摘 要：由于檔案庫(kù)房?jī)?nèi)的溫度和濕度會(huì)對(duì)檔案制成材料的耐久性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響檔案壽命，所以應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量與調(diào)控。為了提高檔案庫(kù)房溫濕度達(dá)標(biāo)率，延長(zhǎng)檔案的壽命，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套檔案庫(kù)房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含設(shè)備終端、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和用戶終端，采用MQTT協(xié)議通信，對(duì)檔案庫(kù)房?jī)?nèi)的溫度和濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量、采集、傳輸、存儲(chǔ)和展示，并對(duì)檔案庫(kù)房?jī)?nèi)的溫度和濕度進(jìn)行調(diào)控。相對(duì)于傳統(tǒng)的管理方式，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全天候自動(dòng)化測(cè)量、記錄、調(diào)控檔案庫(kù)房?jī)?nèi)的溫度和濕度，有利于提高檔案庫(kù)房溫濕度達(dá)標(biāo)率，對(duì)延長(zhǎng)檔案壽命起到了積極效果，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；檔案庫(kù)房；溫濕度監(jiān)控；GD32單片機(jī)；MQTT協(xié)議；EMQX

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）03-00-03

0 引 言

檔案庫(kù)房是保管檔案的重要場(chǎng)所，并且保管的是需要長(zhǎng)期保存的重要檔案。檔案庫(kù)房?jī)?nèi)不適宜的溫度和濕度對(duì)檔案制成材料具有破壞作用，環(huán)境溫度過(guò)低或過(guò)高、濕度太小或太大，都會(huì)影響檔案的壽命[1]，不利于檔案長(zhǎng)期保存。因此，應(yīng)盡量調(diào)控檔案庫(kù)房?jī)?nèi)的溫濕度，使其保持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)[2]，最大限度延長(zhǎng)檔案壽命。對(duì)于溫濕度調(diào)控，傳統(tǒng)的方法是管理員定時(shí)進(jìn)入檔案庫(kù)房開(kāi)關(guān)調(diào)溫調(diào)濕設(shè)備，這種方式的缺點(diǎn)是消耗了大量的人力物力、效率低、溫濕度達(dá)標(biāo)率不高。本文設(shè)計(jì)了一套檔案庫(kù)房溫濕度自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，能夠?qū)n案庫(kù)房?jī)?nèi)的溫濕度進(jìn)行測(cè)量、采集、傳輸、處理，向調(diào)溫調(diào)濕設(shè)備發(fā)送啟停指令，從而調(diào)控檔案庫(kù)房?jī)?nèi)的環(huán)境溫濕度。該系統(tǒng)全天候自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)調(diào)控檔案庫(kù)房?jī)?nèi)的溫濕度，有利于提高檔案庫(kù)房?jī)?nèi)的溫濕度達(dá)標(biāo)率，延長(zhǎng)檔案的壽命。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

檔案庫(kù)房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)的硬軟件集成的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與調(diào)控溫濕度系統(tǒng)，包括設(shè)備終端、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和用戶終端。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

設(shè)備終端是調(diào)節(jié)單個(gè)檔案庫(kù)房溫濕度的控制中心，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)測(cè)量、采集檔案庫(kù)房?jī)?nèi)的溫濕度，并通過(guò)數(shù)據(jù)通信單元實(shí)時(shí)發(fā)布到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。依據(jù)溫度控制范圍和當(dāng)前測(cè)量的溫濕度控制空調(diào)制熱、制冷或停機(jī)，啟動(dòng)或停止調(diào)濕機(jī)工作。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)作為設(shè)備終端和用戶終端之間數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的樞紐[3]，能夠接收來(lái)自不同設(shè)備終端的檔案庫(kù)房?jī)?nèi)的溫濕度值；并且能夠基于用戶終端訂閱設(shè)備終端的信息，轉(zhuǎn)發(fā)溫濕度值到用戶終端。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)為全部設(shè)備終端和全部用戶終端提供數(shù)據(jù)推送和獲取的入口。

用戶終端能收集、存儲(chǔ)、分析、展示檔案庫(kù)房溫濕度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，查詢歷史數(shù)據(jù)，展示溫度和濕度的走勢(shì)圖以及以天為單位的溫度和濕度的峰值圖，統(tǒng)計(jì)溫度和濕度平均值、最大值、最小值，打印報(bào)表等，能夠?yàn)榱n單位的檔案庫(kù)房溫濕度打分項(xiàng)檢查提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)通信

本系統(tǒng)采用MQTT通信協(xié)議[4]。MQTT消息包含主題（Topic）和負(fù)載（Payload）兩部分，其中主題用于區(qū)分終端，負(fù)載表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了面向設(shè)備終端的pub和sub兩類MQTT消息。前者是設(shè)備終端向物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的發(fā)布（PUBLISH）消息，實(shí)時(shí)主動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)，主題設(shè)計(jì)為設(shè)備密鑰/設(shè)備標(biāo)識(shí)號(hào)/pub。后者是設(shè)備終端接收物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的訂閱（SUBSCRIBE）消息，是由物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)的用戶終端的指令，主題設(shè)計(jì)為設(shè)備密鑰/設(shè)備標(biāo)識(shí)號(hào)/sub。用戶終端使用sub主題消息向設(shè)備終端發(fā)送指令，用pub主題訂閱設(shè)備終端消息。數(shù)據(jù)通信流程如圖2所示。

