平偉 賈文麗 孫月馳 李儀

摘 要：針對檔案館安防系統(tǒng)存在維護成本高、移動性能差等缺點，提出一種基于物聯(lián)網技術的檔案館智能監(jiān)控系統(tǒng)。以Raspberry Pi嵌入式平臺作為系統(tǒng)中央控制服務器，Arduino作為控制器，智能手機為移動終端。系統(tǒng)具有安全事務報警、報警記錄生成、現(xiàn)場圖像拍攝、預警信息傳送、實時遠程監(jiān)控、本地和遠程設置閾值、智能控制館內環(huán)境信息等功能，對檔案館進行安全防范和遠程智能控制。實驗測試結果顯示，該系統(tǒng)能有效進行智能監(jiān)控，提高移動性能，降低投入成本，具有良好的應用前景。

關鍵詞：物聯(lián)網;檔案館;安防系統(tǒng);智能監(jiān)控;Raspberry Pi

DOI：10. 11907/rjdk. 181570

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）003-0104-04

0 引言

檔案館是收集、保管黨和國家重要檔案的基地，反映不同時期不同階段的發(fā)展現(xiàn)狀及文化成果，在整個歷史發(fā)展舞臺上扮演著重要角色。隨著信息化的快速發(fā)展，檔案館庫房環(huán)境管理正逐步實現(xiàn)智能監(jiān)控。檔案館庫房智能監(jiān)控管理理論研究在美國、英國、澳大利亞等發(fā)達國家起步較早，英國在2000年頒布了檔案管理的國家標準——《檔案文件保存和展覽的建議》，美國國家檔案與文件署（NARA）于2002年頒布NARA1571文件——《檔案保存標準》，澳大利亞2002年頒布標準文件管理標準，國際化ISO組織在2003年出臺檔案圖書保存環(huán)境要求[1]。

物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、云計算等技術的興起，為檔案館庫房環(huán)境的智能化監(jiān)控管理建設提供了強有力的技術支撐。美國、英國等是領頭羊，不僅在理論領域研究較早，而且在實踐發(fā)展上更勝一籌。我國在檔案館庫房智能化監(jiān)控管理與建設方面起步較晚，但后續(xù)發(fā)展迅速[2]。田雷在《物聯(lián)網技術在智慧檔案館建設中的應用研究》一文中，重點分析了物聯(lián)網技術架構在檔案管理中的不同應用場景，分析并設計物聯(lián)網在智慧型檔案館建設中的技術架構，論述物聯(lián)網在檔案館中的部分典型應用[3];陶水龍在《智慧檔案館建設思路研究》一文中指出，通過物聯(lián)網技術使檔案館獲得更為全面和智能的自主“思考”和“決定”的自我控制能力，其中感知技術是智慧檔案館建設的核心[4];楊文剛在《基于Android的檔案館庫房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)研究》一文中認為，檔案館庫房的溫濕度直接影響著紙質檔案文件的使用壽命，建立基于 Android智能系統(tǒng)的庫房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，使檔案庫房溫濕度保持在合理的標準范圍內，良好的存儲既是檔案收集與整理過程的一個節(jié)點，也是提供檔案利用的基礎保障[5]。

傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)絕大部分采用PC機作為控制終端，在使用過程中極易受到工作環(huán)境和網絡環(huán)境等因素影響，很大程度上限制了管理人員對檔案館的實時監(jiān)控，降低了監(jiān)控系統(tǒng)的靈活性。根據(jù)檔案館保密的特殊屬性，檔案館安防保障系統(tǒng)必須是一個具有較高級別的安防系統(tǒng)，既能保障館內工作人員的生命安全，又能實時監(jiān)控館內寶貴的紙質、照片、磁盤、光盤等檔案的安全，并且能夠及時發(fā)現(xiàn)、預警自然及人為等因素可能引起的災難，比如盜竊、火災等隱患，做到防患于未然。隨著檔案館在人類社會中的重要性提高，對檔案館實時監(jiān)控、及時處理安全隱患以及提高監(jiān)控移動性能等實際需求也在提升[7]。高校檔案館安全防護系統(tǒng)設立時間比較早，技術相對落后，存在安防漏洞、設備老化、預警機制不及時等問題。所以，建立適應新時代要求的安防系統(tǒng)成為高校檔案館急需解決的問題[6]。

