基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧文博一體化管理系統(tǒng)

◆錢雪微 郝自勉 李迎霞 徐云云 江來

（1.湖北城市建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 430205；2.湖北職業(yè)教育軟件技術(shù)專業(yè)郝自勉工作室 湖北 430205）

在當(dāng)前時代，經(jīng)濟(jì)社會的迅速發(fā)展改變了民眾的消費(fèi)習(xí)慣，廣大公民對衣食住行的需求相對降低，同時文化需求達(dá)到了新高度。經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，我國的人均消費(fèi)支出在2019年較2018年增長8.6%，達(dá)到21559元人民幣。其中在教育文化娛樂這個板塊中，人們的消費(fèi)支出占到整個板塊的11.7%，相比2018年提高了12.9%，可見民眾對于精神文化的需求越來越高。

文博系統(tǒng)（包括博物館、美術(shù)館、藝術(shù)館等）作為當(dāng)前歷史文明的重要載體，文化傳播的重要標(biāo)志，文博系統(tǒng)已經(jīng)成為人們提高審美和地方文化展示的舞臺，人們也越來越傾向于走進(jìn)這類文明和藝術(shù)的宮殿。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是通過各式各樣的傳感器、射頻識別技術(shù)、全球定位技術(shù)（GPS）以及紅外感應(yīng)等各種感知層手段，實時聲、光、電、化學(xué)、生物、位置等信息獲取。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一般分為三個布局層次：感知層、傳輸層和應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)目前已被應(yīng)用到各種方面，包括大家熟知的家居、交通、電力、環(huán)境、醫(yī)學(xué)等行業(yè)，可以有效推動這些行業(yè)往智能化、互聯(lián)化的方向發(fā)展，大大地提高了人們的生活質(zhì)量[1]。在智能感知技術(shù)以及信息識別技術(shù)等大量通信感知技術(shù)的有效支持下，物聯(lián)網(wǎng)在各類技術(shù)中得以廣泛普及，被作為第三次信息技術(shù)革命的基礎(chǔ)。

1 本項目在文博系統(tǒng)中的應(yīng)用創(chuàng)新點(diǎn)

智慧文博一體化管理系統(tǒng)項目以物聯(lián)網(wǎng)為主體，并以云技術(shù)為輔助，使用最新的WiFi6的傳輸方案，使用無線收發(fā)模塊以及有線中央控制系統(tǒng)結(jié)合各種傳感器，構(gòu)建一個多AP的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并通過移動終端設(shè)備手機(jī)（APP）實現(xiàn)對整館的遠(yuǎn)程控制同時實時同步館內(nèi)情況。一旦出現(xiàn)警情，便會觸動安防報警裝置和攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，再利用云技術(shù)存儲安防信息，警情隨時發(fā)送到安防人員的相關(guān)移動終端；通過RFID技術(shù)對游客的進(jìn)出館的信息進(jìn)行實時更新，實現(xiàn)進(jìn)出館游客管理；在后續(xù)的研究中，通過無線傳感網(wǎng)還可加入對館內(nèi)物品的環(huán)境溫度實現(xiàn)實時監(jiān)控的功能，在環(huán)境溫度比如濕度不適宜時，還可觸發(fā)相應(yīng)裝置進(jìn)行實時環(huán)境調(diào)節(jié)。

本項目在原有“底層傳感-數(shù)據(jù)采集-網(wǎng)絡(luò)傳輸-服務(wù)器”的模式上進(jìn)行創(chuàng)新，使得傳感器的數(shù)據(jù)不通過傳統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)而是在HQTT的協(xié)議的基礎(chǔ)上憑借WiFi的傳至私有云平臺，私有云平臺具有數(shù)據(jù)獲取與發(fā)布、存儲與分析、數(shù)據(jù)共享的功能，且安全性相對于市面上的公有云來說更有保障[2]。使用者通過移動端（APP）向私有云平臺取得傳感器和射頻信息，不僅縮減了傳統(tǒng)文博館安防系統(tǒng)的建設(shè)成本，還在很大幅度上擴(kuò)充了管理人員以及視頻監(jiān)控人員的工作范圍，使最終的數(shù)據(jù)采集不僅僅局限在文博系統(tǒng)內(nèi)部區(qū)域。在國內(nèi)任何地方，都可以將各式文博館的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，同時在維護(hù)社會穩(wěn)定方面，可以警察提供證據(jù)、提升警察破案速度。

2 智慧文博一體化管理系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)為主體，并以云技術(shù)為輔助，使無線保真技術(shù)的傳輸方案，使用WiFi信號的收發(fā)模塊以及中央控制系統(tǒng)結(jié)合各種傳感器，建立了能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測傳感數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控、信息預(yù)警等各類服務(wù)的智慧文博一體化智能管理系統(tǒng)。一旦出現(xiàn)火警或者人員入侵等報警信息，便會觸發(fā)安防報警裝置以及攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，同時通過云技術(shù)來對預(yù)警信息進(jìn)行存儲，緊接著安防人員隨身攜帶的移動設(shè)備上會收到報警提示；通過RFID射頻識別技術(shù)對游客的進(jìn)出文博館的信息進(jìn)行實時更新，實現(xiàn)進(jìn)出館人員管理。不管是博物館、美術(shù)館還是藝術(shù)館，溫濕度、光照度等都是文博館物品管理的重要環(huán)境條件，通過溫濕度以及光照傳感器等將文博館內(nèi)的環(huán)境情況進(jìn)行及時匯報與預(yù)警。

