平偉 賈文麗 孫月馳 李儀

摘 要：針對(duì)檔案館安防系統(tǒng)存在維護(hù)成本高、移動(dòng)性能差等缺點(diǎn)，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的檔案館智能監(jiān)控系統(tǒng)。以Raspberry Pi嵌入式平臺(tái)作為系統(tǒng)中央控制服務(wù)器，Arduino作為控制器，智能手機(jī)為移動(dòng)終端。系統(tǒng)具有安全事務(wù)報(bào)警、報(bào)警記錄生成、現(xiàn)場(chǎng)圖像拍攝、預(yù)警信息傳送、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控、本地和遠(yuǎn)程設(shè)置閾值、智能控制館內(nèi)環(huán)境信息等功能，對(duì)檔案館進(jìn)行安全防范和遠(yuǎn)程智能控制。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能有效進(jìn)行智能監(jiān)控，提高移動(dòng)性能，降低投入成本，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);檔案館;安防系統(tǒng);智能監(jiān)控;Raspberry Pi

DOI：10. 11907/rjdk. 181570

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2019）003-0104-04

0 引言

檔案館是收集、保管黨和國(guó)家重要檔案的基地，反映不同時(shí)期不同階段的發(fā)展現(xiàn)狀及文化成果，在整個(gè)歷史發(fā)展舞臺(tái)上扮演著重要角色。隨著信息化的快速發(fā)展，檔案館庫(kù)房環(huán)境管理正逐步實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控。檔案館庫(kù)房智能監(jiān)控管理理論研究在美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家起步較早，英國(guó)在2000年頒布了檔案管理的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——《檔案文件保存和展覽的建議》，美國(guó)國(guó)家檔案與文件署（NARA）于2002年頒布NARA1571文件——《檔案保存標(biāo)準(zhǔn)》，澳大利亞2002年頒布標(biāo)準(zhǔn)文件管理標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際化ISO組織在2003年出臺(tái)檔案圖書保存環(huán)境要求[1]。

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的興起，為檔案館庫(kù)房環(huán)境的智能化監(jiān)控管理建設(shè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。美國(guó)、英國(guó)等是領(lǐng)頭羊，不僅在理論領(lǐng)域研究較早，而且在實(shí)踐發(fā)展上更勝一籌。我國(guó)在檔案館庫(kù)房智能化監(jiān)控管理與建設(shè)方面起步較晚，但后續(xù)發(fā)展迅速[2]。田雷在《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧檔案館建設(shè)中的應(yīng)用研究》一文中，重點(diǎn)分析了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)在檔案管理中的不同應(yīng)用場(chǎng)景，分析并設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)在智慧型檔案館建設(shè)中的技術(shù)架構(gòu)，論述物聯(lián)網(wǎng)在檔案館中的部分典型應(yīng)用[3];陶水龍?jiān)凇吨腔蹤n案館建設(shè)思路研究》一文中指出，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使檔案館獲得更為全面和智能的自主“思考”和“決定”的自我控制能力，其中感知技術(shù)是智慧檔案館建設(shè)的核心[4];楊文剛在《基于Android的檔案館庫(kù)房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)研究》一文中認(rèn)為，檔案館庫(kù)房的溫濕度直接影響著紙質(zhì)檔案文件的使用壽命，建立基于 Android智能系統(tǒng)的庫(kù)房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，使檔案庫(kù)房溫濕度保持在合理的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，良好的存儲(chǔ)既是檔案收集與整理過(guò)程的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，也是提供檔案利用的基礎(chǔ)保障[5]。

傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)絕大部分采用PC機(jī)作為控制終端，在使用過(guò)程中極易受到工作環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等因素影響，很大程度上限制了管理人員對(duì)檔案館的實(shí)時(shí)監(jiān)控，降低了監(jiān)控系統(tǒng)的靈活性。根據(jù)檔案館保密的特殊屬性，檔案館安防保障系統(tǒng)必須是一個(gè)具有較高級(jí)別的安防系統(tǒng)，既能保障館內(nèi)工作人員的生命安全，又能實(shí)時(shí)監(jiān)控館內(nèi)寶貴的紙質(zhì)、照片、磁盤、光盤等檔案的安全，并且能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)警自然及人為等因素可能引起的災(zāi)難，比如盜竊、火災(zāi)等隱患，做到防患于未然。隨著檔案館在人類社會(huì)中的重要性提高，對(duì)檔案館實(shí)時(shí)監(jiān)控、及時(shí)處理安全隱患以及提高監(jiān)控移動(dòng)性能等實(shí)際需求也在提升[7]。高校檔案館安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)立時(shí)間比較早，技術(shù)相對(duì)落后，存在安防漏洞、設(shè)備老化、預(yù)警機(jī)制不及時(shí)等問(wèn)題。所以，建立適應(yīng)新時(shí)代要求的安防系統(tǒng)成為高校檔案館急需解決的問(wèn)題[6]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)，英文簡(jiǎn)稱（IoT），作為新時(shí)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，其內(nèi)涵主要包括兩層：①互聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的核心和基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和拓展;②物聯(lián)網(wǎng)的用戶端拓展到任意物品與物品之間，物與物之間進(jìn)行信息交流互通[7]。物聯(lián)網(wǎng)集智能識(shí)別、智能感知和普適計(jì)算等技術(shù)于一體，廣泛適用于網(wǎng)絡(luò)融合中，被稱為信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮[9]。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的檔案館智能監(jiān)控系統(tǒng)由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層及感知層組成，檔案館智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

