本發(fā)明屬于文物保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用在高電磁環(huán)境下工作的古籍保護(hù)箱系統(tǒng)的多功能儀。

背景技術(shù)：

古籍主要指未采用現(xiàn)代印刷技術(shù)印制的書籍，書籍的材質(zhì)也包含竹簡、帛以及紙張等。隨著年代的增長，古籍的紙張均會逐漸發(fā)黃、發(fā)脆，同時(shí)也會受到蟲蛀、鼠咬、自然或人為的損毀。由于古籍不能復(fù)制，古籍的保護(hù)工作尤為重要。古籍貯存箱解決了古籍防蟲、防潮等問題，同時(shí)也延長了古籍的壽命，避免了紙張、竹簡等材質(zhì)由于時(shí)間問題而發(fā)黃、腐蝕等問題。

古籍保護(hù)箱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了古籍等文物的保護(hù)功能，但由于古籍的特殊性以及貯存環(huán)境的變化，系統(tǒng)需要對其進(jìn)行環(huán)境參數(shù)采集、環(huán)境監(jiān)測，并且對古籍所在地點(diǎn)進(jìn)行定位。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)采集、存儲、傳輸，具有古籍保護(hù)箱室內(nèi)定位檢測功能，在較高電磁屏蔽環(huán)境內(nèi)箱體定位以及室外gps定位功能，并作為電子鑰匙控制古籍保護(hù)箱密碼鎖的解鎖。

本發(fā)明公開了：一種用于古籍保護(hù)箱的多功能儀，包括：主控單元模塊、存儲單元模塊、環(huán)境參數(shù)采集模塊、gps+gsm定位模塊、wifi通訊模塊、指紋識別模塊、電控鎖驅(qū)動控制模塊以及接口單元模塊；其中所述主控單元模塊包括微控制器，用于控制和協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的動作，所述存儲單元模塊包括sd卡、flash存儲器以及鐵電存儲器，用于存儲數(shù)據(jù)信息，所述環(huán)境參數(shù)采集模塊包括溫濕度傳感器、壓力傳感器，用于監(jiān)測古籍保護(hù)箱內(nèi)部環(huán)境，所述gps+gsm定位模塊包括gsm無線模塊、sim卡以及gps/北斗定位，用于定位，所述wifi通訊模塊包括外接天線遠(yuǎn)距離wifi模塊，將內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)通過無線通信協(xié)議與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令交互傳遞，所述指紋識別模塊用于指紋錄入、圖像處理、指紋對比、搜索和模板存儲，所述電控鎖驅(qū)動控制模塊用于門鎖全程監(jiān)控，所述接口單元模塊采用usbtype-c接口作為備用電池供電入口，所述usbtype-c接口還可作為有線傳輸、系統(tǒng)測試。

進(jìn)一步的，所述存儲單元模塊存儲數(shù)據(jù)信息包括指紋、環(huán)境參數(shù)、物品存取記錄、操作記錄、位置信息，其中sd卡以文件形式對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類存儲，flash存儲器對系統(tǒng)參數(shù)，升級固件參數(shù)進(jìn)行存儲，鐵電存儲器對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行存儲，所述主控單元模塊的微控制器與存儲器接通過sdio接口與sd卡連接，通過spi或i2c接口與flash存儲器連接，通過spi接口與鐵電存儲器連接。

進(jìn)一步的，所述主控單元模塊的微控制器采用兩路i2c總線接口分別與環(huán)境參數(shù)采集模塊的溫濕度傳感器、壓力傳感器連接，一路i2c總線接口與溫濕度傳感器相連，另一路i2c接口總線與壓力傳感器相連，溫濕度傳感器、壓力傳感器在微控制器的控制下檢測溫度、濕度及氣壓數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步的，所述gps+gsm定位模塊和wifi通訊模塊均采用外置天線進(jìn)行傳輸。

進(jìn)一步的，所述接口單元模塊采用usbtype-c接口作為備用電池供電入口，所述type-c接口支持usb接口雙面插接。

進(jìn)一步的，所述多功能儀支持外部直流供電或備用電池供電，備用電池在外部直流供電斷開時(shí)自動啟用，切換供電方式的同時(shí)，多功能儀根據(jù)供電狀態(tài)啟用不同的工作模式。

