智慧圖書館智能節(jié)能減排系統(tǒng)

智慧圖書館智能節(jié)能減排系統(tǒng)

目錄

第一節(jié)概述........................................................................2

一、功能需求.................................................................2

二、關(guān)鍵技術(shù).................................................................3

第二節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì).................................................................4

一、ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)....................................4

二、ZigBee電路設(shè)計(jì)....................................................4

三、基于云計(jì)算的Zigbee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)...........................5

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第一節(jié)概述

一、功能需求

研究表明，讀者在一個(gè)溫度、濕度及照度值不適宜的環(huán)

境下，會(huì)有焦躁、壓抑的感覺(jué)，會(huì)產(chǎn)閱讀不適癥及厭學(xué)現(xiàn)象，

從而導(dǎo)致閱讀效率及學(xué)習(xí)效率低，并且長(zhǎng)時(shí)間高亮度照明，

造成的大量的電力資源的浪費(fèi)。實(shí)驗(yàn)表明，在室溫為22°C~

25°C、相對(duì)濕度為40%~60%RH、照度值在400~600LX的環(huán)境

下進(jìn)行閱讀活動(dòng)，有助于閱讀和提高學(xué)習(xí)效率。圖書館中濕

度及溫度的高低對(duì)書籍保存有一定的影響，如果長(zhǎng)期在高

溫、高濕度的環(huán)境下，會(huì)造成書籍紙張的發(fā)霉，如果長(zhǎng)期在

高溫、低濕度的環(huán)境下，會(huì)造成書籍老化，還有可能引發(fā)火

災(zāi)。查閱文獻(xiàn)得知，圖書館借閱區(qū)溫度控制在24°C±2°C，

相對(duì)濕度控制在45%~60%±5%，最為適宜。圖書館應(yīng)本著綠

色節(jié)能，為讀者創(chuàng)造舒適的閱讀環(huán)境的宗旨，對(duì)其功能進(jìn)行

分析，選擇合適的傳感器。選擇SHT11溫濕度傳感器對(duì)溫度、

相對(duì)濕度進(jìn)行采集；照度傳感器采集LED燈光、自然光強(qiáng)度；

微波紅外雙鑒探測(cè)器測(cè)量是否有人進(jìn)入，做到人進(jìn)燈亮，人

走燈滅；粉塵濃度傳感器采集粉塵密度數(shù)據(jù)；噪聲傳感器采

集噪聲。安裝在圖書館閱覽室的各個(gè)傳感器實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行

采集，數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送至云計(jì)算中心，云計(jì)算中

心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比。如果采集的

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數(shù)值在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)，則無(wú)需進(jìn)行調(diào)節(jié)；如果數(shù)值為在預(yù)設(shè)

值范圍內(nèi)，云計(jì)算中心則下達(dá)控制命令，命令相應(yīng)的終端(空

調(diào)、窗簾、燈光開關(guān)等)運(yùn)行，使環(huán)境指標(biāo)達(dá)到預(yù)設(shè)值。

二、關(guān)鍵技術(shù)

（一）ZigBee技術(shù)

ZigBee是由聯(lián)盟制定的一類基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。與其他幾種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相比，它

具有低功率、低成本、高容量、短時(shí)延的特點(diǎn)。ZigBee技術(shù)

不以單個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)揮作用，而是要組成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息通信。

ZigBee技術(shù)支持星型網(wǎng)絡(luò)、樹型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)三種拓?fù)?/p>

結(jié)構(gòu)，用戶可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。目前應(yīng)用最多的

為TI和飛思卡爾公司的產(chǎn)品，TI公司的應(yīng)用芯片通過(guò)

Z-STACK協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)協(xié)議規(guī)范，飛思卡爾的應(yīng)用芯片通過(guò)

BEE-STACK協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)協(xié)議規(guī)范。本系統(tǒng)應(yīng)用TI公司的

Z-STACK協(xié)議棧。

（二）云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算是基于互聯(lián)網(wǎng)的新一代的超級(jí)計(jì)算方式，其原理

是先將計(jì)算程序通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拆分成若干個(gè)子程序，再由多個(gè)處

理器組成的系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，然后將結(jié)果傳回。數(shù)據(jù)的計(jì)

算不是在本地計(jì)算機(jī)或者遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行，而是在許多分布

式計(jì)算機(jī)上，這樣用戶可以根據(jù)需要將資源轉(zhuǎn)換到需要的應(yīng)

用上，以更加廉價(jià)的成本得到更加便利的體驗(yàn)?；赯igBee

的智能圖書館環(huán)境感知系統(tǒng)中使用云計(jì)算及云處理技術(shù)，有

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利于更好的進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、挖掘與共享。

第二節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)智能圖書館環(huán)境感知系統(tǒng)的特點(diǎn)，本著低成本、高

精度的原則，設(shè)計(jì)了智能圖書館環(huán)境感知系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由一個(gè)主協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、若干個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)

及終端節(jié)點(diǎn)組成的樹狀網(wǎng)絡(luò)。ZigBee主協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)

絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組建；ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)

據(jù)的傳遞；終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)前端數(shù)據(jù)的采集與終端設(shè)備的執(zhí)

