物聯網環境下檔案館智能監控系統研究

平偉 賈文麗 孫月馳 李儀

摘 要：針對檔案館安防系統存在維護成本高、移動性能差等缺點，提出一種基于物聯網技術的檔案館智能監控系統。以Raspberry Pi嵌入式平臺作為系統中央控制服務器，Arduino作為控制器，智能手機為移動終端。系統具有安全事務報警、報警記錄生成、現場圖像拍攝、預警信息傳送、實時遠程監控、本地和遠程設置閾值、智能控制館內環境信息等功能，對檔案館進行安全防范和遠程智能控制。實驗測試結果顯示，該系統能有效進行智能監控，提高移動性能，降低投入成本，具有良好的應用前景。

關鍵詞：物聯網;檔案館;安防系統;智能監控;Raspberry Pi

DOI：10. 11907/rjdk. 181570

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）003-0104-04

0 引言

檔案館是收集、保管黨和國家重要檔案的基地，反映不同時期不同階段的發展現狀及文化成果，在整個歷史發展舞臺上扮演著重要角色。隨著信息化的快速發展，檔案館庫房環境管理正逐步實現智能監控。檔案館庫房智能監控管理理論研究在美國、英國、澳大利亞等發達國家起步較早，英國在2000年頒布了檔案管理的國家標準——《檔案文件保存和展覽的建議》，美國國家檔案與文件署（NARA）于2002年頒布NARA1571文件——《檔案保存標準》，澳大利亞2002年頒布標準文件管理標準，國際化ISO組織在2003年出臺檔案圖書保存環境要求[1]。

物聯網、大數據、云計算等技術的興起，為檔案館庫房環境的智能化監控管理建設提供了強有力的技術支撐。美國、英國等是領頭羊，不僅在理論領域研究較早，而且在實踐發展上更勝一籌。我國在檔案館庫房智能化監控管理與建設方面起步較晚，但后續發展迅速[2]。田雷在《物聯網技術在智慧檔案館建設中的應用研究》一文中，重點分析了物聯網技術架構在檔案管理中的不同應用場景，分析并設計物聯網在智慧型檔案館建設中的技術架構，論述物聯網在檔案館中的部分典型應用[3];陶水龍在《智慧檔案館建設思路研究》一文中指出，通過物聯網技術使檔案館獲得更為全面和智能的自主“思考”和“決定”的自我控制能力，其中感知技術是智慧檔案館建設的核心[4];楊文剛在《基于Android的檔案館庫房溫濕度監控系統研究》一文中認為，檔案館庫房的溫濕度直接影響著紙質檔案文件的使用壽命，建立基于 Android智能系統的庫房溫濕度監控系統，使檔案庫房溫濕度保持在合理的標準范圍內，良好的存儲既是檔案收集與整理過程的一個節點，也是提供檔案利用的基礎保障[5]。

傳統的監控系統絕大部分采用PC機作為控制終端，在使用過程中極易受到工作環境和網絡環境等因素影響，很大程度上限制了管理人員對檔案館的實時監控，降低了監控系統的靈活性。根據檔案館保密的特殊屬性，檔案館安防保障系統必須是一個具有較高級別的安防系統，既能保障館內工作人員的生命安全，又能實時監控館內寶貴的紙質、照片、磁盤、光盤等檔案的安全，并且能夠及時發現、預警自然及人為等因素可能引起的災難，比如盜竊、火災等隱患，做到防患于未然。隨著檔案館在人類社會中的重要性提高，對檔案館實時監控、及時處理安全隱患以及提高監控移動性能等實際需求也在提升[7]。高校檔案館安全防護系統設立時間比較早，技術相對落后，存在安防漏洞、設備老化、預警機制不及時等問題。所以，建立適應新時代要求的安防系統成為高校檔案館急需解決的問題[6]。

1 系統結構設計

物聯網，英文簡稱（IoT），作為新時代計算機技術的關鍵組成部分，其內涵主要包括兩層：①互聯網是物聯網技術發展的核心和基礎，物聯網是互聯網的延伸和拓展;②物聯網的用戶端拓展到任意物品與物品之間，物與物之間進行信息交流互通[7]。物聯網集智能識別、智能感知和普適計算等技術于一體，廣泛適用于網絡融合中，被稱為信息產業發展的第三次浪潮[9]。