進(jìn)一步的，在直流供電情況下，多功能儀啟用全功能模式，包括環(huán)境參數(shù)采集、密碼鎖功能、gps+sim卡定位功能、wifi通訊功能；在備用電池供電情況下，僅啟用gps+sim卡定位功能模式。

進(jìn)一步的，所述多功能儀采用鋁合金材料表面拉絲氧化工藝制造，所述環(huán)境參數(shù)采集模塊中的溫濕度傳感器、壓力傳感器傳感器設(shè)置在所述多功能儀殼體邊角，內(nèi)部與主體隔離，采用立體鏤空設(shè)計(jì)，使傳感器腔體與監(jiān)測環(huán)境空氣充分交融。

本發(fā)明的有益效果：

1.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了古籍保護(hù)箱環(huán)境參數(shù)采集、存儲、傳輸，對古籍的保護(hù)能力具有明顯的提高；其次本發(fā)明具有古籍保護(hù)箱室內(nèi)定位檢測功能，并作為電子鑰匙控制古籍保護(hù)箱密碼鎖的解鎖。

2.本發(fā)明通過天線方案提高了箱體室外定位精度和抗電磁干擾能力；在較高電磁屏蔽環(huán)境內(nèi)具有箱體定位以及室外gps定位功能。

3.本發(fā)明通過存儲單元模塊實(shí)現(xiàn)了大容量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、備份、傳輸?shù)饶芰?，具有低功耗、大容量、可擴(kuò)容等特點(diǎn)。

4.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了多功能儀在結(jié)構(gòu)空間受限情況下的應(yīng)急供電問題。

附圖說明

圖1一種用于古籍保護(hù)系統(tǒng)的多功能儀原理框圖。

具體實(shí)施方式

除了下面所述的實(shí)施例，本發(fā)明還可以有其它實(shí)施例或以不同方式來實(shí)施。因此，應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明并不局限于在下面的說明書中所述或在附圖中所示的部件的結(jié)構(gòu)的詳細(xì)情況。當(dāng)這里只介紹一個(gè)實(shí)施例時(shí)，權(quán)利要求并不局限于該實(shí)施例。

用于古籍保護(hù)系統(tǒng)的多功能儀的硬件組成包括：主控單元模塊、存儲單元模塊、環(huán)境參數(shù)采集模塊、gps+gsm定位模塊、wifi通訊模塊、指紋識別模塊、電控鎖驅(qū)動控制模塊、接口單元模塊。

主控單元模塊：主控單元負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)整個(gè)設(shè)備的動作，執(zhí)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、邏輯判斷等任務(wù)，對mcu的數(shù)據(jù)計(jì)算能力，主頻效率，外設(shè)資源要求較高，選用144腳tqfp封裝的stm32f103微控制器作為多功能儀的mcu主控。

stm32f103是意法半導(dǎo)體公司基于arm內(nèi)核設(shè)計(jì)的一款微控制器。

存儲單元模塊：多功能儀存儲數(shù)據(jù)信息涉及指紋、環(huán)境參數(shù)、物品存取記錄、操作記錄、位置信息等內(nèi)容，種類繁多，時(shí)間越長累積數(shù)據(jù)也將越大，因此為解決數(shù)據(jù)存儲問題，多功能儀設(shè)計(jì)主要采用大容量sd(tf)卡，以文件形式對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類存儲。

對于系統(tǒng)參數(shù)，升級固件等重要參數(shù)采用外置flash存儲器進(jìn)行存儲，保證數(shù)據(jù)的安全可靠。而環(huán)境參數(shù)由于需要重復(fù)擦寫，操作頻率高，對存儲載體的性能要求很高，因此本設(shè)計(jì)采用鐵電存儲器(f-ram)對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行存儲。該類型存儲器讀寫壽命可高達(dá)100億次，數(shù)據(jù)保持150年不變，寫入無需執(zhí)行擦除操作，真正實(shí)現(xiàn)零等待，從而有效保證多功能儀環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的實(shí)時(shí)性。

環(huán)境參數(shù)以實(shí)際一幀30個(gè)字節(jié)，1秒鐘存儲一次，連續(xù)存儲2小時(shí)計(jì)算，總?cè)萘啃枨鬄?16kbyte(30字節(jié)×3600幀×2小時(shí)＝216000字節(jié))。因此，選用容量為256k(2mbit)的鐵電存儲器fm25v20a即可滿足存儲空間需求。該存儲器采用spi接口方式，最高操作時(shí)鐘頻率可達(dá)40mhz。

