蔡增濤+徐國凱+孫炎輝

摘 要：針對蒙古族家具博物館的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，設計和實現(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)行單元進行加熱、加濕和通風等措施，使民族文物重新回到最適宜的環(huán)境中。通過測試表明，該系統(tǒng)操作簡單實用、運行穩(wěn)定，能夠很好地應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：TP277 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）02-0038-03

0 引 言

我國眾多博物館、紀念館、考古機構(gòu)等珍藏的大量館藏文物，是我國珍貴文化遺產(chǎn)的重要組成部分。加強博物館文物保存環(huán)境監(jiān)控、調(diào)控、評價工作，預防性地從源頭上保護珍貴文物，盡可能延續(xù)其壽命，是我國館藏文物保護科技十分迫切、艱巨而長期的任務[1]。

通常博物館中都具有一套復雜的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，這類監(jiān)控系統(tǒng)主要采用計算機復雜控制系統(tǒng)，存在系統(tǒng)龐大、成本高等問題[2，3]。設計一款低成本、運行精確、人機友好的監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)對民族博物館中環(huán)境的監(jiān)控與管理是本項目研究的主要目標。

1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

1.1 總體硬件結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)需要對民族博物館內(nèi)環(huán)境參數(shù)進行實時采集、顯示、存儲，并通過PID算法輸出相應的控制量控制民族博物館中的設備?？紤]到安裝普通傳感器后民族博物館內(nèi)線路繁雜，移動、維護不便，同時為便于工程應用，通過基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡采集民族博物館內(nèi)各區(qū)域的實時數(shù)據(jù)[4-6]。針對上述需求，該系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括無線傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點、ARM9嵌入式監(jiān)控中心、執(zhí)行單元、遠程監(jiān)控終端。

ARM9嵌入式監(jiān)控中心負責實時顯示各個傳感器模塊的數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)保存到Web服務器中以及控制執(zhí)行單元對環(huán)境參數(shù)進行控制。

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、終端節(jié)點和傳感器模塊組成。傳感器模塊安裝在終端節(jié)點板上，均勻散布在家具博物館監(jiān)控區(qū)域內(nèi)[7]。傳感器節(jié)點的主要功能包括光照強度、溫濕度、繼電器的閉合、紅外感應的數(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遠程連接網(wǎng)絡

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的升級模塊。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議模塊，使用簡單、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，其核心板是當前應用廣泛的芯片S3C2440，該開發(fā)板功耗低、功能強大、價格適中、電氣性能及抗干擾性俱佳、運行穩(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)行單元對民族博物館中的環(huán)境參數(shù)進行調(diào)控。

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

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） 校驗和

（1 B） 幀尾（*）

該命令格式一幀共32 B，可以通過幀尾+幀長度判斷結(jié)束，因為每一幀都是32 B。其中：

命令頭：裝入命令。

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

數(shù)據(jù)：傳送各個參數(shù)，變量與返回值。

校驗和：從命令頭到數(shù)據(jù)尾確定正確與否 （加和校驗）。

幀尾：一幀的結(jié)束。

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

表1 讀取博物館中指定地址節(jié)點光照強度的具體描述

描述 讀取博物館中指定地址節(jié)點的光照強度

適用范圍 RFD（終端節(jié)點）/ROU（路由器）

發(fā)送命令 &RAS+地址（10 B）+GM+15 個0+*

返回成功 &RAS+地址（10 B）+GM+測量值（3 B）

+12 個x+*

返回失敗 &RAS+地址（10 B）+ E0+15 個x+*

例如： 發(fā)送：&RAS0000000400GM000000000000000*

返回成功：&RAS0000000400GM032xxxxxxxxxxxx*

返回失?。?amp;RAS0000000400E0xxxxxxxxxxxxxxx*

它的工作流程是：當嵌入式系統(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)需要哪個節(jié)點的信息，并向該節(jié)點發(fā)送命令，該節(jié)點通過對命令頭的判斷將對應傳感數(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)點的信息按既定格式發(fā)送給嵌入式系統(tǒng)。

2.2 GPRS遠程通信

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)絡上，再經(jīng)過服務轉(zhuǎn)換進入到Internet；遠程監(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)場通過GPRS和Internet傳輸數(shù)據(jù)到遠程監(jiān)控終端的整個通信過程。

