本發(fā)明屬于文物保護技術領域，具體涉及一種應用在高電磁環(huán)境下工作的古籍保護箱系統(tǒng)的多功能儀。

背景技術：

古籍主要指未采用現代印刷技術印制的書籍，書籍的材質也包含竹簡、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，同時也會受到蟲蛀、鼠咬、自然或人為的損毀。由于古籍不能復制，古籍的保護工作尤為重要。古籍貯存箱解決了古籍防蟲、防潮等問題，同時也延長了古籍的壽命，避免了紙張、竹簡等材質由于時間問題而發(fā)黃、腐蝕等問題。

古籍保護箱系統(tǒng)實現了古籍等文物的保護功能，但由于古籍的特殊性以及貯存環(huán)境的變化，系統(tǒng)需要對其進行環(huán)境參數采集、環(huán)境監(jiān)測，并且對古籍所在地點進行定位。

技術實現要素：

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

本發(fā)明公開了：一種用于古籍保護箱的多功能儀，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)調整個系統(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，用于存儲數據信息，所述環(huán)境參數采集模塊包括溫濕度傳感器、壓力傳感器，用于監(jiān)測古籍保護箱內部環(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距離wifi模塊，將內部存儲的數據通過無線通信協(xié)議與外部設備進行數據和指令交互傳遞，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。

進一步的，所述存儲單元模塊存儲數據信息包括指紋、環(huán)境參數、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據進行歸類存儲，flash存儲器對系統(tǒng)參數，升級固件參數進行存儲，鐵電存儲器對環(huán)境參數進行存儲，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、濕度及氣壓數據。

進一步的，所述gps+gsm定位模塊和wifi通訊模塊均采用外置天線進行傳輸。

進一步的，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自動啟用，切換供電方式的同時，多功能儀根據供電狀態(tài)啟用不同的工作模式。

進一步的，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)境參數采集模塊中的溫濕度傳感器、壓力傳感器傳感器設置在所述多功能儀殼體邊角，內部與主體隔離，采用立體鏤空設計，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)明實現了古籍保護箱環(huán)境參數采集、存儲、傳輸，對古籍的保護能力具有明顯的提高；其次本發(fā)明具有古籍保護箱室內定位檢測功能，并作為電子鑰匙控制古籍保護箱密碼鎖的解鎖。

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現了大容量系統(tǒng)數據采集、備份、傳輸等能力，具有低功耗、大容量、可擴容等特點。

4.本發(fā)明實現了多功能儀在結構空間受限情況下的應急供電問題。

附圖說明

圖1一種用于古籍保護系統(tǒng)的多功能儀原理框圖。

具體實施方式

除了下面所述的實施例，本發(fā)明還可以有其它實施例或以不同方式來實施。因此，應當知道，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構的詳細情況。當這里只介紹一個實施例時，權利要求并不局限于該實施例。

用于古籍保護系統(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、電控鎖驅動控制模塊、接口單元模塊。

主控單元模塊：主控單元負責控制和協(xié)調整個設備的動作，執(zhí)行數據運算處理、邏輯判斷等任務，對mcu的數據計算能力，主頻效率，外設資源要求較高，選用144腳tqfp封裝的stm32f103微控制器作為多功能儀的mcu主控。

stm32f103是意法半導體公司基于arm內核設計的一款微控制器。

存儲單元模塊：多功能儀存儲數據信息涉及指紋、環(huán)境參數、物品存取記錄、操作記錄、位置信息等內容，種類繁多，時間越長累積數據也將越大，因此為解決數據存儲問題，多功能儀設計主要采用大容量sd(tf)卡，以文件形式對各類數據進行歸類存儲。

對于系統(tǒng)參數，升級固件等重要參數采用外置flash存儲器進行存儲，保證數據的安全可靠。而環(huán)境參數由于需要重復擦寫，操作頻率高，對存儲載體的性能要求很高，因此本設計采用鐵電存儲器(f-ram)對環(huán)境參數進行存儲。該類型存儲器讀寫壽命可高達100億次，數據保持150年不變，寫入無需執(zhí)行擦除操作，真正實現零等待，從而有效保證多功能儀環(huán)境參數監(jiān)測的實時性。