主控單元模塊的微控制器與存儲器接通過sdio接口與sd卡連接，通過spi或i2c接口與flash存儲器連接，通過spi接口與鐵電存儲器連接。

環(huán)境參數(shù)采集模塊：包括溫濕度傳感器、壓力傳感器。其中為減少多功能儀空間體積需求，溫度傳感器和濕度傳感器選用高集成度一體化數(shù)字溫濕度傳感器設(shè)計(jì)。每個(gè)多功能儀配置1個(gè)溫濕度傳感器和1個(gè)壓力傳感器。

傳感器選型如下：溫濕度傳感器選用瑞士盛世瑞恩公司生產(chǎn)的sht35數(shù)字溫濕度傳感器。壓力傳感器選用美國精量電子公司生產(chǎn)的ms5803-02ba絕對壓力傳感器。

溫濕度傳感器、壓力傳感器與主控接口方式設(shè)計(jì)如下，主控采用兩路i2c總線接口分別與溫濕度傳感器、壓力傳感器連接，一路i2c總線接口與溫濕度傳感器相連，另一路i2c接口總線與壓力傳感器相連。溫濕度傳感器、壓力傳感器在微控制器的控制下檢測溫度、濕度及氣壓數(shù)據(jù)。

gps+gsm定位模塊：包括gsm(sim900a)無線模塊、sim(中國移動)卡以及gps/北斗定位三部分。

gsm無線模塊具有短信收發(fā)功能，可以發(fā)一條短信給自己的設(shè)備，控制進(jìn)行動作，設(shè)備故障時(shí)，它可以發(fā)報(bào)警信息。

sim卡采用中國移動公司普通sim卡。

gps+北斗雙定位功能的atk-s1216模塊：atk-s1216f8gps/北斗模塊，是alientek生產(chǎn)的一款高性能gps/北斗相兼容的模塊，模塊核心采用skytraq公司s1216f8-bd模組，具有167個(gè)通道，追蹤靈敏度高達(dá)-165dbm，測量輸出頻率最高可達(dá)20hz。

wifi通訊模塊：wifi通訊模塊將數(shù)據(jù)多功能儀內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)通過無線通信協(xié)議與手持終端、中控系統(tǒng)以及電磁閥控制器等外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令交互傳遞。wifi通訊模塊采用esp8266-s2外接天線遠(yuǎn)距離wifi模塊，無線模塊板載插座采用ipex，占用空間較小。該模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的ieee802.11b/g/n協(xié)議，完整的tcp/ip協(xié)議棧。用戶可以使用該模塊為現(xiàn)有的設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能，也可以構(gòu)建獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)控制器。

模塊有三種工作模式。模塊作為ap模式，可以達(dá)到手機(jī)/pad/電腦等無線終端設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)連接的情況下，快速接入模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞；作為sta模式是一種常用的組網(wǎng)方式，由一個(gè)路由器ap和許多sta組成，其特點(diǎn)是ap處于中心地位，sta之間的相互通信都通過ap轉(zhuǎn)發(fā)完成；模塊可以同時(shí)啟用ap、sta，即模塊同時(shí)支持一個(gè)ap接口，一個(gè)sta接口。

指紋識別模塊：指紋模塊選用zaz-060指紋識別模塊。該模塊以高速dsp處理器為核心，結(jié)合具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電容指紋傳感器，具有指紋錄入、圖像處理、指紋對比、搜索和模板存儲等功能。

電控鎖驅(qū)動控制模塊：本方案設(shè)計(jì)選擇斷電上鎖型反饋式電子插鎖sl-133，工作電壓12v，開鎖啟動電流830ma，長時(shí)間供電電流160ma。實(shí)時(shí)感知當(dāng)前門鎖狀態(tài)，防止惡意斷電開啟箱門，實(shí)現(xiàn)門鎖全程監(jiān)控，充分保障物品安全。

接口單元模塊：多功能儀設(shè)計(jì)采用usbtype-c接口作為備用電池供電入口。type-c接口的最大特點(diǎn)就是支持usb接口雙面插接。此外，該接口還可作為有線傳輸、系統(tǒng)測試等保留功能接口使用。