1 系統(tǒng)結構設計

物聯(lián)網，英文簡稱（IoT），作為新時代計算機技術的關鍵組成部分，其內涵主要包括兩層：①互聯(lián)網是物聯(lián)網技術發(fā)展的核心和基礎，物聯(lián)網是互聯(lián)網的延伸和拓展;②物聯(lián)網的用戶端拓展到任意物品與物品之間，物與物之間進行信息交流互通[7]。物聯(lián)網集智能識別、智能感知和普適計算等技術于一體，廣泛適用于網絡融合中，被稱為信息產業(yè)發(fā)展的第三次浪潮[9]。

基于物聯(lián)網技術的檔案館智能監(jiān)控系統(tǒng)由應用層、網絡層及感知層組成，檔案館智能監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖1所示。

檔案館智能監(jiān)控系統(tǒng)采用分層結構，最底層的硬件層由傳感器、執(zhí)行器組成，主要進行溫濕度、光照強度、煙霧濃度等傳感數(shù)據(jù)的采集以及對繼電器、電機等執(zhí)行模塊的控制;傳輸層由Arduino負責，作用是對傳感器采集的數(shù)據(jù)與服務層通過串口進行數(shù)據(jù)交流;服務層由Raspberry Pi和有公網IP的云服務器組成，Raspberry Pi通過串口接收底層Arduino發(fā)送的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存入本地數(shù)據(jù)庫，或者將數(shù)據(jù)轉發(fā)到云服務器的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)相關本地功能。

應用層分為Web客戶端和微信公眾平臺。Web客戶端的應用基于網絡通信技術，以網頁頁面開發(fā)、頁面與服務器數(shù)據(jù)交換技術為媒介進行設計[11];微信公眾平臺支持編輯模式與開發(fā)模式，編輯模式能夠實現(xiàn)語音、文字、圖文消息、關鍵字詞的自動回復;開發(fā)模式除擁有編輯模式的全部功能外，還為用戶提供API接口，以便在使用過程中根據(jù)實際需要接入和開發(fā)其它應用，如獲取訂閱者信息、自定義菜單、鏈接相關業(yè)務系統(tǒng)等[10]。云服務器提供服務轉接功能，使微信公眾平臺能夠與Raspberry Pi本地服務器實現(xiàn)對接，實現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的信息交互。

2 監(jiān)控終端設計

檔案館智能監(jiān)控終端使用ZigBee與傳感器組建信息監(jiān)測、監(jiān)控電路，利用Z-Stack協(xié)議棧實現(xiàn)檔案館內組網通信。

2.1 硬件設計

由ZigBeeCC2530核心模塊與底板擴展電路構成智能安防系統(tǒng)監(jiān)控終端，該終端需要設計不同的底板擴展電路，實現(xiàn)不同終端的監(jiān)控功能：直接通過串口與Raspberry Pi服務器相連接，設計CH340USB轉串口模塊;通過接收協(xié)調器節(jié)點發(fā)布信息，實現(xiàn)館內電器開關控制作用，需為此增添繼電器電路模塊;監(jiān)控終端實時監(jiān)測并更新檔案館內環(huán)境的溫濕度、煙霧濃度、光照強度及館內人員人體紅外等各類指標信息，需設計出相應的傳感器電路模塊[11]。

2.2 軟件設計

安防系統(tǒng)監(jiān)控終端圍繞 ZigBeeCC2530設計實施，基于ZigBee規(guī)范中的協(xié)議棧構架進行設計，實現(xiàn)組網通信，以通過性和開發(fā)便利性為基準進行節(jié)點設計。采用TI公司研發(fā)的Z-Stack協(xié)議棧，擁有良好的兼容性，能夠完全支持IEEE 802. 15. 4/ZigBee的CC2430片上系統(tǒng)解決方案。Z-Stack協(xié)議棧還配備眾多新特性，如無線網絡下載，可通過ZigBee網狀網絡（Mesh Network）下載節(jié)點實現(xiàn)系統(tǒng)更新[12]。

