物聯網技術下檔案庫房溫濕度監控系統的設計

摘 要：由于檔案庫房內的溫度和濕度會對檔案制成材料的耐久性產生影響，進而影響檔案壽命，所以應當對其進行測量與調控。為了提高檔案庫房溫濕度達標率，延長檔案的壽命，基于物聯網技術、傳感器技術、移動通信技術、嵌入式技術、計算機技術設計了一套檔案庫房溫濕度監控系統。該系統包含設備終端、物聯網云平臺和用戶終端，采用MQTT協議通信，對檔案庫房內的溫度和濕度數據進行測量、采集、傳輸、存儲和展示，并對檔案庫房內的溫度和濕度進行調控。相對于傳統的管理方式，本系統實現了全天候自動化測量、記錄、調控檔案庫房內的溫度和濕度，有利于提高檔案庫房溫濕度達標率，對延長檔案壽命起到了積極效果，具有較高的實際應用價值。

關鍵詞：物聯網；檔案庫房；溫濕度監控；GD32單片機；MQTT協議；EMQX

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）03-00-03

0 引 言

檔案庫房是保管檔案的重要場所，并且保管的是需要長期保存的重要檔案。檔案庫房內不適宜的溫度和濕度對檔案制成材料具有破壞作用，環境溫度過低或過高、濕度太小或太大，都會影響檔案的壽命[1]，不利于檔案長期保存。因此，應盡量調控檔案庫房內的溫濕度，使其保持在標準范圍內[2]，最大限度延長檔案壽命。對于溫濕度調控，傳統的方法是管理員定時進入檔案庫房開關調溫調濕設備，這種方式的缺點是消耗了大量的人力物力、效率低、溫濕度達標率不高。本文設計了一套檔案庫房溫濕度自動調控系統，能夠對檔案庫房內的溫濕度進行測量、采集、傳輸、處理，向調溫調濕設備發送啟停指令，從而調控檔案庫房內的環境溫濕度。該系統全天候自動化監測和實時調控檔案庫房內的溫濕度，有利于提高檔案庫房內的溫濕度達標率，延長檔案的壽命。

1 系統整體架構

檔案庫房溫濕度監控系統是基于物聯網技術、傳感器技術、移動通信技術、嵌入式技術和計算機技術開發的硬軟件集成的自動化監測與調控溫濕度系統，包括設備終端、物聯網云平臺和用戶終端。系統整體架構如圖1所示。

設備終端是調節單個檔案庫房溫濕度的控制中心，負責實時測量、采集檔案庫房內的溫濕度，并通過數據通信單元實時發布到物聯網云平臺。依據溫度控制范圍和當前測量的溫濕度控制空調制熱、制冷或停機，啟動或停止調濕機工作。

物聯網云平臺作為設備終端和用戶終端之間數據中轉的樞紐[3]，能夠接收來自不同設備終端的檔案庫房內的溫濕度值；并且能夠基于用戶終端訂閱設備終端的信息，轉發溫濕度值到用戶終端。物聯網云平臺為全部設備終端和全部用戶終端提供數據推送和獲取的入口。

用戶終端能收集、存儲、分析、展示檔案庫房溫濕度的實時數據，查詢歷史數據，展示溫度和濕度的走勢圖以及以天為單位的溫度和濕度的峰值圖，統計溫度和濕度平均值、最大值、最小值，打印報表等，能夠為立檔單位的檔案庫房溫濕度打分項檢查提供數據依據。

2 數據通信

本系統采用MQTT通信協議[4]。MQTT消息包含主題（Topic）和負載（Payload）兩部分，其中主題用于區分終端，負載表示傳輸的數據。系統設計了面向設備終端的pub和sub兩類MQTT消息。前者是設備終端向物聯網云平臺的發布（PUBLISH）消息，實時主動傳輸數據，主題設計為設備密鑰/設備標識號/pub。后者是設備終端接收物聯網云平臺的訂閱（SUBSCRIBE）消息，是由物聯網云平臺轉發的用戶終端的指令，主題設計為設備密鑰/設備標識號/sub。用戶終端使用sub主題消息向設備終端發送指令，用pub主題訂閱設備終端消息。數據通信流程如圖2所示。

