基于ARM的民族博物館環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

蔡增濤+徐國(guó)凱+孫炎輝

摘 要：針對(duì)蒙古族家具博物館的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于ARM9嵌入式技術(shù)和ZigBee技術(shù)的民族博物館環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由無線傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、嵌入式監(jiān)控中心、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端和執(zhí)行單元組成。ARM監(jiān)控中心通過PID算法控制執(zhí)行單元進(jìn)行加熱、加濕和通風(fēng)等措施，使民族文物重新回到最適宜的環(huán)境中。通過測(cè)試表明，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單實(shí)用、運(yùn)行穩(wěn)定，能夠很好地應(yīng)用到蒙古族家具博物館中。

關(guān)鍵詞：ARM9嵌入式；ZigBee技術(shù)；民族家具博物館；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2014）02-0038-03

0 引 言

我國(guó)眾多博物館、紀(jì)念館、考古機(jī)構(gòu)等珍藏的大量館藏文物，是我國(guó)珍貴文化遺產(chǎn)的重要組成部分。加強(qiáng)博物館文物保存環(huán)境監(jiān)控、調(diào)控、評(píng)價(jià)工作，預(yù)防性地從源頭上保護(hù)珍貴文物，盡可能延續(xù)其壽命，是我國(guó)館藏文物保護(hù)科技十分迫切、艱巨而長(zhǎng)期的任務(wù)[1]。

通常博物館中都具有一套復(fù)雜的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，這類監(jiān)控系統(tǒng)主要采用計(jì)算機(jī)復(fù)雜控制系統(tǒng)，存在系統(tǒng)龐大、成本高等問題[2，3]。設(shè)計(jì)一款低成本、運(yùn)行精確、人機(jī)友好的監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)民族博物館中環(huán)境的監(jiān)控與管理是本項(xiàng)目研究的主要目標(biāo)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體硬件結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)需要對(duì)民族博物館內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲(chǔ)，并通過PID算法輸出相應(yīng)的控制量控制民族博物館中的設(shè)備。考慮到安裝普通傳感器后民族博物館內(nèi)線路繁雜，移動(dòng)、維護(hù)不便，同時(shí)為便于工程應(yīng)用，通過基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集民族博物館內(nèi)各區(qū)域的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[4-6]。針對(duì)上述需求，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、ARM9嵌入式監(jiān)控中心、執(zhí)行單元、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。

ARM9嵌入式監(jiān)控中心負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示各個(gè)傳感器模塊的數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)保存到Web服務(wù)器中以及控制執(zhí)行單元對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行控制。

圖1 系統(tǒng)總體硬件框圖

1.2 無線采集系統(tǒng)

無線采集系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)和傳感器模塊組成。傳感器模塊安裝在終端節(jié)點(diǎn)板上，均勻散布在家具博物館監(jiān)控區(qū)域內(nèi)[7]。傳感器節(jié)點(diǎn)的主要功能包括光照強(qiáng)度、溫濕度、繼電器的閉合、紅外感應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送。將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過ZigBee無線射頻模塊發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器通過COM口與ARM9嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信，將采集到的信息按照既定格式傳送到ARM9嵌入式監(jiān)控中心。

1.3 GPRS遠(yuǎn)程連接網(wǎng)絡(luò)

本系統(tǒng)中GPRS模塊采用華為的GTM900C。GTM900C是一款雙頻900/1 800 MHz高度集成的GSM/GPRS模塊，是GTM900B的升級(jí)模塊。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議模塊，使用簡(jiǎn)單、易于集成。 ARM9嵌入式監(jiān)控中心通過向GTM900C模塊發(fā)送AT指令將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。

1.4 嵌入式控制器

嵌入式開發(fā)板選用ARM9 內(nèi)核的Micro2440，其核心板是當(dāng)前應(yīng)用廣泛的芯片S3C2440，該開發(fā)板功耗低、功能強(qiáng)大、價(jià)格適中、電氣性能及抗干擾性俱佳、運(yùn)行穩(wěn)定，可以滿足該系統(tǒng)的要求[9]。開發(fā)板上的串口COM0 直接與無線采集系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器的串口相連，作為數(shù)據(jù)輸入通道，COM1與GPRS模塊的串口相連，作為數(shù)據(jù)的上傳通道。用戶IO 擴(kuò)展接口3上的GPIO口在該系統(tǒng)中作為數(shù)字量輸出使用，控制執(zhí)行單元對(duì)民族博物館中的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee協(xié)調(diào)器與WinCE操作系統(tǒng)間命令格式

以下是ZigBee協(xié)調(diào)器與WinCE操作系統(tǒng)間的命令格式：

& 命令頭

（3 B） 地址

（10 B） 數(shù)據(jù)

