智慧古籍圖書館的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

李琛磊，種蘭祥

0 導(dǎo)言

近年隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)發(fā)展，我國(guó)智慧圖書館研究如火如荼。但截至目前，尚無將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到古籍圖書館無線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)踐。眾所周知，古籍是人類文化載體，幾乎所有圖書館都將其視為珍品。但全球氣候變化導(dǎo)致空氣質(zhì)量變差、大氣環(huán)境污染問題顯著，造成古籍紙張酸化現(xiàn)象嚴(yán)重。古籍圖書館中不合適的溫濕度會(huì)導(dǎo)致蟲害、霉菌滋生，嚴(yán)重影響著古籍保管的安全。然而，我國(guó)大部分圖書館古籍保護(hù)經(jīng)費(fèi)有限，出現(xiàn)書庫老化、場(chǎng)所簡(jiǎn)陋、技術(shù)設(shè)施落后等問題，最為嚴(yán)重的是古籍保存環(huán)境未能得到根本性的監(jiān)測(cè)與保護(hù)，導(dǎo)致古籍損壞現(xiàn)象加劇[1]。為此學(xué)界業(yè)界呼吁不斷更新技術(shù)，尋求低成本方案監(jiān)測(cè)和改善古籍圖書館環(huán)境。

通過實(shí)地調(diào)研西安地區(qū)古籍圖書館后發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的古籍圖書館監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用人工定點(diǎn)觀測(cè)和有線監(jiān)測(cè)兩種方式[2]。前者存在精度低和實(shí)時(shí)性差問題，后者基于RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]，因其采用分布式監(jiān)測(cè)和集中供電，存在靈活性低和難以擴(kuò)展等問題。近年電子技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展迅速，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)已開始采用無線通信方案，其中較為常見的有WiFi、ZigBee、GPRS、射頻等。Xu Fucheng等[4]、溫超等[5]采用CC2530硬件設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee技術(shù)的圖書館內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)方案；張麗珍等[6]結(jié)合ZigBee與GPRS無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)圖書館溫濕度光照度環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；王棟等[7]、吳健等[8]、G.Alsuhly等[9]利用WiFi技術(shù)來傳輸圖書館或博物館內(nèi)監(jiān)測(cè)到的環(huán)境變量。這些研究大多采用目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)較為常見的ZigBee、WiFi無線通信方案，普遍存在著信號(hào)干擾及功耗與成本問題，導(dǎo)致這些方案在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)很難推廣使用，古籍圖書館將持續(xù)并長(zhǎng)期處于技術(shù)落后、保存環(huán)境不佳的情況下，古籍存放的安全無法得到保證。為此本系統(tǒng)采用低成本、低功耗具有跳頻功能的無線射頻通信方式，不但能妥善解決上述問題，同時(shí)基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)體系，構(gòu)造出一個(gè)易擴(kuò)展、通用性強(qiáng)的多點(diǎn)無線古籍圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)需求分析與總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)應(yīng)滿足古籍圖書館監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟(jì)性、效果呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)性與易用性等需求。古籍作為中華文明的文化瑰寶，必須對(duì)其存放環(huán)境進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)保護(hù)。根據(jù)《圖書館古籍特藏書庫基本要求》發(fā)現(xiàn)古籍安全存放的相關(guān)環(huán)境參數(shù)如下：(1)溫度要穩(wěn)定在16~22℃；相對(duì)濕度穩(wěn)定在45%~60%RH。(2)光照度以30lx~50lx為宜，減少紫外線對(duì)紙張的破壞。(3)室內(nèi)SO2濃度限值在0.01mg/m3。(4)配置安防火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警裝置。根據(jù)以上古籍保護(hù)要求，本系統(tǒng)選取對(duì)應(yīng)傳感器對(duì)室內(nèi)物理量進(jìn)行測(cè)量。為了提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與經(jīng)濟(jì)性，本系統(tǒng)采用低成本無線射頻通信方案將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，使用Raspberry PI作為網(wǎng)關(guān)兼Web服務(wù)器，進(jìn)一步降低成本。在效果呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)性與友好性方面，本系統(tǒng)自行開發(fā)出一套Web監(jiān)測(cè)平臺(tái)，其具有用戶登錄、增加刪除設(shè)備、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、查看當(dāng)前數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)、聲光報(bào)警等功能。Web監(jiān)測(cè)平臺(tái)將數(shù)據(jù)分析結(jié)果以更直觀、友好的方式呈現(xiàn)給用戶。同時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)推到OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作可視化展示，用戶可在任意地點(diǎn)查看古籍圖書館內(nèi)情況，進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)的易用性與友好性。此外，平臺(tái)將各項(xiàng)報(bào)警數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶郵箱與手機(jī)，促使用戶采取措施處理相關(guān)情況。

