物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下檔案庫房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要：由于檔案庫房內(nèi)的溫度和濕度會對檔案制成材料的耐久性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響檔案壽命，所以應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行測量與調(diào)控。為了提高檔案庫房溫濕度達(dá)標(biāo)率，延長檔案的壽命，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、移動通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)設(shè)計了一套檔案庫房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含設(shè)備終端、物聯(lián)網(wǎng)云平臺和用戶終端，采用MQTT協(xié)議通信，對檔案庫房內(nèi)的溫度和濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行測量、采集、傳輸、存儲和展示，并對檔案庫房內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行調(diào)控。相對于傳統(tǒng)的管理方式，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全天候自動化測量、記錄、調(diào)控檔案庫房內(nèi)的溫度和濕度，有利于提高檔案庫房溫濕度達(dá)標(biāo)率，對延長檔案壽命起到了積極效果，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；檔案庫房；溫濕度監(jiān)控；GD32單片機(jī)；MQTT協(xié)議；EMQX

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）03-00-03

0 引 言

檔案庫房是保管檔案的重要場所，并且保管的是需要長期保存的重要檔案。檔案庫房內(nèi)不適宜的溫度和濕度對檔案制成材料具有破壞作用，環(huán)境溫度過低或過高、濕度太小或太大，都會影響檔案的壽命[1]，不利于檔案長期保存。因此，應(yīng)盡量調(diào)控檔案庫房內(nèi)的溫濕度，使其保持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)[2]，最大限度延長檔案壽命。對于溫濕度調(diào)控，傳統(tǒng)的方法是管理員定時進(jìn)入檔案庫房開關(guān)調(diào)溫調(diào)濕設(shè)備，這種方式的缺點(diǎn)是消耗了大量的人力物力、效率低、溫濕度達(dá)標(biāo)率不高。本文設(shè)計了一套檔案庫房溫濕度自動調(diào)控系統(tǒng)，能夠?qū)n案庫房內(nèi)的溫濕度進(jìn)行測量、采集、傳輸、處理，向調(diào)溫調(diào)濕設(shè)備發(fā)送啟停指令，從而調(diào)控檔案庫房內(nèi)的環(huán)境溫濕度。該系統(tǒng)全天候自動化監(jiān)測和實(shí)時調(diào)控檔案庫房內(nèi)的溫濕度，有利于提高檔案庫房內(nèi)的溫濕度達(dá)標(biāo)率，延長檔案的壽命。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

檔案庫房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、移動通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)開發(fā)的硬軟件集成的自動化監(jiān)測與調(diào)控溫濕度系統(tǒng)，包括設(shè)備終端、物聯(lián)網(wǎng)云平臺和用戶終端。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

設(shè)備終端是調(diào)節(jié)單個檔案庫房溫濕度的控制中心，負(fù)責(zé)實(shí)時測量、采集檔案庫房內(nèi)的溫濕度，并通過數(shù)據(jù)通信單元實(shí)時發(fā)布到物聯(lián)網(wǎng)云平臺。依據(jù)溫度控制范圍和當(dāng)前測量的溫濕度控制空調(diào)制熱、制冷或停機(jī)，啟動或停止調(diào)濕機(jī)工作。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺作為設(shè)備終端和用戶終端之間數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的樞紐[3]，能夠接收來自不同設(shè)備終端的檔案庫房內(nèi)的溫濕度值；并且能夠基于用戶終端訂閱設(shè)備終端的信息，轉(zhuǎn)發(fā)溫濕度值到用戶終端。物聯(lián)網(wǎng)云平臺為全部設(shè)備終端和全部用戶終端提供數(shù)據(jù)推送和獲取的入口。

用戶終端能收集、存儲、分析、展示檔案庫房溫濕度的實(shí)時數(shù)據(jù)，查詢歷史數(shù)據(jù)，展示溫度和濕度的走勢圖以及以天為單位的溫度和濕度的峰值圖，統(tǒng)計溫度和濕度平均值、最大值、最小值，打印報表等，能夠?yàn)榱n單位的檔案庫房溫濕度打分項(xiàng)檢查提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)通信

本系統(tǒng)采用MQTT通信協(xié)議[4]。MQTT消息包含主題（Topic）和負(fù)載（Payload）兩部分，其中主題用于區(qū)分終端，負(fù)載表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計了面向設(shè)備終端的pub和sub兩類MQTT消息。前者是設(shè)備終端向物聯(lián)網(wǎng)云平臺的發(fā)布（PUBLISH）消息，實(shí)時主動傳輸數(shù)據(jù)，主題設(shè)計為設(shè)備密鑰/設(shè)備標(biāo)識號/pub。后者是設(shè)備終端接收物聯(lián)網(wǎng)云平臺的訂閱（SUBSCRIBE）消息，是由物聯(lián)網(wǎng)云平臺轉(zhuǎn)發(fā)的用戶終端的指令，主題設(shè)計為設(shè)備密鑰/設(shè)備標(biāo)識號/sub。用戶終端使用sub主題消息向設(shè)備終端發(fā)送指令，用pub主題訂閱設(shè)備終端消息。數(shù)據(jù)通信流程如圖2所示。