（16 B） 校驗(yàn)和

（1 B） 幀尾（*）

該命令格式一幀共32 B，可以通過幀尾+幀長(zhǎng)度判斷結(jié)束，因?yàn)槊恳粠际?2 B。其中：

命令頭：裝入命令。

地址：模塊的長(zhǎng)/短地址，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器都是以長(zhǎng)地址發(fā)送的，而RFD或ROUTER發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器都是短地址，后兩位為網(wǎng)絡(luò)地址。

數(shù)據(jù)：傳送各個(gè)參數(shù)，變量與返回值。

校驗(yàn)和：從命令頭到數(shù)據(jù)尾確定正確與否 （加和校驗(yàn)）。

幀尾：一幀的結(jié)束。

以讀取博物館中指定地址節(jié)點(diǎn)的光照強(qiáng)度為例，表1給出了其讀取博物館中指定地址節(jié)點(diǎn)光照強(qiáng)度的具體描述。

表1 讀取博物館中指定地址節(jié)點(diǎn)光照強(qiáng)度的具體描述

描述 讀取博物館中指定地址節(jié)點(diǎn)的光照強(qiáng)度

適用范圍 RFD（終端節(jié)點(diǎn)）/ROU（路由器）

發(fā)送命令 &RAS+地址（10 B）+GM+15 個(gè)0+*

返回成功 &RAS+地址（10 B）+GM+測(cè)量值（3 B）

+12 個(gè)x+*

返回失敗 &RAS+地址（10 B）+ E0+15 個(gè)x+*

例如： 發(fā)送：&RAS0000000400GM000000000000000*

返回成功：&RAS0000000400GM032xxxxxxxxxxxx*

返回失敗：&RAS0000000400E0xxxxxxxxxxxxxxx*

它的工作流程是：當(dāng)嵌入式系統(tǒng)通過串口發(fā)送命令以后，協(xié)調(diào)器通過串口接收命令，首先判斷是不是可用的命令，如果可用，根據(jù)命令中的地址判斷嵌入式系統(tǒng)需要哪個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，并向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，該節(jié)點(diǎn)通過對(duì)命令頭的判斷將對(duì)應(yīng)傳感數(shù)據(jù)傳回協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器再將接收到的指定節(jié)點(diǎn)的信息按既定格式發(fā)送給嵌入式系統(tǒng)。

2.2 GPRS遠(yuǎn)程通信

嵌入式監(jiān)控中心將采集到的數(shù)據(jù)通過RS232串口發(fā)送到GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端；GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP包發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，再經(jīng)過服務(wù)轉(zhuǎn)換進(jìn)入到Internet；遠(yuǎn)程監(jiān)控終端從Internet上獲取采集數(shù)據(jù)的TCP/IP包后，通過程序?qū)⒉杉瘮?shù)據(jù)的TCP/IP包還原成采集數(shù)據(jù)，從而完成了從采集現(xiàn)場(chǎng)通過GPRS和Internet傳輸數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的整個(gè)通信過程。

在本系統(tǒng)中，需要利用TCP/ UDP 協(xié)議來完成GPRS數(shù)據(jù)包的發(fā)送。GTM900C模塊內(nèi)置TCP/ UDP 協(xié)議，ARM9嵌入式監(jiān)控中心向該模塊直接發(fā)送AT 指令可建立TCP/ IP 連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。其發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

通過TCP連接到Internet網(wǎng)絡(luò)，其AT指令為：

AT + CIPSTART =“TCP”，“210. 30. 10. 65”，“2020”

發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)（以光照強(qiáng)度為例）的AT指令為：

AT + CIPSEND > &RAS0000000400GM032xxxxxxxxxxxx*

2.3 PID控制算法

根據(jù)家具博物館工作人員提出的要求：溫度17～21℃，相對(duì)濕度56～63%，光照強(qiáng)度50 lux。因?yàn)榫纫蟛皇翘貏e高，所以監(jiān)控系統(tǒng)決定采用增量式PID控制算法實(shí)現(xiàn)家具博物館中環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)。 模擬控制系統(tǒng)的PID控制規(guī)律表達(dá)式為：

（1）

將式（1）進(jìn)行離散化處理，就可以得到離散的PID表達(dá)式：

（2）

由式（2）可以得到控制器的第k-1個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值為：

（3）

將式（2）與式（3）相減并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式為：

（4）

式中： A = KP（ 1 + T/Ti + Td /T） ；B = KP（ 1 + 2Td /T） ；C = KP Td /T。 A、B、C 都是與采樣周期、比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)有關(guān)的系數(shù)[10]。由實(shí)驗(yàn)測(cè)取最佳A、B、C的值，在程序中根據(jù)用戶設(shè)定的環(huán)境參數(shù)選擇合適的PID參數(shù)。