Z-Stack依照操作系統(tǒng)設計思想構建，使用事件輪循機制進行管理，即當各層節(jié)點初始化后，系統(tǒng)能夠自動進入低能耗模式，最大限度節(jié)省資源;當有事件發(fā)生時則自動喚醒系統(tǒng)，進入中斷處理事件，處理過程結束后自動回到初始化模式，進入低能耗狀態(tài)，循環(huán)往復。假設有事件在同一時段發(fā)生，Z-Stack會智能判斷事件優(yōu)先級，按照優(yōu)先級逐次處理事件，減少系統(tǒng)能耗，避免無用功產生。系統(tǒng)啟動時，OSAL初始化和啟動，進入任務輪循，Z-Stack系統(tǒng)運作流程[12]如圖2所示。

檔案館安防監(jiān)控系統(tǒng)中，協(xié)調器節(jié)點與Raspberry Pi服務器連接通過USB接口實現(xiàn)，實現(xiàn)ZigBee無線網與接入網的控制終端、監(jiān)測終端交互數(shù)據(jù)等功能。在協(xié)調器節(jié)點與 Raspberry Pi通信過程中，必須將數(shù)據(jù)封裝成特定的幀格式[11]。

3 Paspberry Pi服務器

3.1 Web服務器構建

Web服務通過在本地搭建LAMP（Linux、Apache、MySQL、PHP）環(huán)境，將數(shù)據(jù)庫中的傳感器數(shù)據(jù)使用PHP顯示在前端，并使用javascrip將歷史數(shù)據(jù)繪制成折線圖，更直觀地展示給用戶，實時顯示檔案館環(huán)境信息。

3.2 關系數(shù)據(jù)庫設計

Web應用方面最好的關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是MySQL，它屬于小型關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，具備體積小、速度快、成本低、源代碼開放等優(yōu)點。MySQL在與PHP和Nginx的配合方面表現(xiàn)很突出，三者能組建成良好的開發(fā)環(huán)境，滿足不同設計者的開發(fā)需求，為Raspberry Pi服務器的運行減輕很多負擔，盡可能少地占用服務器存儲空間。

在設計數(shù)據(jù)庫之前，需先構建出與檔案館環(huán)境監(jiān)測信息相對應的表。構建溫度、濕度、光照強度、煙霧濃度表時，標記單位方式如下：時間戳采用Datetime格式，采集的數(shù)據(jù)使用變長浮點數(shù)Decimal格式，溫度對應的單位采用攝氏度（℃），濕度單位采用相對濕度（Relative Humidity，簡稱RH），光照強度單位采用光照xLX，煙霧濃度單位采用煙霧濃度（PPM）。

3.3 服務器后臺程序設計

Raspberry Pi通過Python程序定時讀取串口，使用Python的MySQLdb模塊將底層Arduino Uno采集的環(huán)境數(shù)據(jù)存入本地服務器的數(shù)據(jù)庫中，以供用戶隨時查看歷史數(shù)據(jù)信息，同時根據(jù)Web請求將數(shù)據(jù)庫信息以圖表形式在網頁上展示給用戶。除此之外，本設計利用樹莓派強大的功能實現(xiàn)一些本地功能，如使用HDMI接口連接電視后，通過在系統(tǒng)上安裝相關視頻軟件實現(xiàn)電視盒子功能，下載相關音樂軟件實現(xiàn)音樂播放器功能，掛載較大容量的存儲設備后實現(xiàn)離線下載功能，通過語音識別程序實現(xiàn)語音控制功能等[13]。

4 客戶端設計

客戶端設計有Web客戶端和智能手機微信公眾平臺兩種方式，均可對智能監(jiān)控系統(tǒng)進行注冊、登錄、查詢、控制等操作，實現(xiàn)對檔案館的實時智能監(jiān)控。

4.1 Web客戶端構建

檔案館智能監(jiān)控系統(tǒng)的Web客戶端構建采用瀏覽器/服務器結構（簡稱B/S結構），其原理是將客戶端統(tǒng)一到網絡界面上，館內員工或用戶瀏覽監(jiān)控信息時只需要通過訪問網絡頁面就能產生交互。基于 B/S 模式構建的系統(tǒng)極大地簡化了客戶端，降低了系統(tǒng)對客戶端的配置要求，也減輕了主服務器的負載壓力，系統(tǒng)通用性能得到大幅提高。基于 B/S 模式的系統(tǒng)對拓展應用也提供了有利條件[15]。Web客戶端實現(xiàn)用戶注冊、登錄、查詢及操作等功能。

