基于ZigBee的图书馆环境监控系统设计

杨　勇，周雪琴

（1.湖北省襄阳职业技术学院，襄阳441050；2.湖北省地质局第八地质大队，襄阳432000）

·微机软件·

基于ZigBee的图书馆环境监控系统设计

杨勇1，周雪琴2

（1.湖北省襄阳职业技术学院，襄阳441050；2.湖北省地质局第八地质大队，襄阳432000）

图书馆中温度、湿度和光强等环境指标对图书保护有重要影响，因此研究灵敏、准确、高效的图书馆环境监控系统显得尤为重要。为了克服传统图书馆环境监控系统的布线麻烦、设备可移动性不强、精度差等缺点，提出了一种基于ZigBee无线通讯技术的环境监控系统，可以检测采集环境条件中的温度、湿度和光强度等参数，通过无线传输由网关节点进行收集，并且发送到PC机，由上位机监控软件对网络采集的数据统一管理和分析。分析了ZigBee无线监控系统的组成及其特点和功能，从软硬件两方面设计了系统中的各个节点，完成ZigBee网络协调器节点、ZigBee路由节点和ZigBee传感器节点的设计。系统在ZigBee2004协议栈基础上，通过对协议栈应用层添加和修改程序来实现系统功能的。下位机软件设计主要分为网络协调器程序、传感器节点程序和路由节点程序及上位机程序。

环境监控；图书馆；无线网络，终端节点；网络协调器；监控

1　引　言

图书馆是各种书籍、古书、学术资料收藏、保护、研究、展示和宣传的机构。为了妥善保护这些珍贵的历史和文化财产，图书馆要保持恒定的温度、湿度、光强和其他一些环境参数，以免图书遭到破坏，延缓古书的老化速率。随着现代电子技术、通信技术和网络技术的迅速发展，设计图书馆智能环境监测系统已经成为可能。传统的监控手段，主要采用有线网络实现环境监控。存在着布线麻烦、设备可移动性不强、精度差等缺点［1］。同时由于无法实时地将数据反馈给保护人员，使图书馆图书保存环境的控制工作具有一定的滞后性。因此，利用无线局域网络技术，配合无线传感器网络，设计相应的无线环境监控系统，实现环境监控数据的实时传递成为必然，同时也突破了有线网络无法延伸到图书遗址中的弊端。

2　系统设计要求

根据图书馆环境的上述要求，设计的基于Zig-Bee无线通信技术的环境监控系统，可以实现如下功能：本系统可以实时监测图书馆中各个节点的环境参数，并且在电脑上显示各个节点的实时温度、湿度、光照度和检测参量时的时间，且相应的参数测量精度比同类产品精度高。在电脑界面可以检测各个节点的无线通信状态并且可以控制执行机构的工作。当温度超出规定范围则发声报警，并且继电器开始工作，模拟对空调的控制。湿度、光照度超过相应的范围也要进行报警。该无线传输网络中可以加入路由节点，起到连接网络协调器和终端传感器节点的目的，实现动态组网的功能。

3　无线环境监控系统总体设计

系统可以实时监测图书馆中各个节点的环境参数，并且在电脑上显示各个节点的实时温度、湿度和光照度，且相应的参数测量精度比同类产品高，同时可以实时显示各个节点采集参量的时间。在电脑界面可以检测各个节点的无线通信状态并且控制执行机构的工作。当温度超出规定范围则发声报警，并且继电器开始工作，模拟对空调的控制。光照度低于某一值时则打开LED灯，湿度超过相应的范围也要进行报警。同时该无线传输网络中可以加入路由节点，路由器节点起到了连接网关和传感器节点通信的目的，实现动态组网的功能。图1为图书馆无线环境监控系统的总体设计图。

图1　图书馆无线环境监控系统总体设计图

从图1可以看出，图书馆无线环境监控系统主要由ZigBee终端节点、ZigBee路由节点、ZigBee网络协调器节点、监控装置等各部分组成。

3.1ZigBee终端节点

ZigBee终端节点主要由传感器模块、执行模块、电源模块、稳压模块、CC2430RF模块组成［2］。Zig-Bee传感器节点工作流程主要分为传感器模块工作流程和执行部分工作流程。如图2和图3所示。

