圖書館腳踩遮陽裝置設計及環境監測系統研究

趙飛+王世明+李晴+高潤

摘 要：獨立設計一種通過腳踩進行控制的遮陽裝置，方便在圖書館等公共場所應用，使身體原因導致的殘疾人無法獨立完成遮陽裝置的開啟與關閉成為可能。同時，基于ZigBeePro2007無線組網協議，結合高校圖書館有別于其他建筑對于環境監測的特殊需求，提出通過ZigBee+GPRS的模式實現圖書館環境參數的實時監測，從硬件和軟件兩方面完成了監測系統的設計。

關鍵詞：遮陽裝置；環境監測；ZigBee；GPRS

中圖分類號：TU226 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.013

高校圖書館作為21世紀辦學的三大支柱之一，承擔著保存珍貴書籍文獻和為學生們提供學習閱讀的重要使命。影響圖書館書籍保存的因素很多，其中最重要的是環境因素（溫度、濕度、光照度等）。對于圖書館藏書室內的最佳溫度為18～22 ℃，最佳環境相對濕度在60%～65%之間。閱覽室的照度以75～100 Lux為宜。環境學的研究證實，人腦的智力活動與環境的各種因素有著很大的關系，因此有必要在圖書館中建立一套環境監測系統，實時監測室內溫度、濕度和光照度等環境數據，并根據設定閾值進行智能反饋。

然而，在眾多高校圖書館中，均無為殘疾同學設置的獨立區域，同時，由于圖書館較為依賴光照，相應的卻沒有可供殘疾同學獨立操作的遮陽裝置。因此，筆者自主設計了一種方便殘疾同學操作的遮陽裝置，方便其在自主閱讀及學習中，根據自身需求獨立改變周圍環境，體現了對殘疾學生的人文關懷理念。

1 腳踩遮陽裝置的設計

根據第六次全國人口普查統計，至2010年末，中國肢體殘疾達到2 472萬人，但尚無一種公共場所的遮陽裝置是專為其設計使用。最常見的遮陽裝置是窗簾，但對于在圖書館等公共場所，窗簾的開關對殘疾人非常不方便?，F有技術中也出現了百葉窗形式的遮陽裝置，但一般仍然需要用手轉動或拉動操作桿（繩）來控制百葉窗的開閉，操作者需要站立起來，走到百葉窗跟前，用手對百葉窗進行開閉操作，仍然十分不方便。

本文中設計的腳踩遮陽裝置，通過腳踩的方式，實現遮陽裝置的開閉。腳踩式遮陽裝置的結構如圖1所示，腳踏板帶動其傳動機構運轉，帶動鏈條1轉動，鏈條1帶動大齒輪4轉動，大齒輪4通過聯動軸15，帶動小齒輪5同步轉動，小齒輪5與搖臂齒輪8嚙合，進而帶動搖臂齒輪8轉動，搖臂齒輪8以曲柄銷通過搖臂滑塊，使搖臂7擺動，搖臂7一頭通過螺桿Ⅱ10與擋板9連接，另一頭與滑枕6活動連接，使滑枕6往復運動，滑枕6與球頭連桿2連接，帶動通過軸承14連接在外框12上的多個遮陽板13往復開關動作。

2 室內環境監測網絡系統介紹

傳統的圖書館環境數據多是人工采集的，包括數字式的溫濕度計、光照度儀等。國外早在20世紀80年代就開始對溫濕度控制技術進行研究，基于RS485總線的有線檢測技術則需要布設大量的傳輸線路，并且對設備進行集中供電，在經濟性和靈活性方面都存在一些問題?，F存的技術對室內環境的監測正在向自動化、無人化方向發展，而無線傳感器網絡正好具備了這些功能。無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡。常見的無線通信協議的技術指標匯總如表1所示。

