物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在博物館環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

海鷗

【摘 要】博物館文物損害的一個關(guān)鍵原因是環(huán)境因素。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對博物館各種環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測和評估則是文物預(yù)防性保護(hù)的重要途徑。針對博物館中自動實時環(huán)境監(jiān)測的需求，本文提出了一種基于可見光通信的博物館環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用照明LED燈傳輸環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)無需額外布線及安裝通信終端，實現(xiàn)了“照明通信兩用”、提高了博物館環(huán)境監(jiān)測時間和空間的連續(xù)度，且降低了建設(shè)成本。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；博物館；環(huán)境監(jiān)測；可見光通信

中圖分類號： TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）17-0009-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.004

【Abstract】Environment is one of the key reasons for museum artifacts damage.The real-time monitoring and evaluation of various museum environments using the Internet of Things technology is an important approach for preventative protection of cultural relics.Aiming at the requirement of automatic real-time environment monitoring for museums，a museum environment monitoring system based on visible light communication is proposed in this paper. Using lighting LED lights to transmit environmental monitoring data，the system realizes lighting and communication simultaneously without additional wiring and installation of communication terminals.The museum's environment parameters could be monitored continuously in time and space，while the construction cost is relatively low.

【Key words】Internet of Things；Museum；Environment monitoring；Visible light communication

0 引言

博物館里珍藏著大量的珍貴文物，這些文物是人類重要的文化遺產(chǎn)。博物館的存放環(huán)境對文物的保存有著至關(guān)重要的影響，對博物館環(huán)境參數(shù)的連續(xù)自動化監(jiān)測有利于實時發(fā)現(xiàn)環(huán)境風(fēng)險并及時調(diào)整。物聯(lián)網(wǎng)的核心就是傳感技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，其中可見光通信技術(shù)利用室內(nèi)照明LED燈同時提供照明與通信功能，建設(shè)成本低、易普及；無電磁輻射，對人體無害，環(huán)境友好；已逐漸成為室內(nèi)、外短距離通信的熱點技術(shù)。本文提出了一種基于可見光通信技術(shù)的博物館環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用博物館的LED光源傳輸環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，具有“照明通信兩用”的優(yōu)勢，且LED光源分布直接對應(yīng)于展廳的展柜、展品以及庫房和文物儲藏架，監(jiān)測點分布均勻。該系統(tǒng)可以穩(wěn)定地對博物館環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)測， 最大程度減緩了環(huán)境因素對博物館文物的破壞，對博物館文物預(yù)防性保護(hù)具有重要的意義，也為博物館從業(yè)者在文物保護(hù)方面提供了新的手段和思路。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）簡單的說是物與物、人與物之間的信息傳遞與控制；萬物之間、物與人之間通過互聯(lián)網(wǎng)鏈接在一起。物聯(lián)網(wǎng)又叫傳感網(wǎng)，是繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮[1]。

物聯(lián)網(wǎng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三部分組成。感知層主要通過各類數(shù)據(jù)采集設(shè)備將實時發(fā)生的事件和數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化采集。網(wǎng)絡(luò)層則是通過移動通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使感知層采集的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行無障礙且高效、安全的進(jìn)行傳遞。應(yīng)用層則是在采集的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上按照個性需要實現(xiàn)的應(yīng)用；通過各類支撐平臺進(jìn)行跨系統(tǒng)、跨應(yīng)用的信息共享、互通和協(xié)同。

通過多年的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在智能物流、環(huán)境保護(hù)、智能交通、公共安全、工業(yè)監(jiān)測以及情報收集等諸多領(lǐng)域得到了長足的應(yīng)用。并且已經(jīng)延伸到博物館文物保護(hù)與環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。

2 博物館環(huán)境與預(yù)防性保護(hù)

博物館環(huán)境主要分為微環(huán)境、小環(huán)境、大環(huán)境和室外環(huán)境四個方面。微環(huán)境指的是展柜、儲藏柜以及儲藏盒內(nèi)的環(huán)境；小環(huán)境則是庫房、展廳等室內(nèi)空間的環(huán)境；大環(huán)境主要是博物館建筑內(nèi)部的空間環(huán)境；室外環(huán)境即博物館建筑外部的空間環(huán)境。環(huán)境因素則主要是指光輻射、溫濕度、污染氣體和有害生物。

