物聯網技術在博物館環境監測中的應用

海鷗

【摘 要】博物館文物損害的一個關鍵原因是環境因素。通過物聯網技術對博物館各種環境進行實時監測和評估則是文物預防性保護的重要途徑。針對博物館中自動實時環境監測的需求，本文提出了一種基于可見光通信的博物館環境監測系統，利用照明LED燈傳輸環境監測數據，系統無需額外布線及安裝通信終端，實現了“照明通信兩用”、提高了博物館環境監測時間和空間的連續度，且降低了建設成本。

【關鍵詞】物聯網；博物館；環境監測；可見光通信

中圖分類號： TP274 文獻標識碼： 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。博物館的存放環境對文物的保存有著至關重要的影響，對博物館環境參數的連續自動化監測有利于實時發現環境風險并及時調整。物聯網的核心就是傳感技術與網絡技術的結合，其中可見光通信技術利用室內照明LED燈同時提供照明與通信功能，建設成本低、易普及；無電磁輻射，對人體無害，環境友好；已逐漸成為室內、外短距離通信的熱點技術。本文提出了一種基于可見光通信技術的博物館環境監測系統，利用博物館的LED光源傳輸環境監測數據，具有“照明通信兩用”的優勢，且LED光源分布直接對應于展廳的展柜、展品以及庫房和文物儲藏架，監測點分布均勻。該系統可以穩定地對博物館環境因素進行監測， 最大程度減緩了環境因素對博物館文物的破壞，對博物館文物預防性保護具有重要的意義，也為博物館從業者在文物保護方面提供了新的手段和思路。

1 物聯網技術簡述

物聯網（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網鏈接在一起。物聯網又叫傳感網，是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的又一次信息產業浪潮[1]。

物聯網主要由感知層、網絡層、應用層三部分組成。感知層主要通過各類數據采集設備將實時發生的事件和數據進行數字化采集。網絡層則是通過移動通信技術、互聯網技術使感知層采集的各類數據進行無障礙且高效、安全的進行傳遞。應用層則是在采集的數據基礎上按照個性需要實現的應用；通過各類支撐平臺進行跨系統、跨應用的信息共享、互通和協同。

通過多年的發展，物聯網技術已經在智能物流、環境保護、智能交通、公共安全、工業監測以及情報收集等諸多領域得到了長足的應用。并且已經延伸到博物館文物保護與環境監測領域。

2 博物館環境與預防性保護

博物館環境主要分為微環境、小環境、大環境和室外環境四個方面。微環境指的是展柜、儲藏柜以及儲藏盒內的環境；小環境則是庫房、展廳等室內空間的環境；大環境主要是博物館建筑內部的空間環境；室外環境即博物館建筑外部的空間環境。環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“預防性保護”的概念于1930年意大利羅馬召開的一次藝術品保護國際研討會上提出。對文物保護環境進行有效的監測伴隨著各種高新技術的發展已經越來越精準和智能。使用一切能幫助博物館對環境進行監測的科學技術，特別是物聯網技術已經在文物保護領域發揮著不可或缺的作用，也是未來發展的趨勢。

文物“預防性保護”需要通過各種監測、評估和干預將各類環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定且清潔的環境中，以達到長期保存的目的。其中所謂的“穩定”環境是指恒溫恒濕的存放環境；所謂的“清潔”環境則是指在各類污染物濃度在安全指標以下的存放環境。通過相關的物聯網應用技術，從源頭上對影響文物保護的因素進行檢測、評估和調控。

3 博物館環境監測的需求分析

國內的大量研究表明，博物館環境是引發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：溫度常與環境中光照、各種氣體等因素聯合作用，對一定的化學反應起到加速發應的作用；濕度對文物的影響相對更大，過高或者過低的濕度會導致有機材料文物發生水解、增重、體積膨脹或者收縮、干裂等變化，潮濕空氣會導致金屬文物發生化學腐蝕、電化學腐蝕或者緩慢氧化；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，除了它的熱效應能使有關化學反應加速外，更重要的是體現在光化學反應上。

