基于ZigBee的圖書館環境監控系統設計

楊　勇，周雪琴

（1.湖北省襄陽職業技術學院，襄陽441050；2.湖北省地質局第八地質大隊，襄陽432000）

·微機軟件·

基于ZigBee的圖書館環境監控系統設計

楊勇1，周雪琴2

（1.湖北省襄陽職業技術學院，襄陽441050；2.湖北省地質局第八地質大隊，襄陽432000）

圖書館中溫度、濕度和光強等環境指標對圖書保護有重要影響，因此研究靈敏、準確、高效的圖書館環境監控系統顯得尤為重要。為了克服傳統圖書館環境監控系統的布線麻煩、設備可移動性不強、精度差等缺點，提出了一種基于ZigBee無線通訊技術的環境監控系統，可以檢測采集環境條件中的溫度、濕度和光強度等參數，通過無線傳輸由網關節點進行收集，并且發送到PC機，由上位機監控軟件對網絡采集的數據統一管理和分析。分析了ZigBee無線監控系統的組成及其特點和功能，從軟硬件兩方面設計了系統中的各個節點，完成ZigBee網絡協調器節點、ZigBee路由節點和ZigBee傳感器節點的設計。系統在ZigBee2004協議棧基礎上，通過對協議棧應用層添加和修改程序來實現系統功能的。下位機軟件設計主要分為網絡協調器程序、傳感器節點程序和路由節點程序及上位機程序。

環境監控；圖書館；無線網絡，終端節點；網絡協調器；監控

1　引　言

圖書館是各種書籍、古書、學術資料收藏、保護、研究、展示和宣傳的機構。為了妥善保護這些珍貴的歷史和文化財產，圖書館要保持恒定的溫度、濕度、光強和其他一些環境參數，以免圖書遭到破壞，延緩古書的老化速率。隨著現代電子技術、通信技術和網絡技術的迅速發展，設計圖書館智能環境監測系統已經成為可能。傳統的監控手段，主要采用有線網絡實現環境監控。存在著布線麻煩、設備可移動性不強、精度差等缺點［1］。同時由于無法實時地將數據反饋給保護人員，使圖書館圖書保存環境的控制工作具有一定的滯后性。因此，利用無線局域網絡技術，配合無線傳感器網絡，設計相應的無線環境監控系統，實現環境監控數據的實時傳遞成為必然，同時也突破了有線網絡無法延伸到圖書遺址中的弊端。

2　系統設計要求

根據圖書館環境的上述要求，設計的基于Zig-Bee無線通信技術的環境監控系統，可以實現如下功能：本系統可以實時監測圖書館中各個節點的環境參數，并且在電腦上顯示各個節點的實時溫度、濕度、光照度和檢測參量時的時間，且相應的參數測量精度比同類產品精度高。在電腦界面可以檢測各個節點的無線通信狀態并且可以控制執行機構的工作。當溫度超出規定范圍則發聲報警，并且繼電器開始工作，模擬對空調的控制。濕度、光照度超過相應的范圍也要進行報警。該無線傳輸網絡中可以加入路由節點，起到連接網絡協調器和終端傳感器節點的目的，實現動態組網的功能。

3　無線環境監控系統總體設計

系統可以實時監測圖書館中各個節點的環境參數，并且在電腦上顯示各個節點的實時溫度、濕度和光照度，且相應的參數測量精度比同類產品高，同時可以實時顯示各個節點采集參量的時間。在電腦界面可以檢測各個節點的無線通信狀態并且控制執行機構的工作。當溫度超出規定范圍則發聲報警，并且繼電器開始工作，模擬對空調的控制。光照度低于某一值時則打開LED燈，濕度超過相應的范圍也要進行報警。同時該無線傳輸網絡中可以加入路由節點，路由器節點起到了連接網關和傳感器節點通信的目的，實現動態組網的功能。圖1為圖書館無線環境監控系統的總體設計圖。