文物“預(yù)防性保護(hù)”的概念于1930年意大利羅馬召開的一次藝術(shù)品保護(hù)國際研討會上提出。對文物保護(hù)環(huán)境進(jìn)行有效的監(jiān)測伴隨著各種高新技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)越來越精準(zhǔn)和智能。使用一切能幫助博物館對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測的科學(xué)技術(shù)，特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在文物保護(hù)領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用，也是未來發(fā)展的趨勢。

文物“預(yù)防性保護(hù)”需要通過各種監(jiān)測、評估和干預(yù)將各類環(huán)境因素對文物的危害降低到最低水平。使文物保存在一個穩(wěn)定且清潔的環(huán)境中，以達(dá)到長期保存的目的。其中所謂的“穩(wěn)定”環(huán)境是指恒溫恒濕的存放環(huán)境；所謂的“清潔”環(huán)境則是指在各類污染物濃度在安全指標(biāo)以下的存放環(huán)境。通過相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)，從源頭上對影響文物保護(hù)的因素進(jìn)行檢測、評估和調(diào)控。

3 博物館環(huán)境監(jiān)測的需求分析

國內(nèi)的大量研究表明，博物館環(huán)境是引發(fā)博物館文物劣化和損壞的主要原因。其中常見的因素包括博物館里的溫濕度、污染氣體、光照、蟲害等[2]。例如：溫度常與環(huán)境中光照、各種氣體等因素聯(lián)合作用，對一定的化學(xué)反應(yīng)起到加速發(fā)應(yīng)的作用；濕度對文物的影響相對更大，過高或者過低的濕度會導(dǎo)致有機(jī)材料文物發(fā)生水解、增重、體積膨脹或者收縮、干裂等變化，潮濕空氣會導(dǎo)致金屬文物發(fā)生化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕或者緩慢氧化；光對于博物館雖然是人們研究、參觀所必不可少的，但對于文物保存卻是有害的，特別是光波中的紫外線，除了它的熱效應(yīng)能使有關(guān)化學(xué)反應(yīng)加速外，更重要的是體現(xiàn)在光化學(xué)反應(yīng)上。

為了能夠更完好地保存博物館中的文物，實時監(jiān)測博物館里的溫度、濕度以及二氧化碳等因素變化并及時做出對應(yīng)調(diào)整有著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方法存在著許多不足之處，一是無法做到24小時連續(xù)監(jiān)測，二是監(jiān)測位置可能存在主觀性。因此，自動化的連續(xù)實時環(huán)境監(jiān)測對于博物館文物保護(hù)有著積極的意義。但當(dāng)前基于短距微波通信技術(shù)的傳感網(wǎng)應(yīng)用還存在諸多弊端，如無線通信信道帶寬有限、產(chǎn)生無線電磁干擾、信道的相互干擾等問題[2]。

4 基于可見光通信的博物館環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

為解決以上問題，本文提出了一種基于可見光通信技術(shù)的博物館環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用照明LED燈傳輸環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。一方面，可見光通信利用照明LED燈作為通信終端，實現(xiàn)“通信照明兩用”，可節(jié)省下一套系統(tǒng)的布線、安裝、設(shè)備維護(hù)等成本；另一方面，博物館中的展柜、展品等都安裝有照明燈，換句話說，照明燈與展柜、展品等環(huán)境監(jiān)測傳感器正好一一對應(yīng)，利用照明燈作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點不僅可以與傳感器組相集成，監(jiān)測位置固定且直接與文物相關(guān)。本文所提出的博物館環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是將傳感器組檢測到的環(huán)境參數(shù)通過所設(shè)計的可見光通信終端上傳至服務(wù)器；服務(wù)器端負(fù)責(zé)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[4]，并用web形式實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測曲線。本系統(tǒng)如圖1所示，主要包括以下幾個單元：傳感器單元、可見光通信收發(fā)單元、服務(wù)器及監(jiān)測信息可視化單元。

