無線傳感器網絡在考古發掘現場動態環境監測的應用研究

內容摘要：結合考古發掘現場動態環境監測需求及應用研究背景，提出了基于無線傳感器網絡的考古發掘現場動態環境監測系統的設計方案，并詳細敘述了各個模塊的組成結構和功能特點，收集到的數據不僅能夠為研究文物最佳保存環境提供支持，也能夠對遺址類文物的加固提供基礎數據。目前系統已經在鳳棲原遺址和高陵張棟家族墓考古發掘現場等項目中應用，收到了良好的效果。

關鍵詞：無線傳感器網絡；考古發掘現場；環境監測

中圖分類號：K879.21 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2013）01-0113-07

引 言

我國是文化遺產大國，地下文物數量巨大，分布廣泛，埋藏環境復雜，文物保存環境差異明顯，保護難度大。盡管近30年來隨 著我國經濟的不斷發展，科技水平有了很大的提高，但是文物發掘保護手段的發展依然滯后于社會經濟發展和學科需求[1]。

文物經過處于地下一段時間后，埋藏環境漸趨于穩定，文物也處于相對的動態平衡之中。隨著考古發掘工作的進行，文物已形成的固有平衡被破壞，所處環境的溫濕度、光輻射、氧氣等因素突變，極易導致文物的毀壞，加之出土后文物所處環境條件的反復波動，加快了破壞反應的進程。同時文物內部也存在肉眼看不見的細微變化，緩慢地影響著文物的保存狀況，如遺址土壤內部的溫濕度、含水率等。全面而準確地了解文物實時變化，有利于對文物實施精確的保護措施。除此之外，大型不可移動文物，如壁畫等，在發掘及存放過程中也會出現空鼓、起甲等現象，而這類病害的發展過程緩慢，無法使用人工進行長時間連續監測。全面了解文物存放環境的長期變化狀態也有助于采取相應的調控措施，將文物的損害發展過程延長至極限。因此對考古發掘現場動態環境進行實時監測，以制訂相應的出土文物保護策略是考古發掘的重要工作之一。通過環境監測精確掌握文物埋藏環境參數，為后期文物保護環境的控制提供最佳保存環境的參數依據。

目前考古發掘現場缺乏實時性強的在線監測系統。如果使用有線方式將多個傳感器連接起來，通過有線網絡將數據傳送至終端進行環境狀態監測，則布線工作復雜、工作量大。尤其當發掘工作深入開展，場地發生變化時，需要重新部署網絡，人力物力投入量大，很大程度上增加了考古發掘現場文物保護的難度和成本。

相比有線網絡，無線傳感器網絡[2，3]能夠避免有線網絡的上述缺點，且傳感器節點具有價格低廉、部署方便、實時性好、集成化程度高、具有自組織等特性。而且根據傳感器種類的不同還能夠針對考古發掘現場的各類參數進行實時監測。通常使用的傳感器除針對溫度、濕度、光照、降塵和有害氣體進行實時監測的溫濕度、光照紫外線及二氧化碳、二氧化硫傳感器，還有實時監測土遺址裂隙發展狀況的裂隙監測傳感器、傾角傳感器等（圖1）。

通過對考古發掘現場綜合環境動態監測并建立相應的參數數據庫，不僅能夠從大量的數據中揭示其變化規律，為后期文物保護環境的控制提供最佳保存環境的參數依據，能夠對發掘現場環境進行實時監控，還可為遺址類文物的保護加固提供基礎數據，必要時能夠起到及時的預警作用。通過對實時數據庫的綜合采集、挖掘和分析估計，最終實現對考古發掘現場的有效控制，達到提高效率、降低成本、減少損害、節省資源的目的。

一 無線傳感器節點結構設計

1.1 節點硬件結構設計

如圖2所示，無線傳感器節點的硬件設計采用模塊化設計思想，支持多種不同總線傳感器的分立式結構，不僅可方便支持多種不同總線傳感器，更可避免傳統的一體化設計中傳感器驅動電路在傳感節點睡眠狀態下的漏電流問題，從而降低了睡眠狀態下的功耗，大大延長了無線傳感網絡中傳感節點的壽命。節點主要由三個模塊構成：電源模塊、傳感器模塊、處理及傳輸模塊。

電源模塊采用2塊3.6V的鋰電池供電。

傳感器模塊采用多種類型傳感器，如溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤含水量傳感器、二氧化碳傳感器、光照傳感器等。以溫濕度傳感器為例，節點采用數字溫濕度傳感器SHT15[4]通過無線網絡對監測區域內溫度和濕度進行數據采集，具有極高的安全性、可靠性和穩定性。與同系列的溫濕度傳感器SHT11相比，SHT15具有更優越的性能，其供電電壓為2.4-5.5V，測濕精確度為±2.0%RH，在溫度為25℃時測量精度為±0.3℃，封裝形式采用了SMD（LCC）貼片封裝。

