圖書館腳踩遮陽(yáng)裝置設(shè)計(jì)及環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

趙飛+王世明+李晴+高潤(rùn)

摘 要：獨(dú)立設(shè)計(jì)一種通過腳踩進(jìn)行控制的遮陽(yáng)裝置，方便在圖書館等公共場(chǎng)所應(yīng)用，使身體原因?qū)е碌臍埣踩藷o(wú)法獨(dú)立完成遮陽(yáng)裝置的開啟與關(guān)閉成為可能。同時(shí)，基于ZigBeePro2007無(wú)線組網(wǎng)協(xié)議，結(jié)合高校圖書館有別于其他建筑對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)的特殊需求，提出通過ZigBee+GPRS的模式實(shí)現(xiàn)圖書館環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從硬件和軟件兩方面完成了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：遮陽(yáng)裝置；環(huán)境監(jiān)測(cè)；ZigBee；GPRS

中圖分類號(hào)：TU226 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.013

高校圖書館作為21世紀(jì)辦學(xué)的三大支柱之一，承擔(dān)著保存珍貴書籍文獻(xiàn)和為學(xué)生們提供學(xué)習(xí)閱讀的重要使命。影響圖書館書籍保存的因素很多，其中最重要的是環(huán)境因素（溫度、濕度、光照度等）。對(duì)于圖書館藏書室內(nèi)的最佳溫度為18～22 ℃，最佳環(huán)境相對(duì)濕度在60%～65%之間。閱覽室的照度以75～100 Lux為宜。環(huán)境學(xué)的研究證實(shí)，人腦的智力活動(dòng)與環(huán)境的各種因素有著很大的關(guān)系，因此有必要在圖書館中建立一套環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度、濕度和光照度等環(huán)境數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)定閾值進(jìn)行智能反饋。

然而，在眾多高校圖書館中，均無(wú)為殘疾同學(xué)設(shè)置的獨(dú)立區(qū)域，同時(shí)，由于圖書館較為依賴光照，相應(yīng)的卻沒有可供殘疾同學(xué)獨(dú)立操作的遮陽(yáng)裝置。因此，筆者自主設(shè)計(jì)了一種方便殘疾同學(xué)操作的遮陽(yáng)裝置，方便其在自主閱讀及學(xué)習(xí)中，根據(jù)自身需求獨(dú)立改變周圍環(huán)境，體現(xiàn)了對(duì)殘疾學(xué)生的人文關(guān)懷理念。

1 腳踩遮陽(yáng)裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)第六次全國(guó)人口普查統(tǒng)計(jì)，至2010年末，中國(guó)肢體殘疾達(dá)到2 472萬(wàn)人，但尚無(wú)一種公共場(chǎng)所的遮陽(yáng)裝置是專為其設(shè)計(jì)使用。最常見的遮陽(yáng)裝置是窗簾，但對(duì)于在圖書館等公共場(chǎng)所，窗簾的開關(guān)對(duì)殘疾人非常不方便?，F(xiàn)有技術(shù)中也出現(xiàn)了百葉窗形式的遮陽(yáng)裝置，但一般仍然需要用手轉(zhuǎn)動(dòng)或拉動(dòng)操作桿（繩）來控制百葉窗的開閉，操作者需要站立起來，走到百葉窗跟前，用手對(duì)百葉窗進(jìn)行開閉操作，仍然十分不方便。

本文中設(shè)計(jì)的腳踩遮陽(yáng)裝置，通過腳踩的方式，實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)裝置的開閉。腳踩式遮陽(yáng)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，腳踏板帶動(dòng)其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鏈條1轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈條1帶動(dòng)大齒輪4轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪4通過聯(lián)動(dòng)軸15，帶動(dòng)小齒輪5同步轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪5與搖臂齒輪8嚙合，進(jìn)而帶動(dòng)搖臂齒輪8轉(zhuǎn)動(dòng)，搖臂齒輪8以曲柄銷通過搖臂滑塊，使搖臂7擺動(dòng)，搖臂7一頭通過螺桿Ⅱ10與擋板9連接，另一頭與滑枕6活動(dòng)連接，使滑枕6往復(fù)運(yùn)動(dòng)，滑枕6與球頭連桿2連接，帶動(dòng)通過軸承14連接在外框12上的多個(gè)遮陽(yáng)板13往復(fù)開關(guān)動(dòng)作。

2 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)介紹

傳統(tǒng)的圖書館環(huán)境數(shù)據(jù)多是人工采集的，包括數(shù)字式的溫濕度計(jì)、光照度儀等。國(guó)外早在20世紀(jì)80年代就開始對(duì)溫濕度控制技術(shù)進(jìn)行研究，基于RS485總線的有線檢測(cè)技術(shù)則需要布設(shè)大量的傳輸線路，并且對(duì)設(shè)備進(jìn)行集中供電，在經(jīng)濟(jì)性和靈活性方面都存在一些問題。現(xiàn)存的技術(shù)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)正在向自動(dòng)化、無(wú)人化方向發(fā)展，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)正好具備了這些功能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。常見的無(wú)線通信協(xié)議的技術(shù)指標(biāo)匯總?cè)绫?所示。