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，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℃，相對濕度56～63%，光照強度50 lux。因為精度要求不是特別高，所以監(jiān)控系統(tǒng)決定采用增量式PID控制算法實現(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)律表達式為：

（1）

將式（1）進行離散化處理，就可以得到離散的PID表達式：

（2）

由式（2）可以得到控制器的第k-1個采樣時刻的輸出值為：

（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)、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)有關(guān)的系數(shù)[10]。由實驗測取最佳A、B、C的值，在程序中根據(jù)用戶設定的環(huán)境參數(shù)選擇合適的PID參數(shù)。

2.4 應用程序開發(fā)

監(jiān)控軟件主要實現(xiàn)的功能如表2所列。

表2 監(jiān)控軟件主要實現(xiàn)的功能

模塊 主要實現(xiàn)功能

網(wǎng)絡拓撲 將民族博物館中節(jié)點的布局反映到網(wǎng)絡拓撲圖中，網(wǎng)絡拓撲連接線上顯示節(jié)點信號強度。

光照強度 顯示和存儲民族博物館中光照強度值，設定光照強度的上下限，當超出上下限時開啟執(zhí)行單元對光照強度進行調(diào)節(jié)。

溫濕度 顯示和存儲民族博物館中溫濕度值，設定溫濕度的上下限，當超出上下限時開啟執(zhí)行單元對溫濕度進行調(diào)節(jié)。

紅外感應 夜間時候，當民族博物館中紅外傳感器監(jiān)測到有人非法入侵時，警報系統(tǒng)會發(fā)出警報并將入侵節(jié)點在網(wǎng)絡拓撲圖上顯示出來。

上傳數(shù)據(jù) 加載GPRS模塊，遠程監(jiān)控終端能通過GPRS網(wǎng)絡瀏覽嵌入式WEB服務器中各個傳感器的歷史數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的應用程序主要由數(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)首先對系統(tǒng)進行初始化，然后啟動串口向協(xié)調(diào)器發(fā)送指令并接收傳感器節(jié)點上傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點的數(shù)據(jù)，進行實時顯示和數(shù)據(jù)存儲。

控制子程序流程圖如圖4所示，該程序可調(diào)用存儲器上的數(shù)據(jù)，計算各個節(jié)點數(shù)據(jù)的平均值，得到當前的溫濕度和光照強度值，與設定值進行比較，若超出設定范圍的上下限，則啟動家具博物館中的設備進行調(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

設計了一種基于ARM9 嵌入式和無線傳感器網(wǎng)絡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)境下設計了相應的應用程序。實現(xiàn)了民族家具博物館內(nèi)溫濕度、光照強度的實時采集、顯示和卷簾機、恒溫恒濕機等設備的自動控制，達到了自動控制博物館內(nèi)溫濕度和光照強度的效果。經(jīng)測試該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作簡單實用、可擴展性強，可以應用于民族家具博物館中。

參 考 文 獻

[1] 徐方圓，吳來明，解玉林. 武漢博物館文物保存環(huán)境檢測研究[J].文物保護與考古科學， 2007，19（1）：8-17.

[2] WU Lai-ming， ZHOU Hao， CAI Lan-kun. Research on museum environment based on the concept of “Clean” condition [J]. Science of Conservation and Archaeology， 2008， 20（5）： 136-140.

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

[4] 樊靜，工建明. 基于CC2530的博物館狀況無線監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 電子測量技術(shù)，2011，34（6）：105-109.

[5] 何文德，楊鳳年，劉光燦. 無線傳感器網(wǎng)絡在文物保護中的應用[J]. 計算機技術(shù)與自動化，2007，26（2）：99-102.

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[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.

[8] 劉憲鵬，吳長貴. 基于GPRS遠程顯示系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].微計算機信息，2011，27（1） ：114-120.

[9] 熊茂華，楊震倫. ARM9嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)應用[M].北京：清華大學出版社，2007.

[10] 何頂新，王維，徐金榜. 溫控系統(tǒng)中改進的PID算法[J].電氣傳動， 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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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.

[8] 劉憲鵬，吳長貴. 基于GPRS遠程顯示系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].微計算機信息，2011，27（1） ：114-120.

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[10] 何頂新，王維，徐金榜. 溫控系統(tǒng)中改進的PID算法[J].電氣傳動， 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