處理及傳輸模塊由TI公司的CC430F5137單片機[5]組成，用于處理及傳輸傳感器采集到的數據。CC430F517是TI公司MSP430F5xx系列的MCU與低功耗RF收發器相結合的產品，可以實現極低電池供電的無線網絡應用，具有很強的穩定性和可靠性。CC430 F5137為16位超低功耗MCU，具有16KB閃存、AES-128位加密、2KB RAM和CC1101射頻收發器，其工作電壓為1.8-3.6V，工作頻率為433MHz，正常工作模式下耗電電流為160μA/MHz。

1.2 節點軟件結構設計

無線傳感器節點內采用了元智公司自主知識產權的、專門面向無線傳感網絡的、層次化的、可動態改變內核的實時嵌入式操作系統WiseZ。與傳統無線傳感網絡操作系統相比較，使用層次化的設計更有利于提高操作系統的運行效率、減小系統尺寸和增強跨平臺特性；較傳統無線傳感網絡操作系統，可動態改變的內核使操作系統的適用性更強，柔性更好。

二 系統體系結構設計

如圖3所示，考古發掘現場（以下簡稱發掘現場）動態監測系統由發掘現場動態環境監測系統和發掘現場無線實時監測平臺兩部分組成。

2.1 發掘現場無線實時監測平臺

發掘現場無線實時監測平臺的作用是為發掘現場監測子系統提供實時的數據支持，由發掘現場硬件平臺和發掘現場軟件平臺兩個部分組成。

發掘現場無線實時監測硬件平臺由傳感器節點、中繼節點和網關三個部分組成：布置在現場的數據采集節點負責采集實時環境數據（如大氣溫濕度、光照強度、降塵和有害氣體等），按照一定的路由規則將數據發送至通信范圍內的父節點，然后通過中繼節點的相互中繼，將數據不斷轉發直至到達網關節點。網關節點通過遠程通信方式，如衛星通信、Internet、GPRS等手段，將數據傳送至遠程客戶終端。其中各個數據采集節點和中繼節點根據RSSI（接收信號強度指示）和跳數來選擇合適的中繼節點作為父節點，并以此在數據采集節點和中繼節點間建立簇內星狀網絡拓撲結構，中繼節點之間則根據RSSI值建立樹狀網絡拓撲結構。每個傳感器節點和中繼節點在上電后自動加入網絡，并定期將采集到的數據沿最優路由方向傳送至網關。

發掘現場實時監測軟件平臺則由中間件、數據庫和數據采集接口三個部分組成。數據采集接口將接收到的實時監測數據存入數據庫中，中間件的作用則是將數據庫中保存的監測數據取出，并提供給用戶和子系統。

2.2 發掘現場環境監測系統

由于監測系統需要對發掘現場的內外環境同時進行監測，因此發掘現場監測子系統由環境監測子系統和氣象監測子系統組成。

環境系統檢測子系統主要是針對文物所處環境參數，如大氣溫度、大氣相對濕度、土壤溫度、土壤水分含量、文物表面溫度、文物表面濕度、大氣二氧化碳濃度、有機揮發物總量等參數進行監測。

氣象監測子系統主要是針對發掘現場所處小環境的氣象參數，如光照度、紫外線強度、風速、風向、降雨量等參數的實時監測。

監測系統的目的在于對文物所處環境的各種參數進行數據挖掘整理，精確掌握文物埋藏的環境參數，實現對出土文物在第一時間的檢測分析以及文物出土環境參數的采集，建立環境參數歷史數據庫，為文物預防性保護提供技術支撐，并為文物保護措施的制訂提供科學依據。

三 案例研究

3.1 鳳棲原文物保存環境監測數據分析

鳳棲原張安世墓葬遺址屬于西漢宣帝時期的重臣、被封富平侯的大司馬將軍張安世。張安世在西漢的地位舉足輕重，其墓葬的出土文物進一步證實了這一點，出土的很多隨葬品都屬于西漢皇帝御賜物件。

根據發掘現場實際狀況及需要，目前已部署七個監測點，監測時段大約在八個月左右，監測點部署圖如下（圖4）。

數據記錄及分析

3月份期間，鳳棲原張安世墓葬遺址氣象站監測數據存在較大波動（圖5）。其中3月19日-3月21日期間，環境溫度基本保持在4℃左右，環境濕度基本保持在100%，波動均不大，光照變化范圍也縮減至0-2000lx之間。結合當時的天氣變化，3月天氣剛剛由寒轉暖，氣候變化較頻繁，3月19日-3月21日是降雨天氣，持續陰天，光照度較低，導致空氣中水分蒸發較少。3月22日停止降水后，光照開始恢復，環境濕度逐漸下降，氣溫也逐漸回升（因水分揮發緩慢，恢復的較為遲緩）。總體來看，3月份氣象站的大氣溫度變化為0℃到23℃之間，大氣濕度在16%到75%之間，每天的照度變化最大范圍0lx到8500lx內，氣象站數據與環境數值較一致，溫度、濕度、光照度也保持合理的變化趨勢。環境變化正常，期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的。