檔案館智能監(jiān)控系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)，最底層的硬件層由傳感器、執(zhí)行器組成，主要進(jìn)行溫濕度、光照強(qiáng)度、煙霧濃度等傳感數(shù)據(jù)的采集以及對(duì)繼電器、電機(jī)等執(zhí)行模塊的控制;傳輸層由Arduino負(fù)責(zé)，作用是對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)與服務(wù)層通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交流;服務(wù)層由Raspberry Pi和有公網(wǎng)IP的云服務(wù)器組成，Raspberry Pi通過(guò)串口接收底層Arduino發(fā)送的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，或者將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)本地功能。

應(yīng)用層分為Web客戶端和微信公眾平臺(tái)。Web客戶端的應(yīng)用基于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，以網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面開發(fā)、頁(yè)面與服務(wù)器數(shù)據(jù)交換技術(shù)為媒介進(jìn)行設(shè)計(jì)[11];微信公眾平臺(tái)支持編輯模式與開發(fā)模式，編輯模式能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音、文字、圖文消息、關(guān)鍵字詞的自動(dòng)回復(fù);開發(fā)模式除擁有編輯模式的全部功能外，還為用戶提供API接口，以便在使用過(guò)程中根據(jù)實(shí)際需要接入和開發(fā)其它應(yīng)用，如獲取訂閱者信息、自定義菜單、鏈接相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)等[10]。云服務(wù)器提供服務(wù)轉(zhuǎn)接功能，使微信公眾平臺(tái)能夠與Raspberry Pi本地服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的信息交互。

2 監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

檔案館智能監(jiān)控終端使用ZigBee與傳感器組建信息監(jiān)測(cè)、監(jiān)控電路，利用Z-Stack協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)檔案館內(nèi)組網(wǎng)通信。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

由ZigBeeCC2530核心模塊與底板擴(kuò)展電路構(gòu)成智能安防系統(tǒng)監(jiān)控終端，該終端需要設(shè)計(jì)不同的底板擴(kuò)展電路，實(shí)現(xiàn)不同終端的監(jiān)控功能：直接通過(guò)串口與Raspberry Pi服務(wù)器相連接，設(shè)計(jì)CH340USB轉(zhuǎn)串口模塊;通過(guò)接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)布信息，實(shí)現(xiàn)館內(nèi)電器開關(guān)控制作用，需為此增添繼電器電路模塊;監(jiān)控終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并更新檔案館內(nèi)環(huán)境的溫濕度、煙霧濃度、光照強(qiáng)度及館內(nèi)人員人體紅外等各類指標(biāo)信息，需設(shè)計(jì)出相應(yīng)的傳感器電路模塊[11]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

安防系統(tǒng)監(jiān)控終端圍繞 ZigBeeCC2530設(shè)計(jì)實(shí)施，基于ZigBee規(guī)范中的協(xié)議棧構(gòu)架進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通信，以通過(guò)性和開發(fā)便利性為基準(zhǔn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。采用TI公司研發(fā)的Z-Stack協(xié)議棧，擁有良好的兼容性，能夠完全支持IEEE 802. 15. 4/ZigBee的CC2430片上系統(tǒng)解決方案。Z-Stack協(xié)議棧還配備眾多新特性，如無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下載，可通過(guò)ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（Mesh Network）下載節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更新[12]。