本著靈活、方便、可靠和易用原則，智慧古籍圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式模塊化設(shè)計(jì)思想。依物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)，感知層選用最適合聯(lián)接傳感器的電子開發(fā)平臺(tái)Arduino為測(cè)量節(jié)點(diǎn)，對(duì)古籍圖書館內(nèi)溫濕度、光照、SO2濃度、火焰以及人體進(jìn)出情況進(jìn)行測(cè)量，一旦監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)向預(yù)留郵箱與手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。網(wǎng)絡(luò)層常見的無線通信技術(shù)有WiFi、ZigBee、藍(lán)牙等。藍(lán)牙適用于便攜式可移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，難以在古籍圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)中有效發(fā)揮作用。ZigBee雖然是一種低功耗、近距離、自組網(wǎng)通信技術(shù)，但多工作于2.4GHz頻段之上，容易和WiFi、藍(lán)牙產(chǎn)生干擾，此外，ZigBee成本較高，難以在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)推廣。WiFi是日常生活中最普遍的無線通信技術(shù)，具有傳輸速度快、使用方便等特點(diǎn)，但WiFi功耗大，高帶寬的效益難以發(fā)揮。在網(wǎng)絡(luò)層使用低功耗、低成本并具有跳頻功能的射頻收發(fā)芯片nRF24L01，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無線傳輸，是一個(gè)優(yōu)質(zhì)的選擇。應(yīng)用層采用僅有信用卡大小的片式計(jì)算機(jī)Raspberry PI作為網(wǎng)關(guān)兼作Web 服務(wù)器，管理測(cè)量節(jié)點(diǎn)、收集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、可視化展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)推送到OneNet 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，用戶可使用多種終端通過互聯(lián)網(wǎng)訪問本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。用戶可根據(jù)需求，將無線測(cè)量節(jié)點(diǎn)部署在古籍圖書館內(nèi)任何地方，測(cè)量節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)構(gòu)成一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以自組織的方式來向網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)，繼而構(gòu)成一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)器與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)統(tǒng)一作為數(shù)據(jù)處理中心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示、預(yù)警、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)量節(jié)點(diǎn)Arduino 聯(lián)接有溫濕度、光照、SO2氣體濃度、火焰、人體紅外傳感器對(duì)古籍圖書館內(nèi)物理量進(jìn)行測(cè)量。并通過聯(lián)接的射頻模塊nRF24L01將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給Raspberry PI。

2.1 測(cè)量節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

Arduino 是一款A(yù)VR 架構(gòu)電子原型開發(fā)平臺(tái)，具有精簡(jiǎn)指令形式，使用類Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。硬件由I/O接口電路和其集成的通信總線組成。本系統(tǒng)選用Arduino UNO R3為測(cè)量節(jié)點(diǎn)的主控模塊，其采用Atmega328P作為處理器，內(nèi)置32KB Flash、16MHZ晶振，14路數(shù)字I/O引腳并包含6路PWM通道，6路模擬輸入引腳，每個(gè)I/O直流輸出能力為20mA，具有UART 通信協(xié)議，集成IIC，SPI通信總線。

根據(jù)古籍保護(hù)相關(guān)要求，本系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感器、SO2氣體濃度傳感器、SR501人體紅外感應(yīng)傳感器、火焰?zhèn)鞲衅饕约癎Y30光照傳感器進(jìn)行古籍圖書館內(nèi)環(huán)境測(cè)量，后續(xù)可依需求增加傳感器。

