不定，當距離超出射頻芯片最大功率傳輸范圍時，終端同服務端就無法進行通信。為解決此類RF射頻芯片自身傳輸距離較近的問題，提出了在射頻發射通道上對433MHz工作頻段進行功率放大。在終端電路中，采用SKY WORKS公司生產的Sky65004功率放大器（Power Amplifier）芯片，此芯片具有高性能、寬頻段、線性好、轉換效率高等優點。

（二）通信設計

由服務端按照規定的數據通訊格式、指定的終端節點順序發送指令。每個終端收到指令后將分析，將其中站號標志位信息提取出來，判斷是否是發給自己的指令。如果不是則繼續執行自己采集數據、屏顯任務。如果是，則將采集到的各傳感器數據按照指定的數據格式通過無線發送至服務端，此時服務端等待指定的終端數據。在指定的時間間隔內若沒有收到終端發來的數據，則再發送一次指令。如果收到終端節點的信息，則給下一個終端節點的發送指令，反復如此循環。服務端同計算機通過串行總線連接，每次服務端接收到終端數據時都通過串口轉發給計算機，由指定的程序接收。

（三）軟件設計

單片機在KEIL C51開發平臺下，使用C作為開發語言。終端節點同服務端節點是不同的兩套程序，可通過按鍵設置將結果保存至CPU的flash中，掉電不丟失。每次開機啟動時系統將自動檢測該區域數據，以判斷是終端還是服務器端。終端和服務端都按照《圖書館古籍特藏書庫基本要求》的標準設定溫、濕度的上下限值，當有逾值發生時立即發出警報。

計算機采用VS.NET為開發工具，ACCESS數據庫保存數據。此軟件系統分為：用戶管理、系統設置、信息采集、統計分析四大模塊。

四、結語

本系統利用現代化的科技手段實現環境監測，像古籍這樣對環境參數有較高要求的地方可以實現監測并及時報警處理，對于古籍的保護有較高的實用價值。

參考文獻：

[1]孫利民，李建中.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005：3-6，39-352.

[2]張金波，周金陵，曹敬.多傳感器管理在無線傳感器網絡應用中的研究[J].微機發展（現更名：計算機技術與發展），2005，15（10）：155-160.

基金項目：2012年大連大學“大創計劃”項目（項目編號：2012026）成果

作者簡介：于亞瑞（1991-），男，陜西西安人，本科生。

通訊作者：石駿驥（1978-），男，遼寧大連人，高級工程師，本科，主要從事計算機技術工作。