物联网环境下档案馆智能监控系统研究

2019-06-06平伟贾文丽孙月驰李仪

软件导刊 2019年3期

平伟贾文丽孙月驰李仪

摘要：针对档案馆安防系统存在维护成本高、移动性能差等缺点，提出一种基于物联网技术的档案馆智能监控系统。以Raspberry Pi嵌入式平台作为系统中央控制服务器，Arduino作为控制器，智能手机为移动终端。系统具有安全事务报警、报警记录生成、现场图像拍摄、预警信息传送、实时远程监控、本地和远程设置阈值、智能控制馆内环境信息等功能，对档案馆进行安全防范和远程智能控制。实验测试结果显示，该系统能有效进行智能监控，提高移动性能，降低投入成本，具有良好的应用前景。

关键词：物联网;档案馆;安防系统;智能监控;Raspberry Pi

DOI：10. 11907/rjdk. 181570

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：1672-7800（2019）003-0104-04

0 引言

档案馆是收集、保管党和国家重要档案的基地，反映不同时期不同阶段的发展现状及文化成果，在整个历史发展舞台上扮演着重要角色。随着信息化的快速发展，档案馆库房环境管理正逐步实现智能监控。档案馆库房智能监控管理理论研究在美国、英国、澳大利亚等发达国家起步较早，英国在2000年颁布了档案管理的国家标准——《档案文件保存和展览的建议》，美国国家档案与文件署（NARA）于2002年颁布NARA1571文件——《档案保存标准》，澳大利亚2002年頒布标准文件管理标准，国际化ISO组织在2003年出台档案图书保存环境要求[1]。

物联网、大数据、云计算等技术的兴起，为档案馆库房环境的智能化监控管理建设提供了强有力的技术支撑。美国、英国等是领头羊，不仅在理论领域研究较早，而且在实践发展上更胜一筹。我国在档案馆库房智能化监控管理与建设方面起步较晚，但后续发展迅速[2]。田雷在《物联网技术在智慧档案馆建设中的应用研究》一文中，重点分析了物联网技术架构在档案管理中的不同应用场景，分析并设计物联网在智慧型档案馆建设中的技术架构，论述物联网在档案馆中的部分典型应用[3];陶水龙在《智慧档案馆建设思路研究》一文中指出，通过物联网技术使档案馆获得更为全面和智能的自主“思考”和“决定”的自我控制能力，其中感知技术是智慧档案馆建设的核心[4];杨文刚在《基于Android的档案馆库房温湿度监控系统研究》一文中认为，档案馆库房的温湿度直接影响着纸质档案文件的使用寿命，建立基于 Android智能系统的库房温湿度监控系统，使档案库房温湿度保持在合理的标准范围内，良好的存储既是档案收集与整理过程的一个节点，也是提供档案利用的基础保障[5]。

传统的监控系统绝大部分采用PC机作为控制终端，在使用过程中极易受到工作环境和网络环境等因素影响，很大程度上限制了管理人员对档案馆的实时监控，降低了监控系统的灵活性。根据档案馆保密的特殊属性，档案馆安防保障系统必须是一个具有较高级别的安防系统，既能保障馆内工作人员的生命安全，又能实时监控馆内宝贵的纸质、照片、磁盘、光盘等档案的安全，并且能够及时发现、预警自然及人为等因素可能引起的灾难，比如盗窃、火灾等隐患，做到防患于未然。随着档案馆在人类社会中的重要性提高，对档案馆实时监控、及时处理安全隐患以及提高监控移动性能等实际需求也在提升[7]。高校档案馆安全防护系统设立时间比较早，技术相对落后，存在安防漏洞、设备老化、预警机制不及时等问题。所以，建立适应新时代要求的安防系统成为高校档案馆急需解决的问题[6]。

1 系统结构设计

物联网，英文简称（IoT），作为新时代计算机技术的关键组成部分，其内涵主要包括两层：①互联网是物联网技术发展的核心和基础，物联网是互联网的延伸和拓展;②物联网的用户端拓展到任意物品与物品之间，物与物之间进行信息交流互通[7]。物联网集智能识别、智能感知和普适计算等技术于一体，广泛适用于网络融合中，被称为信息产业发展的第三次浪潮[9]。

基于物联网技术的档案馆智能监控系统由应用层、网络层及感知层组成，档案馆智能监控系统结构如图1所示。

档案馆智能监控系统采用分层结构，最底层的硬件层由传感器、执行器组成，主要进行温湿度、光照强度、烟雾浓度等传感数据的采集以及对继电器、电机等执行模块的控制;传输层由Arduino负责，作用是对传感器采集的数据与服务层通过串口进行数据交流;服务层由Raspberry Pi和有公网IP的云服务器组成，Raspberry Pi通过串口接收底层Arduino发送的数据并将数据存入本地数据库，或者将数据转发到云服务器的数据库，实现相关本地功能。

