基于ZigBee的博物館監(jiān)測系統(tǒng)設計

林凱宏 羅梓杰等

摘 要：針對目前國內(nèi)博物館的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚不普及，無法實現(xiàn)智能博物館的現(xiàn)狀，文章提出了一套基于ZigBee的博物館監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由節(jié)點部分和終端處理部分結(jié)合ZigBee無線通信技術(shù)組成，可對館內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化和人員流動變化進行實時監(jiān)測，既減輕工作人員的工作強度，又減少了人力成本支出，可實現(xiàn)現(xiàn)代博物館的人性化監(jiān)測和智能化管理。

關(guān)鍵詞：ZigBee；博物館；監(jiān)測系統(tǒng)

引言

博物館在文物的宣傳，研究，收藏和文化遺產(chǎn)的保護中發(fā)揮著重要作用。如何有效地監(jiān)控館內(nèi)游客分布位置，控制館內(nèi)參觀人數(shù)及監(jiān)測內(nèi)部環(huán)境參數(shù)變化，以確保館藏展品安全，成為博物館亟需解決的問題，然而在國內(nèi)尚少見到有關(guān)解決方案[1]，因此文章提出一種基于ZigBee博物館監(jiān)測系統(tǒng)的解決思路。

1 系統(tǒng)整體框架

基于ZigBee的博物館監(jiān)測系統(tǒng)，由節(jié)點部分和終端處理部分組成：節(jié)點部分包括：ZigBee節(jié)點（下位機）、ZigBee協(xié)調(diào)器和智能手環(huán)。終端處理部分包括：監(jiān)控軟件（上位機）、監(jiān)控端PC機、后臺數(shù)據(jù)庫、加密軟件和身份證識別儀。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖

2 節(jié)點部分設計

2.1 ZigBee節(jié)點（下位機）

ZigBee節(jié)點（下位機）包括ZigBee無線射頻模塊、語音芯片、光敏傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、噪聲檢測單元、工作狀態(tài)指示燈、查詢模塊[2]。每個下位機具有標識其所處位置的地區(qū)編碼，可視為錨節(jié)點。

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器

ZigBee協(xié)調(diào)器用于構(gòu)建ZigBee無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)下位機與網(wǎng)內(nèi)監(jiān)控端PC機通訊，當ZigBee協(xié)調(diào)器借助網(wǎng)關(guān)協(xié)議連接至Internet，則Internet中的上位機可以與ZigBee網(wǎng)絡中任意一臺下位機進行通訊。

2.3 智能手環(huán)

智能手環(huán)作為一個移動節(jié)點，其環(huán)體由ZigBee射頻芯片、電源、LED指示燈及緊急呼叫按鈕構(gòu)成；可主動向下位機發(fā)送信號；上位機將未確定位置的智能手環(huán)視為未知節(jié)點，并通過RSSI測距算法及質(zhì)心定位模型確定位置[3]，具體步驟如下：

步驟一：在未知節(jié)點發(fā)射功率的情況下，錨節(jié)點根據(jù)接收到的接收功率，計算出信號的傳播損耗，再通過RSSI測距算法將傳播損耗轉(zhuǎn)換為距離，在自由空間中距離發(fā)射r處的錨節(jié)點接收到的信號強度由以下公式給出：

Pr（r）=（1-ζ）Ptλ2/（4π）2r2L

其中Pt為未知節(jié)點發(fā)射RSSI信號功率（單位：w）；Pr（r）為距離r處的錨節(jié)點接收信號功率（單位：w）；ζ是信號衰弱指數(shù)，其大小取決于傳播環(huán)境；r是距離（單位：m）；L是與傳播無關(guān)的系統(tǒng)損耗因子；λ是波長（單位：m）。

已知接收RSSI的值，則利用以下公式即可計算收發(fā)節(jié)點之間的距離r：

r=■

將能夠收到某一未知節(jié)點發(fā)射的RSSI值的若干錨節(jié)點n1、n2、…、nm按照RSSI值從大到小排序，則相對應收發(fā)節(jié)點之間的距離為r1、r2、…、rm。

步驟二：選取錨節(jié)點n1、n2、n3用于建立質(zhì)心定位模型：根據(jù)RSSI測距算法得到該未知節(jié)點到3個被選取的錨節(jié)點的距離r1、r2、r3，則此未知節(jié)點位于以被選取的任一錨節(jié)點為球心，以距離ri（i表示排序的第i個節(jié)點信號）為半徑的球上；為減少處理量，此處以二維平面圓代替球。

設3個錨節(jié)點的坐標分別為A（xa，ya），B（xb，yb），C（xc，yc），未知節(jié)點的坐標為（xi，yi），以A，B，C為圓心，依次以r1，r2，r3為半徑畫圓，可得到3個圓的交疊區(qū)域，并且該區(qū)域的邊界弧線分別兩兩相交于E（x1，y1），F(xiàn)（x2，y2），G（x3，y3），則有：

