基于ARM的民族博物馆环境监控系统的设计和应用

引言

我国众多博物馆、纪念馆、考古机构等珍藏的大量馆藏 文物，是我国珍贵文化遗产的重要组成部分。加强博物馆文 物保存环境监控、调控、评价工作，预防性地从源头上保护 珍贵文物，尽可能延续其寿命，是我国馆藏文物保护科技十 分迫切、艰巨而长期的任务。

通常博物馆中都具有一套复杂的环境监控系统，这类监 控系统主要采用计算机复杂控制系统，存在系统庞大、成本 高等问题。设计一款低成本、运行精确、人机友好的监控 系统，以实现对民族博物馆中环境的监控与管理是本项目研 究的主要目标。

1监控系统硬件设计

1.1总体硬件结构

监控系统需要对民族博物馆内环境参数进行实时采集、 显示、存储，并通过PID算法输出相应的控制量控制民族 博物馆中的设备。考虑到安装普通传感器后民族博物馆内线 路繁杂，移动、维护不便，同时为便于工程应用，通过基于 ZigBee技术的无线传感网络采集民族博物馆内各区域的实时 数据。针对上述需求，该系统设计结构如图1所示。包括 无线传感器节点、协调器节点、ARM9嵌入式监控中心、执行 单元、远程监控终端。

ARM9嵌入式监控中心负责实时显示各个传感器模块的 数据、将数据保存到Web服务器中以及控制执行单元对环境 参数进行控制。

1.2无线采集系统

无线采集系统由协调器节点、终端节点和传感器模块组 成。传感器模块安装在终端节点板上，均匀散布在家具博物 馆监控区域内。传感器节点的主要功能包括光照强度、温湿 度、继电器的闭合、红外感应的数据采集和数据发送。将采 集到的环境数据通过ZigBee无线射频模块发送给协调器。协 调器通过COM 口与ARM9嵌入式系统实现通信，将采集到 的信息按照既定格式传送到ARM9嵌入式监控中心。

1.3 GPRS远程连接网络

本系统中GPRS模块采用华为的GTM900C。GTM900C 是一款双频900/1 800 MHz高度集成的GSM/GPRS模块，是 GTM900B的升级模块。内嵌TCP/IP协议模块，使用简单、 易于集成。ARM9嵌入式监控中心通过向GTM900C模块发 送AT指令将数据传送到远程监控终端。

1.4嵌入式控制器

嵌入式开发板选用ARM9内核的Micro2440,其核心板 是当前应用广泛的芯片S3C2440,该开发板功耗低、功能强大、 价格适中、电气性能及抗干扰性俱佳、运行稳定，可以满足 该系统的要求。开发板上的串口 COM0直接与无线采集系 统中协调器的串口相连，作为数据输入通道，COM1与GPR模块的串口相连，作为数据的上传通道。用户 IO 扩展接口 3上的 GPIO 口在该系统中作为数字量输出使用，控制执行单元对民族博物馆中的环境参数进行调控。

2 监控系统软件设计

2.1 ZigBee 协调器与WinCE 操作系统间命令格式

以下是 ZigBee 协调器与 WinCE 操作系统间的命令格式：

该命令格式一帧共32 B,可以通过帧尾+帧长度判断结 束，因为每一帧都是32 B。其中：

命令头：装入命令。

地址：模块的长/短地址，网络协调器都是以长地址发 送的，而RFD或ROUTER发送给网络协调器都是短地址, 后两位为网络地址。

数据：传送各个参数，变量与返回值。

校验和：从命令头到数据尾确定正确与否(加和校验)

帧尾：一帧的结束。

以读取博物馆中指定地址节点的光照强度为例，表 1 给出了其读取博物馆中指定地址节点光照强度的具体描述。

它的工作流程是：当嵌入式系统通过串口发送命令以后, 协调器通过串口接收命令，首先判断是不是可用的命令，如果 可用，根据命令中的地址判断嵌入式系统需要哪个节点的信 息，并向该节点发送命令，该节点通过对命令头的判断将对应 传感数据传回协调器，然后协调器再将接收到的指定节点的 信息按既定格式发送给嵌入式系统。

GPRS远程通信

嵌入式监控中心将采集到的数据通过RS232串口发送 到GPRS数据传输终端；GPRS数据传输终端将数据转换 成TCP/IP包发送到GPRS网络上，再经过服务转换进入到 Internet ；远程监控终端从Internet上获取采集数据的TCP/IP 包后，通过程序将采集数据的TCP/IP包还原成采集数据，从 而完成了从采集现场通过GPRS和Internet传输数据到远程监 控终端的整个通信过程。

在本系统中，需要利用TCP/ UDP协议来完成GPRS数 据包的发送。GTM900C模块内置TCP/ UDP协议，ARM9 嵌入式监控中心向该模块直接发送AT指令可建立TCP/ IP连 接实现数据传输。其发送数据的流程图如图2所示。

图2数据发送流程图

通过TCP连接到Internet网络，其AT指令为：

AT + CIPSTART = "TCP”，“210. 30. 10. 65”，“2020”

发送传感器数据(以光照强度为例)的AT指令为：

AT + CIPSEND > &RAS0000000400GM032XXXXXXXXXXXX*

PID控制算法

根据家具博物馆工作人员提出的要求：温度17〜21C, 相对湿度56〜63%，光照强度50 lux。因为精度要求不是特 别高，所以监控系统决定采用增量式PID控制算法实现家具 博物馆中环境参数的调节。模拟控制系统的PID控制规律表 达式为：

A、B、C 都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数 [10]。由实验测取最佳 A、B、C 的值，在程序中根据用户设定的环境参数选择合适的 PID 参数。

2.4 应用程序开发

监控软件主要实现的功能如表 2 所列。

系统的应用程序主要由数据采集显示子程序和控制子程 序组成。数据采集显示子程序流程图如图3所示。本系统首 先对系统进行初始化，然后启动串口向协调器发送指令并接收 传感器节点上传到协调器节点的数据，进行实时显示和数据存 储。

c开始D控制子程序流程图如图4所示，该程序可调用存储器上 的数据，计算各个节点数据的平均值，得到当前的温湿度和 光照强度值，与设定值进行比较，若超出设定范围的上下限, 则启动家具博物馆中的设备进行调控。

3结语

设计了一种基于ARM9嵌入式和无线传感器网络的民族 家具博物馆环境监控系统，在WmCE操作系统的环境下设计 了相应的应用程序。实现了民族家具博物馆内温湿度、光照强 度的实时采集、显示和卷帘机、恒温恒湿机等设备的自动控制， 达到了自动控制博物馆内温湿度和光照强度的效果。经测试 该控制系统运行稳定、操作简单实用、可扩展性强，可以应用 于民族家具博物馆中。

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