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        WSN智慧圖書館環(huán)境感知系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

        2021-06-22 03:22:54夏宇紅夏文忠
        電腦與電信 2021年4期
        關鍵詞:光照度網關溫濕度

        夏宇紅 夏文忠

        (昭通學院圖書館,云南 昭通 657000)

        1 引言

        圖書館作為公共服務場所,如何給讀者提供方便、舒適的服務?如何利用現(xiàn)代信息技術手段降低圖書館館員的工作強度,提升圖書館的服務水平和服務質量?提升圖書館的資源利用率?這些問題是所有圖書館,特別是高校圖書館每天都面臨的問題。本文通過對設定的圖書館環(huán)境規(guī)劃,使用WSN 無線傳感器網絡檢測和采集圖書館的各個閱覽室、書庫、機房等環(huán)境的溫度、濕度和光照度,并傳送給樓宇網關,從而驅動相應執(zhí)行機構完成環(huán)境參數(shù)的調整,以達到利于讀者讀書學習的適宜環(huán)境。

        2 WSN技術

        WSN 即無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network),是一種分布式網絡,由大量的靜止或緩慢移動的傳感器構成的自組織多跳式無線網絡,其目的是對網絡覆蓋區(qū)域內的對象信息進行采集、協(xié)作處理和傳輸并報給用戶,其結構主要包含傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、管理節(jié)點[1]。物聯(lián)網技術的大量應用,推動了無線傳感器網絡技術向深度和廣度發(fā)展,WSN 所具備的高精度、高可靠性、高性價比和強靈活性,使其特別適用于環(huán)境監(jiān)測、目標跟蹤、智能交通、醫(yī)療保健以及人類活動監(jiān)測等各個方面。目前WSN 在圖書館方面的應用,主要集中于溫濕度監(jiān)測、火災預警和空氣質量監(jiān)測[2]。WSN 技術的自組織、MESH網絡[4]、分布式、多跳等特性,能方便輕松實現(xiàn)“M2M、P2M”之間的信息交互,基于這些原因,WSN是智慧圖書館數(shù)據采集獲取網絡層的理想實現(xiàn)方案。

        3 基于WSN智慧圖書館環(huán)境感知系統(tǒng)設計

        3.1 總體架構設計

        智慧圖書館WSN 以ZigBee 芯片CC2530 作為網絡節(jié)點控制和無線通信MCU,該網絡由一個協(xié)調器節(jié)點,若干個路由節(jié)點,若干個終端節(jié)點組成。協(xié)調器節(jié)點通過UART或者USART 的串口通訊協(xié)議把各個路由節(jié)點、終端節(jié)點傳送過來的數(shù)據匯聚后傳送給上位控制機,從而實現(xiàn)無線溫度、濕度、煙霧、光照度、位置等信息的采集與傳送,再通過相應的執(zhí)行機構,即可以實現(xiàn)圖書館的控制與管理?;赪SN 的智慧圖書館環(huán)境感知系統(tǒng)體系結構如圖1所示。

        圖1 智慧圖書館WSN總體結構

        3.2 終端節(jié)點的設計

        智慧圖書館的環(huán)境監(jiān)測需要采集圖書館的各項環(huán)境數(shù)據,例如溫度、濕度、光照度和煙霧等數(shù)據。通過環(huán)境數(shù)據的采集,協(xié)調器把收集回來的環(huán)境數(shù)據傳送給管理上位機,通過管理上位機判斷后,再驅動相應的執(zhí)行單元進行環(huán)境參數(shù)的調整。例如溫濕度傳感器獲取溫濕度數(shù)據后,通過管理機判斷,從而驅動溫濕度執(zhí)行單元進行空調、采暖設備的驅動,進而實現(xiàn)環(huán)境溫濕度的調整。本設計采用常見的DHT11實現(xiàn)環(huán)境濕度、溫度的采集,再通過CC2530把采集到的數(shù)據通過終端節(jié)點和路由節(jié)點傳送給管理上位機,經過管理上位機判斷后,進行環(huán)境溫濕度的決策與執(zhí)行。管理上位機通過大功率部件來驅動采暖加熱設備或者空調設備進行溫度、濕度的調整。數(shù)據采集與驅動執(zhí)行機構流程如圖2所示。

        圖2 溫濕度檢測流程

        對于光照度、氣體檢測、煙霧傳感等環(huán)境數(shù)據的采集與環(huán)境參數(shù)的調整,處理流程和溫濕度流程一樣,只是采用的傳感器不一樣,執(zhí)行機構不一樣。對于光照度的,可以使用光敏電阻,驅動執(zhí)行機構為電燈,當光照度達到以后,再進行持續(xù)的檢測以保證燈光的長時間開啟。對于氣體檢測,需要使用通風設備。對于煙霧傳感器,需要能判斷是否是火災,是否需要驅動滅火設備工作。