基于物聯網技術的檔案館智能監控系統由應用層、網絡層及感知層組成，檔案館智能監控系統結構如圖1所示。

檔案館智能監控系統采用分層結構，最底層的硬件層由傳感器、執行器組成，主要進行溫濕度、光照強度、煙霧濃度等傳感數據的采集以及對繼電器、電機等執行模塊的控制;傳輸層由Arduino負責，作用是對傳感器采集的數據與服務層通過串口進行數據交流;服務層由Raspberry Pi和有公網IP的云服務器組成，Raspberry Pi通過串口接收底層Arduino發送的數據并將數據存入本地數據庫，或者將數據轉發到云服務器的數據庫，實現相關本地功能。

應用層分為Web客戶端和微信公眾平臺。Web客戶端的應用基于網絡通信技術，以網頁頁面開發、頁面與服務器數據交換技術為媒介進行設計[11];微信公眾平臺支持編輯模式與開發模式，編輯模式能夠實現語音、文字、圖文消息、關鍵字詞的自動回復;開發模式除擁有編輯模式的全部功能外，還為用戶提供API接口，以便在使用過程中根據實際需要接入和開發其它應用，如獲取訂閱者信息、自定義菜單、鏈接相關業務系統等[10]。云服務器提供服務轉接功能，使微信公眾平臺能夠與Raspberry Pi本地服務器實現對接，實現系統與用戶之間的信息交互。

2 監控終端設計

檔案館智能監控終端使用ZigBee與傳感器組建信息監測、監控電路，利用Z-Stack協議棧實現檔案館內組網通信。

2.1 硬件設計

由ZigBeeCC2530核心模塊與底板擴展電路構成智能安防系統監控終端，該終端需要設計不同的底板擴展電路，實現不同終端的監控功能：直接通過串口與Raspberry Pi服務器相連接，設計CH340USB轉串口模塊;通過接收協調器節點發布信息，實現館內電器開關控制作用，需為此增添繼電器電路模塊;監控終端實時監測并更新檔案館內環境的溫濕度、煙霧濃度、光照強度及館內人員人體紅外等各類指標信息，需設計出相應的傳感器電路模塊[11]。

2.2 軟件設計

安防系統監控終端圍繞 ZigBeeCC2530設計實施，基于ZigBee規范中的協議棧構架進行設計，實現組網通信，以通過性和開發便利性為基準進行節點設計。采用TI公司研發的Z-Stack協議棧，擁有良好的兼容性，能夠完全支持IEEE 802. 15. 4/ZigBee的CC2430片上系統解決方案。Z-Stack協議棧還配備眾多新特性，如無線網絡下載，可通過ZigBee網狀網絡（Mesh Network）下載節點實現系統更新[12]。

Z-Stack依照操作系統設計思想構建，使用事件輪循機制進行管理，即當各層節點初始化后，系統能夠自動進入低能耗模式，最大限度節省資源;當有事件發生時則自動喚醒系統，進入中斷處理事件，處理過程結束后自動回到初始化模式，進入低能耗狀態，循環往復。假設有事件在同一時段發生，Z-Stack會智能判斷事件優先級，按照優先級逐次處理事件，減少系統能耗，避免無用功產生。系統啟動時，OSAL初始化和啟動，進入任務輪循，Z-Stack系統運作流程[12]如圖2所示。

檔案館安防監控系統中，協調器節點與Raspberry Pi服務器連接通過USB接口實現，實現ZigBee無線網與接入網的控制終端、監測終端交互數據等功能。在協調器節點與 Raspberry Pi通信過程中，必須將數據封裝成特定的幀格式[11]。

3 Paspberry Pi服務器

3.1 Web服務器構建

Web服務通過在本地搭建LAMP（Linux、Apache、MySQL、PHP）環境，將數據庫中的傳感器數據使用PHP顯示在前端，并使用javascrip將歷史數據繪制成折線圖，更直觀地展示給用戶，實時顯示檔案館環境信息。

