ZigBee技術(shù)在圖書館環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用①

張竣淞 劉冬梅

(1.華北科技學(xué)院信息檢索教研室，北京東燕郊 101601;2.華北科技學(xué)院宣傳部，北京東燕郊 101601)

1 傳統(tǒng)圖書面臨的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)圖書文獻(xiàn)資料在保存條件和方法上得到了改善，然而隨著時(shí)間的推移，任何一種紙質(zhì)載體都將變質(zhì)甚至損毀。影響圖書文獻(xiàn)資料使用壽命的因素很多，可以分為自然因素和人為因素。

第一，自然因素包括:閱覽室內(nèi)光照強(qiáng)度、溫濕度、灰塵量、空氣質(zhì)量、微生物、蟲鼠害等。在這些對(duì)紙質(zhì)圖書文獻(xiàn)資料儲(chǔ)藏質(zhì)量影響因素中，閱覽室內(nèi)溫濕度變化是影響各類文獻(xiàn)資料老化變質(zhì)的重要因素，從典藏的角度來(lái)看，書的最佳保存溫度為18～22℃，最佳養(yǎng)護(hù)環(huán)境相對(duì)濕度在60%～65%之間［1］。光對(duì)傳統(tǒng)紙質(zhì)圖書的破壞是必然的，文獻(xiàn)資料利用時(shí)的適宜光照強(qiáng)度:一般基本書庫(kù)的照度以30～50勒克斯為宜，閱覽室的照度以75～100勒克斯為宜［2］。

第二，人為因素包括:人為的撕毀、開天窗、批注、涂改等。圖書文獻(xiàn)保存的自然環(huán)境以及讀者不良的讀書習(xí)慣都會(huì)對(duì)圖書造成不同程度的危害，影響其使用壽命。

2 加強(qiáng)圖書館環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)的必要性

加強(qiáng)傳統(tǒng)紙質(zhì)文獻(xiàn)資料的保護(hù)，應(yīng)該從影響圖書文獻(xiàn)資料使用壽命的自然因素和人為因素入手。

由于藏借閱一體化服務(wù)模式已經(jīng)成為圖書館現(xiàn)代化服務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)，隨著這種服務(wù)模式的不斷開展，服務(wù)模式與室內(nèi)環(huán)境管理、服務(wù)模式與防盜監(jiān)測(cè)管理之間的矛盾就顯現(xiàn)出來(lái)，無(wú)疑增加了圖書館工作人員在圖書監(jiān)管方面的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，對(duì)傳統(tǒng)圖書文獻(xiàn)資料實(shí)施保護(hù)的自動(dòng)化監(jiān)控顯得越來(lái)越重要。

3 ZigBee技術(shù)在圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的具體應(yīng)用

隨著通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，具有感知通信能力、計(jì)算能力的微型傳感器開始在全球范圍內(nèi)出現(xiàn)，由這些微型傳感器構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了人們的極大關(guān)注。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。

在圖書文獻(xiàn)資料的保護(hù)方面，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集圖書館室內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，可以根據(jù)具體情況，自動(dòng)控制通風(fēng)系統(tǒng)的開關(guān)、窗簾的開合等，減輕圖書館工作人員的工作量，使傳統(tǒng)圖書文獻(xiàn)資料的存放條件達(dá)到最優(yōu)。

3.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［3－5］通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor node)、匯聚節(jié)點(diǎn)(sink node)和管理節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳進(jìn)行傳輸，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理經(jīng)過(guò)多跳后到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)和收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的通信基于短距離無(wú)線通信技術(shù)。其中常見(jiàn)的幾個(gè)短距離無(wú)線數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee、藍(lán)牙(Bluetooth)、Wi－Fi、紅外線數(shù)據(jù)傳輸(IrDA)等。

將藍(lán)牙、Wi－Fi、紅外以及ZigBee幾種無(wú)線通信協(xié)議的技術(shù)指標(biāo)比較［6－8］匯總成下表。

表1 幾種無(wú)線通信協(xié)議的比較

ZigBee技術(shù)是一種新型短距離無(wú)線通信技術(shù)，它跟其他無(wú)線通信技術(shù)相比，在功耗和成本方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工業(yè)控制場(chǎng)合的無(wú)線方式，而且其也可以使用2.4 GHz免費(fèi)頻段。另外，其網(wǎng)絡(luò)容量較大，一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可與254個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)，多個(gè)主節(jié)點(diǎn)也可以組網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)可以包括傳感設(shè)備、嵌入式儀器等設(shè)備。因此在圖書館環(huán)境監(jiān)控方面應(yīng)用基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以對(duì)傳統(tǒng)圖書進(jìn)行有效保護(hù)。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

從網(wǎng)絡(luò)配置上來(lái)講，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有三種類型的節(jié)點(diǎn):ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)、ZigBee路由節(jié)點(diǎn)和Zig-Bee終端節(jié)點(diǎn)。每種都有自己的功能要求:

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備。協(xié)調(diào)器可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關(guān)聯(lián)，同時(shí)還能設(shè)計(jì)信任中心和執(zhí)行其它活動(dòng)。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)正常工作以及保持同網(wǎng)絡(luò)其它設(shè)備的通信。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器。

ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)是一種支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā)到其它設(shè)備。ZigBee網(wǎng)格形或樹形網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)ZigBee路由器。ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)不支持ZigBee路由器。

