基于ZigBee與ARM嵌入式系統(tǒng)的檔案庫房環(huán)境監(jiān)控設計研究

張淼

（西安醫(yī)學院，陜西西安 710021）

對各行業(yè)領域發(fā)展來講，檔案都是至關重要且不可再生的資源，在日常檔案管理工作開展中，為了能夠有效保證檔案安全完整地存放，近年來逐漸引入各類新型技術改造檔案庫房的內(nèi)部環(huán)境，從而完成檔案庫房環(huán)境的實時監(jiān)控。但是在傳統(tǒng)檔案庫房中普遍面臨的難題就是環(huán)境管理，一般情況下采用傳統(tǒng)的人工管理測量方法，十分耗時和耗精力，并且重復性動作也加重了工作負擔，再加上受有限的測量儀器設備精度影響，最終測得的檔案庫房內(nèi)部環(huán)境結果無法保證客觀真實性。雖然近年來也逐漸推出并運用部分庫房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，但在實際應用中仍然存在復雜布線，無法保證系統(tǒng)安全運行，未能獲得普遍認可的技術局端。隨著信息感知領域的深入變革，ZigBee 技術、ARM 技術逐漸成為如今的研究熱點，并且具備了低功耗、低成本、自組織、分布式等技術特點。所以在此種技術背景下，在檔案庫房內(nèi)部環(huán)境監(jiān)控中，實現(xiàn)無線傳感技術結合嵌入式系統(tǒng)，對于提高管理效率和工作質量意義重大。

1 ZigBee技術概述

1.1 協(xié)議體系架構

ZigBee 通信協(xié)議技術作為新興的一種可以實現(xiàn)短距離、低速率的通信協(xié)議標準，目前被廣泛應用于間歇、周期且較低傳輸速率技術要求的數(shù)據(jù)傳輸中。該協(xié)議主要運用了IEEE 802.15.4 協(xié)議，包括了MAC 層、PHY 層兩大協(xié)議，具有低成本、低功耗、短演示、安全可靠、大容量等設備技術特點。ZigBee 協(xié)議棧體系架構如圖1 所示。

圖1 ZigBee協(xié)議棧體系架構

1.2 網(wǎng)絡拓撲結構

根據(jù)ZigBee 技術實現(xiàn)的主要功能情況可以發(fā)現(xiàn)，該網(wǎng)絡技術成功界定了兩類設備，分別為完整、精簡兩種功能設備。其中，完整功能設備能夠在該協(xié)議通信網(wǎng)中成功扮演各類角色，并且滿足IEEE 802.15.4 協(xié)議標準。而精簡功能設備則僅僅能夠完成部分功能，且只可與完整功能設備實現(xiàn)通信。目前ZigBee 協(xié)議技術網(wǎng)絡，主要包括3 種無線通信方式，分別為星狀網(wǎng)絡拓撲、網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲、簇狀網(wǎng)絡拓撲。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 功能需求

該檔案庫房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計就是為了能夠成功構建分布式庫房環(huán)境監(jiān)測及遠程智能監(jiān)控的技術平臺，滿足對檔案庫房內(nèi)部環(huán)境的實時全面監(jiān)控，保證所監(jiān)測具體設備信息和數(shù)據(jù)能夠及時顯示于管理員上位機中，并將庫房內(nèi)部環(huán)境相應的控制管理設備自動打開，從而減小人力工作強度，同時也可以對檔案庫房的管理工作效率及水平充分提升。

2.2 系統(tǒng)設計總體架構

ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡包括多個傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器組件和控制端，經(jīng)ZigBee 通信模塊即可實現(xiàn)傳感器控制組件功能擴展。嵌入式智能網(wǎng)關相對于系統(tǒng)作為橋梁組件，可以與ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡相通，向PC 上位機傳輸經(jīng)協(xié)調(diào)器成功收集的檔案庫房內(nèi)部環(huán)境相關信息。收集異常數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)會自動發(fā)出控制設備相應指令，從而經(jīng)串口連接ZigBee 協(xié)調(diào)器，成功經(jīng)接口、以太網(wǎng)連接PC 上位機。對于該系統(tǒng)來講，PC 上位機也作為主要的系統(tǒng)監(jiān)控中心，能夠為系統(tǒng)管理操作用戶提供人機交互控制操作界面，更方便實現(xiàn)對檔案庫房環(huán)境的遠程自動化管控。系統(tǒng)總體架構如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構示意圖

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構

結合上文分析ZigBee 通信網(wǎng)的現(xiàn)有3 種網(wǎng)絡拓撲結構技術，考慮到為了能夠保證本系統(tǒng)對搜集的各網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸管理可靠性，最終選擇了星狀網(wǎng)絡拓撲結構，如圖3 所示。

