温度、湿度、烟感等传感器数量可根据图书馆机房的实际情况灵活部署,根据经验,面积为100m²左右的机房选用3个温度传感器、6个烟感传感器和1个湿度传感器。温度传感器采用美国Maxim公司DS18B20^{[ 7]},湿度传感器采用广州奥松电子公司DHT11^{[ 8]},烟感采用深圳市嘉保公司SS-168^{[ 9]},动力监控通过5V电源监控和UPS串口来实现。

(1)DS18B20数字温度传感器测温范围为-55℃-+125℃,固有测温分辨率为0.5℃,采用1-Wire总线协议方式,用单一数据线完成数据双向传输,支持多点组网功能。多个DS18B20可以并联组网,实现多点测温,测量结果以9-12位数字量方式串行传送。为达到对机房空调及室内温度良好的监控效果,DS18B20布置在机房空调风口和服务器机柜等多个点。

(2)DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,测量范围:湿度为20-90%RH,温度为0-50℃;测量精度:湿度为±5%RH, 温度为±2℃。DHT11采用4针单排引脚封装,输出单总线数字信号。

(3)SS-168光电式烟雾探测器采用吸顶安装,9V电池供电, 提供现场声光报警,内置继电器,有电源、地、常开端、常闭端以及公共端共5个引线端子。与Arduino ADK控制板接口时采用公共端接地,常开端直接到控制板的数字输入端口,并外接一100K 的上拉电阻,以低电平作为报警信号。

(4)UPS的串口监控采用MegaTec UPS串口协议标准^{[ 10]},其中规定了串口监控UPS的命令格式以及其他基本参数。向UPS发送信息查询命令,然后将接收到的数据进行解析,即得到UPS的基本信息。

温度、湿度和烟感的传感器均采用了数字式输出,与Arduino连接非常方便,只需将其输出端接到Arduino的数字脚,也可以采用Arduino传感器扩展板,直接连在扩展板上。Arduino ADK 提供了四路串口信号,采用TTL电平,UPS的串口与Arduino ADK其中一路串口直接相连即可。

数据采集与控制子系统采用Arduino ADK控制板实现。Arduino是一个基于Atmel 的AVR和ARM微控制器的开源软硬件平台,具有丰富的外围模块、易用的开发语言和开发环境以及大量的源码库,近年来在机器人、传感器等领域发展迅速并得到广泛的应用。Arduino硬件设计采用CC-BY-SA3.0版本(知识共享-署名-相同方式共享3.0协议),软件采用类C++语言的高级语言,并提供基于Eclipse的开源IDE软件开发环境。硬件设计图、各种软件源码库和开发环境均可从Arduino.cc官方网站免费下载使用,并可按需求进行修改。

Arduino ADK是Arduino系列中一款基于Mega2560的微控制器板,具有256 KB Flash内存,4KB EEPROM内存,54路数字输入/输出口(其中16路可作为PWM输出),16路模拟输入,4路UART接口,一个16MHz晶体振荡器,一个USB口,一个电源插座,一个ICSP Header和一个复位按钮,并且提供一路基于MAX3421e 芯片的USB主控制接口与Andriod系统的手机互连。利用Google 2011年发布的Android 开源配件开发工具ADK(Android Open Accessory Development Kit) 可以方便地使Arduino与Android之间通过USB进行数据通信。

Arduino的程序由setup函数和loop函数两部分组成,setup函数在系统上电或复位后运行一次,完成一些初始化及一次性的工作,例如串口、USB的初始化;之后,系统进入loop函数,loop函数是Arduino程序的主体,是一个无限循环的过程,完成温度、UPS等传感器数据采集、处理和数据打包发送。USB的驱动采用Arduino ADK相应库,DS18B20、DHT11、串口等驱动Arduino都均有相应的代码库,可直接使用。系统流程如图2所示:

图2

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	图2 数据采集与控制子系统Arduino流程图

数据处理与远程通讯子系统采用商用Android手持终端,一方面是利用其较大的数据存储空间和较强的计算能力完成Arduino ADK采集的传感器数据整理、过滤、显示以及图书馆各Web服务器的状态监测;另一方面是利用其WiFi、3G以及以太网等多网络接入特性,来确保数据上传到云计算平台。Android系统平台具有开放性、便携性、无缝网络通信、待机时间长等特点,适合图书馆机房监控系统应用。本系统选用了联想的乐Pad A2107平板电脑,其具有Android 4.0操作系统,Contex A9处理器,1GB内存,4 GB硬盘,支持WCDMA 、WiFi网络联接等。

Android^{[ 11]}采用Eclipse作开发环境,以Java作为开发语言,可按照Google Accessory Development Kit标准教程搭建开发环境^{[ 12]} 。数据处理与远程通信子系统的Android程序由用户界面层、服务层、持久层三部分组成:用户界面层完成与用户交互和相关传感器数据的显示;服务层由服务程序在后台运行,创建线程执行与云计算平台数据交互、Web服务器状态监测以及本地数据处理,Web服务器状态监测采用curl来实现;持久层采用SQLite 数据库存储相关状态信息并实现文件读写。软件功能模块如图3所示:

图3

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	图3 数据处理与远程通信子系统软件功能模块

云计算以其强大的处理能力、存储能力和高性价比,在物联网领域有着广泛的应用前景,并逐步开始走向应用。各种在线物联网云计算平台也开始出现,如国内的Yeelink和国外的Cosm。Yeelink是一个对公众免费开放的公共物联网服务平台,能接入各种传感器设备,完成海量的传感器数据并发接入和存储,同时具有事件触发机制,在数据达到某个设定阈值时自动调用预先设定的规则,发送定制的短信、微博或邮件。Yeelink对所有的传感器数据提供基于地理和时间的管理,所有数据均可以地图和时间轴方式进行展现;另外,还具有双向传输和控制、与社交网络融合等特色。

在Yeelink上部署图书馆机房设备数据的监控非常简便,系统硬件采用积木式构建,用户界面采用Yeelink平台实现。注册后即可获取API Key,登录用户界面后,在用户中心 我的设备菜单项,可增加新设备、管理设备、管理动作等。在Andriod应用程序中,按照Yeelink的开放API,以获取的API Key为认证,采用JSON数据交换格式提交各传感器、Web服务器的状态信息,监控人员可在任何地方登录查看相关信息,并接收来自动作触发的事件通知。