基于ARM的民族博物馆环境监控系统的设计和应用

蔡增涛+徐国凯+孙炎辉

摘 要：针对蒙古族家具博物馆的室内环境参数，设计和实现了一种基于ARM9嵌入式技术和ZigBee技术的民族博物馆环境智能监控系统。该系统主要由无线传感数据采集系统、嵌入式监控中心、远程监控终端和执行单元组成。ARM监控中心通过PID算法控制执行单元进行加热、加湿和通风等措施，使民族文物重新回到最适宜的环境中。通过测试表明，该系统操作简单实用、运行稳定，能够很好地应用到蒙古族家具博物馆中。

关键词：ARM9嵌入式；ZigBee技术；民族家具博物馆；监控系统

中图分类号：TP277 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2014）02-0038-03

0 引 言

我国众多博物馆、纪念馆、考古机构等珍藏的大量馆藏文物，是我国珍贵文化遗产的重要组成部分。加强博物馆文物保存环境监控、调控、评价工作，预防性地从源头上保护珍贵文物，尽可能延续其寿命，是我国馆藏文物保护科技十分迫切、艰巨而长期的任务[1]。

通常博物馆中都具有一套复杂的环境监控系统，这类监控系统主要采用计算机复杂控制系统，存在系统庞大、成本高等问题[2，3]。设计一款低成本、运行精确、人机友好的监控系统，以实现对民族博物馆中环境的监控与管理是本项目研究的主要目标。

1 监控系统硬件设计

1.1 总体硬件结构

监控系统需要对民族博物馆内环境参数进行实时采集、显示、存储，并通过PID算法输出相应的控制量控制民族博物馆中的设备。考虑到安装普通传感器后民族博物馆内线路繁杂，移动、维护不便，同时为便于工程应用，通过基于ZigBee技术的无线传感网络采集民族博物馆内各区域的实时数据[4-6]。针对上述需求，该系统设计结构如图1所示。包括无线传感器节点、协调器节点、ARM9嵌入式监控中心、执行单元、远程监控终端。

ARM9嵌入式监控中心负责实时显示各个传感器模块的数据、将数据保存到Web服务器中以及控制执行单元对环境参数进行控制。

图1 系统总体硬件框图

1.2 无线采集系统

无线采集系统由协调器节点、终端节点和传感器模块组成。传感器模块安装在终端节点板上，均匀散布在家具博物馆监控区域内[7]。传感器节点的主要功能包括光照强度、温湿度、继电器的闭合、红外感应的数据采集和数据发送。将采集到的环境数据通过ZigBee无线射频模块发送给协调器。协调器通过COM口与ARM9嵌入式系统实现通信，将采集到的信息按照既定格式传送到ARM9嵌入式监控中心。

1.3 GPRS远程连接网络

本系统中GPRS模块采用华为的GTM900C。GTM900C是一款双频900/1 800 MHz高度集成的GSM/GPRS模块，是GTM900B的升级模块。内嵌TCP/IP协议模块，使用简单、易于集成。 ARM9嵌入式监控中心通过向GTM900C模块发送AT指令将数据传送到远程监控终端。

1.4 嵌入式控制器

嵌入式开发板选用ARM9 内核的Micro2440，其核心板是当前应用广泛的芯片S3C2440，该开发板功耗低、功能强大、价格适中、电气性能及抗干扰性俱佳、运行稳定，可以满足该系统的要求[9]。开发板上的串口COM0 直接与无线采集系统中协调器的串口相连，作为数据输入通道，COM1与GPRS模块的串口相连，作为数据的上传通道。用户IO 扩展接口3上的GPIO口在该系统中作为数字量输出使用，控制执行单元对民族博物馆中的环境参数进行调控。

2 监控系统软件设计

2.1 ZigBee协调器与WinCE操作系统间命令格式

以下是ZigBee协调器与WinCE操作系统间的命令格式：

& 命令头

（3 B） 地址

（10 B） 数据

（16 B） 校验和

（1 B） 帧尾（*）

该命令格式一帧共32 B，可以通过帧尾+帧长度判断结束，因为每一帧都是32 B。其中：

命令头：装入命令。

地址：模块的长/短地址，网络协调器都是以长地址发送的，而RFD或ROUTER发送给网络协调器都是短地址，后两位为网络地址。

数据：传送各个参数，变量与返回值。

校验和：从命令头到数据尾确定正确与否 （加和校验）。

帧尾：一帧的结束。

以读取博物馆中指定地址节点的光照强度为例，表1给出了其读取博物馆中指定地址节点光照强度的具体描述。

表1 读取博物馆中指定地址节点光照强度的具体描述

描述 读取博物馆中指定地址节点的光照强度

适用范围 RFD（终端节点）/ROU（路由器）

发送命令 &RAS+地址（10 B）+GM+15 个0+*

返回成功 &RAS+地址（10 B）+GM+测量值（3 B）

+12 个x+*

返回失败 &RAS+地址（10 B）+ E0+15 个x+*

例如： 发送：&RAS0000000400GM000000000000000*

返回成功：&RAS0000000400GM032xxxxxxxxxxxx*

返回失败：&RAS0000000400E0xxxxxxxxxxxxxxx*

它的工作流程是：当嵌入式系统通过串口发送命令以后，协调器通过串口接收命令，首先判断是不是可用的命令，如果可用，根据命令中的地址判断嵌入式系统需要哪个节点的信息，并向该节点发送命令，该节点通过对命令头的判断将对应传感数据传回协调器，然后协调器再将接收到的指定节点的信息按既定格式发送给嵌入式系统。

