物联网技术下档案库房温湿度监控系统的设计

摘 要：由于档案库房内的温度和湿度会对档案制成材料的耐久性产生影响，进而影响档案寿命，所以应当对其进行测量与调控。为了提高档案库房温湿度达标率，延长档案的寿命，基于物联网技术、传感器技术、移动通信技术、嵌入式技术、计算机技术设计了一套档案库房温湿度监控系统。该系统包含设备终端、物联网云平台和用户终端，采用MQTT协议通信，对档案库房内的温度和湿度数据进行测量、采集、传输、存储和展示，并对档案库房内的温度和湿度进行调控。相对于传统的管理方式，本系统实现了全天候自动化测量、记录、调控档案库房内的温度和湿度，有利于提高档案库房温湿度达标率，对延长档案寿命起到了积极效果，具有较高的实际应用价值。

关键词：物联网；档案库房；温湿度监控；GD32单片机；MQTT协议；EMQX

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）03-00-03

0 引 言

档案库房是保管档案的重要场所，并且保管的是需要长期保存的重要档案。档案库房内不适宜的温度和湿度对档案制成材料具有破坏作用，环境温度过低或过高、湿度太小或太大，都会影响档案的寿命[1]，不利于档案长期保存。因此，应尽量调控档案库房内的温湿度，使其保持在标准范围内[2]，最大限度延长档案寿命。对于温湿度调控，传统的方法是管理员定时进入档案库房开关调温调湿设备，这种方式的缺点是消耗了大量的人力物力、效率低、温湿度达标率不高。本文设计了一套档案库房温湿度自动调控系统，能够对档案库房内的温湿度进行测量、采集、传输、处理，向调温调湿设备发送启停指令，从而调控档案库房内的环境温湿度。该系统全天候自动化监测和实时调控档案库房内的温湿度，有利于提高档案库房内的温湿度达标率，延长档案的寿命。

1 系统整体架构

档案库房温湿度监控系统是基于物联网技术、传感器技术、移动通信技术、嵌入式技术和计算机技术开发的硬软件集成的自动化监测与调控温湿度系统，包括设备终端、物联网云平台和用户终端。系统整体架构如图1所示。

设备终端是调节单个档案库房温湿度的控制中心，负责实时测量、采集档案库房内的温湿度，并通过数据通信单元实时发布到物联网云平台。依据温度控制范围和当前测量的温湿度控制空调制热、制冷或停机，启动或停止调湿机工作。

物联网云平台作为设备终端和用户终端之间数据中转的枢纽[3]，能够接收来自不同设备终端的档案库房内的温湿度值；并且能够基于用户终端订阅设备终端的信息，转发温湿度值到用户终端。物联网云平台为全部设备终端和全部用户终端提供数据推送和获取的入口。

用户终端能收集、存储、分析、展示档案库房温湿度的实时数据，查询历史数据，展示温度和湿度的走势图以及以天为单位的温度和湿度的峰值图，统计温度和湿度平均值、最大值、最小值，打印报表等，能够为立档单位的档案库房温湿度打分项检查提供数据依据。

2 数据通信

本系统采用MQTT通信协议[4]。MQTT消息包含主题（Topic）和负载（Payload）两部分，其中主题用于区分终端，负载表示传输的数据。系统设计了面向设备终端的pub和sub两类MQTT消息。前者是设备终端向物联网云平台的发布（PUBLISH）消息，实时主动传输数据，主题设计为设备密钥/设备标识号/pub。后者是设备终端接收物联网云平台的订阅（SUBSCRIBE）消息，是由物联网云平台转发的用户终端的指令，主题设计为设备密钥/设备标识号/sub。用户终端使用sub主题消息向设备终端发送指令，用pub主题订阅设备终端消息。数据通信流程如图2所示。

3 设备终端

设备终端是档案库房温湿度监控系统的核心，负责测量、采集、传输温湿度数据，启停空调和调湿机。设备终端硬件主要包括主控模块、温湿度测量与采集模块、空调和除湿机控制模块及通信模块。

