图书馆脚踩遮阳装置设计及环境监测系统研究

赵飞+王世明+李晴+高润

摘 要：独立设计一种通过脚踩进行控制的遮阳装置，方便在图书馆等公共场所应用，使身体原因导致的残疾人无法独立完成遮阳装置的开启与关闭成为可能。同时，基于ZigBeePro2007无线组网协议，结合高校图书馆有别于其他建筑对于环境监测的特殊需求，提出通过ZigBee+GPRS的模式实现图书馆环境参数的实时监测，从硬件和软件两方面完成了监测系统的设计。

关键词：遮阳装置；环境监测；ZigBee；GPRS

中图分类号：TU226 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.013

高校图书馆作为21世纪办学的三大支柱之一，承担着保存珍贵书籍文献和为学生们提供学习阅读的重要使命。影响图书馆书籍保存的因素很多，其中最重要的是环境因素（温度、湿度、光照度等）。对于图书馆藏书室内的最佳温度为18～22 ℃，最佳环境相对湿度在60%～65%之间。阅览室的照度以75～100 Lux为宜。环境学的研究证实，人脑的智力活动与环境的各种因素有着很大的关系，因此有必要在图书馆中建立一套环境监测系统，实时监测室内温度、湿度和光照度等环境数据，并根据设定阈值进行智能反馈。

然而，在众多高校图书馆中，均无为残疾同学设置的独立区域，同时，由于图书馆较为依赖光照，相应的却没有可供残疾同学独立操作的遮阳装置。因此，笔者自主设计了一种方便残疾同学操作的遮阳装置，方便其在自主阅读及学习中，根据自身需求独立改变周围环境，体现了对残疾学生的人文关怀理念。

1 脚踩遮阳装置的设计

根据第六次全国人口普查统计，至2010年末，中国肢体残疾达到2 472万人，但尚无一种公共场所的遮阳装置是专为其设计使用。最常见的遮阳装置是窗帘，但对于在图书馆等公共场所，窗帘的开关对残疾人非常不方便。现有技术中也出现了百叶窗形式的遮阳装置，但一般仍然需要用手转动或拉动操作杆（绳）来控制百叶窗的开闭，操作者需要站立起来，走到百叶窗跟前，用手对百叶窗进行开闭操作，仍然十分不方便。

本文中设计的脚踩遮阳装置，通过脚踩的方式，实现遮阳装置的开闭。脚踩式遮阳装置的结构如图1所示，脚踏板带动其传动机构运转，带动链条1转动，链条1带动大齿轮4转动，大齿轮4通过联动轴15，带动小齿轮5同步转动，小齿轮5与摇臂齿轮8啮合，进而带动摇臂齿轮8转动，摇臂齿轮8以曲柄销通过摇臂滑块，使摇臂7摆动，摇臂7一头通过螺杆Ⅱ10与挡板9连接，另一头与滑枕6活动连接，使滑枕6往复运动，滑枕6与球头连杆2连接，带动通过轴承14连接在外框12上的多个遮阳板13往复开关动作。

2 室内环境监测网络系统介绍

传统的图书馆环境数据多是人工采集的，包括数字式的温湿度计、光照度仪等。国外早在20世纪80年代就开始对温湿度控制技术进行研究，基于RS485总线的有线检测技术则需要布设大量的传输线路，并且对设备进行集中供电，在经济性和灵活性方面都存在一些问题。现存的技术对室内环境的监测正在向自动化、无人化方向发展，而无线传感器网络正好具备了这些功能。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。常见的无线通信协议的技术指标汇总如表1所示。

ZigBee技术属于无线传输技术中的一种协议，具有近距离、低复杂度、低功耗、低速率、时延短、网络容量大、低成本、可靠、安全的特点，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间的数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。因此，结合图书馆环境监测的特殊需求，提出以ZigBee+GPRS技术的监测方案，从硬件和软件两方面完成了高校图书馆环境监测系统的设计。

