基于ARM的民族博物館環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

引言

我國(guó)眾多博物館、紀(jì)念館、考古機(jī)構(gòu)等珍藏的大量館藏 文物，是我國(guó)珍貴文化遺產(chǎn)的重要組成部分。加強(qiáng)博物館文 物保存環(huán)境監(jiān)控、調(diào)控、評(píng)價(jià)工作，預(yù)防性地從源頭上保護(hù) 珍貴文物，盡可能延續(xù)其壽命，是我國(guó)館藏文物保護(hù)科技十 分迫切、艱巨而長(zhǎng)期的任務(wù)。

通常博物館中都具有一套復(fù)雜的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，這類監(jiān) 控系統(tǒng)主要采用計(jì)算機(jī)復(fù)雜控制系統(tǒng)，存在系統(tǒng)龐大、成本 高等問題。設(shè)計(jì)一款低成本、運(yùn)行精確、人機(jī)友好的監(jiān)控 系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)民族博物館中環(huán)境的監(jiān)控與管理是本項(xiàng)目研 究的主要目標(biāo)。

1監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1總體硬件結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)需要對(duì)民族博物館內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、 顯示、存儲(chǔ)，并通過PID算法輸出相應(yīng)的控制量控制民族 博物館中的設(shè)備?？紤]到安裝普通傳感器后民族博物館內(nèi)線 路繁雜，移動(dòng)、維護(hù)不便，同時(shí)為便于工程應(yīng)用，通過基于 ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采集民族博物館內(nèi)各區(qū)域的實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)。針對(duì)上述需求，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、ARM9嵌入式監(jiān)控中心、執(zhí)行 單元、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。

ARM9嵌入式監(jiān)控中心負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示各個(gè)傳感器模塊的 數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)保存到Web服務(wù)器中以及控制執(zhí)行單元對(duì)環(huán)境 參數(shù)進(jìn)行控制。

1.2無(wú)線采集系統(tǒng)

無(wú)線采集系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)和傳感器模塊組 成。傳感器模塊安裝在終端節(jié)點(diǎn)板上，均勻散布在家具博物 館監(jiān)控區(qū)域內(nèi)。傳感器節(jié)點(diǎn)的主要功能包括光照強(qiáng)度、溫濕 度、繼電器的閉合、紅外感應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送。將采 集到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過ZigBee無(wú)線射頻模塊發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié) 調(diào)器通過COM 口與ARM9嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信，將采集到 的信息按照既定格式傳送到ARM9嵌入式監(jiān)控中心。

1.3 GPRS遠(yuǎn)程連接網(wǎng)絡(luò)

本系統(tǒng)中GPRS模塊采用華為的GTM900C。GTM900C 是一款雙頻900/1 800 MHz高度集成的GSM/GPRS模塊，是 GTM900B的升級(jí)模塊。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議模塊，使用簡(jiǎn)單、 易于集成。ARM9嵌入式監(jiān)控中心通過向GTM900C模塊發(fā) 送AT指令將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。

1.4嵌入式控制器

嵌入式開發(fā)板選用ARM9內(nèi)核的Micro2440,其核心板 是當(dāng)前應(yīng)用廣泛的芯片S3C2440,該開發(fā)板功耗低、功能強(qiáng)大、 價(jià)格適中、電氣性能及抗干擾性俱佳、運(yùn)行穩(wěn)定，可以滿足 該系統(tǒng)的要求。開發(fā)板上的串口 COM0直接與無(wú)線采集系 統(tǒng)中協(xié)調(diào)器的串口相連，作為數(shù)據(jù)輸入通道，COM1與GPR模塊的串口相連，作為數(shù)據(jù)的上傳通道。用戶 IO 擴(kuò)展接口 3上的 GPIO 口在該系統(tǒng)中作為數(shù)字量輸出使用，控制執(zhí)行單元對(duì)民族博物館中的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee 協(xié)調(diào)器與WinCE 操作系統(tǒng)間命令格式

以下是 ZigBee 協(xié)調(diào)器與 WinCE 操作系統(tǒng)間的命令格式：

該命令格式一幀共32 B,可以通過幀尾+幀長(zhǎng)度判斷結(jié) 束，因?yàn)槊恳粠际?2 B。其中：

命令頭：裝入命令。

地址：模塊的長(zhǎng)/短地址，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器都是以長(zhǎng)地址發(fā) 送的，而RFD或ROUTER發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器都是短地址, 后兩位為網(wǎng)絡(luò)地址。

數(shù)據(jù)：傳送各個(gè)參數(shù)，變量與返回值。

校驗(yàn)和：從命令頭到數(shù)據(jù)尾確定正確與否(加和校驗(yàn))

