密集書庫環(huán)境遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究

王順先 金 耀

（州大學(xué)圖書館，江蘇 常州 213164）

1 密集書庫遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1-1密集書庫分成一個個監(jiān)測區(qū)域，每個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)由一個區(qū)域基站和很多個監(jiān)測節(jié)點組成，給每個基站節(jié)點分配一個IP地址，供其接入局域網(wǎng)。監(jiān)測節(jié)點將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，通過短距離無線Zigbee方式傳輸給基站節(jié)點，基站節(jié)點再將數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程后端的監(jiān)控中心[1-5]。

圖1-1 書庫遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

1.2 監(jiān)測節(jié)點和監(jiān)測區(qū)域基站設(shè)計

本系統(tǒng)的節(jié)點可以分為監(jiān)測節(jié)點和監(jiān)測區(qū)域基站，監(jiān)測節(jié)點負(fù)責(zé)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)并傳輸給其所在區(qū)域的基站，環(huán)境參數(shù)在基站進(jìn)行融合后，通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

1.2.1 監(jiān)測節(jié)點設(shè)計

監(jiān)測節(jié)點要實現(xiàn)：對環(huán)境各種參數(shù)的監(jiān)測；與監(jiān)測區(qū)域基站通信，傳輸環(huán)境參數(shù)，接收監(jiān)測區(qū)域基站發(fā)送過來的命令，并且根據(jù)這些命令進(jìn)行相應(yīng)的操作。所以監(jiān)測節(jié)點需有微處理器(MCU)模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊、基于Zigbee的無線數(shù)據(jù)通信模塊。

本系統(tǒng)選擇MCU芯片STM32W108，監(jiān)測節(jié)點具體組成框圖 如圖1-2，有以下幾個模塊組成：電源模塊、調(diào)試接口模塊、傳感器模塊、外部存儲器擴(kuò)展等外設(shè)模塊、天線電路模塊、Zigbee微處理器芯片STM32W108及其外圍模塊[6-10]。

圖1-2 測節(jié)點組成框圖

1.2.2 監(jiān)測區(qū)域基站設(shè)計

監(jiān)測區(qū)域基站要實現(xiàn)：接收來自本監(jiān)測區(qū)域里的所有監(jiān)測節(jié)點發(fā)送過來的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)；在基站進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)融合和通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)端的環(huán)境監(jiān)控中心；接收監(jiān)控中心發(fā)送過來的指令、對本監(jiān)測區(qū)域里的所有監(jiān)測節(jié)點進(jìn)行管理和控制[11-16]。

那么監(jiān)測區(qū)域基站同樣要有個微處理器，選擇的處理器芯片是STM32F103RBT6；還有個兩個功能模塊：第一個功能模塊是Zigbee無線通信模塊，選擇的是和監(jiān)測節(jié)點一樣的Zigbee無線處理器芯片STM32W108；第二個功能模塊是4G模塊，選擇的是Air720模塊，可以通過AT指令控制Air720進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸或其他各種應(yīng)用。監(jiān)測區(qū)域基站具體組成，如圖1-3

圖1-3 區(qū)域基站組成框圖

2 密集書庫遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件組成主要有兩個大部分：第一個部分是監(jiān)測節(jié)點及其傳感器模塊，第二個部分是監(jiān)測區(qū)域基站。

2.1 監(jiān)測節(jié)點硬件設(shè)計

監(jiān)測節(jié)點要實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，并將所監(jiān)測到是環(huán)境參數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測區(qū)域基站。所以監(jiān)測節(jié)點系統(tǒng)要有傳感器模塊和無線傳輸模塊[17-20]。其組成框如圖2-1有：傳感器模塊、微控制器模塊和無線傳輸模塊，選擇STM32W108這款芯片，這款芯片集成了微控制器和Zigbee功能模塊。

圖2-1 監(jiān)測節(jié)點的硬件組成框圖

溫度測量，較為常用的是采用熱敏電阻，或者采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20[16-23]。濕度測量可以選用數(shù)字式的濕度傳感器HDC2080濕度傳感器HDC2080，可以通過I2C接口和MCU直接相連。

2.2 監(jiān)測區(qū)域基站的硬件框架設(shè)計

圖2-2 基站的硬件組成框圖

基站節(jié)點要接收來自下層Zigbee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)選擇的Zigbee接收模塊和監(jiān)測節(jié)點的Zigbee芯片是一樣的芯片，4G模塊采用Air720模塊，是一款帶分集接收功能的4G多模無線通信模塊。攝像頭使用攝像頭OV7670。基站的硬件組成框圖如圖2-2，由Zigbee模塊，基站處理器模塊，4G模塊、攝像頭模塊組成。

3 密集書庫遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)軟件方案設(shè)計

監(jiān)測基站軟件部分包含Zigbee模塊、處理器模塊、遠(yuǎn)程通信模塊。Zigbee模塊的軟件設(shè)計和監(jiān)測節(jié)點的Zigbee模塊的軟件設(shè)計類似。只是在監(jiān)測節(jié)點的Zigbee模塊設(shè)計時將其設(shè)計為設(shè)備節(jié)點，而基站節(jié)中將Zigbee模塊設(shè)計為協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)。考慮到基站節(jié)點要處理的事務(wù)較多，在處理器模塊的CPU，STM32F103RBT6這款微處理器芯片上移植了嵌入式操作系統(tǒng)uc/os-III。

監(jiān)測區(qū)域的基站的Zigbee模塊的通信、4G模塊的通信都用到串口中斷服務(wù)程序。當(dāng)串口中斷程序收到數(shù)據(jù)包后，通過發(fā)消息的方式通知數(shù)據(jù)處理中心任務(wù)，數(shù)據(jù)處理中心任務(wù)接收到消息后，根據(jù)消息的不同，選擇使用相應(yīng)信號量，和其他任務(wù)進(jìn)行通信。這樣就將數(shù)據(jù)處理中心任務(wù)設(shè)計成各個任務(wù)的總指揮的角色，負(fù)責(zé)和串口中斷程序通信，對其他任務(wù)進(jìn)行管理和觸發(fā)[21-24]。

串口中斷服務(wù)程序以及各個任務(wù)之間的通信關(guān)系如圖3-1

圖3-1 任務(wù)之間同步和通信

4 總結(jié)

本文設(shè)計了密集書庫環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，提出了一種基于傳感器、Zigbee技術(shù)、4G技術(shù)的遠(yuǎn)程密集書庫監(jiān)測方案，對監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、監(jiān)測系統(tǒng)里的密集書庫監(jiān)測節(jié)點、區(qū)域監(jiān)測基站進(jìn)行了設(shè)計。由于采用無線通信，監(jiān)測節(jié)點布置簡單，不需要布線，本系統(tǒng)提出的無線遠(yuǎn)程監(jiān)測方案，在圖書館密集書庫遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測方 面有很好的推廣價值。