一种基于5G通信的图书馆小气候环境感知装置及方法

一种基于5g通信的图书馆小气候环境感知装置及方法
技术领域
1.本发明属于气象无线传感监测领域，主要涉及一种基于5g通信的图书馆小气候环境感知装置及方法。


背景技术：

2.传统的馆舍环境感知设备主要为图书馆大楼建设时，埋线安装或zigbee网络，直接连线到主控器，单一展示，未考虑过各设备汇聚后的小气候环境数据的价值。而且由于图书馆除了受到室外气象条件的影响之外，由于占地面积比较大，在其内部各阅览室、书库、机房等环境的温度、湿度和光照度等小气候环境也有差异，因此室内小气候环境难以监控。在我国各图书馆建筑中，尤其是在空间较大的老馆，建馆较早，制冷设备不够智能，建馆之初无法考虑未来到馆人数的急剧增长，制冷设备时常导致热交换能力不足，导致制冷、除湿启动慢，效果不明显，存在时间滞后性，经常出现过度调节的情况，因此馆员要根据现场感知与读者反馈在主观上反复操作。
3.目前的图书馆在馆舍环境监管及服务手段上仍存在严重不足，不够轻量级、人性化和智能化，进行无法对馆舍环境进行全面了解，对此需要加大这方面的改进与智能化建设。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的问题是针对背景技术的缺陷，提出一种基于5g通信的图书馆小气候环境感知装置及方法。本发明检测和采集图书馆各阅览室、书库、机房等环境的温度和湿度等环境数据，在各边缘感知子系统上显示环境数据的同时，将边缘感知子系统的实时环境数据传送至融合控制子系统，再由融合控制子系统传送至云端计算响应子系统，调取各边缘感知子系统的历史数据进行对比，若该数据超出正常范围，则返回设备异常状态。并且根据该位置的未来1小时的天气要素进行融合计算，得出调整值；同时，还可以根据位置绘制整个图书馆的小气候要素的分布情况，上述应用场景用于辅助馆员对各层各房间的冷暖设备的启动和调节进行决策，从而减少本馆的碳排放。
5.为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
6.一种基于5g通信的图书馆小气候环境感知装置，包括若干边缘感知子系统、融合控制子系统和云端计算响应子系统；
7.各边缘感知子系统分布在图书馆的各个监测区域，感知图书馆内的实时环境数据；
8.融合控制子系统接收各边缘感知子系统感知的实时环境数据，并传输至云端计算响应子系统；
9.云端计算响应子系统对接收到的实时环境数据进行异常检测以及融合计算，并将结果反馈至融合控制子系统；
10.融合控制子系统根据云端计算响应子系统反馈的结果，下发至各边缘感知子系
统。
11.作为本发明的进一步优化方案，边缘感知子系统包括传感感知单元、5g通信单元、微控制器单元、供电及显示单元，供电及显示单元包括显示模块以及用于供电的电源模块，微控制器单元分别与传感感知单元、5g通信单元以及显示模块连接。
12.作为本发明的进一步优化方案，传感感知单元包括温度传感器、湿度传感器。
13.作为本发明的进一步优化方案，若某一边缘感知子系统出现变动时，该边缘感知子系统向融合控制子系统上报其id与位置信息。
14.作为本发明的进一步优化方案，云端计算响应子系统对接收到的任一边缘感知子系统感知的实时环境数据进行异常检测以及融合计算，具体为：
15.1)基于该边缘感知子系统的历史数据，判断实时环境数据是否处于区间[-2*s a,2*s a]内，若不是则判定该边缘感知子系统处为异常工作状态，否则该边缘感知子系统处为正常工作状态，并保存实时环境数据；其中，a为历史数据的平均值，s为历史数据的标准差；
[0016]
2)基于该边缘感知子系统的历史数据，计算相应的距平值；
[0017]
3)基于距平值，计算调整值：
[0018]
v＝sig(vs－v
t
)*int(ln(max(1,(v
t 1-v
t
)))
·
f(t))
[0019]
其中，v为当前t时刻的调整值，为正值代表向上调节图书馆内环境设定值，为负值代表向下调节图书馆内环境设定值；sig(
·
)代表符号函数；int(
·
)代表取整函数，ln(
·
)为对数函数，max(
·
)代表最大值函数；权重v
t 1
为当前t时刻的未来1小时城市环境数据的预报值，v
t
为当前t时刻的馆内实时环境数据，vs代表馆内制冷设备设定值，d为当前t时刻的距平值，b为常参数。