3.2 關系數據庫設計

Web應用方面最好的關系數據庫系統是MySQL，它屬于小型關系型數據庫管理系統，具備體積小、速度快、成本低、源代碼開放等優點。MySQL在與PHP和Nginx的配合方面表現很突出，三者能組建成良好的開發環境，滿足不同設計者的開發需求，為Raspberry Pi服務器的運行減輕很多負擔，盡可能少地占用服務器存儲空間。

在設計數據庫之前，需先構建出與檔案館環境監測信息相對應的表。構建溫度、濕度、光照強度、煙霧濃度表時，標記單位方式如下：時間戳采用Datetime格式，采集的數據使用變長浮點數Decimal格式，溫度對應的單位采用攝氏度（℃），濕度單位采用相對濕度（Relative Humidity，簡稱RH），光照強度單位采用光照xLX，煙霧濃度單位采用煙霧濃度（PPM）。

3.3 服務器后臺程序設計

Raspberry Pi通過Python程序定時讀取串口，使用Python的MySQLdb模塊將底層Arduino Uno采集的環境數據存入本地服務器的數據庫中，以供用戶隨時查看歷史數據信息，同時根據Web請求將數據庫信息以圖表形式在網頁上展示給用戶。除此之外，本設計利用樹莓派強大的功能實現一些本地功能，如使用HDMI接口連接電視后，通過在系統上安裝相關視頻軟件實現電視盒子功能，下載相關音樂軟件實現音樂播放器功能，掛載較大容量的存儲設備后實現離線下載功能，通過語音識別程序實現語音控制功能等[13]。

4 客戶端設計

客戶端設計有Web客戶端和智能手機微信公眾平臺兩種方式，均可對智能監控系統進行注冊、登錄、查詢、控制等操作，實現對檔案館的實時智能監控。

4.1 Web客戶端構建

檔案館智能監控系統的Web客戶端構建采用瀏覽器/服務器結構（簡稱B/S結構），其原理是將客戶端統一到網絡界面上，館內員工或用戶瀏覽監控信息時只需要通過訪問網絡頁面就能產生交互?；?B/S 模式構建的系統極大地簡化了客戶端，降低了系統對客戶端的配置要求，也減輕了主服務器的負載壓力，系統通用性能得到大幅提高?；?B/S 模式的系統對拓展應用也提供了有利條件[15]。Web客戶端實現用戶注冊、登錄、查詢及操作等功能。

檔案館智能監控系統預警配置界面及檔案館智能監控系統預警記錄查詢界面如圖3所示。

4.2 微信公眾平臺設計

系統根據檔案館的實際需求，結合硬件及通信技術發展現狀，采用成本較低的Arduino和Raspberry Pi作為硬件支持，結合內網穿透和云計算等，實現檔案館的網關服務器與微信公眾平臺接口的連接，通過微信公眾平臺對檔案館進行實時監控。

4.2.1 微信公眾平臺開發設計模式

當前微信公眾平臺有編輯模式與開發模式兩種。微信公眾平臺能夠依據用戶給公眾賬號發送信息的行為判斷該公眾賬號所開通的是編輯還是開發模式[18]。

（1）編輯模式狀態下，使用者不需具備編程和系統運行維護能力，即可通過簡單頁面編輯使用公眾號關鍵詞回復、熱點詞搜索等功能模塊。使用此模式須在微信官方平臺上進行，優點是操作簡單、成本低廉，不足之處是微信公眾平臺提供的信息是靜態的，需要后臺實時更新數據，這與物聯網所提倡的智能化和感知化相差甚遠，不適用于智能監控系統對信息數據實時更新要求[16]。

（2）開發模式狀態下，管理員能夠利用微信公眾平臺提供的應用程序消息編程接口（API），該接口API在微信公眾平臺服務器與第三方服務器中間起到信息互通的適配器作用，能夠將發送給微信公眾平臺的信息自動轉發給第三方服務器，管理員依據自己的個性需求在第三方服務器上進行編程和系統運維，達到物聯網智能終端要求[16]。