3 設(shè)備終端

設(shè)備終端是檔案庫(kù)房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)測(cè)量、采集、傳輸溫濕度數(shù)據(jù)，啟?？照{(diào)和調(diào)濕機(jī)。設(shè)備終端硬件主要包括主控模塊、溫濕度測(cè)量與采集模塊、空調(diào)和除濕機(jī)控制模塊及通信模塊。

3.1 主控模塊

根據(jù)設(shè)備終端的功能和成本效益的要求，主控模塊采用GD32F205VET6單片機(jī)為主控芯片，其內(nèi)核為ARM Cortex-M3 32位處理器，既能滿足經(jīng)濟(jì)成本要求，又能進(jìn)行高性能計(jì)算和控制，提供豐富的IO接口[5]（4個(gè)UART、4個(gè)USART和SDIO）。兆易創(chuàng)新推出的GD32F205VET6單片機(jī)具有價(jià)格便宜、通用性好、開(kāi)發(fā)靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)、便于在線調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，其外圍設(shè)計(jì)了TF卡、7寸串口觸摸屏、嵌入式針式打印機(jī)、2路RS 485、數(shù)據(jù)通信、軟件調(diào)試信息輸出等接口電路。TF卡存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)；7寸串口觸摸屏能夠?qū)崟r(shí)顯示溫濕度數(shù)據(jù)，使用戶有更加直觀的交互體驗(yàn)感；嵌入式針式打印機(jī)定時(shí)打印溫濕度到紙上，便于存檔；RS 485用于外接溫濕度變送器、空調(diào)和調(diào)濕機(jī)控制器；數(shù)據(jù)通信接口用于連接移動(dòng)通信模組以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，并傳輸數(shù)據(jù)；軟件調(diào)試信息輸出接口便于在研發(fā)和維護(hù)維修過(guò)程中定位軟硬件缺陷，提高研發(fā)和維護(hù)維修的工作效率。

3.2 溫濕度測(cè)量與采集模塊

對(duì)于溫濕度，有采用傳感器直接測(cè)量與采集和通過(guò)RS 485接口發(fā)送ModBus協(xié)議采集兩種模式。前者將溫濕度傳感器集成在主控芯片的外圍電路中，后者是外接第三方溫濕度變送器。溫濕度值采集、存儲(chǔ)、傳輸和展示是以后者優(yōu)先的策略，當(dāng)未外接溫濕度變送器時(shí)，以前者測(cè)量和采集的數(shù)據(jù)作為當(dāng)前溫濕度值。

用傳感器直接測(cè)量與采集時(shí)，傳感器采用DHT11型號(hào)，它是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度一體傳感器，其溫度誤差可控制在±0.5 ℃以內(nèi)，分辨率為0.1 ℃；濕度誤差可控制在±3%RH以內(nèi)，分辨率為0.1%RH，是目前市場(chǎng)上主流的性價(jià)比較高的溫濕度傳感器之一。DHT11使用高分子濕敏電阻為傳感元件，具有穩(wěn)定性高、可靠性高、低功耗、不受噪音電壓波動(dòng)干擾等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)RS 485接口發(fā)送ModBus協(xié)議采集數(shù)據(jù)時(shí)，溫濕度變送器采用RS 485接口輸出數(shù)據(jù)、ModBus協(xié)議讀取數(shù)據(jù)。主控芯片采用半雙工模式的輪詢方式依次向溫濕度變送器發(fā)送指令，溫濕度變送器接收到指令后開(kāi)始傳輸溫濕度值，主控芯片讀取溫濕度值。這種方式下主控芯片與溫濕度變送器具有低耦合性，溫濕度精度由變送器本身保證，變送器具有選擇范圍大、可替代性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 空調(diào)和調(diào)濕機(jī)控制模塊

空調(diào)控制模塊負(fù)責(zé)控制空調(diào)開(kāi)啟制熱/制冷或停機(jī)的執(zhí)行單元，采用紅外遙控的方式對(duì)空調(diào)進(jìn)行啟停控制。空調(diào)控制模塊具有學(xué)習(xí)空調(diào)遙控器紅外線控制碼功能和四個(gè)發(fā)送紅外線控制碼功能，空調(diào)紅外線控制碼分別是開(kāi)啟制熱、停止制熱、開(kāi)啟制冷、停止制冷。在使用空調(diào)控制模塊前，需要對(duì)其進(jìn)行配置，學(xué)習(xí)指定品牌型號(hào)的空調(diào)遙控器的開(kāi)啟制熱、停止制熱、開(kāi)啟制冷、停止制冷對(duì)應(yīng)的紅外線控制碼。使用時(shí)，主控芯片向空調(diào)控制模塊發(fā)送指令；空調(diào)控制模塊收到指令后，通過(guò)紅外線發(fā)光二極管向空調(diào)發(fā)射相對(duì)應(yīng)的空調(diào)紅外線控制碼，空調(diào)開(kāi)始工作?？照{(diào)控制模塊原理就是替代原有空調(diào)紅外線遙控器，增加RS 485通信接口，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