行。具體流程如下：終端采集節(jié)點(diǎn)感知圖書館閱覽室內(nèi)濕度、

溫度、照度、紅外、微波、粉塵及噪聲信號(hào)，信號(hào)經(jīng)路由器

節(jié)點(diǎn)傳遞到主協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳至云計(jì)算

及云存儲(chǔ)中心，云計(jì)算中心對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分

析、對(duì)比，通過(guò)預(yù)定的期望值實(shí)現(xiàn)對(duì)圖書館閱覽室的環(huán)境指

標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確控制及調(diào)節(jié)。用戶可以通過(guò)智能手機(jī)、電腦等終

端登錄到云中心平臺(tái)，對(duì)閱覽室進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制。

二、ZigBee電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由CC2530芯片、按鍵、

STM-32F103ZET6芯片、電源、時(shí)鐘、LED、射頻天線、衛(wèi)星

定位系統(tǒng)組成。通信模塊選用TI的CC2530F256芯片，該芯

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片集成了CC2530正常工作所有的外部電路。主協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

由CC2530F256發(fā)起并組建網(wǎng)絡(luò)，待網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完成并穩(wěn)定正

常工作后，終端節(jié)點(diǎn)開始采集終端數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)

發(fā)送給云計(jì)算及云儲(chǔ)存中心；電源模塊通過(guò)LM4128-2.5進(jìn)

行轉(zhuǎn)換，穩(wěn)壓通過(guò)LMV841MG；LCD采用2X16的液晶顯示模

塊。

在開闊的室外場(chǎng)地上，CC2530的最大傳輸距離為100

米，在閱覽室內(nèi)由于墻體和書架的阻擋，傳輸路徑會(huì)衰減，

從而導(dǎo)致傳輸距離的縮短，可能會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失或指令的

錯(cuò)誤。為增加路由器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳輸?shù)木嚯x，在原來(lái)的

CC2530模塊的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)CC2591模塊，增大了路由

器的發(fā)射功率，從而保證數(shù)據(jù)或指令傳輸?shù)挠行院桶踩?/p>

性。

終端節(jié)點(diǎn)電路跟主協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路類似，為降低能耗，

電源管理功能在終端節(jié)點(diǎn)未采集數(shù)據(jù)時(shí)關(guān)閉采集端口的電

源。終端節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行初始化，發(fā)送自己的節(jié)點(diǎn)信

息到控制中心，然后該終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入等待指令狀態(tài)并斷開采

集端口的電源。

三、基于云計(jì)算的Zigbee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)是一種協(xié)議轉(zhuǎn)換器，是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與云計(jì)算服務(wù)器數(shù)

據(jù)交流的橋梁，ZigBee采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

通信協(xié)議，而互聯(lián)網(wǎng)一般采用TCP/IP協(xié)議。ZigBee節(jié)點(diǎn)的

數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)對(duì)其進(jìn)行地址跟協(xié)議的轉(zhuǎn)換，重新封

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裝成TCP/IP數(shù)據(jù)發(fā)送給互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器；互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器發(fā)送

的數(shù)據(jù)也是有網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后發(fā)送給ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

Zigbee網(wǎng)關(guān)一般由三層組成，這三層由上到下依次為用

層、軟件層、硬件層。硬件層由控制器、ZigBee模塊、GPRS

模塊、按鍵及LED及存儲(chǔ)單元等組成?？刂破鳛檎麄€(gè)網(wǎng)關(guān)的

核心模塊，選取STM32F103ZET6芯片，配置512KBFlash和

64KBRAM，顯示部分采用2.8寸液晶顯示屏，GPRS模塊采用

SIM300，ZigBee模塊為主協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。軟件層由Z-stack

協(xié)議棧、底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)成。應(yīng)用層主要由STM32F103ZET6程序

及ZigBee程序構(gòu)成，涉及到ZigBee協(xié)議與TCP/IP協(xié)議。

在軟件層的ZigBee協(xié)議與TCP/IP協(xié)議上添加了地址適配層

和協(xié)議層，地址適配層將IP地址、Zigbee地址適配到應(yīng)用

地址來(lái)，協(xié)議層統(tǒng)一了應(yīng)用協(xié)議，規(guī)范節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換格

式，協(xié)議基本格式為：幀類型+節(jié)點(diǎn)序號(hào)+節(jié)點(diǎn)地址+節(jié)點(diǎn)狀

態(tài)+數(shù)據(jù)包+校驗(yàn)。

傳感器采集到節(jié)點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)后，節(jié)點(diǎn)根據(jù)協(xié)議層所規(guī)定

的協(xié)議格式向云計(jì)算中心發(fā)送節(jié)點(diǎn)濕度、溫度、照度、紅外、

微波、粉塵、噪聲信號(hào)、節(jié)點(diǎn)位置、記錄時(shí)刻等數(shù)據(jù)，云計(jì)

算中心如果接受到ZigBee網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息后，向網(wǎng)關(guān)

發(fā)送答復(fù)幀表明云計(jì)算中心已收到數(shù)據(jù)，如沒(méi)有收到云計(jì)算

中心的答復(fù)幀，則從新發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)發(fā)送到云計(jì)算中心的

信息，經(jīng)云計(jì)算中心的計(jì)算生成命令數(shù)據(jù)，命令數(shù)據(jù)由云計(jì)

算中心根據(jù)規(guī)定的協(xié)議格式發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，命令數(shù)據(jù)包括命令

節(jié)點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置命令。云計(jì)算中心命令數(shù)據(jù)被