本智能監控系統可在第三方服務器上對接收到的各類傳感器數據信息進行預處理，利用微信公眾平臺開發界面選擇“修改配置”，輸入服務器地址（URL）和訪問令牌即可。

4.2.2 服務器端數據交互原理

系統中微信公眾平臺充當中間轉發服務器角色，當移動終端或PC端發送信息到微信平臺服務器時，服務器會立即將信息傳輸至第三方服務器進行預處理。處理完畢后將結果反饋至微信公眾平臺，由平臺回復終端需求者[18]。

5 結語

基于物聯網技術的智能檔案館監控系統，以Raspberry Pi作為主服務器，負責與Internet通信、采集樣本存儲Arduino發送的狀態數據[19]、處理大量數據任務（如音頻、視頻、圖片、文字等載體）、提供API接口給iOS及Android系統以便于手機端進行操作，通過以太網和Zigbee，在RPi與Arduino間進行數據傳輸[20]。Arduino負責傳感器采樣，如光線強度、溫度、人體紅外感應等。有的模塊相對獨立，如基于人體感應的夜間走廊燈，采用單個Arduino便可實現監控和控制功能，不需要上報數據給Raspberry Pi。需要上報和接收數據的Arduino，通過Zigbee及以太網和Raspberry Pi進行通信。這樣的好處是投資小，把計算任務都放在Raspberry Pi上，可謂物盡其用。該系統具有投入成本低、可靠性高及擴展性良好等優點，產品升級換代更加快捷，節省人力物力投入。

參考文獻：

[1] 高雪蓮. 檔案館環境監控管理系統的設計與實現[D]. 武漢：華中師范大學，2017.

[2] 倪曉春. 中國檔案管理標準體系建設與發展研究[J]. 檔案學通訊，2016（4）：84-88.

[3] 田雷. 物聯網技術在智慧檔案館建設中的應用研究[J]. 檔案學通訊，2015（1）：60-64.

[4] 陶水龍. 智慧檔案館建設思路研究[J]. 中國檔案，2014（6）：67-69.

[5] 楊文剛. 基于Android的檔案館庫房溫濕度監控系統研究[J]. 蘭臺世界，2014（14）：33-34.

[6] 林茲寶. 淺論公共圖書館安全防護體系的構建[J]. 福建圖書館理論與實踐，2010（6）：15-16.

[7] 莫家莉，史仕新，許楊. 智慧檔案館頂層設計研究：總體架構及運行機理[J]. 浙江檔案，2016（8）：6-9.

[8] 季小力，鐘云斌，符宜文，等. 基于可移動平臺的水環境監測系統研究[J]. 福建電腦，2017（1）：25-26.

[9] 董曉曉. 論高科技在養老空間中情感方面的作用[D]. 大連：大連工業大學，2016

[10] 羅濤. 圖書館微信公眾平臺的建設與研究[J]. 現代圖書情報技術，2015 （1）：96-100.

[11] 殷賢華，劉明緣，王寧. 基于RaspberryPi的智能家居系統設計[J]. 現代電子技術，2016 （23）：161-164.

[12] 陶衛東. Web服務器安全防護系統的構建[J]. 硅谷，2011（20）：42-43.

[13] 鄭世玨，徐虹. 基于Raspberry Pi的遠程監測系統的設計與實現[J]. 微型機與應用，2014，33（19）：105-107.

[14] 范國娟;范國卿. 基于ZigBee的無線紅外防盜報警系統設計[J]. 電子設計工程，2012（6）：20-21.

[15] 黃鑫. 基于B/S的網絡文件傳輸管理系統[D]. 重慶：重慶大學，2015.

[16] 羅文君. 基于微信公眾平臺的家庭安防監控系統[D]. 南京：南京師范大學，2015.

[17] 吳川環. 基于微信控制物聯網設備的服務器系統[D]. 廣州：廣東工業大學，2015.

[18] 韓媛媛.? 微信公眾平臺在高校圖書館中的開發設計研究[D]. 武漢：華中師范大學，2015.

[19] 彭剛，陳順超，徐慶江，等. 基于CC2431的ZigBee定位系統設計與實現[J]. 伺服控制，2010（12）：15-16.

[20] 雷科技. Arduino與樹莓派RPi的優缺點[EB/OL]. http：//chuansong.me/

（責任編輯：杜能鋼）