ZigBee技术在图书馆环境自动监测方面的应用①
2013-03-19张竣淞刘冬梅
张竣淞 刘冬梅
(1.华北科技学院信息检索教研室，北京东燕郊 101601;2.华北科技学院宣传部，北京东燕郊 101601)
1 传统图书面临的严峻现实
随着科技的发展，传统图书文献资料在保存条件和方法上得到了改善，然而随着时间的推移，任何一种纸质载体都将变质甚至损毁。影响图书文献资料使用寿命的因素很多，可以分为自然因素和人为因素。
第一，自然因素包括:阅览室内光照强度、温湿度、灰尘量、空气质量、微生物、虫鼠害等。在这些对纸质图书文献资料储藏质量影响因素中，阅览室内温湿度变化是影响各类文献资料老化变质的重要因素，从典藏的角度来看，书的最佳保存温度为18～22℃，最佳养护环境相对湿度在60%～65%之间［1］。光对传统纸质图书的破坏是必然的，文献资料利用时的适宜光照强度:一般基本书库的照度以30～50勒克斯为宜，阅览室的照度以75～100勒克斯为宜［2］。
第二，人为因素包括:人为的撕毁、开天窗、批注、涂改等。图书文献保存的自然环境以及读者不良的读书习惯都会对图书造成不同程度的危害，影响其使用寿命。
2 加强图书馆环境自动监测的必要性
加强传统纸质文献资料的保护，应该从影响图书文献资料使用寿命的自然因素和人为因素入手。
由于藏借阅一体化服务模式已经成为图书馆现代化服务的发展趋势，随着这种服务模式的不断开展，服务模式与室内环境管理、服务模式与防盗监测管理之间的矛盾就显现出来，无疑增加了图书馆工作人员在图书监管方面的劳动强度。因此，对传统图书文献资料实施保护的自动化监控显得越来越重要。
3 ZigBee技术在图书馆环境监测方面的具体应用
随着通信技术、嵌入式技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知通信能力、计算能力的微型传感器开始在全球范围内出现，由这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注。这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。
在图书文献资料的保护方面，利用无线传感器网络节点采集图书馆室内的温度、湿度、光照强度等数据，可以根据具体情况，自动控制通风系统的开关、窗帘的开合等，减轻图书馆工作人员的工作量，使传统图书文献资料的存放条件达到最优。
3.1 传感器网络体系结构
无线传感器网络系统［3－5］通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点，如图1所示。传感器节点以自组织方式构成网络，传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输，监测数据经多个节点处理经过多跳后到达汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务和收集监测数据。
图1 传感器网络体系结构
无线传感器网络中节点与节点之间的通信基于短距离无线通信技术。其中常见的几个短距离无线数据通信标准是ZigBee、蓝牙(Bluetooth)、Wi－Fi、红外线数据传输(IrDA)等。
将蓝牙、Wi－Fi、红外以及ZigBee几种无线通信协议的技术指标比较［6－8］汇总成下表。
表1 几种无线通信协议的比较
ZigBee技术是一种新型短距离无线通信技术，它跟其他无线通信技术相比，在功耗和成本方面都具有一定的优势，因此被业界认为是最有可能应用在工业控制场合的无线方式，而且其也可以使用2.4 GHz免费频段。另外，其网络容量较大，一个主节点可与254个节点联网，多个主节点也可以组网，节点可以包括传感设备、嵌入式仪器等设备。因此在图书馆环境监控方面应用基于ZigBee技术的无线传感器网络，可以对传统图书进行有效保护。
3.2 ZigBee网络拓扑结构
从网络配置上来讲，ZigBee网络中有三种类型的节点:ZigBee协调点、ZigBee路由节点和Zig-Bee终端节点。每种都有自己的功能要求:
ZigBee协调器节点是启动和配置网络的一种设备。协调器可以保持间接寻址用的绑定表格，支持关联，同时还能设计信任中心和执行其它活动。协调器负责网络正常工作以及保持同网络其它设备的通信。一个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器。
ZigBee路由器节点是一种支持关联的设备，能够将消息转发到其它设备。ZigBee网格形或树形网络可以有多个ZigBee路由器。ZigBee星型网络不支持ZigBee路由器。
ZigBee终端节点可以执行它的相关功能，并使用ZigBee网络到达其它需要与其通信的设备。它的存储器容量要求最少。