查看這一段時間82號監測點的土壤溫度和含水量的變化，遺址坑內的土壤溫度和土壤水分含量變化波動較大（圖6），其中3月19日-3月21日土壤水分含量逐漸升高（由4.34%上升至4.65%），土壤溫度也隨之逐漸降低（由10.5℃下降至5℃）。結合氣象站的監測結果看，3月天氣變化頻繁，3月19日-3月21日為降雨天氣，室內土壤雖然不直接受到降雨給監測數據帶來的驟然變化，但由于受到外界土壤水分的滲透作用，土壤溫度和水分含量也隨之以相同的趨勢逐漸變化。3月22日停止降水后，土壤水分含量逐漸下降，土壤溫度也逐漸回升。總體來看，土壤溫度在5.2℃到13℃范圍之間、土壤含水在4.3%到4.65%范圍之間保持著較為穩定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據變化）。

查看這一段時間90號監測點的大氣溫濕度變化，3月期間遺址環境的大氣溫濕度波動較大（圖7）。其中3月19日-3月21日，大氣溫度由10℃驟降至1℃，大氣濕度由41%驟升至98%，變化顯著。結合氣象站的監測結果看，3月19日-3月21日為降雨天氣，大氣溫濕度受到直接影響帶來的突然變化。3月22日停止降水后，大氣溫度逐漸回升，大氣濕度也逐漸回落，監測點數據準確反映了監測區域的環境變化。總體來看，大氣環境溫度在1℃到22℃范圍內、大氣環境濕度在20%-98% 范圍內保持著穩定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據變化）。

查看這一段時間92號監測點的大氣溫濕度變化，3月期間遺址環境的大氣溫濕度波動較大（圖8）。其中3月19日-3月21日，大氣溫度由10℃驟降至0℃，大氣濕度由50%驟升至100%，變化顯著。結合氣象站的監測結果看，3月19日-3月21日為降雨天氣，大氣溫濕度受到直接影響導致突然變化。3月22日停止降水后，大氣溫度逐漸回升，大氣濕度也逐漸回落，監測點數據準確反映了監測區域的環境變化。總體來看，大氣環境溫度在0℃到22.5℃范圍內、大氣環境濕度在20%-100%范圍內保持著穩定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據變化）。

總結對比4個監測點的數據變化，監測點的傳感量數據變化和環境變化保持一致，并且與當時的天氣環境較一致，說明數據正確反映了監測區域的環境變化。

3.2 高陵張棟家族墓文物保存環境監測數據分析

2011年陜西考古研究院專家在高陵縣涇河工業園發現一處罕見的完整明代家族墓園。據墓志記載，墓主人張棟生前為秦藩王府知印。這一發現對研究明代墓葬制度、風俗文化具有重要作用。

根據發掘現場實際狀況及需要，目前已部署十一個監測點，監測點部署圖如下（圖9）。

說明：

100號監測點：自動氣象站--監測外界環境。

52、53、54、55號監測點：大氣溫濕度傳感器--其中53號監測點監測墓室底部到地表中間部位的環境，其他監測點監測墓室中的環境。

61、62、63、64、65號監測點：土壤溫度、土壤水分含量傳感器--其中65號監測點監測墓室底部到地表中間部位的環境，其他監測點監測墓室中的環境。

71號監測點：二氧化碳傳感器--監測墓室中二氧化碳含量。

數據記錄及圖形分析

查看這一段時間52號監測點的大氣溫濕度變化，5月期間遺址環境的大氣溫濕度波動較大（圖10）。其中5月1日-5月3日期間，濕度維持在82%-93%之間，溫度在17.5℃-22.5℃之間，基本保持在高濕、低溫的水平，晝夜溫差和濕度差較小；5月11日-5月12日溫度濕度和光照度驟變，濕度由62%升至88%，溫度由25℃降至最低17℃。結合氣象站的監測結果看，5月為春季末尾，氣溫總體呈緩慢上升趨勢，并偶爾伴隨降雨。5月1日-5月3日、5月11日-5月12日是降雨天氣，濕度很大，氣溫較低。無降水期間，光照逐漸充裕，環境濕度逐漸下降，氣溫也逐漸回升并呈上升趨勢。總體來看，當月大氣環境溫度在16℃到35℃范圍內、大氣環境濕度在20%到98%范圍內保持著穩定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。監測點數據準確反映了監測區域的環境變化。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據進行對比）。