图2　传感器模块工作流程图

图3　执行部分工作流程图

传感器模块主要由温度传感器、湿度传感器、光敏传感器组成。温度传感器为DS18B20数字温度传感器。光敏传感器主要是由光敏电阻搭建相应的电路构成的。光敏电阻采用了API公司生产的PDV－P9003。

3.2ZigBee网络协调器节点

网络协调器节点主要由CC2430RF模块、电源模块、LED灯、ZigBee协调器、USB接口组成，如图4所示。

图4　网络协调器节点部分

网络协调器节点通过USB口和计算机实现通信，通过CC2430RF和各节点实现通信。网络协调器节点是将所有节点数据汇总、分析、存储和发送的一个机构［3］。

它的工作流程是：当计算机发送命令以后，网络协调器接收命令，首先判断是不是可用命令，如果可用，根据命令判断计算机需要哪个节点的信息，并向该节点发送命令要求将对应数据传回网关，然后再将接收到的指定节点的信息按既定格式发送给PC机，PC机通过传感器网络上位机监控软件显示出来。

4　无线环境监控系统软件设计

系统的ZigBee无线通信部分协议主要是运用了精简版ZigBee 2004协议栈［4］。

4.1ZigBee协议栈

系统的ZigBee无线通信部分协议主要是运用了精简版ZigBee 2004协议栈［5］。本系统主要采用星型网络，要在ZigBee协议栈中建立新的网络，在ZigBee协议栈里，只需要进行相关网络参数的定义，然后再调用函数

aplForm－Network（），即可建立一个新的网络，如下所示：

＃define LRWPAN_DEFAULT_START_CHANNEL 11／／定义频号

＃define LRWPAN_DEFAULT_PANID 0x1347／／定义网络号

系统的下位机程序主要是对协议栈的应用层程序进行相应的增进和修改。在这里采用模块化设计思想，将一个完整的程序分成若干个可以独立完成某些任务的功能模块。根据所要实现的功能，软件组成主要包括：网络协调器程序、终端节点程序和路由节点程序等［7］。而各个节点程序又由主程序设计和各级子程序组成。

4.2网络协调器程序

在网络协调器中首先初始化CC2430，然后程序开始初始化协议栈并打开中断。之后程序开始格式化一个网络，如果网络格式化成功，通过串口38400，8，N，1可以在串口调试助手中看到网络协调器的物理地址、建立网络的网络ID号和频道号等［8］。之后程序开始进入应用层，处理函数apsFSM（）监控空中的ZigBee信号。如果现在有RFD节点或路由节点加入网络，则串口输出都会显示有新的RFD节点或路由节点加入网络，并显示加入网络节点的物理地址，此时网络协调器给节点分配网络地址。此后程序可以把串口发过来的相应指令进行转换，发送到RFD节点。同样在函数apsFSM（）里接收RFD节点发送过来的各个传感器采集到的参数值，也同时从串口发送到上位机。

4.3终端节点程序

在终端（RFD）节点中程序同样首先初始化CC2430，然后打开传感器电源，之后初始化协议栈，就开始发送网络信号，等待主机响应，并给自己分配网络地址。如果加入网络成功，终端节点的发光二极管会点亮，如果加入失败则不亮。

加入网络成功之后，终端节点就可以向网络协调器发送各个传感器采集到的参数值了。此后程序开始进入循环调用SendData（）函数发送各个传感器采集到的参数值。终端节点根据采集网络协调器发过来的命令来判断是各个传感器采集数据，还是相应的执行机构进行工作。如果是控制执行机构，则根据发过来的命令控制相应的执行机构进行动作。同时将返回值打包发送到网络协调器。如果是采集数据，则控制相应的传感器进行工作，将采集到的数据打包再发送到网络协调器，并开始接收应答。如果发送成功，终端节点回到空闲状态；如果发送不成功，终端节点马上重新采集一次数据再发送给主机，直到发送成功。

4.4路由节点

在路由节点上，程序同样首先初始化CC2430，之后初始化协议栈，并开始发送加入网络信号，等待网络协调器或前面的的路由节点响应，并给自己分配网络地址。路由节点加入网络后，就执行Router-Work（）函数。当收到的是控制信号指令时，则执行与终端节点相同的功能。如果收到的是寻找终端节点的指令时，则开始执行路由功能，开始寻找终端节点，并给其分配网络地址。同时如果有数据想发到已经寻找到的节点时，它同时也起到转发的作用。