求得E、F、G三點的坐標值，則未知節(jié)點D的坐標為E、F、G三點坐標的平均值H，即：

步驟三：為減小誤差，重復步驟二x次。

步驟四：將步驟三每次所得位置區(qū)域進行重疊，并將重疊次數(shù)最多的點或者面判斷為該時間段內(nèi)未知節(jié)點最終瞬時位置。

步驟五：將該未知節(jié)點的瞬時位置在監(jiān)控軟件構(gòu)建的虛擬立體建筑進行標識。

智能手環(huán)定位算法流程如圖2所示，質(zhì)心定位模型如圖3所示。

3 終端處理部分

3.1 監(jiān)控軟件

監(jiān)控軟件（上位機）可對ZigBee協(xié)調(diào)器傳輸過來的數(shù)據(jù)進行分析處理，并通過ZigBee協(xié)調(diào)器給予各節(jié)點反饋命令，同時發(fā)給后臺數(shù)據(jù)庫進行存檔備案；上位機的圖形用戶界面（GUI）負責與用戶進行人機交互。監(jiān)控軟件作為操作平臺，具備三維立體空間模擬、顯示各個下位機節(jié)點位置和狀態(tài)、節(jié)點數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)瀏覽、節(jié)點開關(guān)等功能。

3.2 其他軟硬件部分

監(jiān)控端PC機是人對全部下位機進行監(jiān)控、管理的硬件平臺，監(jiān)控軟件運行在此平臺上。而后臺數(shù)據(jù)庫采用MySQL搭建，用于接收和存儲游客身份證號碼和對應智能手環(huán)特征碼，以及對上位機的有效數(shù)據(jù)進行存檔備案。

加密軟件采用多線程抽取算法模擬隨機抽數(shù)：運行時程序多線程進行并行抽取，并將抽取出來的若干數(shù)值采用MD5算法生成對應特征碼。

4 系統(tǒng)工作整體流程

下位機將記錄該特定場合的正常環(huán)境參數(shù)并實時檢測，若超出預讀取的閥值所允許范圍，則用人性化語音進行提示。傳感器實時檢測外部環(huán)境中的信息數(shù)據(jù)后，由下位機上的無線射頻模塊對數(shù)據(jù)進行組幀、幀校驗、加密、發(fā)送的處理，再匯聚到ZigBee協(xié)調(diào)器。

ZigBee協(xié)調(diào)器在接收完下位機處理過的數(shù)據(jù)后，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至上位機。操作人員在上位機上可以看到下位機的狀態(tài)及所在位置的環(huán)境信息，同時通過GUI發(fā)送控制指令給下位機，從而實現(xiàn)人機交互功能。

當游客進入博物館時，工作人員借助身份證識別儀提取游客的身份證號碼，通過加密軟件生成的特征碼和若干個智能手環(huán)進行對應，同時發(fā)送給后臺數(shù)據(jù)庫，上位機記錄該智能手環(huán)的特征碼以及對應身份證號碼，完成智能手環(huán)特征碼的固化和個人信息備案。手環(huán)固化后開始工作并發(fā)放給參觀的游客，在消除特征碼后停止工作。

根據(jù)每個智能手環(huán)的特征值，并配合后臺數(shù)據(jù)庫和下位機內(nèi)置的查詢模塊可快速查找某身份證對應的智能手環(huán)位置，并在監(jiān)控軟件構(gòu)建的虛擬立體建筑進行標識顯示。當游客遇到緊急情況時，可按下智能手環(huán)上的緊急呼叫按鈕，智能手環(huán)會主動向下位機發(fā)射求助信息并傳遞給上位機。上位機操作人員在接收到請求后可調(diào)出該智能手環(huán)所在位置，并聯(lián)系該區(qū)域附近的工作人員幫助該游客。前臺PC機操作人員可根據(jù)監(jiān)控軟件監(jiān)測到的智能手環(huán)數(shù)判斷是否放入下一批游客，更好地調(diào)控參觀人數(shù)。博物館出口處設有一個下位機，以檢測離開游客身上是否攜帶有智能手環(huán)，從而回收智能手環(huán)。

5 結(jié)束語

本設計在研究和總結(jié)國內(nèi)外基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測管理平臺的基礎上，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡的特點，設計了基于ZigBee的博物館監(jiān)測系統(tǒng)。通過該平臺對館內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化和人員流動變化進行實時監(jiān)測，提高現(xiàn)代博物館的人性化監(jiān)測和智能化管理水平。

參考文獻

[1]周迪，姚燕，徐德龍，等.文物安防系統(tǒng)[J].中國新通信，2013（2）：7-9.

[2]王長清，岳新偉.基于ZigBee技術(shù)的博物館藏品微環(huán)境檢測保護系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].河南師范大學學報（自然科學版），2012，40（3）：34-37.

[3]張慶華，施偉斌.基于ZigBee技術(shù)的博物館內(nèi)人員定位系統(tǒng)的研究[J].光學儀器，2012，34（1）：81-84.

作者簡介：林凱宏，廣東技術(shù)師范學院。