基于ZigBee的博物館監測系統設計

林凱宏 羅梓杰等

摘 要：針對目前國內博物館的物聯網技術尚不普及，無法實現智能博物館的現狀，文章提出了一套基于ZigBee的博物館監測系統，該系統由節點部分和終端處理部分結合ZigBee無線通信技術組成，可對館內環境參數變化和人員流動變化進行實時監測，既減輕工作人員的工作強度，又減少了人力成本支出，可實現現代博物館的人性化監測和智能化管理。

關鍵詞：ZigBee；博物館；監測系統

引言

博物館在文物的宣傳，研究，收藏和文化遺產的保護中發揮著重要作用。如何有效地監控館內游客分布位置，控制館內參觀人數及監測內部環境參數變化，以確保館藏展品安全，成為博物館亟需解決的問題，然而在國內尚少見到有關解決方案[1]，因此文章提出一種基于ZigBee博物館監測系統的解決思路。

1 系統整體框架

基于ZigBee的博物館監測系統，由節點部分和終端處理部分組成：節點部分包括：ZigBee節點（下位機）、ZigBee協調器和智能手環。終端處理部分包括：監控軟件（上位機）、監控端PC機、后臺數據庫、加密軟件和身份證識別儀。系統結構拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統結構拓撲圖

2 節點部分設計

2.1 ZigBee節點（下位機）

ZigBee節點（下位機）包括ZigBee無線射頻模塊、語音芯片、光敏傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、噪聲檢測單元、工作狀態指示燈、查詢模塊[2]。每個下位機具有標識其所處位置的地區編碼，可視為錨節點。

2.2 ZigBee協調器

ZigBee協調器用于構建ZigBee無線網絡，實現下位機與網內監控端PC機通訊，當ZigBee協調器借助網關協議連接至Internet，則Internet中的上位機可以與ZigBee網絡中任意一臺下位機進行通訊。

2.3 智能手環

智能手環作為一個移動節點，其環體由ZigBee射頻芯片、電源、LED指示燈及緊急呼叫按鈕構成；可主動向下位機發送信號；上位機將未確定位置的智能手環視為未知節點，并通過RSSI測距算法及質心定位模型確定位置[3]，具體步驟如下：

步驟一：在未知節點發射功率的情況下，錨節點根據接收到的接收功率，計算出信號的傳播損耗，再通過RSSI測距算法將傳播損耗轉換為距離，在自由空間中距離發射r處的錨節點接收到的信號強度由以下公式給出：

Pr（r）=（1-ζ）Ptλ2/（4π）2r2L

其中Pt為未知節點發射RSSI信號功率（單位：w）；Pr（r）為距離r處的錨節點接收信號功率（單位：w）；ζ是信號衰弱指數，其大小取決于傳播環境；r是距離（單位：m）；L是與傳播無關的系統損耗因子；λ是波長（單位：m）。

已知接收RSSI的值，則利用以下公式即可計算收發節點之間的距離r：

r=■

將能夠收到某一未知節點發射的RSSI值的若干錨節點n1、n2、…、nm按照RSSI值從大到小排序，則相對應收發節點之間的距離為r1、r2、…、rm。

步驟二：選取錨節點n1、n2、n3用于建立質心定位模型：根據RSSI測距算法得到該未知節點到3個被選取的錨節點的距離r1、r2、r3，則此未知節點位于以被選取的任一錨節點為球心，以距離ri（i表示排序的第i個節點信號）為半徑的球上；為減少處理量，此處以二維平面圓代替球。

設3個錨節點的坐標分別為A（xa，ya），B（xb，yb），C（xc，yc），未知節點的坐標為（xi，yi），以A，B，C為圓心，依次以r1，r2，r3為半徑畫圓，可得到3個圓的交疊區域，并且該區域的邊界弧線分別兩兩相交于E（x1，y1），F（x2，y2），G（x3，y3），則有：