用于古籍保護(hù)系統(tǒng)的多功能儀采用鋁合金材料表面拉絲氧化工藝制造，不使用任何著色涂料、化學(xué)物質(zhì)，杜絕結(jié)構(gòu)材料揮發(fā)污染氣體。傳感器設(shè)置在殼體邊角，內(nèi)部與主體隔離，采用立體鏤空設(shè)計(jì)，使傳感器腔體與監(jiān)測環(huán)境空氣充分交融，氣流通暢，以保證溫濕度傳感器測量精度和靈敏度獲得最優(yōu)效果。

由于古籍保護(hù)箱內(nèi)層嵌入蜂窩金屬網(wǎng)，對gps+gsm定位模塊以及wifi通訊模塊的信號強(qiáng)度易產(chǎn)生較強(qiáng)干擾，因此，gps+gsm定位模塊以及wifi通訊模塊均采用外置天線進(jìn)行傳輸，結(jié)合箱體采用預(yù)埋式設(shè)計(jì)，以保證信號強(qiáng)度和箱體整體美觀度，增強(qiáng)天線的抗干擾和收星能力。

多功能儀采用外部直流供電和備用電池供電兩種供電方式；當(dāng)外部提供直流供電時(shí)，設(shè)備首選從直流供電口取電，當(dāng)直流供電口斷電時(shí)，設(shè)備啟用備用電池，以實(shí)現(xiàn)多功能儀的斷電保護(hù)和定位功能。

古籍保護(hù)系統(tǒng)的多功能儀工作原理如下：

(1)數(shù)據(jù)采集：

多功能儀每1秒鐘采集一次環(huán)境數(shù)據(jù)，包括：溫度、濕度、壓力，保存到本地并記錄采集時(shí)間，同時(shí)每2小時(shí)執(zhí)行一次數(shù)據(jù)覆蓋操作；

在貯存狀態(tài)下，多功能儀間隔0.5小時(shí)向中控系統(tǒng)傳輸最近一次采集的數(shù)據(jù)；

在充放氣狀態(tài)下，多功能儀實(shí)時(shí)向中控系統(tǒng)傳輸本次采集的數(shù)據(jù)。

(2)電子鑰匙功能：

多功能儀接收中控系統(tǒng)傳輸?shù)闹讣y信息，并將其傳輸給指紋模塊進(jìn)行存儲。

訪客通過指紋識別模塊進(jìn)行指紋匹配，多功能儀根據(jù)匹配結(jié)果，由設(shè)定的邏輯程序判斷是否開啟密碼鎖，記錄操作信息，并將開鎖結(jié)果反饋給中控系統(tǒng)。

密碼鎖重新關(guān)閉后，多功能儀將上鎖信號和操作時(shí)間反饋給中控系統(tǒng)。

多功能儀可根據(jù)中控系統(tǒng)邏輯程序指令對密碼鎖內(nèi)的指紋信息進(jìn)行讀寫和擦除操作。

(3)存取物品操作記錄：

古籍保護(hù)箱箱門開啟后，多功能儀自動記錄操作時(shí)間，并接收和存儲手持終端傳輸?shù)南鋬?nèi)書籍名稱、編號信息和操作內(nèi)容。

(4)工作模式：

多功能儀支持外部直流供電或備用電池供電，備用電池在外部直流供電斷開時(shí)自動啟用。切換供電方式的同時(shí)，多功能儀根據(jù)供電狀態(tài)啟用不同的工作模式。多功能儀亦可通過手持終端設(shè)置工作模式。

在直流供電情況下，多功能儀啟用全功能模式(環(huán)境參數(shù)采集、密碼鎖功能、gps+sim卡定位功能、wifi通訊功能)；在備用電池供電情況下，僅啟用gps+sim卡定位功能模式。

正常工作狀態(tài)，多功能儀sim交互支持主動和被動兩種工作模式。主動工作模式：外部直流供電時(shí)，sim卡每10分鐘往中控系統(tǒng)發(fā)送一次位置信息；而啟用電池供電則sim卡每30分鐘往中控系統(tǒng)發(fā)送一次位置信息；被動工作模式：多功能儀任何時(shí)刻接收到sim卡命令信息后，將位置信息發(fā)送至中控系統(tǒng)。