本文的研究從原來的傳輸路徑從傳感器直接傳輸?shù)椒?wù)器的模式中跳出來，將采集的終端信息通過第六代WiFi進(jìn)行組網(wǎng)，移動端APP通過http協(xié)議的API進(jìn)行訪問，實現(xiàn)對溫濕度（文博館藏品管理）、特定范圍內(nèi)的人員入侵和火災(zāi)（安防）和射頻識別（游客）的管理。

本項目系統(tǒng)框架圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)整體框圖

3 智慧文博一體化管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件部分主要作用是通過傳感器采集人體紅外信息、火焰信息、RFID射頻卡信息以及溫濕度信息，并將數(shù)據(jù)采集完成后通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送至云平臺，同時移動應(yīng)用端訪問云端獲取傳感器信息，云端可依托于服務(wù)器來捕獲數(shù)據(jù)和存儲[3]。本系統(tǒng)的硬件連接圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件連接圖

感知節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集在整個項目中擔(dān)任重要角色，負(fù)責(zé)搜集傳感器上傳的數(shù)據(jù)并在進(jìn)行一定處理后傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)控制器。同時，節(jié)點(diǎn)還需要便于維護(hù)，成本低等優(yōu)勢，便于商業(yè)推廣。因此，本項目中底層硬件的MCU采用TI公司的STM32F103VE 芯片進(jìn)行。

傳感器作為智慧文博一體化管理系統(tǒng)的感官系統(tǒng)，起著搜集周圍環(huán)境安防信息，探測環(huán)境中有誤特殊緊急情況的重要作用，各國也越來越重視在傳感器領(lǐng)域的發(fā)展。

型號為HC-SR50為本項目所用到的人體感應(yīng)紅外傳感器，該傳感器將探測并吸收到的紅外輻射通過傳感器變化為弱電壓信號，此時的電壓信號相對較弱，一般無法正常被識別，因此需要將信號經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場效應(yīng)管放大后再對外輸出。對人體紅外信號的探測來說，探測距離是比較重要的探測指標(biāo)，菲涅爾透鏡是一個重要的裝置，它可以提高探測器的探測靈敏度，通常會與放大電路相結(jié)合，將信號放大至少70 分貝[4]。當(dāng)有人入侵到探測范圍之內(nèi)時，人體的紅外輻射信號通過部分鏡面進(jìn)行聚焦，同時熱電釋元件將輻射信號吸收，由于兩片熱釋電元件接收到的熱量有差異，熱釋電也有差異，最終引發(fā)報警。

型號為Flame-1000-D是本項目所用到的火焰?zhèn)鞲衅?，該傳感器可以探測波段范圍為700—1100 nm的火焰發(fā)出的短波近紅外線；該傳感器采用雙重輸出的組合，并通過數(shù)字輸出使得系統(tǒng)設(shè)計更加簡化；而模擬信號的輸出也需要更加高精度的場合；通過對高精密電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以調(diào)節(jié)檢測距離[5]。目前紅外火焰探測技術(shù)可以很好實現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警，通過響應(yīng)的傳感器可以通過檢測火焰所發(fā)出的紅外線來對火災(zāi)繼續(xù)預(yù)防，這種探測方式比傳統(tǒng)感煙或感溫式火災(zāi)探測技術(shù)響應(yīng)速度更快。

一個完整的RFID系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽（RFID Tag）、讀寫器（閱讀器）和管理軟件組成。博物館游客智能化管理將采集游客入館信息與出館信息，游客信息管理主要是對 RFID 電子標(biāo)簽信息的管理，主要包括了添加、修改、刪除以及查詢功能。用實時游客入館數(shù)量減去出館數(shù)量即可得到實時館內(nèi)游客數(shù)量。RFID系統(tǒng)基本組成如圖3所示。

圖3 RFID 系統(tǒng)基本組成

該系統(tǒng)無線通信的方式選用第六代WiFi，文博場館由于館藏品的特殊性，一般為室內(nèi)，且和上一代的Wi-Fi 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相比，Wi-Fi 6 的數(shù)據(jù)傳輸速度相對于之前的WiFi 信號有了大幅度提高，且目前已經(jīng)能夠?qū)υ鰪?qiáng)和虛擬現(xiàn)實（AR/ VR）進(jìn)行強(qiáng)有力的支撐，對網(wǎng)絡(luò)的容量進(jìn)行擴(kuò)展，即使我們身處擁擠的火車站也能享受到優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，在如此高性能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中，同時價格也相對較低，因此本項目選用WiFi的無線通信方式。

4 智慧文博一體化管理系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件部分主要作用是通過傳感器采集人體紅外信息、火焰信息、RFID 射頻卡信息以及溫濕度信息，并將數(shù)據(jù)采集完成后通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送至云平臺，同時移動應(yīng)用端訪問云端獲取傳感器信息，云端通過服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問與存儲。系統(tǒng)軟件連接圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

