智慧图书馆智能节能减排系统

第一节概述 1一、功能需求 1二、关键技术 2第二节系统设计 3一、ZigBee网络拓扑结构设计 3二、ZigBee电路设计 4三、基于云计算的Zigbee网关设计 5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Z