圖3 星狀網(wǎng)絡拓撲結構

3 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡設計

3.1 ZigBee節(jié)點硬件設計

圖4作為一種典型ZigBee 節(jié)點硬件設計框架圖，包括了數(shù)據(jù)處理、射頻、傳感控制等功能模塊。

圖4 ZigBee節(jié)點典型硬件框圖

選用CC2530 作為核心通信模塊芯片，并且為了充分增強系統(tǒng)設計的整體可拓展性，有效降低傳感控制產(chǎn)生的射頻電路信號干擾，運用了核心板結合通信底板的設計方法，設計了32 MHz 晶振、I/O 拓展接口，讓用戶可以在操作中進行修改添加。

3.2 ZigBee節(jié)點軟件設計

設計ZigBee 節(jié)點軟件系統(tǒng)，選用了嵌入式IAR開發(fā)工具，基于協(xié)議棧模板完成應用層、HAL 層的代碼修改，完成ZigBee 節(jié)點程序設計，為了充分增強整個ZigBee 節(jié)點的軟件系統(tǒng)可拓展性，設計基本單位功能代碼，完成特定傳感數(shù)據(jù)控制操作，經(jīng)ZStack 能夠滿足多功能程序實現(xiàn)于不同端口，有效提高了ZigBee 節(jié)點的整體配置靈活性。以下為部分代碼示例：

4 嵌入式ARM系統(tǒng)智能網(wǎng)關設計

4.1 ARM嵌入式智能網(wǎng)關硬件設計

想要確保檔案庫房監(jiān)控系統(tǒng)正常良好地運行，關鍵在于能夠設計出安全可靠且穩(wěn)定運行的智能網(wǎng)關硬件平臺。所以在設計選用硬件處理器時，需要擁有較快的信息處理速率，豐富I/O 接口（方便功能模塊外延拓展），并且支持Linux 操作系統(tǒng)，能夠與Internet 之間滿足有線及無線通信，且支持LCD、觸摸屏，保證系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運行，減小功耗，可無負擔地長期運行于檔案庫房環(huán)境中。平臺硬件結構如圖5 所示。

圖5 Mini2440硬件平臺結構圖

4.2 嵌入式操作系統(tǒng)移植

嵌入式系統(tǒng)的核心組成為EOS，較通用型操作系統(tǒng)能夠實現(xiàn)靈活化操作，整體系統(tǒng)運行安全可靠且可移植，很大程度上提升了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)效率。

首先，搭建Linux 交叉操作系統(tǒng)編譯環(huán)境，基于PC 端完成虛擬機應用層程序安裝開啟后，成功安裝操作系統(tǒng)。完成NFS、Samba、TFIP 服務器成功配置后，即可進行編譯工具的交叉安裝。

其次，在Linux 操作系統(tǒng)中的內(nèi)核移植，分別實現(xiàn)的功能包括進程、存儲、設備、驅動、文件、通信、系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)調(diào)用等幾大管理功能。

最后，在選擇嵌入式Web 服務器時，選用了B/S架構ARM 嵌入式系統(tǒng)，能夠成功實現(xiàn)訪問瀏覽器頁面與發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。之后移植SQL 數(shù)據(jù)庫，用于對合法系統(tǒng)用戶的操作進行存儲、驗證，還可以經(jīng)GGI 程序成功調(diào)用監(jiān)控最新信息，并實時顯示于PC端，這樣即可做到對檔案庫房環(huán)境的實時監(jiān)控。

5 系統(tǒng)測試

本次系統(tǒng)測試共進行1 個協(xié)調(diào)器及5 個終端監(jiān)控節(jié)點的反測試。通過將瀏覽器頁面打開之后，輸入相應的Web 網(wǎng)址即可跳轉至用戶名、密碼登錄界面，完成權限認證后，即可跳轉至默認系統(tǒng)界面。測試結果如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)操作測試效果圖

6 結束語

通過引入ZigBee 技術、ARM 嵌入式系統(tǒng)，應用于檔案庫房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計中，簡單介紹了這兩個技術和系統(tǒng)開發(fā)、交叉編譯環(huán)境。分別完成ZigBee 節(jié)點硬軟件、嵌入式操作系統(tǒng)平臺設計，并實現(xiàn)了CGI 腳本、監(jiān)控設計，通過系統(tǒng)測試，證實ZigBee 技術與ARM 嵌入式技術能用于檔案庫房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計。根據(jù)該系統(tǒng)測試運用情況，證實了該文提出的系統(tǒng)設計思路可以自動、實時、精準監(jiān)控檔案庫房環(huán)境，保證最終監(jiān)控結果能夠達到應用預期。