[0020]
作为本发明的进一步优化方案，融合控制子系统将云端计算响应子系统对各边缘感知子系统处工作状态的判定结果以及调整值发送至各边缘感知子系统，各边缘感知子系统对工作状态的判定结果以及调整值进行显示。
[0021]
作为本发明的进一步优化方案，该装置还包括与云端计算响应子系统连接的云端分析决策子系统，用于根据用户请求示其权限内的环境数据。
[0022]
本发明还提供一种基于上述装置的图书馆小气候环境感知方法，具体步骤如下：
[0023]
步骤1：首次与融合控制子系统连接时，边缘感知子系统向融合控制子系统上报自身id与位置信息；
[0024]
步骤2：各边缘感知子系统进行实时环境数据的感知；
[0025]
步骤3：融合控制子系统汇集各边缘感知子系统感知的实时环境数据，传输至云端计算响应子系统；
[0026]
步骤4：云端计算响应子系统接收各边缘感知子系统感知的实时环境数据后，进行异常检测以及融合计算，将各边缘感知子系统处的工作状态判定结果和调整值反馈至融合控制子系统；
[0027]
步骤5：融合控制子系统向各边缘感知子系统下发相应的工作状态判定结果和调整值，由边缘感知子系统进行显示。
[0028]
本发明还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个
程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行如上所述的方法。
[0029]
本发明还提供一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行如上所述方法的指令。
[0030]
本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明提供的技术方案，具有云端监控与边缘节点双重监控，更加精准，并便于辅助图书馆管理人员进行决策，在图书馆具有较高的实用价值。
附图说明
[0031]
图1是本发明装置的结构图。
具体实施方式
[0032]
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0033]
在一个实施例中，按照功能模块来划分，如图1所示，本发明所述的一种基于5g通信的图书馆小气候环境感知装置分为边缘感知子系统、融合控制子系统、云端计算响应子系统和云端分析决策子系统。
[0034]
边缘感知子系统根据校园图书馆条件，分布在不同的监测区域(不同楼层或不同楼宇)中，通过连接融合控制子系统构成覆盖馆舍的网络。每个边缘感知子系统实时检测周围环境数据，并将获取的数据发送至融合控制子系统。融合控制子系统作为控制的大脑，在校园内只部署一个，其部署位置不限定在检测区域内；而边缘感知子系统可以设置多个，因而对整个装置来讲，实现功能的同时，不受通信距离的影响。同时，边缘感知子系统采用5g通信，与附近基站相联接，不受信号覆盖的影响，扩展性高；融合控制子系统部署于校内网环境，将从边缘感知子系统接收到的海量数据全部或部分通过互联网单向传递到云端计算响应子系统，从而保证了校内网数据的安全。云端计算响应子系统进行异常检查和融合计算，并返回工作状态和调整值。云端分析决策子系统基于云端计算响应子系统的检查和计算结果，辅助展示及决策。
[0035]
在一个实施例中，融合控制子系统可接收多个边缘感知子系统传递的数据，同时根据管理员设置的数据权限级别，将各边缘感知子系统id与收集的数据全部或部分发送给云端计算响应子系统。融合控制子系统部署于校内网环境，将海量数据单向传递给云端计算响应子系统。同时，利用vlr数据库用于存放各边缘感知子系统id与位置信息。每当边缘感知子系统有变动，由边缘感知子系统主动第一次报备，并更新vlr数据库里的信息。
[0036]
在一个实施例中，云端计算响应子系统接收到融合控制子系统传递来的数据。接收到的数据包括：各边缘感知子系统id、位置信息以及实时环境数据。并执行以下步骤：
[0037]
1)基于该边缘感知子系统的历史数据，判断实时环境数据是否处于区间[-2*s a,2*s a]内，若是则判定该边缘感知子系统处为异常工作状态，否则该边缘感知子系统处为正常工作状态，并保存实时环境数据；其中，a为历史数据的平均值，s为历史数据的标准差；
[0038]
2)基于该边缘感知子系统的历史数据，计算相应的距平值；
