WSN智慧圖書館環境感知系統設計與實現

夏宇紅 夏文忠

（昭通學院圖書館，云南 昭通 657000）

1 引言

圖書館作為公共服務場所，如何給讀者提供方便、舒適的服務？如何利用現代信息技術手段降低圖書館館員的工作強度，提升圖書館的服務水平和服務質量？提升圖書館的資源利用率？這些問題是所有圖書館，特別是高校圖書館每天都面臨的問題。本文通過對設定的圖書館環境規劃，使用WSN 無線傳感器網絡檢測和采集圖書館的各個閱覽室、書庫、機房等環境的溫度、濕度和光照度，并傳送給樓宇網關，從而驅動相應執行機構完成環境參數的調整，以達到利于讀者讀書學習的適宜環境。

2 WSN技術

WSN 即無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network)，是一種分布式網絡，由大量的靜止或緩慢移動的傳感器構成的自組織多跳式無線網絡，其目的是對網絡覆蓋區域內的對象信息進行采集、協作處理和傳輸并報給用戶，其結構主要包含傳感器節點、匯聚節點、管理節點[1]。物聯網技術的大量應用，推動了無線傳感器網絡技術向深度和廣度發展，WSN 所具備的高精度、高可靠性、高性價比和強靈活性，使其特別適用于環境監測、目標跟蹤、智能交通、醫療保健以及人類活動監測等各個方面。目前WSN 在圖書館方面的應用，主要集中于溫濕度監測、火災預警和空氣質量監測[2]。WSN 技術的自組織、MESH網絡[4]、分布式、多跳等特性，能方便輕松實現“M2M、P2M”之間的信息交互，基于這些原因，WSN是智慧圖書館數據采集獲取網絡層的理想實現方案。

3 基于WSN智慧圖書館環境感知系統設計

3.1 總體架構設計

智慧圖書館WSN 以ZigBee 芯片CC2530 作為網絡節點控制和無線通信MCU，該網絡由一個協調器節點，若干個路由節點，若干個終端節點組成。協調器節點通過UART或者USART 的串口通訊協議把各個路由節點、終端節點傳送過來的數據匯聚后傳送給上位控制機，從而實現無線溫度、濕度、煙霧、光照度、位置等信息的采集與傳送，再通過相應的執行機構，即可以實現圖書館的控制與管理。基于WSN 的智慧圖書館環境感知系統體系結構如圖1所示。

圖1 智慧圖書館WSN總體結構

3.2 終端節點的設計

智慧圖書館的環境監測需要采集圖書館的各項環境數據，例如溫度、濕度、光照度和煙霧等數據。通過環境數據的采集，協調器把收集回來的環境數據傳送給管理上位機，通過管理上位機判斷后，再驅動相應的執行單元進行環境參數的調整。例如溫濕度傳感器獲取溫濕度數據后，通過管理機判斷，從而驅動溫濕度執行單元進行空調、采暖設備的驅動，進而實現環境溫濕度的調整。本設計采用常見的DHT11實現環境濕度、溫度的采集，再通過CC2530把采集到的數據通過終端節點和路由節點傳送給管理上位機，經過管理上位機判斷后，進行環境溫濕度的決策與執行。管理上位機通過大功率部件來驅動采暖加熱設備或者空調設備進行溫度、濕度的調整。數據采集與驅動執行機構流程如圖2所示。

圖2 溫濕度檢測流程

對于光照度、氣體檢測、煙霧傳感等環境數據的采集與環境參數的調整，處理流程和溫濕度流程一樣，只是采用的傳感器不一樣，執行機構不一樣。對于光照度的，可以使用光敏電阻，驅動執行機構為電燈，當光照度達到以后，再進行持續的檢測以保證燈光的長時間開啟。對于氣體檢測，需要使用通風設備。對于煙霧傳感器，需要能判斷是否是火災，是否需要驅動滅火設備工作。