DHT11 是一款可校準(zhǔn)的數(shù)字化溫濕度傳感器，內(nèi)部集成有電阻式感濕元件和NTC 測(cè)溫元件。溫度測(cè)量范圍在0~50℃，濕度測(cè)量范圍在20%~90%RH[10]。Arduino與傳感器通過單總線通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)的雙向通信，并按照DHT11時(shí)序規(guī)則將數(shù)據(jù)依次輸出。SO2氣體濃度傳感器MQ135是一款化學(xué)類半導(dǎo)體模擬傳感器，工作電壓為5V。MQ135采用在潔凈空氣中電導(dǎo)率較低的SnO2作為氣敏材料，當(dāng)SO2氣體存在時(shí)，氣敏材料與SO2氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而使SnO2電導(dǎo)率發(fā)生變化。SnO2電導(dǎo)率隨SO2氣體濃度增大而增大且呈線性關(guān)系?；鹧?zhèn)鞲衅鞴ぷ麟妷簽?V，其對(duì)火焰光譜極其敏感。傳感器依據(jù)高溫燃燒所產(chǎn)生的760nm~1，100nm 光源進(jìn)行火焰檢測(cè)[11]，準(zhǔn)確檢測(cè)火焰情況。人體紅外傳感器SR501用來檢測(cè)古籍圖書館內(nèi)人體進(jìn)出情況，通過被動(dòng)式紅外探頭檢測(cè)人體發(fā)出10um左右的特定紅外波長(zhǎng)，并將此紅外線通過菲涅爾濾鏡匯聚到紅外感應(yīng)源上，以此判斷是否有人通過。GY30光照傳感器是一款數(shù)字傳感器，光照檢測(cè)范圍介于1~65535lx。傳感器使用光電二極管檢測(cè)周邊亮度，通過內(nèi)部集成運(yùn)算放大電路將電流信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，利用內(nèi)置16位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將光照強(qiáng)度直接數(shù)字輸出[12]。

2.2 無線射頻模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的射頻收發(fā)芯片nRF24L01 是Nordic研發(fā)的基于SW-ARQ基帶協(xié)議引擎、頻率在2.4GHz~2.5GHz ISM之間的單片無線收發(fā)芯片，共有126 個(gè)1MHz 帶寬的信道，支持在126個(gè)信道之間自動(dòng)跳頻通信與多點(diǎn)通信。采用GFSK調(diào)制方式，內(nèi)置放大器、頻率發(fā)生器、晶振等，空中傳輸速率可達(dá)2Mbps，具有功耗低、傳輸速率快、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、安全等優(yōu)點(diǎn)。無線射頻模塊工作電壓介于1.9V~3.6V，它與測(cè)量節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)都通過SPI總線進(jìn)行通信。CE為模塊從低功耗空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高速工作狀態(tài)的開啟信號(hào)，Arduino與Raspberry PI通過SCK為射頻模塊提供時(shí)鐘，CSN為片選信號(hào)，數(shù)據(jù)通過MOSI與MISO兩根線進(jìn)行主機(jī)與從機(jī)輸入輸出。IRQ為中斷信號(hào)，當(dāng)測(cè)量節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成功發(fā)送給網(wǎng)關(guān)并收到網(wǎng)關(guān)發(fā)來的ACK信號(hào)時(shí)，Arduino和Raspberry PI兩端的IRQ信號(hào)被拉低，完成這一次的數(shù)據(jù)傳輸。測(cè)量節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)可通過查詢IRQ信號(hào)的標(biāo)志位進(jìn)而判斷出數(shù)據(jù)成功發(fā)送或接收。射頻模塊在沒有收發(fā)任務(wù)時(shí)處于低功耗待機(jī)狀態(tài)，只有當(dāng)網(wǎng)關(guān)請(qǐng)求數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，射頻模塊被激活。