2.2 GPRS远程通信

嵌入式监控中心将采集到的数据通过RS232串口发送到GPRS数据传输终端；GPRS数据传输终端将数据转换成TCP/IP包发送到GPRS网络上，再经过服务转换进入到Internet；远程监控终端从Internet上获取采集数据的TCP/IP包后，通过程序将采集数据的TCP/IP包还原成采集数据，从而完成了从采集现场通过GPRS和Internet传输数据到远程监控终端的整个通信过程。

在本系统中，需要利用TCP/ UDP 协议来完成GPRS数据包的发送。GTM900C模块内置TCP/ UDP 协议，ARM9嵌入式监控中心向该模块直接发送AT 指令可建立TCP/ IP 连接实现数据传输。其发送数据的流程图如图2所示。

图2 数据发送流程图

通过TCP连接到Internet网络，其AT指令为：

AT + CIPSTART =“TCP”，“210. 30. 10. 65”，“2020”

发送传感器数据（以光照强度为例）的AT指令为：

AT + CIPSEND > &RAS0000000400GM032xxxxxxxxxxxx*

2.3 PID控制算法

根据家具博物馆工作人员提出的要求：温度17～21℃，相对湿度56～63%，光照强度50 lux。因为精度要求不是特别高，所以监控系统决定采用增量式PID控制算法实现家具博物馆中环境参数的调节。 模拟控制系统的PID控制规律表达式为：

（1）

将式（1）进行离散化处理，就可以得到离散的PID表达式：

（2）

由式（2）可以得到控制器的第k-1个采样时刻的输出值为：

（3）

将式（2）与式（3）相减并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式为：

（4）

式中： A = KP（ 1 + T/Ti + Td /T） ；B = KP（ 1 + 2Td /T） ；C = KP Td /T。 A、B、C 都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数[10]。由实验测取最佳A、B、C的值，在程序中根据用户设定的环境参数选择合适的PID参数。

2.4 应用程序开发

监控软件主要实现的功能如表2所列。

表2 监控软件主要实现的功能

模块 主要实现功能

网络拓扑 将民族博物馆中节点的布局反映到网络拓扑图中，网络拓扑连接线上显示节点信号强度。

光照强度 显示和存储民族博物馆中光照强度值，设定光照强度的上下限，当超出上下限时开启执行单元对光照强度进行调节。

温湿度 显示和存储民族博物馆中温湿度值，设定温湿度的上下限，当超出上下限时开启执行单元对温湿度进行调节。

红外感应 夜间时候，当民族博物馆中红外传感器监测到有人非法入侵时，警报系统会发出警报并将入侵节点在网络拓扑图上显示出来。

上传数据 加载GPRS模块，远程监控终端能通过GPRS网络浏览嵌入式WEB服务器中各个传感器的历史数据。

系统的应用程序主要由数据采集显示子程序和控制子程序组成。数据采集显示子程序流程图如图3所示。本系统首先对系统进行初始化，然后启动串口向协调器发送指令并接收传感器节点上传到协调器节点的数据，进行实时显示和数据存储。

控制子程序流程图如图4所示，该程序可调用存储器上的数据，计算各个节点数据的平均值，得到当前的温湿度和光照强度值，与设定值进行比较，若超出设定范围的上下限，则启动家具博物馆中的设备进行调控。

图3 采集显示子程序流程图 图4 控制子程序流程图

3 结 语

设计了一种基于ARM9 嵌入式和无线传感器网络的民族家具博物馆环境监控系统，在WinCE 操作系统的环境下设计了相应的应用程序。实现了民族家具博物馆内温湿度、光照强度的实时采集、显示和卷帘机、恒温恒湿机等设备的自动控制，达到了自动控制博物馆内温湿度和光照强度的效果。经测试该控制系统运行稳定、操作简单实用、可扩展性强，可以应用于民族家具博物馆中。

参 考 文 献

[1] 徐方圆，吴来明，解玉林. 武汉博物馆文物保存环境检测研究[J].文物保护与考古科学， 2007，19（1）：8-17.

[2] WU Lai-ming， ZHOU Hao， CAI Lan-kun. Research on museum environment based on the concept of “Clean” condition [J]. Science of Conservation and Archaeology， 2008， 20（5）： 136-140.

[3] 耿延庭. 智能化博物馆的设计要点[J].山西建筑，2009，17（1）：64-65.

