基于移動通信的智能文物監護系統

婁俊鵬，岳維光，趙太飛，楊 潔，曹偉

（1.西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048；2.桓臺縣實驗中學 山東 淄博　256400）

基于移動通信的智能文物監護系統

婁俊鵬1，岳維光2，趙太飛1，楊 潔1，曹偉1

（1.西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048；2.桓臺縣實驗中學 山東 淄博256400）

該文物監護系統是基于移動通信技術，結合C#軟件開發的無線傳感器應用設備，提出了一種具有實時監測和報警以及自動調節的系統。針對文物在展柜保藏以及外展運輸過程中可能遭到損壞的問題，該系統結合溫濕度調節、圖像監測，自動報警等模塊，實現通過上位機遠程監測到各個終端的溫濕度和圖像信息并存儲，以及實現文物箱內溫濕度自動調節、文物自動報警等功能。實驗結果顯示傳感器溫濕度的測量結果誤差在0.1%到0.2%之間，圖像信息的誤碼率可以忽略，可以準確顯示文物所處環境的圖像信息。同時該系統具有整體協調性能好、抗干擾能力強、靈敏度高、操作簡單、成本低廉等優點，適合中小博物館及文物收藏家使用。

文物監護；移動通信；智能調節；傳感器技術

隨著現代科技的發展，人類進入了智能信息的時代，然而移動通信、智能控制、無線傳感器等這些技術目前大多應用在智能家居，智能農業等方面，在文物保護方面的應用還不是很明顯。針對這些問題，文中結合現代科學技術，參考中科院計算所為故宮博物院開發了文物環境監測系統［1-2］，以及葡萄牙馬德拉大學De Brito將無線傳感器網絡用于葡萄牙馬德拉島的Fortaleza Sao Tiago博物館［1-3］的實例，提出基于移動通信的實時監控智能文物監護系統。

文物在該系統中，可以時刻控制周圍環境條件，以達到文物較適宜保持的環境。對于現在無法開采的文物，可以使用這個系統，通過文物保護系統與外界大氣隔離，模擬出待開發文物所處環境從而使那些無法開采或準備回填的文物可以重見天日。與此同時，我們加上了一系列的文物報警裝置，例如文物失竊報警、光強監測報警、震動檢測報警等以確保文物存儲和運輸時的安全。

1　系統硬件設計

該系統由若干個文物保護箱組成，每個文物保護箱又作為一個小的系統，能夠實現內部環境穩定的功能，整個保護系統又可以通過上位機或移動終端監控。每一個文物保護箱系統采用單片機STC12C5A微控制器為終端的核心，包括了溫濕度自動調節模塊、環境圖像采集模塊、無線數據傳輸模塊、SIM 900模塊、文物失竊報警模塊、運輸震動提示模塊以及光強檢測報警模塊等7大部分。文物監護系統硬件結構框圖如1所示。

圖1　文物監護系統結構框圖

如圖1所示，是該文物監護系統的系統結構框圖。從框圖中我們可以明顯看出系統主要分為7個部分，分別是溫濕度自動調節模塊、環境圖像采集模塊、無線數據傳輸模塊、SIM900模塊、文物失竊報警模塊、運輸震動提示模塊以及光強檢測報警模塊。通過這些模塊之間相互協調工作，從而實現文物監護的功能。

2　系統功能及原理

2.1文物周圍溫濕度實時監控

通常需要人工去觀測溫濕度不僅工作量大，而且還有可能會對文物產生一定的損壞，尤其對于存在博物館中的文物來說，采用電子技術的溫度測量就顯得很有意義了。文物保護箱可以通過溫濕度傳感器采用了DHT11數字溫濕度傳感器，該傳感器含有已校準數字信號輸出的溫濕度符合傳感器，測量范圍20～90%RH，0～50℃測濕精度±5%RH，測溫精度±2℃，分辨力1，封裝 4針單排直插，具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優點，適合文物監護系統使用。

溫濕度自動調節的機制利用到反饋調節，DHT11將測得的當前溫度發送給中控芯片STC12C5A60S2單片機，在單片機內部進行數據處理，通過分析與預設溫度范圍對比的結果，控制溫濕度調控設備工作，若高于預設溫濕度范圍則開啟相應的降溫濕的裝置，若低于預設溫濕度范圍則開啟相應的升溫濕度的裝置，從而實現了文物保護箱內部溫濕度的自動調節。

2.2環境圖像模塊

通過無線攝像頭多方位的采集文物保護箱周圍的環境圖片，中央芯片讀取圖像數據并將數據信息存入RAM，再通過無線數傳模塊將數據發送到上位機。這樣可以記錄文物周圍的一些變化，作為文物記錄的資料，方便對該文物今后變化的考察。