2.3 網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，作用是測(cè)量節(jié)點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)收集與轉(zhuǎn)發(fā)。本系統(tǒng)選用三代B+型Raspberry PI，將網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器集于一體。Raspberry PI 3B+是基于 ARM 架構(gòu)的 Soc 片上系統(tǒng)，采用博通公司BCM2837芯片組，處理速度可達(dá)1.4GHz，擁有64位4核處理器，搭載基于Linux 且面向Raspberry PI 硬件做了優(yōu)化的Raspbian操作系統(tǒng)，有3.5萬多個(gè)軟件包和預(yù)編譯的軟件供Raspberry PI 使用，支持Python、C、C++等語言開發(fā)。Raspberry PI需要5V電源供電，配有4個(gè)USB2.0接口并支持USB Hub擴(kuò)展，具有RJ45接口且內(nèi)置板載WiFi。由其芯片內(nèi)部引出40個(gè)GPIO引腳用于硬件開發(fā)，集成有UART、IIC、SPI多種通信協(xié)議。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

射頻模塊是測(cè)量節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)通信的媒介，需要軟件對(duì)其進(jìn)行初始化、工作模式配置等。測(cè)量節(jié)點(diǎn)查找網(wǎng)關(guān)地址并發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器中，通過一系列軟件開發(fā)，完成一個(gè)測(cè)量硬件可配置的、數(shù)據(jù)可視化Web監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

3.1 無線射頻模塊軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)本系統(tǒng)需求，使用nRF24L01射頻模塊構(gòu)建星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?shí)現(xiàn)一收多發(fā)功能。流程分為射頻模塊初始化、配置收發(fā)模式、發(fā)送接收數(shù)據(jù)、完成發(fā)送與接收。測(cè)量節(jié)點(diǎn)通過SPI總線對(duì)nRF24L01內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化，配置字長(zhǎng)30字節(jié)，CSN引腳拉低進(jìn)行初始化配置，其中包括EN_AA自動(dòng)應(yīng)答配置，SETUP_AW地址寬度配置等。初始化完成后，通過CONFIG 寄存器將nRF24L01 配置為 Shutdown、Standby、Idle-TX、TX、RX 等工作模式。在沒有收發(fā)任務(wù)時(shí)模塊首先穩(wěn)定在Standby空閑模式。當(dāng)CE引腳給一個(gè)持續(xù)10us的高脈沖，同時(shí)配置PRIM_RX為低電平，若此時(shí)發(fā)送端TX_FIFO 緩沖區(qū)為空，芯片由Standby模式進(jìn)入Idle-TX模式并等待發(fā)送數(shù)據(jù)的到來。當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，將數(shù)據(jù)送入TX_FIFO 緩沖區(qū)，經(jīng)過120us 時(shí)間后，Idle-TX會(huì)自動(dòng)進(jìn)入TX發(fā)送模式。為降低功耗，提高穩(wěn)定性，采用配有前導(dǎo)碼和CRC 校驗(yàn)位增強(qiáng)型ShockBurstTM收發(fā)方式，數(shù)據(jù)低速從Arduino送入，并高速向外發(fā)出，接收方自動(dòng)處理前導(dǎo)碼與CRC校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)按照表1所示的幀格式發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，芯片等待接收方應(yīng)答信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生TX_DS中斷，完成數(shù)據(jù)發(fā)送過程。當(dāng)成功完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送過程后，清除寄存器置位和TX_FIFO中已發(fā)送的數(shù)據(jù)，芯片CE信號(hào)拉低，再次進(jìn)入Standby空閑模式，等待下一次數(shù)據(jù)發(fā)送。

表1 增強(qiáng)型ShockBurstTM數(shù)據(jù)幀格式

作為網(wǎng)關(guān)，Raspberry PI接收來自測(cè)量節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)。軟件通過SPI時(shí)序完成射頻模塊一系列初始化后，將射頻模塊配置為RX模式。等待130us，射頻模塊進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，請(qǐng)求發(fā)送模塊數(shù)據(jù)包的到來。數(shù)據(jù)包到來時(shí)，射頻模塊通過節(jié)點(diǎn)地址信息與CRC校驗(yàn)碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)數(shù)據(jù)包正確時(shí)，nRF24L01自動(dòng)移除前導(dǎo)碼、地址信息與CRC 校驗(yàn)位，并通過STATUS 狀態(tài)寄存器RX_DR 中斷置位通知Raspberry PI 得到正確數(shù)據(jù)，繼而從RX_FIFO數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀取出正確的數(shù)據(jù)包。等待所有數(shù)據(jù)讀取完畢后，清除STATUS狀態(tài)寄存器置位，清空RX_FIFO緩存區(qū)數(shù)據(jù)，CE 引腳拉低，使其進(jìn)入Standby 空閑模式，完成此次數(shù)據(jù)接收，并等待下一次數(shù)據(jù)到來。