Z-Stack依照操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想構(gòu)建，使用事件輪循機(jī)制進(jìn)行管理，即當(dāng)各層節(jié)點(diǎn)初始化后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)入低能耗模式，最大限度節(jié)省資源;當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)則自動(dòng)喚醒系統(tǒng)，進(jìn)入中斷處理事件，處理過(guò)程結(jié)束后自動(dòng)回到初始化模式，進(jìn)入低能耗狀態(tài)，循環(huán)往復(fù)。假設(shè)有事件在同一時(shí)段發(fā)生，Z-Stack會(huì)智能判斷事件優(yōu)先級(jí)，按照優(yōu)先級(jí)逐次處理事件，減少系統(tǒng)能耗，避免無(wú)用功產(chǎn)生。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，OSAL初始化和啟動(dòng)，進(jìn)入任務(wù)輪循，Z-Stack系統(tǒng)運(yùn)作流程[12]如圖2所示。

檔案館安防監(jiān)控系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與Raspberry Pi服務(wù)器連接通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)ZigBee無(wú)線網(wǎng)與接入網(wǎng)的控制終端、監(jiān)測(cè)終端交互數(shù)據(jù)等功能。在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與 Raspberry Pi通信過(guò)程中，必須將數(shù)據(jù)封裝成特定的幀格式[11]。

3 Paspberry Pi服務(wù)器

3.1 Web服務(wù)器構(gòu)建

Web服務(wù)通過(guò)在本地搭建LAMP（Linux、Apache、MySQL、PHP）環(huán)境，將數(shù)據(jù)庫(kù)中的傳感器數(shù)據(jù)使用PHP顯示在前端，并使用javascrip將歷史數(shù)據(jù)繪制成折線圖，更直觀地展示給用戶，實(shí)時(shí)顯示檔案館環(huán)境信息。

3.2 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

Web應(yīng)用方面最好的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是MySQL，它屬于小型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，具備體積小、速度快、成本低、源代碼開放等優(yōu)點(diǎn)。MySQL在與PHP和Nginx的配合方面表現(xiàn)很突出，三者能組建成良好的開發(fā)環(huán)境，滿足不同設(shè)計(jì)者的開發(fā)需求，為Raspberry Pi服務(wù)器的運(yùn)行減輕很多負(fù)擔(dān)，盡可能少地占用服務(wù)器存儲(chǔ)空間。

在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)之前，需先構(gòu)建出與檔案館環(huán)境監(jiān)測(cè)信息相對(duì)應(yīng)的表。構(gòu)建溫度、濕度、光照強(qiáng)度、煙霧濃度表時(shí)，標(biāo)記單位方式如下：時(shí)間戳采用Datetime格式，采集的數(shù)據(jù)使用變長(zhǎng)浮點(diǎn)數(shù)Decimal格式，溫度對(duì)應(yīng)的單位采用攝氏度（℃），濕度單位采用相對(duì)濕度（Relative Humidity，簡(jiǎn)稱RH），光照強(qiáng)度單位采用光照xLX，煙霧濃度單位采用煙霧濃度（PPM）。

3.3 服務(wù)器后臺(tái)程序設(shè)計(jì)

Raspberry Pi通過(guò)Python程序定時(shí)讀取串口，使用Python的MySQLdb模塊將底層Arduino Uno采集的環(huán)境數(shù)據(jù)存入本地服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供用戶隨時(shí)查看歷史數(shù)據(jù)信息，同時(shí)根據(jù)Web請(qǐng)求將數(shù)據(jù)庫(kù)信息以圖表形式在網(wǎng)頁(yè)上展示給用戶。除此之外，本設(shè)計(jì)利用樹莓派強(qiáng)大的功能實(shí)現(xiàn)一些本地功能，如使用HDMI接口連接電視后，通過(guò)在系統(tǒng)上安裝相關(guān)視頻軟件實(shí)現(xiàn)電視盒子功能，下載相關(guān)音樂(lè)軟件實(shí)現(xiàn)音樂(lè)播放器功能，掛載較大容量的存儲(chǔ)設(shè)備后實(shí)現(xiàn)離線下載功能，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別程序?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音控制功能等[13]。

4 客戶端設(shè)計(jì)

客戶端設(shè)計(jì)有Web客戶端和智能手機(jī)微信公眾平臺(tái)兩種方式，均可對(duì)智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行注冊(cè)、登錄、查詢、控制等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)檔案館的實(shí)時(shí)智能監(jiān)控。

4.1 Web客戶端構(gòu)建

檔案館智能監(jiān)控系統(tǒng)的Web客戶端構(gòu)建采用瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱B/S結(jié)構(gòu)），其原理是將客戶端統(tǒng)一到網(wǎng)絡(luò)界面上，館內(nèi)員工或用戶瀏覽監(jiān)控信息時(shí)只需要通過(guò)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)頁(yè)面就能產(chǎn)生交互。基于 B/S 模式構(gòu)建的系統(tǒng)極大地簡(jiǎn)化了客戶端，降低了系統(tǒng)對(duì)客戶端的配置要求，也減輕了主服務(wù)器的負(fù)載壓力，系統(tǒng)通用性能得到大幅提高?；?B/S 模式的系統(tǒng)對(duì)拓展應(yīng)用也提供了有利條件[15]。Web客戶端實(shí)現(xiàn)用戶注冊(cè)、登錄、查詢及操作等功能。

