密集書庫環境遠程環境監測技術研究

王順先 金 耀

（州大學圖書館，江蘇 常州 213164）

1 密集書庫遠程監測系統總體方案設計

1.1 監測網絡結構設計

本監測網絡結構如圖1-1密集書庫分成一個個監測區域，每個監測區域內由一個區域基站和很多個監測節點組成，給每個基站節點分配一個IP地址，供其接入局域網。監測節點將監測到的數據，通過短距離無線Zigbee方式傳輸給基站節點，基站節點再將數據通過4G網絡轉發給遠程后端的監控中心[1-5]。

圖1-1 書庫遠程監測網絡結構圖

1.2 監測節點和監測區域基站設計

本系統的節點可以分為監測節點和監測區域基站，監測節點負責監測環境參數并傳輸給其所在區域的基站，環境參數在基站進行融合后，通過4G網絡發送給遠程監控中心。

1.2.1 監測節點設計

監測節點要實現：對環境各種參數的監測；與監測區域基站通信，傳輸環境參數，接收監測區域基站發送過來的命令，并且根據這些命令進行相應的操作。所以監測節點需有微處理器(MCU)模塊、環境監測模塊、基于Zigbee的無線數據通信模塊。

本系統選擇MCU芯片STM32W108，監測節點具體組成框圖 如圖1-2，有以下幾個模塊組成：電源模塊、調試接口模塊、傳感器模塊、外部存儲器擴展等外設模塊、天線電路模塊、Zigbee微處理器芯片STM32W108及其外圍模塊[6-10]。

圖1-2 測節點組成框圖

1.2.2 監測區域基站設計

監測區域基站要實現：接收來自本監測區域里的所有監測節點發送過來的環境參數數據；在基站進行相關數據融合和通過4G網絡發送給遠端的環境監控中心；接收監控中心發送過來的指令、對本監測區域里的所有監測節點進行管理和控制[11-16]。

那么監測區域基站同樣要有個微處理器，選擇的處理器芯片是STM32F103RBT6；還有個兩個功能模塊：第一個功能模塊是Zigbee無線通信模塊，選擇的是和監測節點一樣的Zigbee無線處理器芯片STM32W108；第二個功能模塊是4G模塊，選擇的是Air720模塊，可以通過AT指令控制Air720進行網絡數據傳輸或其他各種應用。監測區域基站具體組成，如圖1-3

圖1-3 區域基站組成框圖

2 密集書庫遠程監測系統硬件方案設計

本系統的硬件組成主要有兩個大部分：第一個部分是監測節點及其傳感器模塊，第二個部分是監測區域基站。

2.1 監測節點硬件設計

監測節點要實現對環境參數監測，并將所監測到是環境參數據傳輸到監測區域基站。所以監測節點系統要有傳感器模塊和無線傳輸模塊[17-20]。其組成框如圖2-1有：傳感器模塊、微控制器模塊和無線傳輸模塊，選擇STM32W108這款芯片，這款芯片集成了微控制器和Zigbee功能模塊。

圖2-1 監測節點的硬件組成框圖

溫度測量，較為常用的是采用熱敏電阻，或者采用數字式溫度傳感器DS18B20[16-23]。濕度測量可以選用數字式的濕度傳感器HDC2080濕度傳感器HDC2080，可以通過I2C接口和MCU直接相連。

2.2 監測區域基站的硬件框架設計

圖2-2 基站的硬件組成框圖

基站節點要接收來自下層Zigbee網絡的數據，本系統選擇的Zigbee接收模塊和監測節點的Zigbee芯片是一樣的芯片，4G模塊采用Air720模塊，是一款帶分集接收功能的4G多模無線通信模塊。攝像頭使用攝像頭OV7670?；镜挠布M成框圖如圖2-2，由Zigbee模塊，基站處理器模塊，4G模塊、攝像頭模塊組成。

3 密集書庫遠程監測系統軟件方案設計

監測基站軟件部分包含Zigbee模塊、處理器模塊、遠程通信模塊。Zigbee模塊的軟件設計和監測節點的Zigbee模塊的軟件設計類似。只是在監測節點的Zigbee模塊設計時將其設計為設備節點，而基站節中將Zigbee模塊設計為協調器，負責網絡的建立和維護?？紤]到基站節點要處理的事務較多，在處理器模塊的CPU，STM32F103RBT6這款微處理器芯片上移植了嵌入式操作系統uc/os-III。

監測區域的基站的Zigbee模塊的通信、4G模塊的通信都用到串口中斷服務程序。當串口中斷程序收到數據包后，通過發消息的方式通知數據處理中心任務，數據處理中心任務接收到消息后，根據消息的不同，選擇使用相應信號量，和其他任務進行通信。這樣就將數據處理中心任務設計成各個任務的總指揮的角色，負責和串口中斷程序通信，對其他任務進行管理和觸發[21-24]。

串口中斷服務程序以及各個任務之間的通信關系如圖3-1

圖3-1 任務之間同步和通信

4 總結

本文設計了密集書庫環境遠程監測系統，提出了一種基于傳感器、Zigbee技術、4G技術的遠程密集書庫監測方案，對監測系統的網絡架構、監測系統里的密集書庫監測節點、區域監測基站進行了設計。由于采用無線通信，監測節點布置簡單，不需要布線，本系統提出的無線遠程監測方案，在圖書館密集書庫遠程環境監測方 面有很好的推廣價值。