[0039]
3)基于距平值，计算调整值：
[0040]
v＝sig(vs－v
t
)*int(ln(max(1,(v
t 1-v
t
)))
·
f(t))
[0041]
其中，v为当前t时刻的调整值，v为正值代表向上调节图书馆内环境设定值，v为负值代表向下调节图书馆内环境设定值；sig(
·
)代表符号函数，)代表符号函数，int(
·
)代表取整函数，ln(
·
)为对数函数，max(
·
)代表最大值函数；权重v
t 1
为当前t时刻的未来1小时城市环境数据的预报值，v
t
为当前t时刻的实时馆内环境数据，vs代表馆内制冷设备设定值，d为当前t时刻的距平值，b为常参数。
[0042]
在一个实施例中，边缘感知子系统包括：传感感知单元、5g通信单元、微控制器单元、供电及显示单元。其中：
[0043]
传感感知单元：包括温度传感器和湿度传感器；用于感知环境信息，并转换为传感器信号。并将数据送至微控制器单元。
[0044]
5g通信单元：采用最先进的超大规模天线、智能反射面技术，实现本单元与融合控制子系统之间高能效、低功耗、低时延数据的无线通信传输。
[0045]
微控制器单元：分别与传感感知单元、5g通信单元、供电及显示单元相连接，本单元作为边缘节点(边缘感知子系统所处之处)的控制中枢，从传感感知单元获得实时环境数据后，通过5g通信单元发送消息至融合控制子系统后，等待融合控制子系统返回信息。其中，发送的消息包含以下内容：本机地址、主控地址、长度、数据类型、数据、奇偶校验码，具体含义如表1所示。
[0046]
表1发送的消息
[0047][0048]
供电及显示单元：为整个边缘节点提供电源供电以及指示灯显示、lcd数据显示。正常工作状态时，状态指示灯呈绿色长亮。若收到微控制器单元发送的异常状态，则是状态指标灯呈红色闪烁；lcd屏则实时显示微控制器单元传来的环境数据与调整值。
[0049]
在一个实施例中，云端计算响应子系统更加接收到的实时温度、湿度，执行以下步骤：
[0050]
首先，调取该边缘感知子系统的历史数据，判断实时环境数据是否处于区间[-2*s a,2*s a]内，其中，a为当日的环境数据的历史平均值，s为标准差。若不是则判定该边缘感知子系统处为异常工作状态；否则判定该边缘感知子系统处为正常工作状态，并将该边缘感知子系统的实时环境数据存入数据库。
[0051]
然后，从数据库获取该边缘感知子系统的温度、湿度的一年历史值，并分别计算出相应的距平值。
[0052]
再后，基于每日中温度的最高值一般是14点，湿度的最高值一般是0点，分别取b＝14，b＝0，计算温度、湿度、对应的权重：
[0053][0054][0055]
其中，t代表小时，其区值范围为[0,24]；d
t
、d
rh
、分别代表温度、湿度的距平值。
[0056]
再后，从公网获取该边缘感知子系统所在城市温度、湿度未来1小时预报值作如下计算，得到温度、湿度的调整值v
t
、v
rh
：
[0057][0058][0059]
其中，分别代表未来1小时的所在城市温度、湿度的预报值,代表为当前t时刻的实时馆内环境数据，代表当前t时刻制冷设备设定值
[0060]
最后，将边缘感知子系统id、工作状态判定结果和调整值v
t
、v
rh
返回至融合控制子系统。
[0061]
在一个实施例中，融合控制子系统向各边缘感知子系统下发相应的工作状态判定结果和调整值v
t
、v
rh
。
[0062]
在一个实施例中，云端分析决策子系统用于根据用户请求，显示其权限内的小气候环境数据集和热力图分布。
[0063]
传统的馆舍环境感知设备为埋线安装或zigbee网络。而在本发明的装置中，边缘感知子系统采用5g无线通信，具有即装即连、扩展性高、覆盖范围广、高可靠性且低时延的特性；融合控制子系统仅负责数据汇集与处理，硬件成本低。且依靠校内网单向传输海量数据，即降低硬件生产成本，又保障内网数据的安全，同时降低对5g流量的消耗。云端计算响应子系统和云端分析决策子系统部署于互联网，用于各种不同的终端进行访问，有效的减少对整个装置的负载压力。因此，本装置在图书馆具有较高的实用价值，可应用于校区内有多个分馆或分布于不同楼层或楼宇的阅览室的场景。
[0064]