查看這一段時間71號監測點的二氧化碳含量變化，5月期間遺址環境的二氧化碳含量波動較大（圖11）。以5月9日為分界，5月1-9日二氧化碳含量在200-450ppm之間波動較大且均值偏高，5月9-20日二氧化碳含量在200-330ppm之間波動較小且均值偏低。經調查，5月1-9日，71號監測點放置于M4考古發掘現場，現場白天有大量工作人員活動，白天由人體排放的二氧化碳使得空氣中二氧化碳濃度較高，夜晚則恢復至正常水平；5月9日之后，為防止因挖掘工作破壞監測設備，工作人員將其挪至無人活動的M5內，并以不透氣薄膜覆蓋，給71號監測設備營造出密閉的微環境，故而二氧化碳含量偏低且波動較小。其中5月1日-5月3日期間，二氧化碳含量在300-430ppm之間變化幅度相對較小，基本保持在高濕、低溫、高濃度二氧化碳的水平。經分析，因期間有降雨，空氣流通不暢，故而空氣中二氧化碳含量一直保持在較高水平且波動較小。結合氣象站的監測結果看，監測點數據準確反映了監測區域的環境變化，并且三者保持相符的變化趨勢。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據變化進行對比）。

查看這一段時間53號監測點的大氣溫濕度變化，5月期間遺址環境的大氣溫濕度波動較大（圖12）。其中5月1日-5月3日期間，濕度維持在60%-100%之間，溫度在16-28℃之間，基本保持在高濕、低溫的水平，晝夜溫差和濕度差相對較小；5月11日-5月12日溫度濕度和光照度驟變，濕度由62%升至100%，溫度由25℃降至最低17℃，之后的3天內，濕度的最高值均能達到100%。結合氣象站的監測結果看，5月為春季末尾，氣溫總體呈緩慢上升趨勢，并伴隨偶爾降雨。5月1日-5月3日、5月11日-5月12日是降雨天氣，濕度很大，氣溫較低。無降水期間，氣溫呈緩慢上升趨勢。結合監測點的布設位置（53號節點布設在墓底部和地表中間位置），且通風不暢導致濕度在降雨之后的3天內并沒有立即回落，而是逐漸降低且較其他監測點數據高。總體來看，監測點數據準確反映了監測區域的環境變化，環境變化正常。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據變化）。

查看這一段時間65號監測點的土壤溫度和含水量的變化，坑內的土壤溫度和土壤水分含量變化波動較大（圖13），5月1-11日土壤水分含量保持在20-43%之間，土壤溫度變化范圍維持在18-21℃之間；5月12日土壤水分含量由15%突升至42%，土壤溫度峰值也由29℃大幅降至23.5℃，之后逐漸恢復至平均水平。經調查，5月1-11日監測設備放置于墓室內，故而受外界降雨等影響較小且緩慢，5月12日之后設備被挪至墓室外環境，由于當日有降雨，室外濕度較大，所以監測數據突增。總體來看，土壤溫度在19.5℃到29.5℃之間、土壤含水率在15%到43%之間保持著較為穩定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據變化）。

5月份期間，高陵張棟家族墓遺址內氣象站監測數據存在較大波動（圖14）。其中5月1日-5月3日期間，濕度維持在82-100%之間，溫度在15-23℃之間，照度在0-5000lx之間，基本保持在高濕、低溫、弱光照的水平，晝夜溫差和濕度差較小；5月11日-5月12日溫度濕度和光照度驟變，濕度由60%升至100%，溫度由22℃降至最低12℃，光照度變化范圍也縮減至0-4200lx。結合當時的天氣變化，5月為春季末尾，氣溫總體呈緩慢上升趨勢，并偶爾伴隨降雨。5月1日-5月3日、5月11日-5月12日是降雨天氣，持續陰天，光照度較低，氣溫降低。無降水期間，光照逐漸充裕，環境濕度逐漸下降，氣溫也逐漸回升并呈上升趨勢。總體來看，氣象站的大氣溫度在12-32.5℃之間，大氣濕度在18%-100%之間，照度變化最大范圍為0-9000lx，氣象站數據與環境數值較一致，溫度、濕度、光照度也保持合理的變化趨勢。環境變化正常，期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的。

總結對比4個監測點的數據變化，監測點的傳感量數據變化和環境變化保持一致，并且與當時的氣候環境較一致，說明數據正確反映了監測區域的環境變化。

四 結語

本文針對目前考古發掘現場的環境狀況，采用高集成度的傳感器節點作為數據采集源，利用無線傳感器網絡的特點以及優勢，將傳統文物保護與現代傳感器技術相結合，設計了考古發掘現場動態環境監測系統。監測系統向文物保護工作者提供相關的采集數據，為其研究文物發掘及文物保護技術提供了重要依據。

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