基于ZigBee與ARM嵌入式系統的檔案庫房環境監控設計研究

張淼

（西安醫學院，陜西西安 710021）

對各行業領域發展來講，檔案都是至關重要且不可再生的資源，在日常檔案管理工作開展中，為了能夠有效保證檔案安全完整地存放，近年來逐漸引入各類新型技術改造檔案庫房的內部環境，從而完成檔案庫房環境的實時監控。但是在傳統檔案庫房中普遍面臨的難題就是環境管理，一般情況下采用傳統的人工管理測量方法，十分耗時和耗精力，并且重復性動作也加重了工作負擔，再加上受有限的測量儀器設備精度影響，最終測得的檔案庫房內部環境結果無法保證客觀真實性。雖然近年來也逐漸推出并運用部分庫房環境監控系統，但在實際應用中仍然存在復雜布線，無法保證系統安全運行，未能獲得普遍認可的技術局端。隨著信息感知領域的深入變革，ZigBee 技術、ARM 技術逐漸成為如今的研究熱點，并且具備了低功耗、低成本、自組織、分布式等技術特點。所以在此種技術背景下，在檔案庫房內部環境監控中，實現無線傳感技術結合嵌入式系統，對于提高管理效率和工作質量意義重大。

1 ZigBee技術概述

1.1 協議體系架構

ZigBee 通信協議技術作為新興的一種可以實現短距離、低速率的通信協議標準，目前被廣泛應用于間歇、周期且較低傳輸速率技術要求的數據傳輸中。該協議主要運用了IEEE 802.15.4 協議，包括了MAC 層、PHY 層兩大協議，具有低成本、低功耗、短演示、安全可靠、大容量等設備技術特點。ZigBee 協議棧體系架構如圖1 所示。

圖1 ZigBee協議棧體系架構

1.2 網絡拓撲結構

根據ZigBee 技術實現的主要功能情況可以發現，該網絡技術成功界定了兩類設備，分別為完整、精簡兩種功能設備。其中，完整功能設備能夠在該協議通信網中成功扮演各類角色，并且滿足IEEE 802.15.4 協議標準。而精簡功能設備則僅僅能夠完成部分功能，且只可與完整功能設備實現通信。目前ZigBee 協議技術網絡，主要包括3 種無線通信方式，分別為星狀網絡拓撲、網狀網絡拓撲、簇狀網絡拓撲。

2 系統總體設計

2.1 功能需求

該檔案庫房環境監控系統設計就是為了能夠成功構建分布式庫房環境監測及遠程智能監控的技術平臺，滿足對檔案庫房內部環境的實時全面監控，保證所監測具體設備信息和數據能夠及時顯示于管理員上位機中，并將庫房內部環境相應的控制管理設備自動打開，從而減小人力工作強度，同時也可以對檔案庫房的管理工作效率及水平充分提升。

2.2 系統設計總體架構

ZigBee 無線傳感器網絡包括多個傳感器節點、協調器組件和控制端，經ZigBee 通信模塊即可實現傳感器控制組件功能擴展。嵌入式智能網關相對于系統作為橋梁組件，可以與ZigBee 無線傳感網絡相通，向PC 上位機傳輸經協調器成功收集的檔案庫房內部環境相關信息。收集異常數據時，系統會自動發出控制設備相應指令，從而經串口連接ZigBee 協調器，成功經接口、以太網連接PC 上位機。對于該系統來講，PC 上位機也作為主要的系統監控中心，能夠為系統管理操作用戶提供人機交互控制操作界面，更方便實現對檔案庫房環境的遠程自動化管控。系統總體架構如圖2 所示。

圖2 系統總體架構示意圖

2.3 系統網絡拓撲結構

結合上文分析ZigBee 通信網的現有3 種網絡拓撲結構技術，考慮到為了能夠保證本系統對搜集的各網絡節點數據傳輸管理可靠性，最終選擇了星狀網絡拓撲結構，如圖3 所示。