3.2 服務(wù)器后端設(shè)計(jì)

為保證用戶良好體驗(yàn)，本系統(tǒng)應(yīng)用層設(shè)計(jì)為B/S模式。在Raspberry PI上采用LAMP架構(gòu)搭建輕量級(jí)Web 服務(wù)器。安裝配置Apache 服務(wù)器，用PHP+Pyhton語言進(jìn)行系統(tǒng)后端開發(fā)，將測(cè)量節(jié)點(diǎn)發(fā)來的環(huán)境數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MySQL數(shù)據(jù)庫中。前端界面采用HTML+CSS+JavaScrip技術(shù)開發(fā)。用戶可在同一局域網(wǎng)內(nèi)使用任意終端登錄查看智慧古籍圖書館內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)后端結(jié)構(gòu)框圖見圖2。網(wǎng)關(guān)接收到來自測(cè)量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，用Python中的MySQLdb函數(shù)連接并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)庫中建立存儲(chǔ)測(cè)量節(jié)點(diǎn)物理量的數(shù)據(jù)表，并定義設(shè)備ID為主鍵，與數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備表進(jìn)行關(guān)聯(lián)。將PHP 嵌套在前端HTML 頁面之中與數(shù)據(jù)庫建立連接，瀏覽器與服務(wù)器采用AJAX異步交換信息。后端通過遍歷數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的測(cè)量節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)封裝為JSON格式進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，用JavaScrip 中的Echarts 組件將數(shù)據(jù)圖形化顯示，最終完成古籍圖書館環(huán)境變量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖2 系統(tǒng)后端結(jié)構(gòu)框圖

4 OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接入

本系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)并行連接OneNet物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)。OneNet是中國(guó)移動(dòng)公司為用戶提供的開放物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，其定位為PaaS服務(wù)，適用多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的接入?yún)f(xié)議，各類傳感器、智能網(wǎng)關(guān)都可以通過OneNet提供的API和應(yīng)用模板進(jìn)行設(shè)備接入與程序開發(fā)。平臺(tái)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，添加觸發(fā)器，增加、刪除設(shè)備等功能，方便系統(tǒng)后續(xù)功能的擴(kuò)展。Raspberry PI作為網(wǎng)關(guān)，可根據(jù)用戶需求自行設(shè)定數(shù)據(jù)上傳時(shí)間，并將接收到的各個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)推送到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。網(wǎng)關(guān)通過Internet接入OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并選用HTTP協(xié)議上傳數(shù)據(jù)到平臺(tái)的云服務(wù)器。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接入步驟如下：注冊(cè)網(wǎng)關(guān)接入設(shè)備賬號(hào)，登錄OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建立智慧古籍圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，獲取云平臺(tái)分配的唯一“Master-APIkey”與設(shè)備ID號(hào)并作為連接憑證，添加設(shè)備并在設(shè)備之下增加數(shù)據(jù)流模板，數(shù)據(jù)流要與網(wǎng)關(guān)發(fā)來的傳感器數(shù)據(jù)相互對(duì)應(yīng)。當(dāng)云平臺(tái)接收到來自Raspberry PI的數(shù)據(jù)上報(bào)請(qǐng)求時(shí)，通過鑒權(quán)“APIkey”和設(shè)備ID號(hào)確認(rèn)與網(wǎng)關(guān)建立TCP連接，把傳感器數(shù)據(jù)封裝為JSON格式，上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)云服務(wù)器進(jìn)行處理。在環(huán)境變量超過閾值時(shí)，除了進(jìn)行聲光報(bào)警外，利用平臺(tái)提供的觸發(fā)器功能，通知綁定的郵箱和手機(jī)，使用戶對(duì)情況進(jìn)行相應(yīng)處理。