圖1　圖書館無線環境監控系統總體設計圖

從圖1可以看出，圖書館無線環境監控系統主要由ZigBee終端節點、ZigBee路由節點、ZigBee網絡協調器節點、監控裝置等各部分組成。

3.1ZigBee終端節點

ZigBee終端節點主要由傳感器模塊、執行模塊、電源模塊、穩壓模塊、CC2430RF模塊組成［2］。Zig-Bee傳感器節點工作流程主要分為傳感器模塊工作流程和執行部分工作流程。如圖2和圖3所示。

圖2　傳感器模塊工作流程圖

圖3　執行部分工作流程圖

傳感器模塊主要由溫度傳感器、濕度傳感器、光敏傳感器組成。溫度傳感器為DS18B20數字溫度傳感器。光敏傳感器主要是由光敏電阻搭建相應的電路構成的。光敏電阻采用了API公司生產的PDV－P9003。

3.2ZigBee網絡協調器節點

網絡協調器節點主要由CC2430RF模塊、電源模塊、LED燈、ZigBee協調器、USB接口組成，如圖4所示。

圖4　網絡協調器節點部分

網絡協調器節點通過USB口和計算機實現通信，通過CC2430RF和各節點實現通信。網絡協調器節點是將所有節點數據匯總、分析、存儲和發送的一個機構［3］。

它的工作流程是：當計算機發送命令以后，網絡協調器接收命令，首先判斷是不是可用命令，如果可用，根據命令判斷計算機需要哪個節點的信息，并向該節點發送命令要求將對應數據傳回網關，然后再將接收到的指定節點的信息按既定格式發送給PC機，PC機通過傳感器網絡上位機監控軟件顯示出來。

4　無線環境監控系統軟件設計

系統的ZigBee無線通信部分協議主要是運用了精簡版ZigBee 2004協議棧［4］。

4.1ZigBee協議棧

系統的ZigBee無線通信部分協議主要是運用了精簡版ZigBee 2004協議棧［5］。本系統主要采用星型網絡，要在ZigBee協議棧中建立新的網絡，在ZigBee協議棧里，只需要進行相關網絡參數的定義，然后再調用函數

aplForm－Network（），即可建立一個新的網絡，如下所示：

＃define LRWPAN_DEFAULT_START_CHANNEL 11／／定義頻號

＃define LRWPAN_DEFAULT_PANID 0x1347／／定義網絡號

系統的下位機程序主要是對協議棧的應用層程序進行相應的增進和修改。在這里采用模塊化設計思想，將一個完整的程序分成若干個可以獨立完成某些任務的功能模塊。根據所要實現的功能，軟件組成主要包括：網絡協調器程序、終端節點程序和路由節點程序等［7］。而各個節點程序又由主程序設計和各級子程序組成。

4.2網絡協調器程序

在網絡協調器中首先初始化CC2430，然后程序開始初始化協議棧并打開中斷。之后程序開始格式化一個網絡，如果網絡格式化成功，通過串口38400，8，N，1可以在串口調試助手中看到網絡協調器的物理地址、建立網絡的網絡ID號和頻道號等［8］。之后程序開始進入應用層，處理函數apsFSM（）監控空中的ZigBee信號。如果現在有RFD節點或路由節點加入網絡，則串口輸出都會顯示有新的RFD節點或路由節點加入網絡，并顯示加入網絡節點的物理地址，此時網絡協調器給節點分配網絡地址。此后程序可以把串口發過來的相應指令進行轉換，發送到RFD節點。同樣在函數apsFSM（）里接收RFD節點發送過來的各個傳感器采集到的參數值，也同時從串口發送到上位機。

4.3終端節點程序

在終端（RFD）節點中程序同樣首先初始化CC2430，然后打開傳感器電源，之后初始化協議棧，就開始發送網絡信號，等待主機響應，并給自己分配網絡地址。如果加入網絡成功，終端節點的發光二極管會點亮，如果加入失敗則不亮。