3.1 主控模块

根据设备终端的功能和成本效益的要求，主控模块采用GD32F205VET6单片机为主控芯片，其内核为ARM Cortex-M3 32位处理器，既能满足经济成本要求，又能进行高性能计算和控制，提供丰富的IO接口[5]（4个UART、4个USART和SDIO）。兆易创新推出的GD32F205VET6单片机具有价格便宜、通用性好、开发灵活、扩展性强、便于在线调试等优点，其外围设计了TF卡、7寸串口触摸屏、嵌入式针式打印机、2路RS 485、数据通信、软件调试信息输出等接口电路。TF卡存储历史数据；7寸串口触摸屏能够实时显示温湿度数据，使用户有更加直观的交互体验感；嵌入式针式打印机定时打印温湿度到纸上，便于存档；RS 485用于外接温湿度变送器、空调和调湿机控制器；数据通信接口用于连接移动通信模组以及物联网云平台，并传输数据；软件调试信息输出接口便于在研发和维护维修过程中定位软硬件缺陷，提高研发和维护维修的工作效率。

3.2 温湿度测量与采集模块

对于温湿度，有采用传感器直接测量与采集和通过RS 485接口发送ModBus协议采集两种模式。前者将温湿度传感器集成在主控芯片的外围电路中，后者是外接第三方温湿度变送器。温湿度值采集、存储、传输和展示是以后者优先的策略，当未外接温湿度变送器时，以前者测量和采集的数据作为当前温湿度值。

用传感器直接测量与采集时，传感器采用DHT11型号，它是一款有已校准数字信号输出的温湿度一体传感器，其温度误差可控制在±0.5 ℃以内，分辨率为0.1 ℃；湿度误差可控制在±3%RH以内，分辨率为0.1%RH，是目前市场上主流的性价比较高的温湿度传感器之一。DHT11使用高分子湿敏电阻为传感元件，具有稳定性高、可靠性高、低功耗、不受噪音电压波动干扰等优点。

通过RS 485接口发送ModBus协议采集数据时，温湿度变送器采用RS 485接口输出数据、ModBus协议读取数据。主控芯片采用半双工模式的轮询方式依次向温湿度变送器发送指令，温湿度变送器接收到指令后开始传输温湿度值，主控芯片读取温湿度值。这种方式下主控芯片与温湿度变送器具有低耦合性，温湿度精度由变送器本身保证，变送器具有选择范围大、可替代性强等优点。

3.3 空调和调湿机控制模块

空调控制模块负责控制空调开启制热/制冷或停机的执行单元，采用红外遥控的方式对空调进行启停控制。空调控制模块具有学习空调遥控器红外线控制码功能和四个发送红外线控制码功能，空调红外线控制码分别是开启制热、停止制热、开启制冷、停止制冷。在使用空调控制模块前，需要对其进行配置，学习指定品牌型号的空调遥控器的开启制热、停止制热、开启制冷、停止制冷对应的红外线控制码。使用时，主控芯片向空调控制模块发送指令；空调控制模块收到指令后，通过红外线发光二极管向空调发射相对应的空调红外线控制码，空调开始工作。空调控制模块原理就是替代原有空调红外线遥控器，增加RS 485通信接口，能够实现远程控制。

调湿机控制模块采用RS 485继电器模块。首先对调湿机进行改造，将继电器的常开触点分别焊接在调湿机电源按键的两端，继电器和电源按键形成并联，继电器和电源按键都可以独立控制调湿机的启停。主控芯片向调湿机控制模块发送指令控制断开/闭合继电器，从而模拟人工操作调湿机电源按键的动作。

3.4 通信模块

通信模块是设备终端与物联网云平台之间进行数据通信的关键部件。通信模块采用移远通信推出的LTE Cat1无线通信模组EC600S-CN，内部集成MQTT通信协议，可直接配置物联网云平台的连接信息[6]。主控芯片通过USART接口连接EC600S-CN，使用较少的AT指令[6-7]就能完成与物联网云平台的连接、订阅和发布数据操作。EC600S-CN简单易用，能够减少研发的难度，缩短研发周期。