3 設(shè)備終端

設(shè)備終端是檔案庫房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)測量、采集、傳輸溫濕度數(shù)據(jù)，啟停空調(diào)和調(diào)濕機(jī)。設(shè)備終端硬件主要包括主控模塊、溫濕度測量與采集模塊、空調(diào)和除濕機(jī)控制模塊及通信模塊。

3.1 主控模塊

根據(jù)設(shè)備終端的功能和成本效益的要求，主控模塊采用GD32F205VET6單片機(jī)為主控芯片，其內(nèi)核為ARM Cortex-M3 32位處理器，既能滿足經(jīng)濟(jì)成本要求，又能進(jìn)行高性能計算和控制，提供豐富的IO接口[5]（4個UART、4個USART和SDIO）。兆易創(chuàng)新推出的GD32F205VET6單片機(jī)具有價格便宜、通用性好、開發(fā)靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)、便于在線調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，其外圍設(shè)計了TF卡、7寸串口觸摸屏、嵌入式針式打印機(jī)、2路RS 485、數(shù)據(jù)通信、軟件調(diào)試信息輸出等接口電路。TF卡存儲歷史數(shù)據(jù)；7寸串口觸摸屏能夠?qū)崟r顯示溫濕度數(shù)據(jù)，使用戶有更加直觀的交互體驗(yàn)感；嵌入式針式打印機(jī)定時打印溫濕度到紙上，便于存檔；RS 485用于外接溫濕度變送器、空調(diào)和調(diào)濕機(jī)控制器；數(shù)據(jù)通信接口用于連接移動通信模組以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺，并傳輸數(shù)據(jù)；軟件調(diào)試信息輸出接口便于在研發(fā)和維護(hù)維修過程中定位軟硬件缺陷，提高研發(fā)和維護(hù)維修的工作效率。

3.2 溫濕度測量與采集模塊

對于溫濕度，有采用傳感器直接測量與采集和通過RS 485接口發(fā)送ModBus協(xié)議采集兩種模式。前者將溫濕度傳感器集成在主控芯片的外圍電路中，后者是外接第三方溫濕度變送器。溫濕度值采集、存儲、傳輸和展示是以后者優(yōu)先的策略，當(dāng)未外接溫濕度變送器時，以前者測量和采集的數(shù)據(jù)作為當(dāng)前溫濕度值。

用傳感器直接測量與采集時，傳感器采用DHT11型號，它是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度一體傳感器，其溫度誤差可控制在±0.5 ℃以內(nèi)，分辨率為0.1 ℃；濕度誤差可控制在±3%RH以內(nèi)，分辨率為0.1%RH，是目前市場上主流的性價比較高的溫濕度傳感器之一。DHT11使用高分子濕敏電阻為傳感元件，具有穩(wěn)定性高、可靠性高、低功耗、不受噪音電壓波動干擾等優(yōu)點(diǎn)。

通過RS 485接口發(fā)送ModBus協(xié)議采集數(shù)據(jù)時，溫濕度變送器采用RS 485接口輸出數(shù)據(jù)、ModBus協(xié)議讀取數(shù)據(jù)。主控芯片采用半雙工模式的輪詢方式依次向溫濕度變送器發(fā)送指令，溫濕度變送器接收到指令后開始傳輸溫濕度值，主控芯片讀取溫濕度值。這種方式下主控芯片與溫濕度變送器具有低耦合性，溫濕度精度由變送器本身保證，變送器具有選擇范圍大、可替代性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 空調(diào)和調(diào)濕機(jī)控制模塊

空調(diào)控制模塊負(fù)責(zé)控制空調(diào)開啟制熱/制冷或停機(jī)的執(zhí)行單元，采用紅外遙控的方式對空調(diào)進(jìn)行啟停控制。空調(diào)控制模塊具有學(xué)習(xí)空調(diào)遙控器紅外線控制碼功能和四個發(fā)送紅外線控制碼功能，空調(diào)紅外線控制碼分別是開啟制熱、停止制熱、開啟制冷、停止制冷。在使用空調(diào)控制模塊前，需要對其進(jìn)行配置，學(xué)習(xí)指定品牌型號的空調(diào)遙控器的開啟制熱、停止制熱、開啟制冷、停止制冷對應(yīng)的紅外線控制碼。使用時，主控芯片向空調(diào)控制模塊發(fā)送指令；空調(diào)控制模塊收到指令后，通過紅外線發(fā)光二極管向空調(diào)發(fā)射相對應(yīng)的空調(diào)紅外線控制碼，空調(diào)開始工作?？照{(diào)控制模塊原理就是替代原有空調(diào)紅外線遙控器，增加RS 485通信接口，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