基于这三种类型的节点，ZigBee无线传感器网络主要支持三种拓扑结构:星形(Star)、网格(Mesh)形和树形(Cluster－Tree)结构。如图2所示。在这几种网络拓扑中，星形网络对资源的要求最低。
图2 ZigBee星形(Star)网络
在ZigBee网络中，由于星形拓扑网络结构简单，易于分析网络中上下行数据的流量和流向，并且很多结构复杂的网络都有星形网络组成，因此在很多实际应用中都采用星形网络结构的组网形式。比如在图书馆环境监测方面采用ZigBee星形网络，终端节点采集室内的温度、湿度、书架光照强度等信息，传送给协调器，从而管理人员可以掌握室内环境的实时情况。
3.3 基于ZigBee技术的图书馆环境自动监测系统
本应用采用C51RF－CC2530－PK无线Zig-Bee网络硬件平台，IAR Embedded Workbench软件开发平台。硬件平台包括:(1)USB在线仿真器;(2)网络液晶扩展板(也称开发板);(3)Zig-Bee无线高频模块(CC2530);(4)电池板;(5) 2.4G天线;(6)开发电源;(7)USB连接线;(8) RS232连接线。由表1可知ZigBee的成本很低，是由于ZigBee无线高频模块(CC2530)成本较低，便于工业上大规模应用。在图书馆书库中采用星形网络进行布点，如图3所示。
node0为该无线传感器网络的协调器节点，node1——node6为该无线传感器网络的终端节点。将该网络中的节点布置在书库中的合适位置，所有节点模块都挂上温度、湿度等传感器，靠近阳面窗户的节点模块挂上光照传感器。终端节点每隔规定的时间采集一次数据，间隔时间长短可以根据管理员的需求写入协议栈中，然后下载到节点模块中再进行布点。终端模块将采集数据上传给协调器节点，协调器再上传给上位机，从而管理员可以根据实际情况，通过具体操作，改善图书馆室内环境。
图3 ZigBee星形网络模型
在实际操作中，可以将ZigBee无线传感器网络与GSM技术相结合，采集到的数据一旦超过限定范围，系统自动给管理员发短信报警。例如，长时间的光照会减少图书的寿命，一旦无线传感器网络节点利用光照传感器采集到的数据超过限定范围，就会给管理员发短信，管理员可以及时到书库拉上窗帘。还可以将ZigBee无线传感器网络结合自动控制技术，根据具体情况，自动控制通风系统的开关、窗帘的开合等，提高图书馆工作人员的工作效率，使传统图书的存放条件达到最优。
由于ZigBee无线传感器网络数据速率比较低，在2.4GHZ的频段只有250kb/s，而且这只是链路上的速率，除掉信道竞争应答和重传等消耗，真正能被应用所利用的速率可能不足100 kb/s，并且余下的速率可能要被邻近多个节点和同一个节点的多个应用所瓜分，所以不适合利用该网络传送视频信息。因此关于监控图书的人为因素破坏(撕毁、开天窗、批注、涂改等)可以做以下几点工作: (1)借助图书馆现有的视频监控系统，工作人员在监控室中可以掌握书库中的动态，对于突发事件及时处理;(2)可以在书库明显位置张贴“书库安装有监控设备，请文明阅读”的警示语，对想要破坏图书的读者起到一定的警示作用;(3)对于外借图书归还时，工作人员仔细验查图书的完整性，对于破坏图书的读者加大处罚力度，并记入借阅证的电子诚信档案。对于多次破坏图书的读者，限制其借阅权限;(4)做好对读者的培训教育，使读者自觉做到文明阅读，这也是工作的关键，读者素质提高了，破坏图书的行为就减少了。
总之，由于ZigBee技术具有低成本、低功耗、低复杂度等特点，将该技术运用到图书馆环境监测方面，会大大提高图书馆工作人员的工作效率，使传统图书的存放条件达到最优，从而对传统图书达到有效保护。随着物联网技术的不断发展，ZigBee技术的应用必将达到一个新的高度。
［1］ 马永强.图书馆环境温湿度检测仪设计.电子测量技术，2009，11:118－120
［2］ 盖秀美.浅析光对档案的危害及对策.科技信息，2010，15:199
［3］ Akyildiz I F，Su W L，Sankarasubramaniam Y，Cayirci E.A survey on sensor networks.IEEE Communications Magazine，2002，40(8):102－114.
［4］ 孙利民，李建中等.无线传感器网络.北京:清华大学出版社，2005
［5］ 马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述.通信学报，2004，25(4):114－127
［6］ 于锐华，益晓新，于全.ZigBee与Bluetooth的比较及共存分析［J］.测控技术，2005，24(6): 50－56
［7］ 蒋伟民，毕红军.五种主流近距离无线技术比较.科技资讯，2007，(2):1－2
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