智慧图书馆智能节能减排系统

智慧图书馆智能节能减排系统

目录

第一节概述........................................................................2

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

二、关键技术.................................................................3

第二节系统设计.................................................................4

一、ZigBee网络拓扑结构设计....................................4

二、ZigBee电路设计....................................................4

三、基于云计算的Zigbee网关设计...........................5

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第一节概述

一、功能需求

研究表明，读者在一个温度、湿度及照度值不适宜的环

境下，会有焦躁、压抑的感觉，会产阅读不适症及厌学现象，

从而导致阅读效率及学习效率低，并且长时间高亮度照明，

造成的大量的电力资源的浪费。实验表明，在室温为22°C~

25°C、相对湿度为40%~60%RH、照度值在400~600LX的环境

下进行阅读活动，有助于阅读和提高学习效率。图书馆中湿

度及温度的高低对书籍保存有一定的影响，如果长期在高

温、高湿度的环境下，会造成书籍纸张的发霉，如果长期在

高温、低湿度的环境下，会造成书籍老化，还有可能引发火

灾。查阅文献得知，图书馆借阅区温度控制在24°C±2°C，

相对湿度控制在45%~60%±5%，最为适宜。图书馆应本着绿

色节能，为读者创造舒适的阅读环境的宗旨，对其功能进行

分析，选择合适的传感器。选择SHT11温湿度传感器对温度、

相对湿度进行采集；照度传感器采集LED灯光、自然光强度；

微波红外双鉴探测器测量是否有人进入，做到人进灯亮，人

走灯灭；粉尘浓度传感器采集粉尘密度数据；噪声传感器采

集噪声。安装在图书馆阅览室的各个传感器实时对数据进行

采集，数据经GPRS无线网络传送至云计算中心，云计算中

心对数据进行分析处理，并与预设值进行对比。如果采集的

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数值在预设值范围内，则无需进行调节；如果数值为在预设

值范围内，云计算中心则下达控制命令，命令相应的终端(空

调、窗帘、灯光开关等)运行，使环境指标达到预设值。

二、关键技术

（一）ZigBee技术

ZigBee是由联盟制定的一类基于IEEE802.15.4标准的

无线网络通信协议。与其他几种无线网络通信技术相比，它

具有低功率、低成本、高容量、短时延的特点。ZigBee技术

不以单个节点发挥作用，而是要组成网络实现信息通信。

ZigBee技术支持星型网络、树型网络和网状型网络三种拓扑

结构，用户可以根据需要选择相应的结构。目前应用最多的

为TI和飞思卡尔公司的产品，TI公司的应用芯片通过

Z-STACK协议栈实现协议规范，飞思卡尔的应用芯片通过

BEE-STACK协议栈实现协议规范。本系统应用TI公司的

Z-STACK协议栈。

（二）云计算技术

云计算是基于互联网的新一代的超级计算方式，其原理

是先将计算程序通过网络拆分成若干个子程序，再由多个处

理器组成的系统进行计算分析，然后将结果传回。数据的计

算不是在本地计算机或者远程服务器进行，而是在许多分布

式计算机上，这样用户可以根据需要将资源转换到需要的应

用上，以更加廉价的成本得到更加便利的体验。基于ZigBee

的智能图书馆环境感知系统中使用云计算及云处理技术，有

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利于更好的进行数据的处理、挖掘与共享。

第二节系统设计

一、ZigBee网络拓扑结构设计

根据智能图书馆环境感知系统的特点，本着低成本、高

精度的原则，设计了智能图书馆环境感知系统ZigBee网络

拓扑结构，该结构由一个主协调器节点、若干个路由器节点

及终端节点组成的树状网络。ZigBee主协调器节点是整个网

络的核心，负责整个网络的组建；ZigBee路由器节点负责数

据的传递；终端节点负责前端数据的采集与终端设备的执

行。具体流程如下：终端采集节点感知图书馆阅览室内湿度、

温度、照度、红外、微波、粉尘及噪声信号，信号经路由器

节点传递到主协调器节点，然后经GPRS网络上传至云计算

及云存储中心，云计算中心对传感器采集到的数据进行分

析、对比，通过预定的期望值实现对图书馆阅览室的环境指

标进行准确控制及调节。用户可以通过智能手机、电脑等终

端登录到云中心平台，对阅览室进行远程监控及控制。

二、ZigBee电路设计

本系统的主协调器节点由CC2530芯片、按键、

STM-32F103ZET6芯片、电源、时钟、LED、射频天线、卫星

定位系统组成。通信模块选用TI的CC2530F256芯片，该芯

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片集成了CC2530正常工作所有的外部电路。主协调器节点

由CC2530F256发起并组建网络，待网络建设完成并稳定正

常工作后，终端节点开始采集终端数据，并将采集的数据经

发送给云计算及云储存中心；电源模块通过LM4128-2.5进

行转换，稳压通过LMV841MG；LCD采用2X16的液晶显示模

块。

在开阔的室外场地上，CC2530的最大传输距离为100

米，在阅览室内由于墙体和书架的阻挡，传输路径会衰减，

从而导致传输距离的缩短，可能会造成数据的丢失或指令的

错误。为增加路由器节点的无线传输的距离，在原来的

CC2530模块的基础上增加了一个CC2591模块，增大了路由

器的发射功率，从而保证数据或指令传输的有效性和安全

性。

终端节点电路跟主协调器节点电路类似，为降低能耗，

电源管理功能在终端节点未采集数据时关闭采集端口的电

源。终端节点启动后，首先进行初始化，发送自己的节点信

息到控制中心，然后该终端节点进入等待指令状态并断开采

集端口的电源。

三、基于云计算的Zigbee网关设计

网关是一种协议转换器，是无线网络与云计算服务器数

据交流的桥梁，ZigBee采用IEEE802.15.4标准的无线网络

通信协议，而互联网一般采用TCP/IP协议。ZigBee节点的

数据发送到网关，网关对其进行地址跟协议的转换，重新封

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装成TCP/IP数据发送给互联网服务器；互联网服务器发送

的数据也是有网关进行转换，然后发送给ZigBee网络。

Zigbee网关一般由三层组成，这三层由上到下依次为用

层、软件层、硬件层。硬件层由控制器、ZigBee模块、GPRS

模块、按键及LED及存储单元等组成。控制器为整个网关的

核心模块，选取STM32F103ZET6芯片，配置512KBFlash和

64KBRAM，显示部分采用2.8寸液晶显示屏，GPRS模块采用

SIM300，ZigBee模块为主协调器节点。软件层由Z-stack

协议栈、底层驱动构成。应用层主要由STM32F103ZET6程序

及ZigBee程序构成，涉及到ZigBee协议与TCP/IP协议。

在软件层的ZigBee协议与TCP/IP协议上添加了地址适配层

和协议层，地址适配层将IP地址、Zigbee地址适配到应用

地址来，协议层统一了应用协议，规范节点间的数据交换格

式，协议基本格式为：帧类型+节点序号+节点地址+节点状

态+数据包+校验。

传感器采集到节点环境数据后，节点根据协议层所规定

的协议格式向云计算中心发送节点湿度、温度、照度、红外、

微波、粉尘、噪声信号、节点位置、记录时刻等数据，云计

算中心如果接受到ZigBee网关发送的数据信息后，向网关

发送答复帧表明云计算中心已收到数据，如没有收到云计算

中心的答复帧，则从新发送数据。网关发送到云计算中心的

信息，经云计算中心的计算生成命令数据，命令数据由云计

算中心根据规定的协议格式发送到网关，命令数据包括命令

节点当前状态、参数设置命令。云计算中心命令数据被