[4] 樊静，工建明. 基于CC2530的博物馆状况无线监测系统设计[J]. 电子测量技术，2011，34（6）：105-109.

[5] 何文德，杨凤年，刘光灿. 无线传感器网络在文物保护中的应用[J]. 计算机技术与自动化，2007，26（2）：99-102.

[6] Tokyo National Museum. Clinical conservation at the Tokyo Nation Museum—mission to support access and preservation of the collection [R]. Tokyo： Tokyo National Museum， 2011.

[7] KANG B J， PARK D H， CHO K R， et al. A study on the greenhouse autocontrol system based on wireless sensor network [C]// Proceedings of 2008 International Conference on Security Technology. Hainan， China： SECTECH， 2008：41-44.

[8] 刘宪鹏，吴长贵. 基于GPRS远程显示系统的设计与实现[J].微计算机信息，2011，27（1） ：114-120.

[9] 熊茂华，杨震伦. ARM9嵌入式系统设计与开发应用[M].北京：清华大学出版社，2007.

[10] 何顶新，王维，徐金榜. 温控系统中改进的PID算法[J].电气传动， 2007， 37（08）：36-39.

Design and application of environment monitoring system for national museum based on ARM

CAI Zeng-tao， XU Guo-kai， SUN Yan-hui

（College of Mechanical and Electronic Information Engineering， Dalian Nationalities University， Dalian 116600， China）

Abstract： In view of the indoor environment parameters of Mongolian Furniture Museum， an intelligent monitoring system for national museum environment based on ARM9 embedded technology and ZigBee technology is designed and implemented. The system is mainly composed of wireless sensing data acquisition system， embedded monitoring center， remote monitoring terminal and execution units. The heating， humidification or ventilation of execution units is controlled by ARM monitoring center through PID algorithm to make the ethnic relics back to the optimal environment. Tests show that the system is simple， practical and stable， which can be well applied to the Mongolian Furniture Museum.

Keywords： ARM9 embedded； ZigBee technology； national furniture museum； monitoring system

[7] KANG B J， PARK D H， CHO K R， et al. A study on the greenhouse autocontrol system based on wireless sensor network [C]// Proceedings of 2008 International Conference on Security Technology. Hainan， China： SECTECH， 2008：41-44.

[8] 刘宪鹏，吴长贵. 基于GPRS远程显示系统的设计与实现[J].微计算机信息，2011，27（1） ：114-120.

[9] 熊茂华，杨震伦. ARM9嵌入式系统设计与开发应用[M].北京：清华大学出版社，2007.

[10] 何顶新，王维，徐金榜. 温控系统中改进的PID算法[J].电气传动， 2007， 37（08）：36-39.

Design and application of environment monitoring system for national museum based on ARM

CAI Zeng-tao， XU Guo-kai， SUN Yan-hui

（College of Mechanical and Electronic Information Engineering， Dalian Nationalities University， Dalian 116600， China）

Abstract： In view of the indoor environment parameters of Mongolian Furniture Museum， an intelligent monitoring system for national museum environment based on ARM9 embedded technology and ZigBee technology is designed and implemented. The system is mainly composed of wireless sensing data acquisition system， embedded monitoring center， remote monitoring terminal and execution units. The heating， humidification or ventilation of execution units is controlled by ARM monitoring center through PID algorithm to make the ethnic relics back to the optimal environment. Tests show that the system is simple， practical and stable， which can be well applied to the Mongolian Furniture Museum.

Keywords： ARM9 embedded； ZigBee technology； national furniture museum； monitoring system

[7] KANG B J， PARK D H， CHO K R， et al. A study on the greenhouse autocontrol system based on wireless sensor network [C]// Proceedings of 2008 International Conference on Security Technology. Hainan， China： SECTECH， 2008：41-44.

[8] 刘宪鹏，吴长贵. 基于GPRS远程显示系统的设计与实现[J].微计算机信息，2011，27（1） ：114-120.

[9] 熊茂华，杨震伦. ARM9嵌入式系统设计与开发应用[M].北京：清华大学出版社，2007.

[10] 何顶新，王维，徐金榜. 温控系统中改进的PID算法[J].电气传动， 2007， 37（08）：36-39.

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CAI Zeng-tao， XU Guo-kai， SUN Yan-hui

（College of Mechanical and Electronic Information Engineering， Dalian Nationalities University， Dalian 116600， China）

Abstract： In view of the indoor environment parameters of Mongolian Furniture Museum， an intelligent monitoring system for national museum environment based on ARM9 embedded technology and ZigBee technology is designed and implemented. The system is mainly composed of wireless sensing data acquisition system， embedded monitoring center， remote monitoring terminal and execution units. The heating， humidification or ventilation of execution units is controlled by ARM monitoring center through PID algorithm to make the ethnic relics back to the optimal environment. Tests show that the system is simple， practical and stable， which can be well applied to the Mongolian Furniture Museum.

Keywords： ARM9 embedded； ZigBee technology； national furniture museum； monitoring system