幀尾：一幀的結(jié)束。

以讀取博物館中指定地址節(jié)點(diǎn)的光照強(qiáng)度為例，表 1 給出了其讀取博物館中指定地址節(jié)點(diǎn)光照強(qiáng)度的具體描述。

它的工作流程是：當(dāng)嵌入式系統(tǒng)通過串口發(fā)送命令以后, 協(xié)調(diào)器通過串口接收命令，首先判斷是不是可用的命令，如果 可用，根據(jù)命令中的地址判斷嵌入式系統(tǒng)需要哪個(gè)節(jié)點(diǎn)的信 息，并向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，該節(jié)點(diǎn)通過對(duì)命令頭的判斷將對(duì)應(yīng) 傳感數(shù)據(jù)傳回協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器再將接收到的指定節(jié)點(diǎn)的 信息按既定格式發(fā)送給嵌入式系統(tǒng)。

GPRS遠(yuǎn)程通信

嵌入式監(jiān)控中心將采集到的數(shù)據(jù)通過RS232串口發(fā)送 到GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端；GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 成TCP/IP包發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，再經(jīng)過服務(wù)轉(zhuǎn)換進(jìn)入到 Internet ；遠(yuǎn)程監(jiān)控終端從Internet上獲取采集數(shù)據(jù)的TCP/IP 包后，通過程序?qū)⒉杉瘮?shù)據(jù)的TCP/IP包還原成采集數(shù)據(jù)，從 而完成了從采集現(xiàn)場(chǎng)通過GPRS和Internet傳輸數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程監(jiān) 控終端的整個(gè)通信過程。

在本系統(tǒng)中，需要利用TCP/ UDP協(xié)議來(lái)完成GPRS數(shù) 據(jù)包的發(fā)送。GTM900C模塊內(nèi)置TCP/ UDP協(xié)議，ARM9 嵌入式監(jiān)控中心向該模塊直接發(fā)送AT指令可建立TCP/ IP連 接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。其發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖2所示。

圖2數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

通過TCP連接到Internet網(wǎng)絡(luò)，其AT指令為：

AT + CIPSTART = "TCP”，“210. 30. 10. 65”，“2020”

發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)(以光照強(qiáng)度為例)的AT指令為：

AT + CIPSEND > &RAS0000000400GM032XXXXXXXXXXXX*

PID控制算法

根據(jù)家具博物館工作人員提出的要求：溫度17?21C, 相對(duì)濕度56?63%，光照強(qiáng)度50 lux。因?yàn)榫纫蟛皇翘?別高，所以監(jiān)控系統(tǒng)決定采用增量式PID控制算法實(shí)現(xiàn)家具 博物館中環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)。模擬控制系統(tǒng)的PID控制規(guī)律表 達(dá)式為：

A、B、C 都是與采樣周期、比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)有關(guān)的系數(shù) [10]。由實(shí)驗(yàn)測(cè)取最佳 A、B、C 的值，在程序中根據(jù)用戶設(shè)定的環(huán)境參數(shù)選擇合適的 PID 參數(shù)。

2.4 應(yīng)用程序開發(fā)

監(jiān)控軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能如表 2 所列。

系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要由數(shù)據(jù)采集顯示子程序和控制子程 序組成。數(shù)據(jù)采集顯示子程序流程圖如圖3所示。本系統(tǒng)首 先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后啟動(dòng)串口向協(xié)調(diào)器發(fā)送指令并接收 傳感器節(jié)點(diǎn)上傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)。

c開始D控制子程序流程圖如圖4所示，該程序可調(diào)用存儲(chǔ)器上 的數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值，得到當(dāng)前的溫濕度和 光照強(qiáng)度值，與設(shè)定值進(jìn)行比較，若超出設(shè)定范圍的上下限, 則啟動(dòng)家具博物館中的設(shè)備進(jìn)行調(diào)控。

3結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于ARM9嵌入式和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的民族 家具博物館環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，在WmCE操作系統(tǒng)的環(huán)境下設(shè)計(jì) 了相應(yīng)的應(yīng)用程序。實(shí)現(xiàn)了民族家具博物館內(nèi)溫濕度、光照強(qiáng) 度的實(shí)時(shí)采集、顯示和卷簾機(jī)、恒溫恒濕機(jī)等設(shè)備的自動(dòng)控制， 達(dá)到了自動(dòng)控制博物館內(nèi)溫濕度和光照強(qiáng)度的效果。經(jīng)測(cè)試 該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單實(shí)用、可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以應(yīng)用 于民族家具博物館中。

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