5 系統(tǒng)功能展示

本系統(tǒng)一方面采用僅有信用卡大小的Raspberry PI作為網(wǎng)關(guān)兼Web服務(wù)器，接收和處理來自測(cè)量節(jié)點(diǎn)采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，作為Web 監(jiān)測(cè)平臺(tái)，使用戶可以在局域網(wǎng)內(nèi)訪問古籍圖書館情況。另一方面網(wǎng)關(guān)接入OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并按照用戶設(shè)定的時(shí)間間隔向平臺(tái)上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，隨即在“應(yīng)用孵化中心”對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，使用戶可以在任意地點(diǎn)查看古籍圖書館內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)情況。用戶在后期利用自行搭建的Web監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以更方便的管理、維護(hù)和增加功能，且信息安全得到保證。OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在聲光報(bào)警外還提供了觸發(fā)器報(bào)警功能，又因其公網(wǎng)特性，用戶可在任意地點(diǎn)掌握古籍圖書館情況，兩種方式依存，取長(zhǎng)補(bǔ)短。

在自行搭建的Web 監(jiān)測(cè)平臺(tái)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了用戶登錄、添加刪除設(shè)備、實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、查看歷史數(shù)據(jù)曲線與回看數(shù)據(jù)等功能。用戶登陸成功后自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)顯示界面，前端界面如圖3 所示，可看到各傳感器最新的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)可從系統(tǒng)中查詢所有傳感器監(jiān)測(cè)的歷史數(shù)據(jù)，其歷史曲線如圖4所示。在查看歷史數(shù)據(jù)界面中，用戶可通過調(diào)節(jié)折線圖下方的條形框來選擇日期時(shí)間段回看歷史數(shù)據(jù)。

圖3 室內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

圖4 歷史數(shù)據(jù)變化曲線

用戶可登錄OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，在任意地點(diǎn)查看各個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)曲線，如圖5所示。其前端界面使用儀表盤組件讓用戶直觀地看到網(wǎng)關(guān)最新推送的數(shù)據(jù)，并用折線圖來展現(xiàn)各個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化。在報(bào)警方面，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的觸發(fā)器關(guān)聯(lián)著系統(tǒng)內(nèi)所有測(cè)量節(jié)點(diǎn)，一旦古籍圖書館內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)物理量不在古籍安全保護(hù)范圍內(nèi)，界面立即顯示該節(jié)點(diǎn)并報(bào)警，同時(shí)激活觸發(fā)條件，將觸發(fā)時(shí)間、測(cè)量節(jié)點(diǎn)名稱、傳感器信息、觸發(fā)值等相關(guān)數(shù)據(jù)通過郵件與短信的方式發(fā)送到預(yù)留郵箱和手機(jī)，促使用戶采取措施處理，同時(shí)記錄并保存報(bào)警數(shù)據(jù)，方便用戶后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警分析、處理。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)監(jiān)測(cè)界面

6 結(jié)語

本文采用物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)體系，詳細(xì)介紹了智慧古籍圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)思路，將物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)運(yùn)用到智慧圖書館建設(shè)之中。設(shè)計(jì)開發(fā)了一種可以連接32個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)智慧古籍圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為增強(qiáng)用戶體驗(yàn)度，并行連接OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，用戶可以在任意地點(diǎn)任何時(shí)間查看智慧古籍圖書館環(huán)境質(zhì)量情況。測(cè)量節(jié)點(diǎn)可根據(jù)用戶需求，部署到整個(gè)圖書館內(nèi)，進(jìn)一步加強(qiáng)智慧圖書館建設(shè)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，本系統(tǒng)具有耗能小、成本低、可擴(kuò)展、部署方便、用戶體驗(yàn)好等特點(diǎn)，具有較高的普適性與應(yīng)用價(jià)值，能夠滿足各地區(qū)智慧古籍圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)的需要。后續(xù)將繼續(xù)優(yōu)化本系統(tǒng)，擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)數(shù)量，提高可靠性和穩(wěn)定性，并對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警分析。