沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司 孫 克 王松亭東北大學(xué)圖書館 溫 暖

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基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的圖書館環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司 孫 克 王松亭
東北大學(xué)圖書館 溫 暖

【摘要】為向讀者提供舒適的閱讀體驗(yàn)，同時(shí)保護(hù)圖書館藏書安全，文章提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ZigBee技術(shù)的圖書館環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用最新的溫濕度傳感器、光照傳感器、灰塵顆粒傳感器和氣體傳感器準(zhǔn)確的測(cè)量圖書館環(huán)境指標(biāo)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)空調(diào)裝置、照明設(shè)備、遮光設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備等執(zhí)行器進(jìn)行開關(guān)和調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)圖書館書庫及閱覽室環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】圖書館；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；環(huán)境監(jiān)測(cè)；ZigBee技術(shù)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，圖書館建設(shè)已然成為了一座城市甚或一個(gè)國(guó)家的文化名片。一所現(xiàn)代化的圖書館不僅能夠?yàn)樽x者提供周到的借閱服務(wù)和舒適的閱讀氛圍，還兼具了文獻(xiàn)保存和古籍收藏的重要功能，因此，對(duì)包括溫度、相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度、灰塵度、有害氣體濃度等環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量和有效的控制，已成為當(dāng)前圖書館現(xiàn)代化建設(shè)的亟需，也是未來圖書館智能化、數(shù)字化發(fā)展的必然趨勢(shì)。伴隨著通信、電子與傳感技術(shù)的發(fā)展，低能耗、低成本的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，有效應(yīng)用于國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、空間探測(cè)、災(zāi)害預(yù)防等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生降低了工程建設(shè)和維護(hù)成本，且具有很強(qiáng)的系統(tǒng)可擴(kuò)展性，為現(xiàn)代化圖書館的環(huán)境監(jiān)測(cè)和安全管理提供了更加可靠的解決方案。

1 感器網(wǎng)絡(luò)概述

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的含義

由具有無線射頻（Radio Frequency，RF）通信功能的微型傳感器組成的無線網(wǎng)絡(luò),即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）。一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括一個(gè)模擬感知芯片來感知環(huán)境參數(shù)信息，一個(gè)微控制器來執(zhí)行本地?cái)?shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)操作，以及一個(gè)無線射頻收發(fā)器用來發(fā)送和接收通過無線介質(zhì)感知的數(shù)據(jù)[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可連結(jié)不同類型的傳感器，它們能測(cè)量機(jī)械、熱、生物、化學(xué)、光學(xué)和磁參數(shù)。這些傳感器附著在傳感器節(jié)點(diǎn)上用以測(cè)量環(huán)境參數(shù)，可通過電池或其他能源供電。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

與有線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工程成本與維護(hù)成本較低。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無需網(wǎng)絡(luò)布線施工，節(jié)約了鑿壁穿線的工序和工程量，且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置完成后，傳感器節(jié)點(diǎn)位置可以隨意變換，降低了后期維護(hù)成本。同時(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可擴(kuò)展性較強(qiáng)。在IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)定的范圍內(nèi)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)數(shù)量和規(guī)?？梢赃M(jìn)行任意的擴(kuò)展和調(diào)整[2]。

2 構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理和方案

圖書館環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由檢測(cè)系統(tǒng)、中央控制單元、ZigBee模塊、執(zhí)行系統(tǒng)四部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。檢測(cè)系統(tǒng)包含由溫濕度傳感器、光照度傳感器、灰塵顆粒傳感器、有害氣體傳感器等環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器組成，其功能是對(duì)圖書館溫濕度、光照度、灰塵度和有害氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，采集數(shù)據(jù)發(fā)送至中央控制單元進(jìn)行處理、運(yùn)算，生成調(diào)控指令。調(diào)控指令將通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送到執(zhí)行系統(tǒng)。執(zhí)行系統(tǒng)包括照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、遮光系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)等執(zhí)行器組成。系統(tǒng)通過基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集、處理環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)執(zhí)行裝置發(fā)出調(diào)節(jié)和控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖書館環(huán)境的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（如圖1所示）。