应用层分为Web客户端和微信公众平台。Web客户端的应用基于网络通信技术，以网页页面开发、页面与服务器数据交换技术为媒介进行设计[11];微信公众平台支持编辑模式与开发模式，编辑模式能够实现语音、文字、图文消息、关键字词的自动回复;开发模式除拥有编辑模式的全部功能外，还为用户提供API接口，以便在使用过程中根据实际需要接入和开发其它应用，如获取订阅者信息、自定义菜单、链接相关业务系统等[10]。云服务器提供服务转接功能，使微信公众平台能够与Raspberry Pi本地服务器实现对接，实现系统与用户之间的信息交互。

2 监控终端设计

档案馆智能监控终端使用ZigBee与传感器组建信息监测、监控电路，利用Z-Stack协议栈实现档案馆内组网通信。

2.1 硬件设计

由ZigBeeCC2530核心模块与底板扩展电路构成智能安防系统监控终端，该终端需要设计不同的底板扩展电路，实现不同终端的监控功能：直接通过串口与Raspberry Pi服务器相连接，设计CH340USB转串口模块;通过接收协调器节点发布信息，实现馆内电器开关控制作用，需为此增添继电器电路模块;监控终端实时监测并更新档案馆内环境的温湿度、烟雾浓度、光照强度及馆内人员人体红外等各类指标信息，需设计出相应的传感器电路模块[11]。

2.2 软件设计

安防系统监控终端围绕 ZigBeeCC2530设计实施，基于ZigBee规范中的协议栈构架进行设计，实现组网通信，以通过性和开发便利性为基准进行节点设计。采用TI公司研发的Z-Stack协议栈，拥有良好的兼容性，能够完全支持IEEE 802. 15. 4/ZigBee的CC2430片上系统解决方案。Z-Stack协议栈还配备众多新特性，如无线网络下载，可通过ZigBee网状网络（Mesh Network）下载节点实现系统更新[12]。

Z-Stack依照操作系统设计思想构建，使用事件轮循机制进行管理，即当各层节点初始化后，系统能够自动进入低能耗模式，最大限度节省资源;当有事件发生时则自动唤醒系统，进入中断处理事件，处理过程结束后自动回到初始化模式，进入低能耗状态，循环往复。假设有事件在同一时段发生，Z-Stack会智能判断事件优先级，按照优先级逐次处理事件，减少系统能耗，避免无用功产生。系统启动时，OSAL初始化和启动，进入任务轮循，Z-Stack系统运作流程[12]如图2所示。

档案馆安防监控系统中，协调器节点与Raspberry Pi服务器连接通过USB接口实现，实现ZigBee无线网与接入网的控制终端、监测终端交互数据等功能。在协调器节点与 Raspberry Pi通信过程中，必须将数据封装成特定的帧格式[11]。

3 Paspberry Pi服務器

3.1 Web服务器构建

Web服务通过在本地搭建LAMP（Linux、Apache、MySQL、PHP）环境，将数据库中的传感器数据使用PHP显示在前端，并使用javascrip将历史数据绘制成折线图，更直观地展示给用户，实时显示档案馆环境信息。

3.2 关系数据库设计

Web应用方面最好的关系数据库系统是MySQL，它属于小型关系型数据库管理系统，具备体积小、速度快、成本低、源代码开放等优点。MySQL在与PHP和Nginx的配合方面表现很突出，三者能组建成良好的开发环境，满足不同设计者的开发需求，为Raspberry Pi服务器的运行减轻很多负担，尽可能少地占用服务器存储空间。

在设计数据库之前，需先构建出与档案馆环境监测信息相对应的表。构建温度、湿度、光照强度、烟雾浓度表时，标记单位方式如下：时间戳采用Datetime格式，采集的数据使用变长浮点数Decimal格式，温度对应的单位采用摄氏度（℃），湿度单位采用相对湿度（Relative Humidity，简称RH），光照强度单位采用光照xLX，烟雾浓度单位采用烟雾浓度（PPM）。

3.3 服务器后台程序设计

Raspberry Pi通过Python程序定时读取串口，使用Python的MySQLdb模块将底层Arduino Uno采集的环境数据存入本地服务器的数据库中，以供用户随时查看历史数据信息，同时根据Web请求将数据库信息以图表形式在网页上展示给用户。除此之外，本设计利用树莓派强大的功能实现一些本地功能，如使用HDMI接口连接电视后，通过在系统上安装相关视频软件实现电视盒子功能，下载相关音乐软件实现音乐播放器功能，挂载较大容量的存储设备后实现离线下载功能，通过语音识别程序实现语音控制功能等[13]。