2.3文物報警裝置

該文物保護箱具有多個文物報警裝置，例如文物失竊報警、光強監測報警、震動檢測報警等以確保文物存儲和運輸時的安全。文物報警裝置框圖如圖2所示。

圖2　文物報警裝置框圖

從圖2中，可以看出文物失竊檢測傳感器、光強監測傳感器、震動檢測傳感器以及聲光報警裝置都與中控芯片相連，傳感器檢測到的數據經過單片機的分析處理，控制聲光報警器工作，從而實現文物報警功能。與此同時，報警信息還可以通過無線數傳模塊或者SIM900模塊發送到上位機或者手機、平板等移動終端。

2.3.1紅外報警模塊

E18-D80NK構成的紅外報警的優點在于保密性高、隱蔽性好、受可見光干擾小、價格低廉、性能穩定。E18-D80NK是一種集發射與接收于一體的光電傳感器。對文物的感應距離可以根據具體要求通過后部的旋鈕進行調節。該報警器屬于主動式紅外線報警器，是報警器主動發出紅外線，紅外線碰到障礙物，就會反彈回來。如果探頭監測到，紅外線是靜止不動的，也就是不斷發出紅外線又不斷反射回去的，在可以就收到反彈回來的紅外線時，表示文物沒有失竊，報警器就不會報警。如果接收不到反射回來的紅外線，那么就會報警。

2.3.2震動報警模塊

由于很多文物都會有臨時外展，也就是說文物永久保存在一個地方，這就難以避免文物的運輸。然而文物在運輸過程中會因為發生震動遭受到一定程度的破壞，所以我們增加了震動報警功能。因為不同文物可以承受震動能力不同，所以可以將不同文物保護箱內部的震動傳感器設置為不同靈敏度，這樣就可以保證不同文物保護箱的文物在受到超過自己可承受的震動等級以上時就會自動開啟報警功能，報警信息通過無線數傳模塊或者SIM900模塊發送到上位機或者手機、平板等移動終端，以此來提示文物運輸人員。

2.3.3光強檢測模塊

由于文物在展出的過程中經常會有游客拍照，對于一些對光線比較敏感的文物，文物保護部門特意將這些文物存儲于較暗的環境展出，然而在拍照時相機的閃光燈會對文物造成一定的破壞。因此在文物保護箱上，增加了光強檢測模塊。當閃光燈照射時，保護箱內部會出現報警提示，以此來警示游客不能打開閃光燈拍照。

2.4無線傳輸模塊

無線傳輸模塊由無線數傳和SIM900模塊構成，無線數傳模塊具有復雜度低、成本低、功耗低等特點，在實現實時溫、濕度控制方面具有很大的優勢。無線傳感器在開放區域通信距離可達305 m，在封閉性區域通信距離為76～122 m，方便與現有的有限以太網整合，組網的成本低［4］。此外，無線數傳模塊也可以用ZigBee無線傳輸技術代替，組成無線傳感器網絡實現測量數據傳輸的功能［5］。此外中央控制芯片利用增強型51單片機，是比51單片機更加高效的系統。終端到上位機的無線傳輸部分利用無線數傳模塊，傳輸文字與圖片等信息或者是利用基于SIM900模塊的移動通信將數據發送到手機、平板等移動終端。

3　系統軟件編程

3.1上位機人機界面

上位機文物監護系統開發人機界面是基于C#［6］高級語言軟件編寫的，具有顯示、控制以及存儲數據的功能。該系統界面可以包含多個文物保護箱，此處以兩個文物保護箱為例，分別為1號箱和2號箱。

3.2下位機編程

下位機是基于C語言的STC12C5A60S2單片機開發，單片機通過I/O口收發數據與傳感器實現通信，攝像頭通過串口1與單片機實現數據通信，串口2連接無線數傳模塊實現與上位機之間的通信。當監控程序發現環境數據差生異常時，運用推理機得出調控方案，并轉換為控制指令，發送給執行機構，以驅動相應的環境調節設備工作。具體流程如圖3所示，文物監護系統算法的流程圖，整體分為四部分，分別是溫濕度自動調節、智能報警、圖像接收以及串口發送的算法流程。智能報警又分為震動檢測算法、光電傳感器算法以及光強傳感器算法3個部分。其中文物保護箱溫濕度自動調節模塊的算法中a表示預設值，b表示文物運行環境變化百分比。

圖3　文物監護系統算法流程圖

4　結果展示

4.1對文物所處溫、濕度環境進行實時調控測試

測試結果可以實現對文物所處溫、濕度環境進行實時調控。例如：設置最適溫度為25度，最適的濕度為30%，調節范圍5%。那么若當前溫濕度超出最適溫度的5%范圍時，相應的溫濕度調節設備會自動開啟。即：溫濕度的調控，若高于預設溫度范圍則開啟降溫裝置，若低于預設溫度范圍則開啟升溫裝置。若高于預設濕度范圍則開啟降低濕度裝置，若低于預設濕度范圍則開啟增加濕度裝置。文物保護系統開啟后（針對1號文物保護箱）如圖4所示。