3 监测系统方案设计

圖书馆环境监测系统主要实现的功能是长期、高效地在线监测和传输相关参数。在总体方案的设计中，首先需要考虑高校图书馆的环境特点、监测布局和网络体系建构等来确定参数、硬件和传输设定等，再结合各个硬件模块和传输协议的设定设计软件监测部分。以上海海洋大学图文信息中心作为系统设计和实验环境，基于ZigBee+GPRS网络的图书馆环境监测系统由高精度温湿度、照度三合一无线传感器组成的设备层，ZigBee/GPRS数据网关组成的控制层和基于IAR Embedded Workbench 8051开发的用户层组成，其网络拓扑图结构如图2所示。

4 监测系统硬件设计

监测系统硬件设计主要包括监测点的节点组成和网络协调器的设计。根据系统的功能要求，所涉及的体系结构如图3所示。

4.1 监测点节点设计

监测节点主要由处理器模块和数据采集模块组成。本系统设计中，处理器模块以CC2530无线微处理器模块为核心，并配上不同的扩展模块。它能够以非常低的成本建立强大的网络节点，系统内可编程闪存、8-KB RAM和许多其他强大的功能。

数据采集功能通过传感器实现，采用温湿度、光照度一体式。选用电容式温湿度传感器AW3010，配以稳定、可靠信号处理电路，将环境中的温度与湿度转换成与之相对应的标准信号，具有响应速度快、长期稳定性好、单片机校准输出等特点。温度测量范围是-40～80 ℃，湿度测量范围是0%～100% RH.光照度传感器选用TSL2561，测量范围是0～70 kLUX，风速传感器量程为0～60 m/s，工作频段是无线2 400～2 480 MHz，ISM全球免费频段，传感器最大功耗只有170 mW，静态时功耗为0.05 mW。无线监测系统硬件节点结构框架如图4所示。

4.2 网络协调器设计

网络协调器是整个网络的中心，它负责ZigBee和GPRS网络的数据交互，需要有较强的数据处理能力。主控处理器采用32位ARM7微控制器LPC2210，射频芯片采用MC13192，两者通过SPI接口相连接。为简化系统设计，GPRS模块选用SIMCOM公司内置TCP/IP协议的SIM100，与LPC2210通过RS-232接口连接，直接使用AT命令即可实现Internet连接。

5 基于ZigBee技术的图书馆监测系统

本次实验选在上海海洋大学图文信息中心一楼和二楼阅览室，如图5所示。将该网络中的节点布置在阅览室的合适位置，所有节点模块都挂上温湿度、光照度等传感器。终端节点每隔1 min采集一次数据，间隔时间长短也可以根据管理员需求进行编写，如图6所示。同时，通过将ZigBee无线传感器网络与GPRS技术结合，采集的数据一旦超过设置的阈值，系统自动进行报警，如图7所示。

6 结论

本文在上海海洋大学图文信息中心基础上设计的环境监测系统选取了传感设备，并确定以ZigBee+GPRS协调为网络协议。系统从2015-07开始进行实验，实验包括环境参数采集测试、监测软件记录和报警测试等。经过现场测试，表明系统稳定、可靠，为在高校图书馆中进行推广应用、现场数据采集等方面打下了良好的基础。

同时，本文为高校中的特殊群体——残疾学生设计了一种能够在图书馆独立操作的脚踩遮阳装置，后期将独立对装置的结构性和使用特性进行相关实验，为相关科研团队的设计提供了新的侧重点，体现了对高校残疾学生的人文关怀。

参考文献

[1]马永强.图书馆环境温湿度检测仪设计[J].电子测量技术，2009（11）：118-120.

[2]盖秀美.浅析光对档案的危害及对策[J].科技信息，2010（15）：199.

[3]廖梅娟.试论图书馆环境对读者影响[J].中国科教创新导刊，2009（28）：252-254.

[4]刘仲鹏，刘丽娟，李伟英.基于ZigBee网络的温室大棚环境监控系统研究[J].农机化研究，2014（10）：218-222.

〔编辑：王霞〕