4.1 傳感器單元

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。本系統(tǒng)分別采用溫濕度傳感器DHT11實時收集博物館溫度、濕度信息。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，其精度濕度+-5%RH，溫度+-2℃，量程濕度20-90%RH，溫度0～50℃，具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高等優(yōu)點。采用紅外二氧化碳傳感器CM1106對空氣中的二氧化碳濃度進(jìn)行探測，其檢測原理為非分光紅外技術(shù)（NDIR），檢測量程為400～2000ppm，數(shù)據(jù)刷新時間為1秒，檢測精度±（50ppm+5%）。

4.2 可見光通信收發(fā)單元

可見光通信收發(fā)單元主要包括：可見光通信發(fā)送子模塊與可見光通信接收子模塊。LED屬于單向?qū)щ娖骷?，故采用直流電壓持續(xù)為LED燈提供工作電流。當(dāng)將持續(xù)的比特流信息輸入到電路中的PWM輸入引腳時，高電平使LED熄滅，低電平使LED點亮，通過調(diào)制LED發(fā)光來傳送信息的目的，并且由于調(diào)制頻率高，LED閃爍速度快，人的肉眼無法分辨，因此在數(shù)據(jù)傳輸時LED不影響照明?？梢姽饨邮针娐方邮盏接砂l(fā)送電路發(fā)出的光信號后，光電檢測器利用光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，由于光信號在傳輸過程中，會受到放大電路器件本身所引起不可避免的內(nèi)部干擾，以及發(fā)送端與接收端之間，來自外部自然光的外部干擾，所以在接收電路中，采用額外的差分放大電路來盡可能的降低由于干擾產(chǎn)生的信號誤差；最后，經(jīng)過放大和整形的信號輸出為數(shù)字信號。

4.3 服務(wù)器與監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化單元

本系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析和提示告警，不僅對每一個位置的單項環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)設(shè)定安全工作區(qū)間，同時還對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的關(guān)聯(lián)分析，一旦單項指標(biāo)或者綜合指標(biāo)出現(xiàn)異常，發(fā)出告警提示管理人員進(jìn)行人工干預(yù)，達(dá)到保護(hù)文物的目的。系統(tǒng)通過web形式將整個博物館的環(huán)境信息進(jìn)行實時顯示。整個web端頁面主要分為主頁、溫度、濕度、污染氣體濃度等幾個功能部分，能夠分別查看相應(yīng)的博物館環(huán)境參數(shù)實時信息。

濕度數(shù)據(jù)顯示

5 總結(jié)與展望

博物館的存放環(huán)境對文物的保存有著至關(guān)重要的影響。對博物館環(huán)境參數(shù)的連續(xù)自動化監(jiān)測有利于及時發(fā)現(xiàn)環(huán)境風(fēng)險并及時調(diào)整。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用，為博物館在文物保護(hù)環(huán)境檢測方面提供了一個更好的管理模式，也為文物的預(yù)防性保護(hù)提供了新的技術(shù)手段。本文簡單闡述了一種基于可見光通信技術(shù)的博物館智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用博物館的LED光源傳輸環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，具有“照明通信兩用”的優(yōu)勢，降低了博物館相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)的重復(fù)建設(shè)，降低了博物館的建設(shè)和運營成本。且LED光源分布直接對應(yīng)于展廳的展柜、展品以及庫房和文物儲藏架，監(jiān)測點分布均勻。通過此系統(tǒng)可以穩(wěn)定地對博物館環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)測，最大程度減緩了環(huán)境因素對博物館文物的破壞，對博物館文物保護(hù)具有重要的意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳柳欽.物聯(lián)網(wǎng)：國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)及亟待解決的關(guān)鍵問題.決策咨詢通訊.2010（05）.

[3]張歡.博物館文物保存環(huán)境及其對文物的影響[C]//中國考古與文物保護(hù)化學(xué)學(xué)術(shù)研討會.2006.

[4]吳來明，徐方圓，黃河.博物館環(huán)境監(jiān)控及相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用需求分析[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2011，23（3）：96-102.

[5]遲楠.LED可見光通信技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社，2013.