圖3 星狀網絡拓撲結構

3 ZigBee無線傳感器網絡設計

3.1 ZigBee節點硬件設計

圖4作為一種典型ZigBee 節點硬件設計框架圖，包括了數據處理、射頻、傳感控制等功能模塊。

圖4 ZigBee節點典型硬件框圖

選用CC2530 作為核心通信模塊芯片，并且為了充分增強系統設計的整體可拓展性，有效降低傳感控制產生的射頻電路信號干擾，運用了核心板結合通信底板的設計方法，設計了32 MHz 晶振、I/O 拓展接口，讓用戶可以在操作中進行修改添加。

3.2 ZigBee節點軟件設計

設計ZigBee 節點軟件系統，選用了嵌入式IAR開發工具，基于協議棧模板完成應用層、HAL 層的代碼修改，完成ZigBee 節點程序設計，為了充分增強整個ZigBee 節點的軟件系統可拓展性，設計基本單位功能代碼，完成特定傳感數據控制操作，經ZStack 能夠滿足多功能程序實現于不同端口，有效提高了ZigBee 節點的整體配置靈活性。以下為部分代碼示例：

4 嵌入式ARM系統智能網關設計

4.1 ARM嵌入式智能網關硬件設計

想要確保檔案庫房監控系統正常良好地運行，關鍵在于能夠設計出安全可靠且穩定運行的智能網關硬件平臺。所以在設計選用硬件處理器時，需要擁有較快的信息處理速率，豐富I/O 接口（方便功能模塊外延拓展），并且支持Linux 操作系統，能夠與Internet 之間滿足有線及無線通信，且支持LCD、觸摸屏，保證系統能夠安全穩定運行，減小功耗，可無負擔地長期運行于檔案庫房環境中。平臺硬件結構如圖5 所示。

圖5 Mini2440硬件平臺結構圖

4.2 嵌入式操作系統移植

嵌入式系統的核心組成為EOS，較通用型操作系統能夠實現靈活化操作，整體系統運行安全可靠且可移植，很大程度上提升了嵌入式系統的開發效率。

首先，搭建Linux 交叉操作系統編譯環境，基于PC 端完成虛擬機應用層程序安裝開啟后，成功安裝操作系統。完成NFS、Samba、TFIP 服務器成功配置后，即可進行編譯工具的交叉安裝。

其次，在Linux 操作系統中的內核移植，分別實現的功能包括進程、存儲、設備、驅動、文件、通信、系統初始化、系統調用等幾大管理功能。

最后，在選擇嵌入式Web 服務器時，選用了B/S架構ARM 嵌入式系統，能夠成功實現訪問瀏覽器頁面與發送數據等功能。之后移植SQL 數據庫，用于對合法系統用戶的操作進行存儲、驗證，還可以經GGI 程序成功調用監控最新信息，并實時顯示于PC端，這樣即可做到對檔案庫房環境的實時監控。

5 系統測試

本次系統測試共進行1 個協調器及5 個終端監控節點的反測試。通過將瀏覽器頁面打開之后，輸入相應的Web 網址即可跳轉至用戶名、密碼登錄界面，完成權限認證后，即可跳轉至默認系統界面。測試結果如圖6 所示。

圖6 系統操作測試效果圖

6 結束語

通過引入ZigBee 技術、ARM 嵌入式系統，應用于檔案庫房環境監控系統設計中，簡單介紹了這兩個技術和系統開發、交叉編譯環境。分別完成ZigBee 節點硬軟件、嵌入式操作系統平臺設計，并實現了CGI 腳本、監控設計，通過系統測試，證實ZigBee 技術與ARM 嵌入式技術能用于檔案庫房環境監控系統設計。根據該系統測試運用情況，證實了該文提出的系統設計思路可以自動、實時、精準監控檔案庫房環境，保證最終監控結果能夠達到應用預期。