2.2 溫濕度檢測(cè)模塊

圖書館內(nèi)的溫濕度環(huán)境參數(shù)通常有著嚴(yán)格的規(guī)定。圖書在高溫、高濕作用下，紙張中的非纖維素成分和殘留在紙張中的酸堿、漂白粉等有害物質(zhì)會(huì)造成紙張老化，腐蝕紙張纖維，造成圖書的霉?fàn)€和蟲蛀；而高溫、低濕的環(huán)境，也容易使圖書紙張產(chǎn)生靜電誘發(fā)火災(zāi)，給圖書館人員和藏書安全帶來了很大隱患[3]。另外，圖書館溫濕度環(huán)境也同樣影響著讀者的閱讀體驗(yàn)和工作人員的辦公效率。

圖1 圖書館環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

文章選用瑞士SENSIRION公司SHT25溫濕度傳感器。SHT25傳感器芯片采用I2C通訊協(xié)議，其溫度測(cè)量分辨率0.01℃，允許誤差±0.2℃，相對(duì)濕度測(cè)量分辨率0.04 %RH，允許誤差±1.8%RH。傳感器啟動(dòng)條件發(fā)出后，隨后由7位I2C設(shè)備地址“1000_000”和一個(gè)SDA引導(dǎo)位（“1”為讀，“0”為寫）組成I2C信頭。傳感器通過在第八個(gè)SCL時(shí)鐘下降沿之后拉低SDA引腳(ACK位)電平來指示字節(jié)的正確接收。測(cè)量命令發(fā)出后(“1110_0011”為溫度測(cè)量，“0101_1110”為相對(duì)濕度測(cè)量)，單片機(jī)必須等待測(cè)量完成。其典型應(yīng)用電路如圖2所示。傳感器與單片機(jī)之間采用非主機(jī)模式進(jìn)行工作，SCL線需要保持常開狀態(tài)，以便單片機(jī)隨時(shí)查詢和讀取傳感器的數(shù)據(jù)。

圖2 SHT25溫濕度傳感器典型應(yīng)用電路

2.3 光照度檢測(cè)模塊

圖書館采光系數(shù)通常需要達(dá)到1/5～1/4，充分利用自然光源可以節(jié)能降耗，滅菌消毒，但受季節(jié)、氣象、房間朝向等限制，無法完全依靠自然光源，必須輔以人工照明。而自然光源和人工光源都會(huì)給圖書資料的保存造成傷害，還會(huì)影響讀者閱讀的舒適度，因此需要對(duì)自然光的進(jìn)入量和人工光源亮度分別進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制[5]，這就需要準(zhǔn)確測(cè)量室內(nèi)光照度。

文章選用了日本ROHM公司BH1780GLI環(huán)境光照度數(shù)字傳感器。傳感器芯片內(nèi)部集成了光敏二極管、集成運(yùn)算放大器、AD轉(zhuǎn)換器、晶振、邏輯運(yùn)算器以及I2C通信接口，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。該傳感器光譜響應(yīng)接近人眼反映，采用I2C總線接口通信，集成照度數(shù)字轉(zhuǎn)換器，具有寬量程、高分辨率特性，以及低電流下電功能，傳感器可有效抑制50Hz/60Hz噪聲。

圖3 BH1780GLI環(huán)境光照傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.4 灰塵度檢測(cè)模塊

室內(nèi)灰塵主要來自外界汽車廢氣、工業(yè)廢氣沉積物、路面起塵、建筑工地的揚(yáng)塵以及室內(nèi)裝修、地面起塵、棉毛衣物掉落的絨毛或棉絮等，有些灰塵顆粒中含有鎘、汞、六價(jià)鉻、鉛等重金屬[4][5]。圖書館是人員密集場(chǎng)所，空氣中的粉塵顆粒會(huì)引起讀者和館員的不適，對(duì)人體健康將構(gòu)成威脅。