加入網絡成功之后，終端節點就可以向網絡協調器發送各個傳感器采集到的參數值了。此后程序開始進入循環調用SendData（）函數發送各個傳感器采集到的參數值。終端節點根據采集網絡協調器發過來的命令來判斷是各個傳感器采集數據，還是相應的執行機構進行工作。如果是控制執行機構，則根據發過來的命令控制相應的執行機構進行動作。同時將返回值打包發送到網絡協調器。如果是采集數據，則控制相應的傳感器進行工作，將采集到的數據打包再發送到網絡協調器，并開始接收應答。如果發送成功，終端節點回到空閑狀態；如果發送不成功，終端節點馬上重新采集一次數據再發送給主機，直到發送成功。

4.4路由節點

在路由節點上，程序同樣首先初始化CC2430，之后初始化協議棧，并開始發送加入網絡信號，等待網絡協調器或前面的的路由節點響應，并給自己分配網絡地址。路由節點加入網絡后，就執行Router-Work（）函數。當收到的是控制信號指令時，則執行與終端節點相同的功能。如果收到的是尋找終端節點的指令時，則開始執行路由功能，開始尋找終端節點，并給其分配網絡地址。同時如果有數據想發到已經尋找到的節點時，它同時也起到轉發的作用。

4.5上位機監測系統設計

設計采用Visual Basic 6.0制作人機交互界面“基于ZigBee無線環境監控系統”。此控制系統通過控制串口數據收發來控制PC機與ZigBee網絡協調器節點通信，PC機與ZigBee網絡協調器節點串口通信依照串口通信指令進行通信。通過PC機與ZigBee網關節點間的通信從而實現監控人員對所有ZigBee傳感器節點的監測和控制。該控制系統主要功能為：搜索網內所有ZigBee傳感器節點，顯示某節點的溫度，顯示某節點的濕度，顯示某節點的光照度，當溫度超過某個范圍時進行報警，控制執行機構LED燈、蜂鳴器和繼電器進行工作等。本系統默認通過登陸界面之后為數據采集界面，可通過菜單中的選項進入其他窗體。在數據采集界面中，可以選擇相應的傳感器節點進行操作。當選中某個節點時，可以測試此節點的無線通信狀態，設置相應的按鈕，可以顯示這個節點的溫度、濕度和光照度，同時顯示當時的測試時間。當測試溫度超過某個值時，將會在界面中顯示報警畫面。圖5為數據采集界面。

圖5　數據采集界面

5　結束語

設計了一種針對圖書館的基于ZigBee無線傳輸技術的環境監控系統，提出了系統的軟硬件設計方案，開發了供監測人員使用的監控系統。系統軟硬件聯合調試后，完全達到圖書館環境監測的要求，滿足項目需求提出的指標要求。

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Design of Library Environmental Monitoring and Control System Based on ZigBee

Yang Yong1，Zhou Xueqin2
（1.Xiangyang Vocational and Technical College，Hubei Province，Xiangyang 441050，China；2.Class 8，Hubei Province Geological Survey Geological，Hubei Province，Xiangyang 432000，China）

The environmental conditions in the museum such as temperature，humidity and light intensity have an important impact on the preservation of cultural relics.So it is very important to research a sensitive，accurate and efficient environmental monitoring system for the museum.The environmental monitoring and control system，based on ZigBee wireless communication technology，is presented to detect the acquisition parameters such as temperature，humidity and light intensity which collected by the gateway nodes，and sent to the PC for management and analysis of the data from the network unified，which overcomes the shortcomings of poor wiring，mobility and precision.The composition，characteristics and functions of the system are analyzed and each node in the system is designed in two aspects of hardware and software to complete design for ZigBee network coordinator node，ZigBee routing node and ZigBee sensor node.Based on 2004 ZigBee protocol stack，the system function is realized by adding the application layer protocol stacks and modifying the program.The PC software design of this system mainly consists of the network coordinator，sensor nodes and routing node and PC application program.

Environmental monitoring；Library；Wireless network；Terminal nodes；Network coordinator；Monitoring and control

10.3969／j.issn.1002－2279.2016.01.007

TN99

B

1002－2279（2016）01－0024－04

楊勇（1971－），男，湖北省仙桃市人，講師，主研方向：數據庫、網絡綜合布線。

2015－04－28