檔案館智能監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)警配置界面及檔案館智能監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)警記錄查詢界面如圖3所示。

4.2 微信公眾平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)根據(jù)檔案館的實(shí)際需求，結(jié)合硬件及通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，采用成本較低的Arduino和Raspberry Pi作為硬件支持，結(jié)合內(nèi)網(wǎng)穿透和云計(jì)算等，實(shí)現(xiàn)檔案館的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器與微信公眾平臺(tái)接口的連接，通過(guò)微信公眾平臺(tái)對(duì)檔案館進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4.2.1 微信公眾平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)模式

當(dāng)前微信公眾平臺(tái)有編輯模式與開發(fā)模式兩種。微信公眾平臺(tái)能夠依據(jù)用戶給公眾賬號(hào)發(fā)送信息的行為判斷該公眾賬號(hào)所開通的是編輯還是開發(fā)模式[18]。

（1）編輯模式狀態(tài)下，使用者不需具備編程和系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)能力，即可通過(guò)簡(jiǎn)單頁(yè)面編輯使用公眾號(hào)關(guān)鍵詞回復(fù)、熱點(diǎn)詞搜索等功能模塊。使用此模式須在微信官方平臺(tái)上進(jìn)行，優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、成本低廉，不足之處是微信公眾平臺(tái)提供的信息是靜態(tài)的，需要后臺(tái)實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，這與物聯(lián)網(wǎng)所提倡的智能化和感知化相差甚遠(yuǎn)，不適用于智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新要求[16]。

（2）開發(fā)模式狀態(tài)下，管理員能夠利用微信公眾平臺(tái)提供的應(yīng)用程序消息編程接口（API），該接口API在微信公眾平臺(tái)服務(wù)器與第三方服務(wù)器中間起到信息互通的適配器作用，能夠?qū)l(fā)送給微信公眾平臺(tái)的信息自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)給第三方服務(wù)器，管理員依據(jù)自己的個(gè)性需求在第三方服務(wù)器上進(jìn)行編程和系統(tǒng)運(yùn)維，達(dá)到物聯(lián)網(wǎng)智能終端要求[16]。

本智能監(jiān)控系統(tǒng)可在第三方服務(wù)器上對(duì)接收到的各類傳感器數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理，利用微信公眾平臺(tái)開發(fā)界面選擇“修改配置”，輸入服務(wù)器地址（URL）和訪問(wèn)令牌即可。

4.2.2 服務(wù)器端數(shù)據(jù)交互原理

系統(tǒng)中微信公眾平臺(tái)充當(dāng)中間轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器角色，當(dāng)移動(dòng)終端或PC端發(fā)送信息到微信平臺(tái)服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器會(huì)立即將信息傳輸至第三方服務(wù)器進(jìn)行預(yù)處理。處理完畢后將結(jié)果反饋至微信公眾平臺(tái)，由平臺(tái)回復(fù)終端需求者[18]。

5 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能檔案館監(jiān)控系統(tǒng)，以Raspberry Pi作為主服務(wù)器，負(fù)責(zé)與Internet通信、采集樣本存儲(chǔ)Arduino發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)[19]、處理大量數(shù)據(jù)任務(wù)（如音頻、視頻、圖片、文字等載體）、提供API接口給iOS及Android系統(tǒng)以便于手機(jī)端進(jìn)行操作，通過(guò)以太網(wǎng)和Zigbee，在RPi與Arduino間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[20]。Arduino負(fù)責(zé)傳感器采樣，如光線強(qiáng)度、溫度、人體紅外感應(yīng)等。有的模塊相對(duì)獨(dú)立，如基于人體感應(yīng)的夜間走廊燈，采用單個(gè)Arduino便可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和控制功能，不需要上報(bào)數(shù)據(jù)給Raspberry Pi。需要上報(bào)和接收數(shù)據(jù)的Arduino，通過(guò)Zigbee及以太網(wǎng)和Raspberry Pi進(jìn)行通信。這樣的好處是投資小，把計(jì)算任務(wù)都放在Raspberry Pi上，可謂物盡其用。該系統(tǒng)具有投入成本低、可靠性高及擴(kuò)展性良好等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)品升級(jí)換代更加快捷，節(jié)省人力物力投入。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）