        3.3 無線網關的設計

        無線網關主要實現(xiàn)異種網絡的數(shù)據交換,本設計中使用的無線網關基于ZigBee 實現(xiàn)上位機網關的數(shù)據傳輸與信息交換。通過ZigBee 網關收集無線傳感器網絡采集回來的數(shù)據,再通過UART 或USART 等協(xié)議實現(xiàn)ZigBee 采集回來的數(shù)據整理轉換為適宜TCP/IP網絡的數(shù)據,從而實現(xiàn)信息的傳送與交互。

        通過ZigBee 無線網關實現(xiàn)無線傳感器網絡的窄帶到TCP/IP網絡的寬帶轉換,從而實現(xiàn)物聯(lián)網的互聯(lián)互通。

        4 基于WSN智慧圖書館環(huán)境感知系統(tǒng)實現(xiàn)

        4.1 硬件選型

        本系統(tǒng)采用基于TI 公司CC2530[5]芯片的無線傳感器網絡,CC2530 芯片采用51 增強型內核為核心,融入了RF 收發(fā)器、系統(tǒng)內可編程閃存、8-KB RAM 和其它強大的功能。CC2530 有四種閃存版本:CC2530F32/64/128/256,分別具有32/64/128/256KB 的閃存,本系統(tǒng)采用256KB 閃存版本實現(xiàn)。具體引腳如圖3所示。

        圖3 CC2530引腳功能描述

        4.2 軟件設計

        Zigbee 協(xié)議在3 個頻段定義了27 個物理信道:868MHz頻段中定義了1個20Kb/s信道,915MHz頻段中定義了10個40Kb/s 信道,信道間隔為2MHz,2.4GHz 頻段上定義了16 個250Kb/s 信道,信道間隔為5MHz,通過Z-stack 協(xié)議棧[6]在f8wConfig.cfg 里設置信道相當本系統(tǒng)所要使用的信道編號為11的默認信道,具體代碼如下:

        在信道確定后,再確定PANID。PANID 其全稱為Personal Area Network ID[7],即網絡標識符,是針對一個或多個應用的網絡,一般是mesh 或者cluster tree 兩種拓撲結構之一。所有節(jié)點的PANID唯一,一個網絡只有一個PANID,它是由PAN協(xié)調器生成,PANID是可配置項,用來控制ZigBee路由器和終端節(jié)點要加入哪個具體的網絡。如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID 被定義為0xFFFF,那么協(xié)調器將根據自身的IEEE地址建立一個隨機的PANID(0~0x3FFF);如ZDAPP_CONFIG_PAN_ID 沒有被定義為0xFFFF,那么網絡的PANID將由ZDAPP_CONFIG_PAN_ID確定。

        具體實現(xiàn)部分代碼如下:

        Z-stack中相關部分代碼如下:

        若要在應用中查看PANID 可以這樣獲得:_NIB.nwkPanId

        本系統(tǒng)中無線傳感器網絡的軟件設計采用IAR 軟件設計,程序設計語言采用C語言實現(xiàn)。因在同一個無線傳感器網絡中,只有一個協(xié)調器,有多個路由節(jié)點和多個終端節(jié)點,如圖1 所示,在程序設計時,IAR 軟件設定好相應的PANID,在此采用0xFFF 為隨機PANID,當網絡的PANID 確定后,再把各個路由節(jié)點和終端節(jié)點分別加入到此PANID中,從而實現(xiàn)網絡的構建與信息的交互。

        4.3 聯(lián)合調試

        在邏輯上構建好無線傳感器網絡后,可以先構建硬件網絡及其三種結構,即協(xié)調器、路由節(jié)點和終端節(jié)點。終端節(jié)點負責采集終端的溫度、濕度、光照度、有害氣體、煙霧傳感等相應終端節(jié)點信息。通過網關把搜集回來的信息傳送給控制主機。在完成硬件部署后,把使用IAR軟件編譯的程序分別燒錄到相應的芯片中,檢測信息是否正確顯示與傳輸,如出現(xiàn)錯誤,再進行程序修正。經過具體的實際測試,發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)設計基本達到了設計需求,具體數(shù)據見表1圖書館環(huán)境檢測數(shù)據一覽表。

        表1 圖書館環(huán)境檢測數(shù)據一覽表

        溫度均值在23.5 ℃;濕度均值在45.5%;無煙霧,系統(tǒng)正常運行,未報警。通過對數(shù)據的核對,發(fā)現(xiàn)所有溫度、濕度和光照度、煙霧等信息均在系統(tǒng)初始設定閥值范圍內,能正常運行,達到監(jiān)聽監(jiān)測的系統(tǒng)要求。

        5 結語

        WSN智慧圖書館環(huán)境感知系統(tǒng)采用ZigBee技術實現(xiàn)了圖書館環(huán)境的監(jiān)測與控制,文章簡要介紹了系統(tǒng)各部分硬件、軟件的組成、設計實現(xiàn)方法及主要流程控制。對高校圖書館及公共場合區(qū)域具有一定的實用和推廣價值。

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