移動終端（APP）是文博館一體化智能化云管理系統(tǒng)的頂層設(shè)計，也是物聯(lián)網(wǎng)三大層次結(jié)構(gòu)應(yīng)用層的核心部分。用戶不可能都通過云端服務(wù)器去對設(shè)備的傳感信息進(jìn)行讀取，通過移動終端實時查看傳感器數(shù)據(jù)并對執(zhí)行器開展實時控制，同時對視頻信號進(jìn)行監(jiān)控、查看報警信息、進(jìn)出館游客的信息以及文博館館藏品的保存條件，考慮到以上特點(diǎn)，移動終端（APP）必須擁有簡單且穩(wěn)定、容易操作（符合用戶的習(xí)慣）、靈敏度高以及內(nèi)存占用低等特點(diǎn)[5]。

移動終端采用了自動控制的服務(wù)、數(shù)據(jù)實時上傳的服務(wù)、用戶數(shù)據(jù)處理分析的服務(wù)，程序的實現(xiàn)流程如圖4 所示。本項目中實現(xiàn)自動控制采取了調(diào)用封裝好的API 函數(shù)接口的方式，該方式不僅在私有云平臺上定義好自動控制接口，而且多個客戶端（APP）同時訪問云平臺時，可以對多個客戶端進(jìn)行有效設(shè)置。相比于在APP 端實現(xiàn)自動控制功能的設(shè)計，它可以簡化客戶端的開發(fā)，提升用戶的使用體驗。APP 端登錄頁面如圖5 所示，安防監(jiān)控系統(tǒng)如圖6 所示，游客監(jiān)控系統(tǒng)如圖7 所示，館藏品環(huán)境監(jiān)控如圖8所示，視頻監(jiān)控如圖9 所示，安卓設(shè)計菜單欄如圖10 所示。

圖5 安卓登錄頁面

圖6 安防監(jiān)控系統(tǒng)

圖7 游客監(jiān)控系統(tǒng)

圖8 館藏品環(huán)境監(jiān)控

圖9 視頻監(jiān)控

圖10 安卓設(shè)計菜單欄

5 應(yīng)用及推廣前景預(yù)測

本項目的適用范圍主要包括：（1）獲取數(shù)據(jù)（其他可以用傳感器獲取的數(shù)據(jù)，包括可燃?xì)鈿怏w、煙霧等其他環(huán)境數(shù)據(jù)等）；（2）自動化控制所有室內(nèi)景點(diǎn)智能化管理解決方案；（3）項目的實施不僅可提高整個室內(nèi)景點(diǎn)的信息化管理水平，提高從業(yè)人員的信息素養(yǎng)和管理水平，實現(xiàn)館藏品、游客和安防的智能化管理。

經(jīng)濟(jì)效益分析：本品可以以較低的成本對所有室內(nèi)景點(diǎn)進(jìn)行普及，比起經(jīng)濟(jì)效益更重要是的社會效益。還可以實現(xiàn)所有文博系統(tǒng)相關(guān)景點(diǎn)的個性化定制，受眾面廣。人文館藏承載著中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，實現(xiàn)文物更智能化、更安全的管理顯得尤為重要。

6 總結(jié)

本項目為的智慧文博一體化管理系統(tǒng)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，通過自建的私有云平臺提供數(shù)據(jù)采集、存儲、管理等基礎(chǔ)服務(wù)，在數(shù)據(jù)通信上通過各種云服務(wù)API 接口為核心，以標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸格式為作為技術(shù)，以網(wǎng)絡(luò)攝像頭為視頻監(jiān)控設(shè)備，以移動的智能終端作為用戶體驗終端，以第六代WiFi 通信為組網(wǎng)方式實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行器控制，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠(yuǎn)程軟硬件控制、數(shù)據(jù)查詢與傳輸、報警信息的發(fā)布、視頻監(jiān)控、進(jìn)出館的游客管理和文博館館藏品存儲的環(huán)境監(jiān)控等功能，可以有效解決了傳統(tǒng)博物館安防系統(tǒng)、游客管理以及館藏物管理無法實現(xiàn)集中智能化管理所存在的問題。除此之外，有效降低了布置的成本、系統(tǒng)后期的維護(hù)費(fèi)用也具有良好的價格優(yōu)勢，最終實現(xiàn)了文博館內(nèi)數(shù)據(jù)的共享、數(shù)據(jù)傳送與存儲的格式標(biāo)準(zhǔn)化，使用和擴(kuò)展的難度進(jìn)一步降低。

目前，物聯(lián)網(wǎng)與云平臺的融合已經(jīng)逐漸深度融合，本系統(tǒng)也將進(jìn)一步繼續(xù)改善，比如館藏物的環(huán)境條件比較多，比如紫外線等也有一定的影響，但是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，文博系統(tǒng)智能化管理系統(tǒng)也必將越來越完善，全方位助力各式文博系統(tǒng)的更形象更安全地展現(xiàn)給全世界。