求得E、F、G三點的坐標值，則未知節點D的坐標為E、F、G三點坐標的平均值H，即：

步驟三：為減小誤差，重復步驟二x次。

步驟四：將步驟三每次所得位置區域進行重疊，并將重疊次數最多的點或者面判斷為該時間段內未知節點最終瞬時位置。

步驟五：將該未知節點的瞬時位置在監控軟件構建的虛擬立體建筑進行標識。

智能手環定位算法流程如圖2所示，質心定位模型如圖3所示。

3 終端處理部分

3.1 監控軟件

監控軟件（上位機）可對ZigBee協調器傳輸過來的數據進行分析處理，并通過ZigBee協調器給予各節點反饋命令，同時發給后臺數據庫進行存檔備案；上位機的圖形用戶界面（GUI）負責與用戶進行人機交互。監控軟件作為操作平臺，具備三維立體空間模擬、顯示各個下位機節點位置和狀態、節點數據處理、歷史數據瀏覽、節點開關等功能。

3.2 其他軟硬件部分

監控端PC機是人對全部下位機進行監控、管理的硬件平臺，監控軟件運行在此平臺上。而后臺數據庫采用MySQL搭建，用于接收和存儲游客身份證號碼和對應智能手環特征碼，以及對上位機的有效數據進行存檔備案。

加密軟件采用多線程抽取算法模擬隨機抽數：運行時程序多線程進行并行抽取，并將抽取出來的若干數值采用MD5算法生成對應特征碼。

4 系統工作整體流程

下位機將記錄該特定場合的正常環境參數并實時檢測，若超出預讀取的閥值所允許范圍，則用人性化語音進行提示。傳感器實時檢測外部環境中的信息數據后，由下位機上的無線射頻模塊對數據進行組幀、幀校驗、加密、發送的處理，再匯聚到ZigBee協調器。

ZigBee協調器在接收完下位機處理過的數據后，再將數據轉發至上位機。操作人員在上位機上可以看到下位機的狀態及所在位置的環境信息，同時通過GUI發送控制指令給下位機，從而實現人機交互功能。

當游客進入博物館時，工作人員借助身份證識別儀提取游客的身份證號碼，通過加密軟件生成的特征碼和若干個智能手環進行對應，同時發送給后臺數據庫，上位機記錄該智能手環的特征碼以及對應身份證號碼，完成智能手環特征碼的固化和個人信息備案。手環固化后開始工作并發放給參觀的游客，在消除特征碼后停止工作。

根據每個智能手環的特征值，并配合后臺數據庫和下位機內置的查詢模塊可快速查找某身份證對應的智能手環位置，并在監控軟件構建的虛擬立體建筑進行標識顯示。當游客遇到緊急情況時，可按下智能手環上的緊急呼叫按鈕，智能手環會主動向下位機發射求助信息并傳遞給上位機。上位機操作人員在接收到請求后可調出該智能手環所在位置，并聯系該區域附近的工作人員幫助該游客。前臺PC機操作人員可根據監控軟件監測到的智能手環數判斷是否放入下一批游客，更好地調控參觀人數。博物館出口處設有一個下位機，以檢測離開游客身上是否攜帶有智能手環，從而回收智能手環。

5 結束語

本設計在研究和總結國內外基于物聯網的監測管理平臺的基礎上，結合無線傳感器網絡的特點，設計了基于ZigBee的博物館監測系統。通過該平臺對館內環境參數變化和人員流動變化進行實時監測，提高現代博物館的人性化監測和智能化管理水平。

參考文獻

[1]周迪，姚燕，徐德龍，等.文物安防系統[J].中國新通信，2013（2）：7-9.

[2]王長清，岳新偉.基于ZigBee技術的博物館藏品微環境檢測保護系統設計與實現[J].河南師范大學學報（自然科學版），2012，40（3）：34-37.

[3]張慶華，施偉斌.基于ZigBee技術的博物館內人員定位系統的研究[J].光學儀器，2012，34（1）：81-84.

作者簡介：林凱宏，廣東技術師范學院。