基于ZigBee与ARM嵌入式系统的档案库房环境监控设计研究

张淼

（西安医学院，陕西西安 710021）

对各行业领域发展来讲，档案都是至关重要且不可再生的资源，在日常档案管理工作开展中，为了能够有效保证档案安全完整地存放，近年来逐渐引入各类新型技术改造档案库房的内部环境，从而完成档案库房环境的实时监控。但是在传统档案库房中普遍面临的难题就是环境管理，一般情况下采用传统的人工管理测量方法，十分耗时和耗精力，并且重复性动作也加重了工作负担，再加上受有限的测量仪器设备精度影响，最终测得的档案库房内部环境结果无法保证客观真实性。虽然近年来也逐渐推出并运用部分库房环境监控系统，但在实际应用中仍然存在复杂布线，无法保证系统安全运行，未能获得普遍认可的技术局端。随着信息感知领域的深入变革，ZigBee 技术、ARM 技术逐渐成为如今的研究热点，并且具备了低功耗、低成本、自组织、分布式等技术特点。所以在此种技术背景下，在档案库房内部环境监控中，实现无线传感技术结合嵌入式系统，对于提高管理效率和工作质量意义重大。

1 ZigBee技术概述

1.1 协议体系架构

ZigBee 通信协议技术作为新兴的一种可以实现短距离、低速率的通信协议标准，目前被广泛应用于间歇、周期且较低传输速率技术要求的数据传输中。该协议主要运用了IEEE 802.15.4 协议，包括了MAC 层、PHY 层两大协议，具有低成本、低功耗、短演示、安全可靠、大容量等设备技术特点。ZigBee 协议栈体系架构如图1 所示。

图1 ZigBee协议栈体系架构

1.2 网络拓扑结构

根据ZigBee 技术实现的主要功能情况可以发现，该网络技术成功界定了两类设备，分别为完整、精简两种功能设备。其中，完整功能设备能够在该协议通信网中成功扮演各类角色，并且满足IEEE 802.15.4 协议标准。而精简功能设备则仅仅能够完成部分功能，且只可与完整功能设备实现通信。目前ZigBee 协议技术网络，主要包括3 种无线通信方式，分别为星状网络拓扑、网状网络拓扑、簇状网络拓扑。

2 系统总体设计

2.1 功能需求

该档案库房环境监控系统设计就是为了能够成功构建分布式库房环境监测及远程智能监控的技术平台，满足对档案库房内部环境的实时全面监控，保证所监测具体设备信息和数据能够及时显示于管理员上位机中，并将库房内部环境相应的控制管理设备自动打开，从而减小人力工作强度，同时也可以对档案库房的管理工作效率及水平充分提升。

2.2 系统设计总体架构

ZigBee 无线传感器网络包括多个传感器节点、协调器组件和控制端，经ZigBee 通信模块即可实现传感器控制组件功能扩展。嵌入式智能网关相对于系统作为桥梁组件，可以与ZigBee 无线传感网络相通，向PC 上位机传输经协调器成功收集的档案库房内部环境相关信息。收集异常数据时，系统会自动发出控制设备相应指令，从而经串口连接ZigBee 协调器，成功经接口、以太网连接PC 上位机。对于该系统来讲，PC 上位机也作为主要的系统监控中心，能够为系统管理操作用户提供人机交互控制操作界面，更方便实现对档案库房环境的远程自动化管控。系统总体架构如图2 所示。

图2 系统总体架构示意图

2.3 系统网络拓扑结构

结合上文分析ZigBee 通信网的现有3 种网络拓扑结构技术，考虑到为了能够保证本系统对搜集的各网络节点数据传输管理可靠性，最终选择了星状网络拓扑结构，如图3 所示。

图3 星状网络拓扑结构

3 ZigBee无线传感器网络设计

3.1 ZigBee节点硬件设计

图4作为一种典型ZigBee 节点硬件设计框架图，包括了数据处理、射频、传感控制等功能模块。

图4 ZigBee节点典型硬件框图

选用CC2530 作为核心通信模块芯片，并且为了充分增强系统设计的整体可拓展性，有效降低传感控制产生的射频电路信号干扰，运用了核心板结合通信底板的设计方法，设计了32 MHz 晶振、I/O 拓展接口，让用户可以在操作中进行修改添加。

3.2 ZigBee节点软件设计

设计ZigBee 节点软件系统，选用了嵌入式IAR开发工具，基于协议栈模板完成应用层、HAL 层的代码修改，完成ZigBee 节点程序设计，为了充分增强整个ZigBee 节点的软件系统可拓展性，设计基本单位功能代码，完成特定传感数据控制操作，经ZStack 能够满足多功能程序实现于不同端口，有效提高了ZigBee 节点的整体配置灵活性。以下为部分代码示例：

4 嵌入式ARM系统智能网关设计

4.1 ARM嵌入式智能网关硬件设计

想要确保档案库房监控系统正常良好地运行，关键在于能够设计出安全可靠且稳定运行的智能网关硬件平台。所以在设计选用硬件处理器时，需要拥有较快的信息处理速率，丰富I/O 接口（方便功能模块外延拓展），并且支持Linux 操作系统，能够与Internet 之间满足有线及无线通信，且支持LCD、触摸屏，保证系统能够安全稳定运行，减小功耗，可无负担地长期运行于档案库房环境中。平台硬件结构如图5 所示。

图5 Mini2440硬件平台结构图

4.2 嵌入式操作系统移植

嵌入式系统的核心组成为EOS，较通用型操作系统能够实现灵活化操作，整体系统运行安全可靠且可移植，很大程度上提升了嵌入式系统的开发效率。

首先，搭建Linux 交叉操作系统编译环境，基于PC 端完成虚拟机应用层程序安装开启后，成功安装操作系统。完成NFS、Samba、TFIP 服务器成功配置后，即可进行编译工具的交叉安装。

其次，在Linux 操作系统中的内核移植，分别实现的功能包括进程、存储、设备、驱动、文件、通信、系统初始化、系统调用等几大管理功能。

最后，在选择嵌入式Web 服务器时，选用了B/S架构ARM 嵌入式系统，能够成功实现访问浏览器页面与发送数据等功能。之后移植SQL 数据库，用于对合法系统用户的操作进行存储、验证，还可以经GGI 程序成功调用监控最新信息，并实时显示于PC端，这样即可做到对档案库房环境的实时监控。

5 系统测试

本次系统测试共进行1 个协调器及5 个终端监控节点的反测试。通过将浏览器页面打开之后，输入相应的Web 网址即可跳转至用户名、密码登录界面，完成权限认证后，即可跳转至默认系统界面。测试结果如图6 所示。

图6 系统操作测试效果图

6 结束语

通过引入ZigBee 技术、ARM 嵌入式系统，应用于档案库房环境监控系统设计中，简单介绍了这两个技术和系统开发、交叉编译环境。分别完成ZigBee 节点硬软件、嵌入式操作系统平台设计，并实现了CGI 脚本、监控设计，通过系统测试，证实ZigBee 技术与ARM 嵌入式技术能用于档案库房环境监控系统设计。根据该系统测试运用情况，证实了该文提出的系统设计思路可以自动、实时、精准监控档案库房环境，保证最终监控结果能够达到应用预期。