3.5 软件系统

GD32F205VET6单片机适用于Keil μVision4集成开发环境（IDE）编写程序，IDE的使用有利于提高程序员的生产力，支持在线调试，可以更快、更有效地定位程序缺陷。本软件系统采用多任务模式设计，内核使用Keil μVision4中的RTX实时操作系统，操作系统创建网络通信任务、温湿度监控任务、屏幕交互任务。任务之间通过共享内存变量实现通信，共享内存变量可以降低任务之间的耦合度。软件系统框架如图3所示。

4 物联网云平台

物联网云平台负责完成设备终端和用户终端之间的数据中转任务，是数据通信的枢纽。设备终端将档案库房内的温湿度数据通过4G移动网络实时发布到物联网云平台，物联网云平台依据订阅设备终端的规则将数据转发到用户终端，用户终端用同样的方式将指令发送到设备终端。

物联网云平台部署EMQX[8]。EMQX是开源可弹性伸缩的分布式物联网MQTT消息服务器，单台服务器支持每秒百万级高性能，能够低延时在设备终端和用户终端之间可靠实时传输，并可提供接入身份认证，能有效阻止非法终端的连接[9-10]。

5 用户终端设计

用户终端负责系统和用户的交互，包括展示档案库房内实时温湿度，查询历史温湿度数据、走势图、峰值图，启停空调和调湿机等。为了减少用户的经费投入，用户终端采用桌面应用程序。应用程序界面如图4所示。

应用程序与物联网云平台通过互联网建立连接，订阅设备终端，获取温湿度值，对温湿度值定时存储和展示。应用程序具有查看指定时间段历史温湿度数据，按月、天、时的时间粒度查看温湿度的走势图和峰值图，以及报表导出等功能。应用程序主流程如图5所示。

6 结 语

本文提出了基于物联网技术、传感器技术、移动通信技术、嵌入式技术及计算机技术实现的档案库房温湿度监控系统。该系统包含设备终端、物联网云平台和用户终端，能对档案库房内温湿度进行测量、采集、传输、存储、分析和展示，能启停空调和调湿机，调控档案库房内温度和湿度在标准规定的范围内。相对于传统管理模式，本系统能够全天候自动化记录、分析、调控，减少了管理员劳动量，对提高档案库房温湿度达标率、延长档案的寿命起到了积极效果，具有很大的实际应用价值。

参考文献

[1]李玲.档案馆库房温湿度对档案寿命的影响[J].黑龙江史志，2005，21（6）：28.

[2]国家档案局档案科学技术研究所.档案馆建筑设计规范：JGJ25-2010 [S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]工业和信息化部办公厅.工业和信息化部办公厅关于深入推进移动物联网全面发展的通知[EB/OL].（2020-04-30）. http：//www.cac.gov.cn/2020-05/07/c_1590412176810836.htm.

[4]姬广龙，孙丹，王珍珍，等.关于MQTT通信协议的分析与研究[J].物联网技术，2023，13（1）：63-66.

[5]曹玉保.基于双备份的兆易创新GD32程序升级方案研究[J].中国集成电路，2021，30（Z1）：23-26.

[6]孙友林.基于MQTT协议的物联网云平台设计与实现[J].物联网技术，2023，13（6）：71-73.

[7]何媛媛，余迪，何佳衡，等.基于物联网的可穿戴式心率、血氧监测系统[J].物联网技术，2023，13（2）：59-62.

[8]阎子繁.基于EMQX云平台与ESP-WiFi-MESH的物联网系统设计与实现[J].物联网技术，2023，13（6）：133-137.

[9]朱成杰，周亚.物联网技术下电能质量监测系统的设计[J].物联网技术，2022，12（11）：30-32.

[10]李长军，李明洋，郝在盛，等.基于物联网技术的智能饮水提醒系统设计及实现[J].物联网技术，2022，12（12）：96-97.

作者简介：陈忠建（1979—），男，硕士，馆员，研究方向为档案信息化。

袁 可（1983—），男，硕士，副研究馆员，研究方向为档案保护。

廖勇军（1974—），男，硕士，副研究馆员，研究方向为档案信息化。