調(diào)濕機(jī)控制模塊采用RS 485繼電器模塊。首先對調(diào)濕機(jī)進(jìn)行改造，將繼電器的常開觸點(diǎn)分別焊接在調(diào)濕機(jī)電源按鍵的兩端，繼電器和電源按鍵形成并聯(lián)，繼電器和電源按鍵都可以獨(dú)立控制調(diào)濕機(jī)的啟停。主控芯片向調(diào)濕機(jī)控制模塊發(fā)送指令控制斷開/閉合繼電器，從而模擬人工操作調(diào)濕機(jī)電源按鍵的動作。

3.4 通信模塊

通信模塊是設(shè)備終端與物聯(lián)網(wǎng)云平臺之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵部件。通信模塊采用移遠(yuǎn)通信推出的LTE Cat1無線通信模組EC600S-CN，內(nèi)部集成MQTT通信協(xié)議，可直接配置物聯(lián)網(wǎng)云平臺的連接信息[6]。主控芯片通過USART接口連接EC600S-CN，使用較少的AT指令[6-7]就能完成與物聯(lián)網(wǎng)云平臺的連接、訂閱和發(fā)布數(shù)據(jù)操作。EC600S-CN簡單易用，能夠減少研發(fā)的難度，縮短研發(fā)周期。

3.5 軟件系統(tǒng)

GD32F205VET6單片機(jī)適用于Keil μVision4集成開發(fā)環(huán)境（IDE）編寫程序，IDE的使用有利于提高程序員的生產(chǎn)力，支持在線調(diào)試，可以更快、更有效地定位程序缺陷。本軟件系統(tǒng)采用多任務(wù)模式設(shè)計，內(nèi)核使用Keil μVision4中的RTX實(shí)時操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)、溫濕度監(jiān)控任務(wù)、屏幕交互任務(wù)。任務(wù)之間通過共享內(nèi)存變量實(shí)現(xiàn)通信，共享內(nèi)存變量可以降低任務(wù)之間的耦合度。軟件系統(tǒng)框架如圖3所示。

4 物聯(lián)網(wǎng)云平臺

物聯(lián)網(wǎng)云平臺負(fù)責(zé)完成設(shè)備終端和用戶終端之間的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)任務(wù)，是數(shù)據(jù)通信的樞紐。設(shè)備終端將檔案庫房內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)通過4G移動網(wǎng)絡(luò)實(shí)時發(fā)布到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，物聯(lián)網(wǎng)云平臺依據(jù)訂閱設(shè)備終端的規(guī)則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到用戶終端，用戶終端用同樣的方式將指令發(fā)送到設(shè)備終端。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺部署EMQX[8]。EMQX是開源可彈性伸縮的分布式物聯(lián)網(wǎng)MQTT消息服務(wù)器，單臺服務(wù)器支持每秒百萬級高性能，能夠低延時在設(shè)備終端和用戶終端之間可靠實(shí)時傳輸，并可提供接入身份認(rèn)證，能有效阻止非法終端的連接[9-10]。

5 用戶終端設(shè)計

用戶終端負(fù)責(zé)系統(tǒng)和用戶的交互，包括展示檔案庫房內(nèi)實(shí)時溫濕度，查詢歷史溫濕度數(shù)據(jù)、走勢圖、峰值圖，啟?？照{(diào)和調(diào)濕機(jī)等。為了減少用戶的經(jīng)費(fèi)投入，用戶終端采用桌面應(yīng)用程序。應(yīng)用程序界面如圖4所示。

應(yīng)用程序與物聯(lián)網(wǎng)云平臺通過互聯(lián)網(wǎng)建立連接，訂閱設(shè)備終端，獲取溫濕度值，對溫濕度值定時存儲和展示。應(yīng)用程序具有查看指定時間段歷史溫濕度數(shù)據(jù)，按月、天、時的時間粒度查看溫濕度的走勢圖和峰值圖，以及報表導(dǎo)出等功能。應(yīng)用程序主流程如圖5所示。

6 結(jié) 語

本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、移動通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的檔案庫房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含設(shè)備終端、物聯(lián)網(wǎng)云平臺和用戶終端，能對檔案庫房內(nèi)溫濕度進(jìn)行測量、采集、傳輸、存儲、分析和展示，能啟停空調(diào)和調(diào)濕機(jī)，調(diào)控檔案庫房內(nèi)溫度和濕度在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。相對于傳統(tǒng)管理模式，本系統(tǒng)能夠全天候自動化記錄、分析、調(diào)控，減少了管理員勞動量，對提高檔案庫房溫濕度達(dá)標(biāo)率、延長檔案的壽命起到了積極效果，具有很大的實(shí)際應(yīng)用價值。

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作者簡介：陳忠建（1979—），男，碩士，館員，研究方向?yàn)闄n案信息化。

袁 可（1983—），男，碩士，副研究館員，研究方向?yàn)闄n案保護(hù)。

廖勇軍（1974—），男，碩士，副研究館員，研究方向?yàn)闄n案信息化。