ZigBee技術(shù)屬于無(wú)線傳輸技術(shù)中的一種協(xié)議，具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、低成本、可靠、安全的特點(diǎn)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。因此，結(jié)合圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)的特殊需求，提出以ZigBee+GPRS技術(shù)的監(jiān)測(cè)方案，從硬件和軟件兩方面完成了高校圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能是長(zhǎng)期、高效地在線監(jiān)測(cè)和傳輸相關(guān)參數(shù)。在總體方案的設(shè)計(jì)中，首先需要考慮高校圖書館的環(huán)境特點(diǎn)、監(jiān)測(cè)布局和網(wǎng)絡(luò)體系建構(gòu)等來確定參數(shù)、硬件和傳輸設(shè)定等，再結(jié)合各個(gè)硬件模塊和傳輸協(xié)議的設(shè)定設(shè)計(jì)軟件監(jiān)測(cè)部分。以上海海洋大學(xué)圖文信息中心作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，基于ZigBee+GPRS網(wǎng)絡(luò)的圖書館環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由高精度溫濕度、照度三合一無(wú)線傳感器組成的設(shè)備層，ZigBee/GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)組成的控制層和基于IAR Embedded Workbench 8051開發(fā)的用戶層組成，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)組成和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，所涉及的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要由處理器模塊和數(shù)據(jù)采集模塊組成。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，處理器模塊以CC2530無(wú)線微處理器模塊為核心，并配上不同的擴(kuò)展模塊。它能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8-KB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。

數(shù)據(jù)采集功能通過傳感器實(shí)現(xiàn)，采用溫濕度、光照度一體式。選用電容式溫濕度傳感器AW3010，配以穩(wěn)定、可靠信號(hào)處理電路，將環(huán)境中的溫度與濕度轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，具有響應(yīng)速度快、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、單片機(jī)校準(zhǔn)輸出等特點(diǎn)。溫度測(cè)量范圍是-40～80 ℃，濕度測(cè)量范圍是0%～100% RH.光照度傳感器選用TSL2561，測(cè)量范圍是0～70 kLUX，風(fēng)速傳感器量程為0～60 m/s，工作頻段是無(wú)線2 400～2 480 MHz，ISM全球免費(fèi)頻段，傳感器最大功耗只有170 mW，靜態(tài)時(shí)功耗為0.05 mW。無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框架如圖4所示。

4.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心，它負(fù)責(zé)ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互，需要有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。主控處理器采用32位ARM7微控制器LPC2210，射頻芯片采用MC13192，兩者通過SPI接口相連接。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，GPRS模塊選用SIMCOM公司內(nèi)置TCP/IP協(xié)議的SIM100，與LPC2210通過RS-232接口連接，直接使用AT命令即可實(shí)現(xiàn)Internet連接。

5 基于ZigBee技術(shù)的圖書館監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本次實(shí)驗(yàn)選在上海海洋大學(xué)圖文信息中心一樓和二樓閱覽室，如圖5所示。將該網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)布置在閱覽室的合適位置，所有節(jié)點(diǎn)模塊都掛上溫濕度、光照度等傳感器。終端節(jié)點(diǎn)每隔1 min采集一次數(shù)據(jù)，間隔時(shí)間長(zhǎng)短也可以根據(jù)管理員需求進(jìn)行編寫，如圖6所示。同時(shí)，通過將ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS技術(shù)結(jié)合，采集的數(shù)據(jù)一旦超過設(shè)置的閾值，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，如圖7所示。

6 結(jié)論

本文在上海海洋大學(xué)圖文信息中心基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選取了傳感設(shè)備，并確定以ZigBee+GPRS協(xié)調(diào)為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。系統(tǒng)從2015-07開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)包括環(huán)境參數(shù)采集測(cè)試、監(jiān)測(cè)軟件記錄和報(bào)警測(cè)試等。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，表明系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，為在高校圖書館中進(jìn)行推廣應(yīng)用、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集等方面打下了良好的基礎(chǔ)。

同時(shí)，本文為高校中的特殊群體——?dú)埣矊W(xué)生設(shè)計(jì)了一種能夠在圖書館獨(dú)立操作的腳踩遮陽(yáng)裝置，后期將獨(dú)立對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)性和使用特性進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，為相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)提供了新的側(cè)重點(diǎn)，體現(xiàn)了對(duì)高校殘疾學(xué)生的人文關(guān)懷。

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〔編輯：王霞〕