3 設備終端

設備終端是檔案庫房溫濕度監控系統的核心，負責測量、采集、傳輸溫濕度數據，啟停空調和調濕機。設備終端硬件主要包括主控模塊、溫濕度測量與采集模塊、空調和除濕機控制模塊及通信模塊。

3.1 主控模塊

根據設備終端的功能和成本效益的要求，主控模塊采用GD32F205VET6單片機為主控芯片，其內核為ARM Cortex-M3 32位處理器，既能滿足經濟成本要求，又能進行高性能計算和控制，提供豐富的IO接口[5]（4個UART、4個USART和SDIO）。兆易創新推出的GD32F205VET6單片機具有價格便宜、通用性好、開發靈活、擴展性強、便于在線調試等優點，其外圍設計了TF卡、7寸串口觸摸屏、嵌入式針式打印機、2路RS 485、數據通信、軟件調試信息輸出等接口電路。TF卡存儲歷史數據；7寸串口觸摸屏能夠實時顯示溫濕度數據，使用戶有更加直觀的交互體驗感；嵌入式針式打印機定時打印溫濕度到紙上，便于存檔；RS 485用于外接溫濕度變送器、空調和調濕機控制器；數據通信接口用于連接移動通信模組以及物聯網云平臺，并傳輸數據；軟件調試信息輸出接口便于在研發和維護維修過程中定位軟硬件缺陷，提高研發和維護維修的工作效率。

3.2 溫濕度測量與采集模塊

對于溫濕度，有采用傳感器直接測量與采集和通過RS 485接口發送ModBus協議采集兩種模式。前者將溫濕度傳感器集成在主控芯片的外圍電路中，后者是外接第三方溫濕度變送器。溫濕度值采集、存儲、傳輸和展示是以后者優先的策略，當未外接溫濕度變送器時，以前者測量和采集的數據作為當前溫濕度值。

用傳感器直接測量與采集時，傳感器采用DHT11型號，它是一款有已校準數字信號輸出的溫濕度一體傳感器，其溫度誤差可控制在±0.5 ℃以內，分辨率為0.1 ℃；濕度誤差可控制在±3%RH以內，分辨率為0.1%RH，是目前市場上主流的性價比較高的溫濕度傳感器之一。DHT11使用高分子濕敏電阻為傳感元件，具有穩定性高、可靠性高、低功耗、不受噪音電壓波動干擾等優點。

通過RS 485接口發送ModBus協議采集數據時，溫濕度變送器采用RS 485接口輸出數據、ModBus協議讀取數據。主控芯片采用半雙工模式的輪詢方式依次向溫濕度變送器發送指令，溫濕度變送器接收到指令后開始傳輸溫濕度值，主控芯片讀取溫濕度值。這種方式下主控芯片與溫濕度變送器具有低耦合性，溫濕度精度由變送器本身保證，變送器具有選擇范圍大、可替代性強等優點。

3.3 空調和調濕機控制模塊

空調控制模塊負責控制空調開啟制熱/制冷或停機的執行單元，采用紅外遙控的方式對空調進行啟停控制。空調控制模塊具有學習空調遙控器紅外線控制碼功能和四個發送紅外線控制碼功能，空調紅外線控制碼分別是開啟制熱、停止制熱、開啟制冷、停止制冷。在使用空調控制模塊前，需要對其進行配置，學習指定品牌型號的空調遙控器的開啟制熱、停止制熱、開啟制冷、停止制冷對應的紅外線控制碼。使用時，主控芯片向空調控制模塊發送指令；空調控制模塊收到指令后，通過紅外線發光二極管向空調發射相對應的空調紅外線控制碼，空調開始工作。空調控制模塊原理就是替代原有空調紅外線遙控器，增加RS 485通信接口，能夠實現遠程控制。