ZigBee技術屬于無線傳輸技術中的一種協議，具有近距離、低復雜度、低功耗、低速率、時延短、網絡容量大、低成本、可靠、安全的特點，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間的數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。因此，結合圖書館環境監測的特殊需求，提出以ZigBee+GPRS技術的監測方案，從硬件和軟件兩方面完成了高校圖書館環境監測系統的設計。

3 監測系統方案設計

圖書館環境監測系統主要實現的功能是長期、高效地在線監測和傳輸相關參數。在總體方案的設計中，首先需要考慮高校圖書館的環境特點、監測布局和網絡體系建構等來確定參數、硬件和傳輸設定等，再結合各個硬件模塊和傳輸協議的設定設計軟件監測部分。以上海海洋大學圖文信息中心作為系統設計和實驗環境，基于ZigBee+GPRS網絡的圖書館環境監測系統由高精度溫濕度、照度三合一無線傳感器組成的設備層，ZigBee/GPRS數據網關組成的控制層和基于IAR Embedded Workbench 8051開發的用戶層組成，其網絡拓撲圖結構如圖2所示。

4 監測系統硬件設計

監測系統硬件設計主要包括監測點的節點組成和網絡協調器的設計。根據系統的功能要求，所涉及的體系結構如圖3所示。

4.1 監測點節點設計

監測節點主要由處理器模塊和數據采集模塊組成。本系統設計中，處理器模塊以CC2530無線微處理器模塊為核心，并配上不同的擴展模塊。它能夠以非常低的成本建立強大的網絡節點，系統內可編程閃存、8-KB RAM和許多其他強大的功能。

數據采集功能通過傳感器實現，采用溫濕度、光照度一體式。選用電容式溫濕度傳感器AW3010，配以穩定、可靠信號處理電路，將環境中的溫度與濕度轉換成與之相對應的標準信號，具有響應速度快、長期穩定性好、單片機校準輸出等特點。溫度測量范圍是-40～80 ℃，濕度測量范圍是0%～100% RH.光照度傳感器選用TSL2561，測量范圍是0～70 kLUX，風速傳感器量程為0～60 m/s，工作頻段是無線2 400～2 480 MHz，ISM全球免費頻段，傳感器最大功耗只有170 mW，靜態時功耗為0.05 mW。無線監測系統硬件節點結構框架如圖4所示。

4.2 網絡協調器設計

網絡協調器是整個網絡的中心，它負責ZigBee和GPRS網絡的數據交互，需要有較強的數據處理能力。主控處理器采用32位ARM7微控制器LPC2210，射頻芯片采用MC13192，兩者通過SPI接口相連接。為簡化系統設計，GPRS模塊選用SIMCOM公司內置TCP/IP協議的SIM100，與LPC2210通過RS-232接口連接，直接使用AT命令即可實現Internet連接。

5 基于ZigBee技術的圖書館監測系統

本次實驗選在上海海洋大學圖文信息中心一樓和二樓閱覽室，如圖5所示。將該網絡中的節點布置在閱覽室的合適位置，所有節點模塊都掛上溫濕度、光照度等傳感器。終端節點每隔1 min采集一次數據，間隔時間長短也可以根據管理員需求進行編寫，如圖6所示。同時，通過將ZigBee無線傳感器網絡與GPRS技術結合，采集的數據一旦超過設置的閾值，系統自動進行報警，如圖7所示。

6 結論

本文在上海海洋大學圖文信息中心基礎上設計的環境監測系統選取了傳感設備，并確定以ZigBee+GPRS協調為網絡協議。系統從2015-07開始進行實驗，實驗包括環境參數采集測試、監測軟件記錄和報警測試等。經過現場測試，表明系統穩定、可靠，為在高校圖書館中進行推廣應用、現場數據采集等方面打下了良好的基礎。

同時，本文為高校中的特殊群體——殘疾學生設計了一種能夠在圖書館獨立操作的腳踩遮陽裝置，后期將獨立對裝置的結構性和使用特性進行相關實驗，為相關科研團隊的設計提供了新的側重點，體現了對高校殘疾學生的人文關懷。

參考文獻

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〔編輯：王霞〕