由于图书馆除了受到室外气象条件的影响之外，由于占地面积比较大，在其内部各阅览室、书库、机房等环境的温度、湿度和光照度等小气候环境也有差异，因此室内小气候环境难以监控。在我国各图书馆建筑中，尤其是在空间较大的老馆，建馆较早，制冷设备不够智能，建馆之初无法考虑未来到馆人数的急剧增长，制冷设备时常导致热交换能力不足，导致制冷、除湿启动慢，效果不明显，存在时间滞后性，经常出现过度调节的情况，因此馆员要根据现场感知与读者反馈在主观上反复操作。而本发明中云端计算响应子系统与云端相互通信，通过实时数据与未来1小时的预报数据相融合，对馆舍中具体房间的未来环境数据提供参考调整值，比传统的环境感知设备更加智能。馆员不仅可以查看本馆内各层各房间的小气候环境数据，了解各阅览室、书库、机房的真实环境数据情况，亦可参考云端发来的调整值辅助其决策，更便于精准调节读者的读书学习的小气候环境，从而减少图书馆的碳排放。同时，云端分析决策子系统通过实时数据与历史数据的差异，可以及时发现某房间小气候环境的异常。由于图书馆内图书的保存质量、保存时间都与馆内的温湿度参数有着很大的关系，因此，本发明对保护图书也有着非常重要的意义。
[0065]
在一个实施例中，某市高校图书馆部署本发明装置，所涉及模块如图1所示。其中，边缘感知子系统安装至某高校图书馆各分馆、密集书库及各学院阅览室内部，共安装10个；融合控制子系统搭建于信息中心；云端计算响应子系统和云端分析决策子系统部署在云上。运行如下图书馆小气候环境感知方法的步骤如下：
[0066]
步骤1：首次与融合控制子系统连接时，边缘感知子系统主动报备本身id与位置信息。融合控制子系统将“边缘感知子系统和其位置信息存入vlr数据库中。
[0067]
步骤2：各边缘感知子系统进行独立工作。其中，边缘感知子系统包括传感感知单元、5g通信单元、微控制器单元、供电及显示单元等模块。具体执行过程有：
[0068]
a)传感感知单元通过温度传感器、湿度传感器等感知所在房间的小气候数据并传输给微控制器单元。
[0069]
b)微控制器单元通过从“传感感知单元”获得实时环境数据后，加上本边缘感知子系统id信息，交由微控制器单元。
[0070]
c)微控制器单元通过5g通信单元发送信息至融合控制子系统并等待融合控制子系统返回信息。若收到返回信息，则执行步骤5。否则等待。
[0071]
步骤3：融合控制子系统汇集各边缘感知子系统数据，根据数据权限级别，通过互联网单向传递部分海量数据到云端计算响应子系统。
[0072]
步骤4：云端计算响应子系统接收融合控制子系统消息后，通过计算，将各边缘感知子系统的将正常/异常工作状态判定结果和调整值返回至融合控制子系统。
[0073]
步骤5：融合控制子系统向边缘感知子系统下发信息，边缘感知子系统的微控制器单元执行进入处理模式：根据融合控制子系统发送来的正常/异常工作状态，微控制器单元控制供电及显示单元的指示灯进行绿色常亮/红色闪烁。同时，供电及显示单元的lcd屏在显示该边缘节点实时环境数据的基础上，显示对应的调整值。
[0074]
步骤6：云端分析决策子系统根据用户请求，显示其权限内的小气候环境数据集和热力图分布，用于了辅助展示及馆员的决策。
[0075]
上述方法中的数据处理流程与装置部分的一致，这里不重复描述了。
[0076]
基于相同的技术方案，本发明还公开了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述方法。
[0077]
基于相同的技术方案，本发明还公开了一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述方法的指令。
[0078]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0079]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流
程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0080]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0081]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0082]
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。