調濕機控制模塊采用RS 485繼電器模塊。首先對調濕機進行改造，將繼電器的常開觸點分別焊接在調濕機電源按鍵的兩端，繼電器和電源按鍵形成并聯，繼電器和電源按鍵都可以獨立控制調濕機的啟停。主控芯片向調濕機控制模塊發送指令控制斷開/閉合繼電器，從而模擬人工操作調濕機電源按鍵的動作。

3.4 通信模塊

通信模塊是設備終端與物聯網云平臺之間進行數據通信的關鍵部件。通信模塊采用移遠通信推出的LTE Cat1無線通信模組EC600S-CN，內部集成MQTT通信協議，可直接配置物聯網云平臺的連接信息[6]。主控芯片通過USART接口連接EC600S-CN，使用較少的AT指令[6-7]就能完成與物聯網云平臺的連接、訂閱和發布數據操作。EC600S-CN簡單易用，能夠減少研發的難度，縮短研發周期。

3.5 軟件系統

GD32F205VET6單片機適用于Keil μVision4集成開發環境（IDE）編寫程序，IDE的使用有利于提高程序員的生產力，支持在線調試，可以更快、更有效地定位程序缺陷。本軟件系統采用多任務模式設計，內核使用Keil μVision4中的RTX實時操作系統，操作系統創建網絡通信任務、溫濕度監控任務、屏幕交互任務。任務之間通過共享內存變量實現通信，共享內存變量可以降低任務之間的耦合度。軟件系統框架如圖3所示。

4 物聯網云平臺

物聯網云平臺負責完成設備終端和用戶終端之間的數據中轉任務，是數據通信的樞紐。設備終端將檔案庫房內的溫濕度數據通過4G移動網絡實時發布到物聯網云平臺，物聯網云平臺依據訂閱設備終端的規則將數據轉發到用戶終端，用戶終端用同樣的方式將指令發送到設備終端。

物聯網云平臺部署EMQX[8]。EMQX是開源可彈性伸縮的分布式物聯網MQTT消息服務器，單臺服務器支持每秒百萬級高性能，能夠低延時在設備終端和用戶終端之間可靠實時傳輸，并可提供接入身份認證，能有效阻止非法終端的連接[9-10]。

5 用戶終端設計

用戶終端負責系統和用戶的交互，包括展示檔案庫房內實時溫濕度，查詢歷史溫濕度數據、走勢圖、峰值圖，啟停空調和調濕機等。為了減少用戶的經費投入，用戶終端采用桌面應用程序。應用程序界面如圖4所示。

應用程序與物聯網云平臺通過互聯網建立連接，訂閱設備終端，獲取溫濕度值，對溫濕度值定時存儲和展示。應用程序具有查看指定時間段歷史溫濕度數據，按月、天、時的時間粒度查看溫濕度的走勢圖和峰值圖，以及報表導出等功能。應用程序主流程如圖5所示。

6 結 語

本文提出了基于物聯網技術、傳感器技術、移動通信技術、嵌入式技術及計算機技術實現的檔案庫房溫濕度監控系統。該系統包含設備終端、物聯網云平臺和用戶終端，能對檔案庫房內溫濕度進行測量、采集、傳輸、存儲、分析和展示，能啟停空調和調濕機，調控檔案庫房內溫度和濕度在標準規定的范圍內。相對于傳統管理模式，本系統能夠全天候自動化記錄、分析、調控，減少了管理員勞動量，對提高檔案庫房溫濕度達標率、延長檔案的壽命起到了積極效果，具有很大的實際應用價值。

參考文獻

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[9]朱成杰，周亞.物聯網技術下電能質量監測系統的設計[J].物聯網技術，2022，12（11）：30-32.

[10]李長軍，李明洋，郝在盛，等.基于物聯網技術的智能飲水提醒系統設計及實現[J].物聯網技術，2022，12（12）：96-97.

作者簡介：陳忠建（1979—），男，碩士，館員，研究方向為檔案信息化。

袁 可（1983—），男，碩士，副研究館員，研究方向為檔案保護。

廖勇軍（1974—），男，碩士，副研究館員，研究方向為檔案信息化。