基于無線傳感器網絡的圖書館環境動態監測系統

沈陽儀表科學研究院有限公司 孫 克 王松亭東北大學圖書館 溫 暖

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基于無線傳感器網絡的圖書館環境動態監測系統

沈陽儀表科學研究院有限公司 孫 克 王松亭
東北大學圖書館 溫 暖

【摘要】為向讀者提供舒適的閱讀體驗，同時保護圖書館藏書安全，文章提出了一種基于無線傳感器網絡和ZigBee技術的圖書館環境動態監測系統，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確的測量圖書館環境指標，并通過無線網絡對空調裝置、照明設備、遮光設備、通風設備等執行器進行開關和調節，從而實現圖書館書庫及閱覽室環境的動態監控。

【關鍵詞】圖書館；無線傳感器網絡；環境監測；ZigBee技術

0 引言

隨著經濟的發展和社會的進步，圖書館建設已然成為了一座城市甚或一個國家的文化名片。一所現代化的圖書館不僅能夠為讀者提供周到的借閱服務和舒適的閱讀氛圍，還兼具了文獻保存和古籍收藏的重要功能，因此，對包括溫度、相對濕度、光照強度、灰塵度、有害氣體濃度等環境指標進行準確的測量和有效的控制，已成為當前圖書館現代化建設的亟需，也是未來圖書館智能化、數字化發展的必然趨勢。伴隨著通信、電子與傳感技術的發展，低能耗、低成本的無線傳感器網絡技術應運而生，有效應用于國家安全、環境監測、交通管理、空間探測、災害預防等領域。無線傳感器網絡的產生降低了工程建設和維護成本，且具有很強的系統可擴展性，為現代化圖書館的環境監測和安全管理提供了更加可靠的解決方案。

1 感器網絡概述

1.1 無線傳感器網絡的含義

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絡,即無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）。一個無線傳感器網絡通常包括一個模擬感知芯片來感知環境參數信息，一個微控制器來執行本地數據處理和網絡操作，以及一個無線射頻收發器用來發送和接收通過無線介質感知的數據[1]。無線傳感器網絡中可連結不同類型的傳感器，它們能測量機械、熱、生物、化學、光學和磁參數。這些傳感器附著在傳感器節點上用以測量環境參數，可通過電池或其他能源供電。

1.2 無線傳感器網絡的特點

與有線傳感器網絡相比，無線傳感器網絡工程成本與維護成本較低。無線傳感器網絡無需網絡布線施工，節約了鑿壁穿線的工序和工程量，且無線傳感器網絡設置完成后，傳感器節點位置可以隨意變換，降低了后期維護成本。同時，無線傳感器網絡系統可擴展性較強。在IEEE802.15.4協議規定的范圍內，無線傳感器網絡的節點設計數量和規模可以進行任意的擴展和調整[2]。

2 構設計

2.1 設計原理和方案

圖書館環境動態監測系統由檢測系統、中央控制單元、ZigBee模塊、執行系統四部分組成，系統結構如圖1所示。檢測系統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境監測傳感器組成，其功能是對圖書館溫濕度、光照度、灰塵度和有害氣體濃度進行檢測，采集數據發送至中央控制單元進行處理、運算，生成調控指令。調控指令將通過ZigBee網絡模塊發送到執行系統。執行系統包括照明系統、空調系統、遮光系統和排風系統等執行器組成。系統通過基于ZigBee技術的無線傳感器網絡采集、處理環境監測數據，對執行裝置發出調節和控制命令，實現對圖書館環境的實時動態監測（如圖1所示）。

2.2 溫濕度檢測模塊

圖書館內的溫濕度環境參數通常有著嚴格的規定。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、漂白粉等有害物質會造成紙張老化，腐蝕紙張纖維，造成圖書的霉爛和蟲蛀；而高溫、低濕的環境，也容易使圖書紙張產生靜電誘發火災，給圖書館人員和藏書安全帶來了很大隱患[3]。另外，圖書館溫濕度環境也同樣影響著讀者的閱讀體驗和工作人員的辦公效率。

圖1 圖書館環境動態監測系統結構圖

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通訊協議，其溫度測量分辨率0.01℃，允許誤差±0.2℃，相對濕度測量分辨率0.04 %RH，允許誤差±1.8%RH。傳感器啟動條件發出后，隨后由7位I2C設備地址“1000_000”和一個SDA引導位（“1”為讀，“0”為寫）組成I2C信頭。傳感器通過在第八個SCL時鐘下降沿之后拉低SDA引腳(ACK位)電平來指示字節的正確接收。測量命令發出后(“1110_0011”為溫度測量，“0101_1110”為相對濕度測量)，單片機必須等待測量完成。其典型應用電路如圖2所示。傳感器與單片機之間采用非主機模式進行工作，SCL線需要保持常開狀態，以便單片機隨時查詢和讀取傳感器的數據。