3.3 無線網關的設計

無線網關主要實現異種網絡的數據交換，本設計中使用的無線網關基于ZigBee 實現上位機網關的數據傳輸與信息交換。通過ZigBee 網關收集無線傳感器網絡采集回來的數據，再通過UART 或USART 等協議實現ZigBee 采集回來的數據整理轉換為適宜TCP/IP網絡的數據，從而實現信息的傳送與交互。

通過ZigBee 無線網關實現無線傳感器網絡的窄帶到TCP/IP網絡的寬帶轉換，從而實現物聯網的互聯互通。

4 基于WSN智慧圖書館環境感知系統實現

4.1 硬件選型

本系統采用基于TI 公司CC2530[5]芯片的無線傳感器網絡，CC2530 芯片采用51 增強型內核為核心，融入了RF 收發器、系統內可編程閃存、8-KB RAM 和其它強大的功能。CC2530 有四種閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB 的閃存，本系統采用256KB 閃存版本實現。具體引腳如圖3所示。

圖3 CC2530引腳功能描述

4.2 軟件設計

Zigbee 協議在3 個頻段定義了27 個物理信道：868MHz頻段中定義了1個20Kb/s信道，915MHz頻段中定義了10個40Kb/s 信道，信道間隔為2MHz，2.4GHz 頻段上定義了16 個250Kb/s 信道，信道間隔為5MHz，通過Z-stack 協議棧[6]在f8wConfig.cfg 里設置信道相當本系統所要使用的信道編號為11的默認信道，具體代碼如下：

在信道確定后，再確定PANID。PANID 其全稱為Personal Area Network ID[7]，即網絡標識符，是針對一個或多個應用的網絡，一般是mesh 或者cluster tree 兩種拓撲結構之一。所有節點的PANID唯一，一個網絡只有一個PANID，它是由PAN協調器生成，PANID是可配置項，用來控制ZigBee路由器和終端節點要加入哪個具體的網絡。如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID 被定義為0xFFFF，那么協調器將根據自身的IEEE地址建立一個隨機的PANID（0～0x3FFF）；如ZDAPP_CONFIG_PAN_ID 沒有被定義為0xFFFF，那么網絡的PANID將由ZDAPP_CONFIG_PAN_ID確定。

具體實現部分代碼如下：

Z-stack中相關部分代碼如下：

若要在應用中查看PANID 可以這樣獲得：_NIB.nwkPanId

本系統中無線傳感器網絡的軟件設計采用IAR 軟件設計，程序設計語言采用C語言實現。因在同一個無線傳感器網絡中，只有一個協調器，有多個路由節點和多個終端節點，如圖1 所示，在程序設計時，IAR 軟件設定好相應的PANID，在此采用0xFFF 為隨機PANID，當網絡的PANID 確定后，再把各個路由節點和終端節點分別加入到此PANID中，從而實現網絡的構建與信息的交互。

4.3 聯合調試

在邏輯上構建好無線傳感器網絡后，可以先構建硬件網絡及其三種結構，即協調器、路由節點和終端節點。終端節點負責采集終端的溫度、濕度、光照度、有害氣體、煙霧傳感等相應終端節點信息。通過網關把搜集回來的信息傳送給控制主機。在完成硬件部署后，把使用IAR軟件編譯的程序分別燒錄到相應的芯片中，檢測信息是否正確顯示與傳輸，如出現錯誤，再進行程序修正。經過具體的實際測試，發現本系統設計基本達到了設計需求，具體數據見表1圖書館環境檢測數據一覽表。

表1 圖書館環境檢測數據一覽表

溫度均值在23.5 ℃；濕度均值在45.5%；無煙霧，系統正常運行，未報警。通過對數據的核對，發現所有溫度、濕度和光照度、煙霧等信息均在系統初始設定閥值范圍內，能正常運行，達到監聽監測的系統要求。

5 結語

WSN智慧圖書館環境感知系統采用ZigBee技術實現了圖書館環境的監測與控制，文章簡要介紹了系統各部分硬件、軟件的組成、設計實現方法及主要流程控制。對高校圖書館及公共場合區域具有一定的實用和推廣價值。