調(diào)濕機(jī)控制模塊采用RS 485繼電器模塊。首先對(duì)調(diào)濕機(jī)進(jìn)行改造，將繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)分別焊接在調(diào)濕機(jī)電源按鍵的兩端，繼電器和電源按鍵形成并聯(lián)，繼電器和電源按鍵都可以獨(dú)立控制調(diào)濕機(jī)的啟停。主控芯片向調(diào)濕機(jī)控制模塊發(fā)送指令控制斷開(kāi)/閉合繼電器，從而模擬人工操作調(diào)濕機(jī)電源按鍵的動(dòng)作。

3.4 通信模塊

通信模塊是設(shè)備終端與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵部件。通信模塊采用移遠(yuǎn)通信推出的LTE Cat1無(wú)線通信模組EC600S-CN，內(nèi)部集成MQTT通信協(xié)議，可直接配置物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的連接信息[6]。主控芯片通過(guò)USART接口連接EC600S-CN，使用較少的AT指令[6-7]就能完成與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的連接、訂閱和發(fā)布數(shù)據(jù)操作。EC600S-CN簡(jiǎn)單易用，能夠減少研發(fā)的難度，縮短研發(fā)周期。

3.5 軟件系統(tǒng)

GD32F205VET6單片機(jī)適用于Keil μVision4集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）編寫(xiě)程序，IDE的使用有利于提高程序員的生產(chǎn)力，支持在線調(diào)試，可以更快、更有效地定位程序缺陷。本軟件系統(tǒng)采用多任務(wù)模式設(shè)計(jì)，內(nèi)核使用Keil μVision4中的RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)、溫濕度監(jiān)控任務(wù)、屏幕交互任務(wù)。任務(wù)之間通過(guò)共享內(nèi)存變量實(shí)現(xiàn)通信，共享內(nèi)存變量可以降低任務(wù)之間的耦合度。軟件系統(tǒng)框架如圖3所示。

4 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)負(fù)責(zé)完成設(shè)備終端和用戶終端之間的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)任務(wù)，是數(shù)據(jù)通信的樞紐。設(shè)備終端將檔案庫(kù)房?jī)?nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)布到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)依據(jù)訂閱設(shè)備終端的規(guī)則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到用戶終端，用戶終端用同樣的方式將指令發(fā)送到設(shè)備終端。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)部署EMQX[8]。EMQX是開(kāi)源可彈性伸縮的分布式物聯(lián)網(wǎng)MQTT消息服務(wù)器，單臺(tái)服務(wù)器支持每秒百萬(wàn)級(jí)高性能，能夠低延時(shí)在設(shè)備終端和用戶終端之間可靠實(shí)時(shí)傳輸，并可提供接入身份認(rèn)證，能有效阻止非法終端的連接[9-10]。

5 用戶終端設(shè)計(jì)

用戶終端負(fù)責(zé)系統(tǒng)和用戶的交互，包括展示檔案庫(kù)房?jī)?nèi)實(shí)時(shí)溫濕度，查詢歷史溫濕度數(shù)據(jù)、走勢(shì)圖、峰值圖，啟?？照{(diào)和調(diào)濕機(jī)等。為了減少用戶的經(jīng)費(fèi)投入，用戶終端采用桌面應(yīng)用程序。應(yīng)用程序界面如圖4所示。

應(yīng)用程序與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)建立連接，訂閱設(shè)備終端，獲取溫濕度值，對(duì)溫濕度值定時(shí)存儲(chǔ)和展示。應(yīng)用程序具有查看指定時(shí)間段歷史溫濕度數(shù)據(jù)，按月、天、時(shí)的時(shí)間粒度查看溫濕度的走勢(shì)圖和峰值圖，以及報(bào)表導(dǎo)出等功能。應(yīng)用程序主流程如圖5所示。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的檔案庫(kù)房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含設(shè)備終端、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和用戶終端，能對(duì)檔案庫(kù)房?jī)?nèi)溫濕度進(jìn)行測(cè)量、采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析和展示，能啟?？照{(diào)和調(diào)濕機(jī)，調(diào)控檔案庫(kù)房?jī)?nèi)溫度和濕度在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。相對(duì)于傳統(tǒng)管理模式，本系統(tǒng)能夠全天候自動(dòng)化記錄、分析、調(diào)控，減少了管理員勞動(dòng)量，對(duì)提高檔案庫(kù)房溫濕度達(dá)標(biāo)率、延長(zhǎng)檔案的壽命起到了積極效果，具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：陳忠建（1979—），男，碩士，館員，研究方向?yàn)闄n案信息化。

袁 可（1983—），男，碩士，副研究館員，研究方向?yàn)闄n案保護(hù)。

廖勇軍（1974—），男，碩士，副研究館員，研究方向?yàn)闄n案信息化。