2.4 應(yīng)用程序開發(fā)

監(jiān)控軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能如表2所列。

表2 監(jiān)控軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能

模塊 主要實(shí)現(xiàn)功能

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?將民族博物館中節(jié)點(diǎn)的布局反映到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接線上顯示節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度。

光照強(qiáng)度 顯示和存儲(chǔ)民族博物館中光照強(qiáng)度值，設(shè)定光照強(qiáng)度的上下限，當(dāng)超出上下限時(shí)開啟執(zhí)行單元對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

溫濕度 顯示和存儲(chǔ)民族博物館中溫濕度值，設(shè)定溫濕度的上下限，當(dāng)超出上下限時(shí)開啟執(zhí)行單元對(duì)溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

紅外感應(yīng) 夜間時(shí)候，當(dāng)民族博物館中紅外傳感器監(jiān)測(cè)到有人非法入侵時(shí)，警報(bào)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)并將入侵節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D上顯示出來。

上傳數(shù)據(jù) 加載GPRS模塊，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端能通過GPRS網(wǎng)絡(luò)瀏覽嵌入式WEB服務(wù)器中各個(gè)傳感器的歷史數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要由數(shù)據(jù)采集顯示子程序和控制子程序組成。數(shù)據(jù)采集顯示子程序流程圖如圖3所示。本系統(tǒng)首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后啟動(dòng)串口向協(xié)調(diào)器發(fā)送指令并接收傳感器節(jié)點(diǎn)上傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

控制子程序流程圖如圖4所示，該程序可調(diào)用存儲(chǔ)器上的數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值，得到當(dāng)前的溫濕度和光照強(qiáng)度值，與設(shè)定值進(jìn)行比較，若超出設(shè)定范圍的上下限，則啟動(dòng)家具博物館中的設(shè)備進(jìn)行調(diào)控。

圖3 采集顯示子程序流程圖 圖4 控制子程序流程圖

3 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于ARM9 嵌入式和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的民族家具博物館環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，在WinCE 操作系統(tǒng)的環(huán)境下設(shè)計(jì)了相應(yīng)的應(yīng)用程序。實(shí)現(xiàn)了民族家具博物館內(nèi)溫濕度、光照強(qiáng)度的實(shí)時(shí)采集、顯示和卷簾機(jī)、恒溫恒濕機(jī)等設(shè)備的自動(dòng)控制，達(dá)到了自動(dòng)控制博物館內(nèi)溫濕度和光照強(qiáng)度的效果。經(jīng)測(cè)試該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單實(shí)用、可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以應(yīng)用于民族家具博物館中。

參 考 文 獻(xiàn)

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[3] 耿延庭. 智能化博物館的設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].山西建筑，2009，17（1）：64-65.

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[9] 熊茂華，楊震倫. ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[10] 何頂新，王維，徐金榜. 溫控系統(tǒng)中改進(jìn)的PID算法[J].電氣傳動(dòng)， 2007， 37（08）：36-39.

Design and application of environment monitoring system for national museum based on ARM

CAI Zeng-tao， XU Guo-kai， SUN Yan-hui

（College of Mechanical and Electronic Information Engineering， Dalian Nationalities University， Dalian 116600， China）

Abstract： In view of the indoor environment parameters of Mongolian Furniture Museum， an intelligent monitoring system for national museum environment based on ARM9 embedded technology and ZigBee technology is designed and implemented. The system is mainly composed of wireless sensing data acquisition system， embedded monitoring center， remote monitoring terminal and execution units. The heating， humidification or ventilation of execution units is controlled by ARM monitoring center through PID algorithm to make the ethnic relics back to the optimal environment. Tests show that the system is simple， practical and stable， which can be well applied to the Mongolian Furniture Museum.

Keywords： ARM9 embedded； ZigBee technology； national furniture museum； monitoring system

[7] KANG B J， PARK D H， CHO K R， et al. A study on the greenhouse autocontrol system based on wireless sensor network [C]// Proceedings of 2008 International Conference on Security Technology. Hainan， China： SECTECH， 2008：41-44.

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（College of Mechanical and Electronic Information Engineering， Dalian Nationalities University， Dalian 116600， China）

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Keywords： ARM9 embedded； ZigBee technology； national furniture museum； monitoring system

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[9] 熊茂華，楊震倫. ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[10] 何頂新，王維，徐金榜. 溫控系統(tǒng)中改進(jìn)的PID算法[J].電氣傳動(dòng)， 2007， 37（08）：36-39.

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（College of Mechanical and Electronic Information Engineering， Dalian Nationalities University， Dalian 116600， China）

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Keywords： ARM9 embedded； ZigBee technology； national furniture museum； monitoring system