如圖4所示，是該系統運行時上位機的工作界面。無線數傳模塊通過USB串口10連接到上位機，該界面具有顯示、控制、和存儲功能。

以西安理工大學教五樓7樓樓道模擬博物館，每隔五小時記錄一次溫濕度測量，通過對樓道不同時刻溫、濕度記錄數據分析整理。表1所示為2015年2月7日數據測試數據。

表1中測試數據是在單片機中經過處理得到的，為排除干擾因素的影響，對采集到的數據進行篩選，忽略異常數據，并對采集的數據和前4次采集到的數據取平均值。從表中可以看出測試溫濕度與實際溫度十分接近，能夠滿足文物監護系要求。

圖4　文物監護系統上位機工作界面

表1　溫濕度數據分析表

4.2對文物所處環境圖像實時監測及報警功能測試

測試結果可以實現文物所處環境圖像基于無線數傳模塊傳輸，通過對數據處理可以存儲文物隨時間變化的特征，并且能夠代替了工作人員的定期巡邏工作。對文物失竊報警測試結果顯示，當光電檢測模塊檢測到文物失竊時，保護箱能夠自動實現報警功能。對文物運輸過程中震動監測測試結果顯示，當文物箱在一定時間內震動達到一定程度時，保護箱就會自動啟動爆閃燈警示功能。

5　結束語

項目產品可以有效的對珍貴文物進行監護，時刻記錄文物所處的溫濕度數據，上傳文物周圍環境圖像，以及實現失竊報警，能夠避免在博物館保藏或外展運輸過程中文物遭到損壞。同時具有體積小、整體協調性能好、抗干擾能力強、靈敏度高、操作簡單、安全可靠、成本低廉等優點，適于投入產業化生產模式，以供中小博物館及文物收藏家使用。

［1］王舉，房鼎益，陳曉江，等.文物監測中無線傳感器網絡數據壓縮算法［J］.西安電子科技大學學報，2012（1）：157-162.

［2］Dong Li，Wei Liu，Ze Zhao，et al.Demonstration of a WSN Application in Relic Protection and an Optimized System Deployment Tool［C］.IEEE Proc of ACM/IEEE International Conference on Information Processing in Sensor Networks，2008：541-542.

［3］Brito L M P，Peralta L M R，Santos F E S，et al.Wireless SensorNetworksAppliedtoMuseums'Environmental Monitoring［C］.The Fourth International Conference on Wireless and Mobile Communications，2008：364-369.

［4］馬增煒，馬錦儒，李亞敏.基于WIFI的智能溫室監控系統設計［J］.農機化研究，2011（2）：154-162.

［5］許顯榮，高清維.一種用于農業環境監測的無線傳感器網絡［J］.儀表技術與微系統，2009（7）：98-100.

［6］華晶，何火嬌.基于WSN的農業溫室環境監控系統［J］.農機化研究，2010（11）：126-129.

［7］李文.基于ZigBee和以太網技術的雞舍環境監控系統設計［J］.農機化研究，2010（11）：126-129.

［8］倪云峰.單片機原理與應用［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2009.

The relics monitoring system based on mobile communication

LOU Jun-peng1，YUE Wei-guang2，ZHAO Tai-fei1，YANG Jie1，CAO Wei1
（1.Faculty of Automation and Information Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，China；2.Huantai Experimental Middle School，Zibo 256400，China）

The relics monitoring system is based on mobile communication technology，combined with C#software development for wireless sensor applications.It proposes a real-time monitoring and automatic adjustment systems.In view of the problems that relics were damaged in the showcase preservation or outreach transported.The system combines the temperature and humidity regulation module，images real-time monitored module，automatic alarm module，such as cultural relics reached through PC remote monitoring to each terminal，to store the image information and the data of temperature and humidity，as well as the realization of cultural relics in the temperature and humidity automatic adjustment，automatic alarm，and other functions.The experimental results show that temperature and humidity sensor measurements error between 0.1% and 0.2%，bit error rate of image information can be ignored，which can display image information of environment of cultural relics accurately.At the same time，the system has good overall coordination performance，strong anti-interference ability，high sensitivity，simple operation and low cost.It's suitable for small museums and heritage collectors.

relics monitoring；mobile communications；smart regulation；sensor technology

TN929.12

A

1674－6236（2016）06-0008-04

2015-04-01稿件編號：201504004

國家自然科學基金-中國民航局民航聯合研究基金（U1433110）

婁俊鵬（1993—），男，陜西銅川人。研究方向：光通信、無線通信、物聯網、傳感器。