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

4 基于可見光通信的博物館環境監測系統

為解決以上問題，本文提出了一種基于可見光通信技術的博物館環境監測系統，利用照明LED燈傳輸環境監測數據。一方面，可見光通信利用照明LED燈作為通信終端，實現“通信照明兩用”，可節省下一套系統的布線、安裝、設備維護等成本；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、展品等環境監測傳感器正好一一對應，利用照明燈作為數據傳輸的節點不僅可以與傳感器組相集成，監測位置固定且直接與文物相關。本文所提出的博物館環境監測系統是將傳感器組檢測到的環境參數通過所設計的可見光通信終端上傳至服務器；服務器端負責對接收到的數據進行分析[4]，并用web形式實時顯示監測數據和監測曲線。本系統如圖1所示，主要包括以下幾個單元：傳感器單元、可見光通信收發單元、服務器及監測信息可視化單元。

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數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，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℃，具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。采用紅外二氧化碳傳感器CM1106對空氣中的二氧化碳濃度進行探測，其檢測原理為非分光紅外技術（NDIR），檢測量程為400～2000ppm，數據刷新時間為1秒，檢測精度±（50ppm+5%）。

4.2 可見光通信收發單元

可見光通信收發單元主要包括：可見光通信發送子模塊與可見光通信接收子模塊。LED屬于單向導電器件，故采用直流電壓持續為LED燈提供工作電流。當將持續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，通過調制LED發光來傳送信息的目的，并且由于調制頻率高，LED閃爍速度快，人的肉眼無法分辨，因此在數據傳輸時LED不影響照明。可見光接收電路接收到由發送電路發出的光信號后，光電檢測器利用光電效應將光信號轉化成電信號，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部干擾，以及發送端與接收端之間，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生的信號誤差；最后，經過放大和整形的信號輸出為數字信號。

4.3 服務器與監測數據可視化單元

本系統利用數據庫對環境監測數據進行存儲、分析和提示告警，不僅對每一個位置的單項環境監測數據設定安全工作區間，同時還對環境監測數據進行綜合的關聯分析，一旦單項指標或者綜合指標出現異常，發出告警提示管理人員進行人工干預，達到保護文物的目的。系統通過web形式將整個博物館的環境信息進行實時顯示。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，能夠分別查看相應的博物館環境參數實時信息。

濕度數據顯示

5 總結與展望

博物館的存放環境對文物的保存有著至關重要的影響。對博物館環境參數的連續自動化監測有利于及時發現環境風險并及時調整。隨著物聯網技術的發展以及應用，為博物館在文物保護環境檢測方面提供了一個更好的管理模式，也為文物的預防性保護提供了新的技術手段。本文簡單闡述了一種基于可見光通信技術的博物館智能環境監測系統，利用博物館的LED光源傳輸環境監測數據，具有“照明通信兩用”的優勢，降低了博物館相關監測系統的重復建設，降低了博物館的建設和運營成本。且LED光源分布直接對應于展廳的展柜、展品以及庫房和文物儲藏架，監測點分布均勻。通過此系統可以穩定地對博物館環境因素進行監測，最大程度減緩了環境因素對博物館文物的破壞，對博物館文物保護具有重要的意義。

【參考文獻】

[1]陳柳欽.物聯網：國內外發展動態及亟待解決的關鍵問題.決策咨詢通訊.2010（05）.

[3]張歡.博物館文物保存環境及其對文物的影響[C]//中國考古與文物保護化學學術研討會.2006.

[4]吳來明，徐方圓，黃河.博物館環境監控及相關物聯網技術應用需求分析[J].文物保護與考古科學，2011，23（3）：96-102.

[5]遲楠.LED可見光通信技術[M].清華大學出版社，2013.