檔案館智能監(jiān)控系統(tǒng)預警配置界面及檔案館智能監(jiān)控系統(tǒng)預警記錄查詢界面如圖3所示。

4.2 微信公眾平臺設計

系統(tǒng)根據(jù)檔案館的實際需求，結合硬件及通信技術發(fā)展現(xiàn)狀，采用成本較低的Arduino和Raspberry Pi作為硬件支持，結合內網穿透和云計算等，實現(xiàn)檔案館的網關服務器與微信公眾平臺接口的連接，通過微信公眾平臺對檔案館進行實時監(jiān)控。

4.2.1 微信公眾平臺開發(fā)設計模式

當前微信公眾平臺有編輯模式與開發(fā)模式兩種。微信公眾平臺能夠依據(jù)用戶給公眾賬號發(fā)送信息的行為判斷該公眾賬號所開通的是編輯還是開發(fā)模式[18]。

（1）編輯模式狀態(tài)下，使用者不需具備編程和系統(tǒng)運行維護能力，即可通過簡單頁面編輯使用公眾號關鍵詞回復、熱點詞搜索等功能模塊。使用此模式須在微信官方平臺上進行，優(yōu)點是操作簡單、成本低廉，不足之處是微信公眾平臺提供的信息是靜態(tài)的，需要后臺實時更新數(shù)據(jù)，這與物聯(lián)網所提倡的智能化和感知化相差甚遠，不適用于智能監(jiān)控系統(tǒng)對信息數(shù)據(jù)實時更新要求[16]。

（2）開發(fā)模式狀態(tài)下，管理員能夠利用微信公眾平臺提供的應用程序消息編程接口（API），該接口API在微信公眾平臺服務器與第三方服務器中間起到信息互通的適配器作用，能夠將發(fā)送給微信公眾平臺的信息自動轉發(fā)給第三方服務器，管理員依據(jù)自己的個性需求在第三方服務器上進行編程和系統(tǒng)運維，達到物聯(lián)網智能終端要求[16]。

本智能監(jiān)控系統(tǒng)可在第三方服務器上對接收到的各類傳感器數(shù)據(jù)信息進行預處理，利用微信公眾平臺開發(fā)界面選擇“修改配置”，輸入服務器地址（URL）和訪問令牌即可。

4.2.2 服務器端數(shù)據(jù)交互原理

系統(tǒng)中微信公眾平臺充當中間轉發(fā)服務器角色，當移動終端或PC端發(fā)送信息到微信平臺服務器時，服務器會立即將信息傳輸至第三方服務器進行預處理。處理完畢后將結果反饋至微信公眾平臺，由平臺回復終端需求者[18]。

5 結語

基于物聯(lián)網技術的智能檔案館監(jiān)控系統(tǒng)，以Raspberry Pi作為主服務器，負責與Internet通信、采集樣本存儲Arduino發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)[19]、處理大量數(shù)據(jù)任務（如音頻、視頻、圖片、文字等載體）、提供API接口給iOS及Android系統(tǒng)以便于手機端進行操作，通過以太網和Zigbee，在RPi與Arduino間進行數(shù)據(jù)傳輸[20]。Arduino負責傳感器采樣，如光線強度、溫度、人體紅外感應等。有的模塊相對獨立，如基于人體感應的夜間走廊燈，采用單個Arduino便可實現(xiàn)監(jiān)控和控制功能，不需要上報數(shù)據(jù)給Raspberry Pi。需要上報和接收數(shù)據(jù)的Arduino，通過Zigbee及以太網和Raspberry Pi進行通信。這樣的好處是投資小，把計算任務都放在Raspberry Pi上，可謂物盡其用。該系統(tǒng)具有投入成本低、可靠性高及擴展性良好等優(yōu)點，產品升級換代更加快捷，節(jié)省人力物力投入。

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（責任編輯：杜能鋼）