林凱宏 羅梓杰等

摘 要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)博物館的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚不普及，無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能博物館的現(xiàn)狀，文章提出了一套基于ZigBee的博物館監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由節(jié)點(diǎn)部分和終端處理部分結(jié)合ZigBee無(wú)線通信技術(shù)組成，可對(duì)館內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化和人員流動(dòng)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，既減輕工作人員的工作強(qiáng)度，又減少了人力成本支出，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代博物館的人性化監(jiān)測(cè)和智能化管理。

關(guān)鍵詞：ZigBee；博物館；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

引言

博物館在文物的宣傳，研究，收藏和文化遺產(chǎn)的保護(hù)中發(fā)揮著重要作用。如何有效地監(jiān)控館內(nèi)游客分布位置，控制館內(nèi)參觀人數(shù)及監(jiān)測(cè)內(nèi)部環(huán)境參數(shù)變化，以確保館藏展品安全，成為博物館亟需解決的問(wèn)題，然而在國(guó)內(nèi)尚少見(jiàn)到有關(guān)解決方案[1]，因此文章提出一種基于ZigBee博物館監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的解決思路。

1 系統(tǒng)整體框架

基于ZigBee的博物館監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由節(jié)點(diǎn)部分和終端處理部分組成：節(jié)點(diǎn)部分包括：ZigBee節(jié)點(diǎn)（下位機(jī)）、ZigBee協(xié)調(diào)器和智能手環(huán)。終端處理部分包括：監(jiān)控軟件（上位機(jī)）、監(jiān)控端PC機(jī)、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)、加密軟件和身份證識(shí)別儀。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

2 節(jié)點(diǎn)部分設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)（下位機(jī)）

ZigBee節(jié)點(diǎn)（下位機(jī)）包括ZigBee無(wú)線射頻模塊、語(yǔ)音芯片、光敏傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、噪聲檢測(cè)單元、工作狀態(tài)指示燈、查詢(xún)模塊[2]。每個(gè)下位機(jī)具有標(biāo)識(shí)其所處位置的地區(qū)編碼，可視為錨節(jié)點(diǎn)。

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器

ZigBee協(xié)調(diào)器用于構(gòu)建ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與網(wǎng)內(nèi)監(jiān)控端PC機(jī)通訊，當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器借助網(wǎng)關(guān)協(xié)議連接至Internet，則Internet中的上位機(jī)可以與ZigBee網(wǎng)絡(luò)中任意一臺(tái)下位機(jī)進(jìn)行通訊。

2.3 智能手環(huán)

智能手環(huán)作為一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，其環(huán)體由ZigBee射頻芯片、電源、LED指示燈及緊急呼叫按鈕構(gòu)成；可主動(dòng)向下位機(jī)發(fā)送信號(hào)；上位機(jī)將未確定位置的智能手環(huán)視為未知節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)RSSI測(cè)距算法及質(zhì)心定位模型確定位置[3]，具體步驟如下：

步驟一：在未知節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的情況下，錨節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的接收功率，計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，再通過(guò)RSSI測(cè)距算法將傳播損耗轉(zhuǎn)換為距離，在自由空間中距離發(fā)射r處的錨節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度由以下公式給出：

Pr（r）=（1-ζ）Ptλ2/（4π）2r2L

其中Pt為未知節(jié)點(diǎn)發(fā)射RSSI信號(hào)功率（單位：w）；Pr（r）為距離r處的錨節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)功率（單位：w）；ζ是信號(hào)衰弱指數(shù)，其大小取決于傳播環(huán)境；r是距離（單位：m）；L是與傳播無(wú)關(guān)的系統(tǒng)損耗因子；λ是波長(zhǎng)（單位：m）。

已知接收RSSI的值，則利用以下公式即可計(jì)算收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的距離r：

r=■

將能夠收到某一未知節(jié)點(diǎn)發(fā)射的RSSI值的若干錨節(jié)點(diǎn)n1、n2、…、nm按照RSSI值從大到小排序，則相對(duì)應(yīng)收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的距離為r1、r2、…、rm。

步驟二：選取錨節(jié)點(diǎn)n1、n2、n3用于建立質(zhì)心定位模型：根據(jù)RSSI測(cè)距算法得到該未知節(jié)點(diǎn)到3個(gè)被選取的錨節(jié)點(diǎn)的距離r1、r2、r3，則此未知節(jié)點(diǎn)位于以被選取的任一錨節(jié)點(diǎn)為球心，以距離ri（i表示排序的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)）為半徑的球上；為減少處理量，此處以二維平面圓代替球。

設(shè)3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為A（xa，ya），B（xb，yb），C（xc，yc），未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為（xi，yi），以A，B，C為圓心，依次以r1，r2，r3為半徑畫(huà)圓，可得到3個(gè)圓的交疊區(qū)域，并且該區(qū)域的邊界弧線分別兩兩相交于E（x1，y1），F(xiàn)（x2，y2），G（x3，y3），則有：

求得E、F、G三點(diǎn)的坐標(biāo)值，則未知節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為E、F、G三點(diǎn)坐標(biāo)的平均值H，即：