圖2 SHT25溫濕度傳感器典型應用電路

2.3 光照度檢測模塊

圖書館采光系數通常需要達到1/5～1/4，充分利用自然光源可以節能降耗，滅菌消毒，但受季節、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給圖書資料的保存造成傷害，還會影響讀者閱讀的舒適度，因此需要對自然光的進入量和人工光源亮度分別進行調節和控制[5]，這就需要準確測量室內光照度。

文章選用了日本ROHM公司BH1780GLI環境光照度數字傳感器。傳感器芯片內部集成了光敏二極管、集成運算放大器、AD轉換器、晶振、邏輯運算器以及I2C通信接口，其內部結構如圖3所示。該傳感器光譜響應接近人眼反映，采用I2C總線接口通信，集成照度數字轉換器，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環境光照傳感器內部結構圖

2.4 灰塵度檢測模塊

室內灰塵主要來自外界汽車廢氣、工業廢氣沉積物、路面起塵、建筑工地的揚塵以及室內裝修、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、六價鉻、鉛等重金屬[4][5]。圖書館是人員密集場所，空氣中的粉塵顆粒會引起讀者和館員的不適，對人體健康將構成威脅。

文章選用韓國SYHITECH公司DSM501A灰塵粉塵顆粒傳感器。傳感器原理結構如圖4所示，模塊內置一個加熱器，通過加熱引起上升氣流使外部空氣自動流進模塊內部，并通過光電方式測量氣體灰塵顆粒濃度。此傳感器模塊應用粒子計數原理，可以檢測直徑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，在檢測過程中根據輸出電平大小以及時間的變化判斷檢出物。

圖4 DSM501A灰塵傳感器原理結構圖

2.5 有害氣體檢測模塊

曾有研究人員對高校圖書館進行了空氣質量檢測試驗。試驗結果顯示，晚自習期間圖書館內的空氣質量跟白天比有所下降，氨氣、苯、甲苯的濃度均超標，已造成污染。因為圖書館環境較封閉，空氣交換不好，且人員活動釋放氨氣，館內桌椅的油漆、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[5]。

有害氣體檢測模塊主要由電化學有害氣體傳感器、LMP91000芯片和外部精準參考電壓芯片構成。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感測應用，可提供傳感器與微控制器之間完整信號路徑解決方案，LMP91000芯片典型應用電路如圖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與多個離散解決方案相對的單一設計支持多種電化學傳感器。LMP91000支持0.5nA/ppm至9500nA/ppm范圍內的氣體靈敏度，還可以實現5μA至750μA滿量程電流范圍的簡單轉換。LMP91000的可調節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。通過設置芯片內部寄存器參數配置，可支持多種電化學傳感器。另外，微控制器的ADC引腳與LMP91000芯片的電壓輸出引腳相連，可進行AD轉換[6]。

圖5 LMP91000典型應用電路原理圖

3 程序設計

系統主程序設計主要負責現場環境監測參數和各狀態數據的傳輸以及各執行系統的控制。其流程圖如圖6所示：首先系統進行初始化操作，隨后依次通過各種傳感器對環境中各項數據進行檢測，在檢測過程中如果發現數據超出正常范圍，則執行控制命令，通過ZigBee模塊通知相應的調控執行系統進行處理。檢測完成后，把環境監測參數，各狀態數據，報警及控制信息發送至上位機處理。

圖6 主程序框圖

4 與展望

本文設計了一種基于無線傳感器網絡技術的圖書館環境監測系統，為數字化圖書館建設提供了低功耗、低成本、快捷方便的環境解決方案，對提升讀者館內閱讀體驗和館藏圖書安全具有積極的作用，應用前景廣闊。

參考文獻

[1]胡飛,曹小軍.無線傳感器網絡:原理與實踐[M].北京:機械工業出版社,2015.

[2]李振漢.基于無線傳感器網絡的節能型圖書館環境監測系統設計與研究[D].廈門大學,2013.

[3]昌凱,薛棟梁,孫強等.圖書館溫濕度智能控制系統研究與設計[J].計算機科學,2014,41(z2):436-439.

[4]馬春蕾,莊曉虹.公共場所空氣質量分析評價方法[J].遼寧大學學報(自然科學版),2014,41(1):92-96.

[5]王彥明,張玉清.館室內環境改良研究[J].農業圖書情報學刊,2014,26(7):61-67.

[6]許劍鋒,蘆靜,郝歡等.基于LMP91000的電化學傳感器調理電路設計[J].傳感器世界,2014,20(2):22-25.

孫克（1983—），男，儀表科學研究院有限公司工程師，研究方向：檢測技術與自動化裝置。

作者簡介：