4 客户端设计

客户端设计有Web客户端和智能手机微信公众平台两种方式，均可对智能监控系统进行注册、登录、查询、控制等操作，实现对档案馆的实时智能监控。

4.1 Web客户端构建

档案馆智能监控系统的Web客户端构建采用浏览器/服务器结构（简称B/S结构），其原理是将客户端统一到网络界面上，馆内员工或用户浏览监控信息时只需要通过访问网络页面就能产生交互。基于 B/S 模式构建的系统极大地简化了客户端，降低了系统对客户端的配置要求，也减轻了主服务器的负载压力，系统通用性能得到大幅提高。基于 B/S 模式的系统对拓展应用也提供了有利条件[15]。Web客户端实现用户注册、登录、查询及操作等功能。

档案馆智能监控系统预警配置界面及档案馆智能监控系统预警记录查询界面如图3所示。

4.2 微信公众平台设计

系统根据档案馆的实际需求，结合硬件及通信技术发展现状，采用成本较低的Arduino和Raspberry Pi作为硬件支持，结合内网穿透和云计算等，实现档案馆的网关服务器与微信公众平台接口的连接，通过微信公众平台对档案馆进行实时监控。

4.2.1 微信公众平台开发设计模式

当前微信公众平台有编辑模式与开发模式两种。微信公众平台能够依据用户给公众账号发送信息的行为判断该公众账号所开通的是编辑还是开发模式[18]。

（1）编辑模式状态下，使用者不需具备编程和系统运行维护能力，即可通过简单页面编辑使用公众号关键词回复、热点词搜索等功能模块。使用此模式须在微信官方平台上进行，优点是操作简单、成本低廉，不足之处是微信公众平台提供的信息是静态的，需要后台实时更新数据，这与物联网所提倡的智能化和感知化相差甚远，不适用于智能监控系统对信息数据实时更新要求[16]。

（2）开发模式状态下，管理员能够利用微信公众平台提供的应用程序消息编程接口（API），该接口API在微信公众平台服务器与第三方服务器中间起到信息互通的适配器作用，能够将发送给微信公众平台的信息自动转发给第三方服务器，管理员依据自己的个性需求在第三方服务器上进行编程和系统运维，达到物联网智能终端要求[16]。

本智能监控系统可在第三方服务器上对接收到的各类传感器数据信息进行预处理，利用微信公众平台开发界面选择“修改配置”，输入服务器地址（URL）和访问令牌即可。

4.2.2 服务器端数据交互原理

系统中微信公众平台充当中间转发服务器角色，当移动终端或PC端发送信息到微信平台服务器时，服务器会立即将信息传输至第三方服务器进行预处理。处理完毕后将结果反馈至微信公众平台，由平台回复终端需求者[18]。

5 结语

基于物联网技术的智能档案馆监控系統，以Raspberry Pi作为主服务器，负责与Internet通信、采集样本存储Arduino发送的状态数据[19]、处理大量数据任务（如音频、视频、图片、文字等载体）、提供API接口给iOS及Android系统以便于手机端进行操作，通过以太网和Zigbee，在RPi与Arduino间进行数据传输[20]。Arduino负责传感器采样，如光线强度、温度、人体红外感应等。有的模块相对独立，如基于人体感应的夜间走廊灯，采用单个Arduino便可实现监控和控制功能，不需要上报数据给Raspberry Pi。需要上报和接收数据的Arduino，通过Zigbee及以太网和Raspberry Pi进行通信。这样的好处是投资小，把计算任务都放在Raspberry Pi上，可谓物尽其用。该系统具有投入成本低、可靠性高及扩展性良好等优点，产品升级换代更加快捷，节省人力物力投入。

参考文献：

[1] 高雪莲. 档案馆环境监控管理系统的设计与实现[D]. 武汉：华中师范大学，2017.

[2] 倪晓春. 中国档案管理标准体系建设与发展研究[J]. 档案学通讯，2016（4）：84-88.

[3] 田雷. 物联网技术在智慧档案馆建设中的应用研究[J]. 档案学通讯，2015（1）：60-64.

[4] 陶水龙. 智慧档案馆建设思路研究[J]. 中国档案，2014（6）：67-69.

[5] 杨文刚. 基于Android的档案馆库房温湿度监控系统研究[J]. 兰台世界，2014（14）：33-34.

[6] 林兹宝. 浅论公共图书馆安全防护体系的构建[J]. 福建图书馆理论与实践，2010（6）：15-16.

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[10] 罗涛. 图书馆微信公众平台的建设与研究[J]. 现代图书情报技术，2015 （1）：96-100.

[11] 殷贤华，刘明缘，王宁. 基于RaspberryPi的智能家居系统设计[J]. 现代电子技术，2016 （23）：161-164.