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)可以執(zhí)行它的相關(guān)功能，并使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)到達(dá)其它需要與其通信的設(shè)備。它的存儲(chǔ)器容量要求最少。

基于這三種類型的節(jié)點(diǎn)，ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要支持三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):星形(Star)、網(wǎng)格(Mesh)形和樹形(Cluster－Tree)結(jié)構(gòu)。如圖2所示。在這幾種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，星形網(wǎng)絡(luò)對(duì)資源的要求最低。

圖2 ZigBee星形(Star)網(wǎng)絡(luò)

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，由于星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于分析網(wǎng)絡(luò)中上下行數(shù)據(jù)的流量和流向，并且很多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)都有星形網(wǎng)絡(luò)組成，因此在很多實(shí)際應(yīng)用中都采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)形式。比如在圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)方面采用ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)采集室內(nèi)的溫度、濕度、書架光照強(qiáng)度等信息，傳送給協(xié)調(diào)器，從而管理人員可以掌握室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)情況。

3.3 基于ZigBee技術(shù)的圖書館環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本應(yīng)用采用C51RF－CC2530－PK無(wú)線Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)，IAR Embedded Workbench軟件開發(fā)平臺(tái)。硬件平臺(tái)包括:(1)USB在線仿真器;(2)網(wǎng)絡(luò)液晶擴(kuò)展板(也稱開發(fā)板);(3)Zig-Bee無(wú)線高頻模塊(CC2530);(4)電池板;(5) 2.4G天線;(6)開發(fā)電源;(7)USB連接線;(8) RS232連接線。由表1可知ZigBee的成本很低，是由于ZigBee無(wú)線高頻模塊(CC2530)成本較低，便于工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用。在圖書館書庫(kù)中采用星形網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行布點(diǎn)，如圖3所示。

node0為該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，node1——node6為該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)。將該網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)布置在書庫(kù)中的合適位置，所有節(jié)點(diǎn)模塊都掛上溫度、濕度等傳感器，靠近陽(yáng)面窗戶的節(jié)點(diǎn)模塊掛上光照傳感器。終端節(jié)點(diǎn)每隔規(guī)定的時(shí)間采集一次數(shù)據(jù)，間隔時(shí)間長(zhǎng)短可以根據(jù)管理員的需求寫入?yún)f(xié)議棧中，然后下載到節(jié)點(diǎn)模塊中再進(jìn)行布點(diǎn)。終端模塊將采集數(shù)據(jù)上傳給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器再上傳給上位機(jī)，從而管理員可以根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)具體操作，改善圖書館室內(nèi)環(huán)境。

圖3 ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)模型

在實(shí)際操作中，可以將ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GSM技術(shù)相結(jié)合，采集到的數(shù)據(jù)一旦超過(guò)限定范圍，系統(tǒng)自動(dòng)給管理員發(fā)短信報(bào)警。例如，長(zhǎng)時(shí)間的光照會(huì)減少圖書的壽命，一旦無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)利用光照傳感器采集到的數(shù)據(jù)超過(guò)限定范圍，就會(huì)給管理員發(fā)短信，管理員可以及時(shí)到書庫(kù)拉上窗簾。還可以將ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù)，根據(jù)具體情況，自動(dòng)控制通風(fēng)系統(tǒng)的開關(guān)、窗簾的開合等，提高圖書館工作人員的工作效率，使傳統(tǒng)圖書的存放條件達(dá)到最優(yōu)。

由于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率比較低，在2.4GHZ的頻段只有250kb/s，而且這只是鏈路上的速率，除掉信道競(jìng)爭(zhēng)應(yīng)答和重傳等消耗，真正能被應(yīng)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鄰近多個(gè)節(jié)點(diǎn)和同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)應(yīng)用所瓜分，所以不適合利用該網(wǎng)絡(luò)傳送視頻信息。因此關(guān)于監(jiān)控圖書的人為因素破壞(撕毀、開天窗、批注、涂改等)可以做以下幾點(diǎn)工作: (1)借助圖書館現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員在監(jiān)控室中可以掌握書庫(kù)中的動(dòng)態(tài)，對(duì)于突發(fā)事件及時(shí)處理;(2)可以在書庫(kù)明顯位置張貼“書庫(kù)安裝有監(jiān)控設(shè)備，請(qǐng)文明閱讀”的警示語(yǔ)，對(duì)想要破壞圖書的讀者起到一定的警示作用;(3)對(duì)于外借圖書歸還時(shí)，工作人員仔細(xì)驗(yàn)查圖書的完整性，對(duì)于破壞圖書的讀者加大處罰力度，并記入借閱證的電子誠(chéng)信檔案。對(duì)于多次破壞圖書的讀者，限制其借閱權(quán)限;(4)做好對(duì)讀者的培訓(xùn)教育，使讀者自覺(jué)做到文明閱讀，這也是工作的關(guān)鍵，讀者素質(zhì)提高了，破壞圖書的行為就減少了。

總之，由于ZigBee技術(shù)具有低成本、低功耗、低復(fù)雜度等特點(diǎn)，將該技術(shù)運(yùn)用到圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，會(huì)大大提高圖書館工作人員的工作效率，使傳統(tǒng)圖書的存放條件達(dá)到最優(yōu)，從而對(duì)傳統(tǒng)圖書達(dá)到有效保護(hù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，ZigBee技術(shù)的應(yīng)用必將達(dá)到一個(gè)新的高度。

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