文章選用韓國(guó)SYHITECH公司DSM501A灰塵粉塵顆粒傳感器。傳感器原理結(jié)構(gòu)如圖4所示，模塊內(nèi)置一個(gè)加熱器，通過加熱引起上升氣流使外部空氣自動(dòng)流進(jìn)模塊內(nèi)部，并通過光電方式測(cè)量氣體灰塵顆粒濃度。此傳感器模塊應(yīng)用粒子計(jì)數(shù)原理，可以檢測(cè)直徑1μm以上粒子，如香煙、房屋灰塵、霉菌、花粉、孢子。模塊輸出方式為PWM脈寬調(diào)制，PWM脈沖寬度為10ms-90ms，輸出電壓高電平4.3V，低電平0.7V，在檢測(cè)過程中根據(jù)輸出電平大小以及時(shí)間的變化判斷檢出物。

圖4 DSM501A灰塵傳感器原理結(jié)構(gòu)圖

2.5 有害氣體檢測(cè)模塊

曾有研究人員對(duì)高校圖書館進(jìn)行了空氣質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，晚自習(xí)期間圖書館內(nèi)的空氣質(zhì)量跟白天比有所下降，氨氣、苯、甲苯的濃度均超標(biāo)，已造成污染。因?yàn)閳D書館環(huán)境較封閉，空氣交換不好，且人員活動(dòng)釋放氨氣，館內(nèi)桌椅的油漆、書刊的油墨等印刷物釋放出苯系物，因而使各氣體濃度升高直至超標(biāo)[5]。

有害氣體檢測(cè)模塊主要由電化學(xué)有害氣體傳感器、LMP91000芯片和外部精準(zhǔn)參考電壓芯片構(gòu)成。其中，LMP91000芯片是一款可編程的模擬前端，適用于處理微功耗的電化學(xué)感測(cè)應(yīng)用，可提供傳感器與微控制器之間完整信號(hào)路徑解決方案，LMP91000芯片典型應(yīng)用電路如圖5所示。此方案能夠生成與電池電流成正比的輸出電壓，其可編程性使它能夠通過一個(gè)與多個(gè)離散解決方案相對(duì)的單一設(shè)計(jì)支持多種電化學(xué)傳感器。LMP91000支持0.5nA/ppm至9500nA/ppm范圍內(nèi)的氣體靈敏度，還可以實(shí)現(xiàn)5μA至750μA滿量程電流范圍的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換。LMP91000的可調(diào)節(jié)電池偏置和互阻抗放大器增益可通過I2C接口編程，I2C接口也可用于傳感器診斷。通過設(shè)置芯片內(nèi)部寄存器參數(shù)配置，可支持多種電化學(xué)傳感器。另外，微控制器的ADC引腳與LMP91000芯片的電壓輸出引腳相連，可進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換[6]。

圖5 LMP91000典型應(yīng)用電路原理圖

3 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)和各狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸以及各執(zhí)行系統(tǒng)的控制。其流程圖如圖6所示：首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，隨后依次通過各種傳感器對(duì)環(huán)境中各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，在檢測(cè)過程中如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超出正常范圍，則執(zhí)行控制命令，通過ZigBee模塊通知相應(yīng)的調(diào)控執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行處理。檢測(cè)完成后，把環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)，各狀態(tài)數(shù)據(jù)，報(bào)警及控制信息發(fā)送至上位機(jī)處理。

圖6 主程序框圖

4 與展望

本文設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為數(shù)字化圖書館建設(shè)提供了低功耗、低成本、快捷方便的環(huán)境解決方案，對(duì)提升讀者館內(nèi)閱讀體驗(yàn)和館藏圖書安全具有積極的作用，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

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孫克（1983—），男，儀表科學(xué)研究院有限公司工程師，研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。

作者簡(jiǎn)介：