4.5上位机监测系统设计

设计采用Visual Basic 6.0制作人机交互界面“基于ZigBee无线环境监控系统”。此控制系统通过控制串口数据收发来控制PC机与ZigBee网络协调器节点通信，PC机与ZigBee网络协调器节点串口通信依照串口通信指令进行通信。通过PC机与ZigBee网关节点间的通信从而实现监控人员对所有ZigBee传感器节点的监测和控制。该控制系统主要功能为：搜索网内所有ZigBee传感器节点，显示某节点的温度，显示某节点的湿度，显示某节点的光照度，当温度超过某个范围时进行报警，控制执行机构LED灯、蜂鸣器和继电器进行工作等。本系统默认通过登陆界面之后为数据采集界面，可通过菜单中的选项进入其他窗体。在数据采集界面中，可以选择相应的传感器节点进行操作。当选中某个节点时，可以测试此节点的无线通信状态，设置相应的按钮，可以显示这个节点的温度、湿度和光照度，同时显示当时的测试时间。当测试温度超过某个值时，将会在界面中显示报警画面。图5为数据采集界面。

图5　数据采集界面

5　结束语

设计了一种针对图书馆的基于ZigBee无线传输技术的环境监控系统，提出了系统的软硬件设计方案，开发了供监测人员使用的监控系统。系统软硬件联合调试后，完全达到图书馆环境监测的要求，满足项目需求提出的指标要求。

［1］Yan X，Tan K，and Yuan A.Zigbee Communication based Wireless Data Transmission Module［J］.Journal of Dynamic Systems，2010，43（7）：530－544.

［2］Li H F.Design of Video Sensor based on Wireless Sensor Networks［J］.Advanced Materials Research，2011，5（6）：7－23.

［3］Yang H J and Yang L L.Hybrid Zigbee RFID Sensor Network for Humanitarian Logistics Centre Management［J］.Journal of Network and Computer Applications，2001，34（5）：938－945.

［4］Yang H L and Lin X.Design of Mine Monitoring System based on Zigbee Wireless Network Technology［J］.Automation＆Instrumentation，2010，4（2）：21－31.

［5］Valajic N，Stevanovic D，and Spanogiannopoulos G Strategies for Improving Performance of IEEE 802.15.4／Zigbee WSN with Path－constrained Mobile Sink［J］.Computer Communications，2011，34（5）：743－757.

［6］Mirabella O and Brischetto M.A Hybrid Wired／Wireless Networking Infrastructure for Greenhouse Management［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2011，60（2）：398－407.

［7］Gribaudo M，Manini D，and Nordio A.Transient Analysis of IEEE 802.15.4 Sensor Networks［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2011，11（6）：65－68.

［8］Han J，Choi C，and Lee I.More Efficient Home Energy Management System based on Zigbee Communication and Infrared Remote Controls［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2011，57（4）：85－89.

Design of Library Environmental Monitoring and Control System Based on ZigBee

Yang Yong1，Zhou Xueqin2
（1.Xiangyang Vocational and Technical College，Hubei Province，Xiangyang 441050，China；2.Class 8，Hubei Province Geological Survey Geological，Hubei Province，Xiangyang 432000，China）

The environmental conditions in the museum such as temperature，humidity and light intensity have an important impact on the preservation of cultural relics.So it is very important to research a sensitive，accurate and efficient environmental monitoring system for the museum.The environmental monitoring and control system，based on ZigBee wireless communication technology，is presented to detect the acquisition parameters such as temperature，humidity and light intensity which collected by the gateway nodes，and sent to the PC for management and analysis of the data from the network unified，which overcomes the shortcomings of poor wiring，mobility and precision.The composition，characteristics and functions of the system are analyzed and each node in the system is designed in two aspects of hardware and software to complete design for ZigBee network coordinator node，ZigBee routing node and ZigBee sensor node.Based on 2004 ZigBee protocol stack，the system function is realized by adding the application layer protocol stacks and modifying the program.The PC software design of this system mainly consists of the network coordinator，sensor nodes and routing node and PC application program.

Environmental monitoring；Library；Wireless network；Terminal nodes；Network coordinator；Monitoring and control

10.3969／j.issn.1002－2279.2016.01.007

TN99

B

1002－2279（2016）01－0024－04

杨勇（1971－），男，湖北省仙桃市人，讲师，主研方向：数据库、网络综合布线。

2015－04－28