步驟三：為減小誤差，重復(fù)步驟二x次。

步驟四：將步驟三每次所得位置區(qū)域進(jìn)行重疊，并將重疊次數(shù)最多的點(diǎn)或者面判斷為該時(shí)間段內(nèi)未知節(jié)點(diǎn)最終瞬時(shí)位置。

步驟五：將該未知節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)位置在監(jiān)控軟件構(gòu)建的虛擬立體建筑進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

智能手環(huán)定位算法流程如圖2所示，質(zhì)心定位模型如圖3所示。

3 終端處理部分

3.1 監(jiān)控軟件

監(jiān)控軟件（上位機(jī)）可對(duì)ZigBee協(xié)調(diào)器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器給予各節(jié)點(diǎn)反饋命令，同時(shí)發(fā)給后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存檔備案；上位機(jī)的圖形用戶界面（GUI）負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行人機(jī)交互。監(jiān)控軟件作為操作平臺(tái)，具備三維立體空間模擬、顯示各個(gè)下位機(jī)節(jié)點(diǎn)位置和狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)瀏覽、節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān)等功能。

3.2 其他軟硬件部分

監(jiān)控端PC機(jī)是人對(duì)全部下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控、管理的硬件平臺(tái)，監(jiān)控軟件運(yùn)行在此平臺(tái)上。而后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL搭建，用于接收和存儲(chǔ)游客身份證號(hào)碼和對(duì)應(yīng)智能手環(huán)特征碼，以及對(duì)上位機(jī)的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔備案。

加密軟件采用多線程抽取算法模擬隨機(jī)抽數(shù)：運(yùn)行時(shí)程序多線程進(jìn)行并行抽取，并將抽取出來(lái)的若干數(shù)值采用MD5算法生成對(duì)應(yīng)特征碼。

4 系統(tǒng)工作整體流程

下位機(jī)將記錄該特定場(chǎng)合的正常環(huán)境參數(shù)并實(shí)時(shí)檢測(cè)，若超出預(yù)讀取的閥值所允許范圍，則用人性化語(yǔ)音進(jìn)行提示。傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)外部環(huán)境中的信息數(shù)據(jù)后，由下位機(jī)上的無(wú)線射頻模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀、幀校驗(yàn)、加密、發(fā)送的處理，再匯聚到ZigBee協(xié)調(diào)器。

ZigBee協(xié)調(diào)器在接收完下位機(jī)處理過(guò)的數(shù)據(jù)后，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī)。操作人員在上位機(jī)上可以看到下位機(jī)的狀態(tài)及所在位置的環(huán)境信息，同時(shí)通過(guò)GUI發(fā)送控制指令給下位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

當(dāng)游客進(jìn)入博物館時(shí)，工作人員借助身份證識(shí)別儀提取游客的身份證號(hào)碼，通過(guò)加密軟件生成的特征碼和若干個(gè)智能手環(huán)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，同時(shí)發(fā)送給后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，上位機(jī)記錄該智能手環(huán)的特征碼以及對(duì)應(yīng)身份證號(hào)碼，完成智能手環(huán)特征碼的固化和個(gè)人信息備案。手環(huán)固化后開(kāi)始工作并發(fā)放給參觀的游客，在消除特征碼后停止工作。

根據(jù)每個(gè)智能手環(huán)的特征值，并配合后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)和下位機(jī)內(nèi)置的查詢(xún)模塊可快速查找某身份證對(duì)應(yīng)的智能手環(huán)位置，并在監(jiān)控軟件構(gòu)建的虛擬立體建筑進(jìn)行標(biāo)識(shí)顯示。當(dāng)游客遇到緊急情況時(shí)，可按下智能手環(huán)上的緊急呼叫按鈕，智能手環(huán)會(huì)主動(dòng)向下位機(jī)發(fā)射求助信息并傳遞給上位機(jī)。上位機(jī)操作人員在接收到請(qǐng)求后可調(diào)出該智能手環(huán)所在位置，并聯(lián)系該區(qū)域附近的工作人員幫助該游客。前臺(tái)PC機(jī)操作人員可根據(jù)監(jiān)控軟件監(jiān)測(cè)到的智能手環(huán)數(shù)判斷是否放入下一批游客，更好地調(diào)控參觀人數(shù)。博物館出口處設(shè)有一個(gè)下位機(jī)，以檢測(cè)離開(kāi)游客身上是否攜帶有智能手環(huán)，從而回收智能手環(huán)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)在研究和總結(jié)國(guó)內(nèi)外基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)的基礎(chǔ)上，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的博物館監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)該平臺(tái)對(duì)館內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化和人員流動(dòng)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高現(xiàn)代博物館的人性化監(jiān)測(cè)和智能化管理水平。

參考文獻(xiàn)

[1]周迪，姚燕，徐德龍，等.文物安防系統(tǒng)[J].中國(guó)新通信，2013（2）：7-9.

[2]王長(zhǎng)清，岳新偉.基于ZigBee技術(shù)的博物館藏品微環(huán)境檢測(cè)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，40（3）：34-37.

[3]張慶華，施偉斌.基于ZigBee技術(shù)的博物館內(nèi)人員定位系統(tǒng)的研究[J].光學(xué)儀器，2012，34（1）：81-84.

作者簡(jiǎn)介：林凱宏，廣東技術(shù)師范學(xué)院。