環(huán)境參數以實際一幀30個字節(jié)，1秒鐘存儲一次，連續(xù)存儲2小時計算，總容量需求為216kbyte(30字節(jié)×3600幀×2小時＝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，最高操作時鐘頻率可達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字溫濕度傳感器設計。每個多功能儀配置1個溫濕度傳感器和1個壓力傳感器。

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的sht35數字溫濕度傳感器。壓力傳感器選用美國精量電子公司生產的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計如下，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、濕度及氣壓數據。

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備，控制進行動作，設備故障時，它可以發(fā)報警信息。

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個通道，追蹤靈敏度高達-165dbm，測量輸出頻率最高可達20hz。

wifi通訊模塊：wifi通訊模塊將數據多功能儀內部存儲的數據通過無線通信協(xié)議與手持終端、中控系統(tǒng)以及電磁閥控制器等外部設備進行數據和指令交互傳遞。wifi通訊模塊采用esp8266-s2外接天線遠距離wifi模塊，無線模塊板載插座采用ipex，占用空間較小。該模塊支持標準的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有的設備添加聯網功能，也可以構建獨立的網絡控制器。

模塊有三種工作模式。模塊作為ap模式，可以達到手機/pad/電腦等無線終端設備在網絡連接的情況下，快速接入模塊進行數據傳遞；作為sta模式是一種常用的組網方式，由一個路由器ap和許多sta組成，其特點是ap處于中心地位，sta之間的相互通信都通過ap轉發(fā)完成；模塊可以同時啟用ap、sta，即模塊同時支持一個ap接口，一個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，結合具有自主知識產權的電容指紋傳感器，具有指紋錄入、圖像處理、指紋對比、搜索和模板存儲等功能。

電控鎖驅動控制模塊：本方案設計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，長時間供電電流160ma。實時感知當前門鎖狀態(tài)，防止惡意斷電開啟箱門，實現門鎖全程監(jiān)控，充分保障物品安全。

接口單元模塊：多功能儀設計采用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、化學物質，杜絕結構材料揮發(fā)污染氣體。傳感器設置在殼體邊角，內部與主體隔離，采用立體鏤空設計，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。

由于古籍保護箱內層嵌入蜂窩金屬網，對gps+gsm定位模塊以及wifi通訊模塊的信號強度易產生較強干擾，因此，gps+gsm定位模塊以及wifi通訊模塊均采用外置天線進行傳輸，結合箱體采用預埋式設計，以保證信號強度和箱體整體美觀度，增強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；當外部提供直流供電時，設備首選從直流供電口取電，當直流供電口斷電時，設備啟用備用電池，以實現多功能儀的斷電保護和定位功能。

古籍保護系統(tǒng)的多功能儀工作原理如下：

(1)數據采集：

多功能儀每1秒鐘采集一次環(huán)境數據，包括：溫度、濕度、壓力，保存到本地并記錄采集時間，同時每2小時執(zhí)行一次數據覆蓋操作；

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

在充放氣狀態(tài)下，多功能儀實時向中控系統(tǒng)傳輸本次采集的數據。

(2)電子鑰匙功能：

多功能儀接收中控系統(tǒng)傳輸的指紋信息，并將其傳輸給指紋模塊進行存儲。

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

密碼鎖重新關閉后，多功能儀將上鎖信號和操作時間反饋給中控系統(tǒng)。

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

(3)存取物品操作記錄：

古籍保護箱箱門開啟后，多功能儀自動記錄操作時間，并接收和存儲手持終端傳輸的箱內書籍名稱、編號信息和操作內容。

(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自動啟用。切換供電方式的同時，多功能儀根據供電狀態(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，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)。