物聯網技術在秦始皇帝陵博物院環境監測中的應用

李 華

(陶質彩繪文物保護國家文物局重點科研基地(秦始皇帝陵博物院)，陜西西安 710600)

0 物聯網技術概述

物聯網的構思起源于比爾·蓋茨1995年的《未來之路》一書。國際電信聯盟(ITU)于2005年正式提出物聯網的概念，按照ITU的定義，物聯網是將射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器和激光掃描器等，嵌入到各種各樣的日用品中，如電網、鐵路、公路、建筑、供水系統、大壩、油氣管道、汽車等各種物體中，將這些物體與現有的互聯網連接，使物與物、人與物之間相互溝通，從而實現人員對機器、設備和基礎設施的即時管控[1]。目前國際通用的物聯網的定義是：是指通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物體與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[2]。其實質是利用射頻自動識別技術，通過計算機互聯網實現物品的自動識別和信息的互聯與共享，其核心技術為傳感網技術。簡單地說，物聯網就是“物物相連的智能互聯網”。物聯網被稱為世界信息產業第三次浪潮，是新一代的網絡信息技術概念，代表了下一代信息發展技術[3]。自2009年8月溫家寶總理提出“感知中國”以來，物聯網被正式列為國家五大新興戰略性產業之一，寫入“政府工作報告”，物聯網在中國受到了全社會極大的關注。

1 物聯網技術在博物館環境監測中的必要性

“文物預防性保護”的概念自1930年在意大利羅馬召開的國際文物保護會議上首次提出后[4]，在國際上已成為文物保護科學的共識，而其前提就是對博物館文物保存環境的科學化認識，即應用一切相關的科學技術和成果，包括新興的物聯網技術，對館藏文物保存環境進行有效的監測，進而進行有效的控制，以最大限度地抑制和減緩環境因素對文物材料的破壞作用[5]。1972年，聯合國教科文組織第17屆大會通過的《保護世界文化和自然遺產公約》中，也對世界遺產的監測提出了相關要求。關于世界文化遺產地的監測開始受到各締約國的普遍重視，一些文化遺產大國和部分發達國家相繼開展世界遺產監測的理論和方法體系的研究與實踐活動，使文物保存環境監測成為文化遺產保護的必要和首要環節[6-8]。

物聯網系統利用布置在文物周圍的各種傳感器節點來采集目標區域內的相關數據，并通過各類中繼節點的相互協作組成無線傳感器網絡，并將數據傳輸至監控中心，以此來實現基于文物現場環境溫度、相對濕度、日照強度、紫外線和雨量等有害于文物的信息監測和環境預警功能(圖1)。將這些監測終端通過互聯網連接，形成管理者、文物現狀、環境特點連通的網絡，從而實現人員對文物保存環境、文物風化情況的即時管控。

圖1 文物保存環境監測“物聯網”系統網絡架構圖[9]Fig.1 Monitoring system of the conservation environment for culture heritages

物聯網技術由于能夠迎合文物保存環境監測時對文物干預小，及時響應等優點而迅速受到博物館環境監測者的青睞。已有研究表明采用物聯網技術對博物館環境監測的優勢在于[8，10]：1)傳感器節點的體積小且整個網絡只需要部署一次，傳感器網絡部署對所監測環境的影響很小；2)傳感器節點數量大，分布密度高，具有數據采集量大，空間精度高的特點；3)傳感器節點本身具有一定的計算能力、存儲與通信能力，可以根據物理環境的變化進行較為復雜的監測，并且在節點間進行實時協同監測；4)文物環境監測點的遠程便捷性。人無需去現場，通過物聯網就能進行監測工作，實現實時在線監測；5)多功能性。物聯網文物環境系統可實現對多類文物環境要素的同步監測。監測平臺借助互聯網可對各類監測數據快速傳輸、分類呈現，實現多因素的監測和評估。

2 物聯網技術在文物保存環境監測中的應用

2.1 國外應用

物聯網技術在文物保存環境監測中的應用最早出現在歐美。1997年英國紐伯里桑達木紀念教堂安裝了有線環境監測系統進行室內溫濕度監測[11]。1998年加拿大多倫多大學藝術中心在展室布設了有線的溫濕度監測設備，進行環境微氣候監測[12]。2006年加拿大多倫多藝術博物館就嘗試使用該技術進行博物館不同展廳溫濕度的監測[13]。2009年波蘭西里西亞的博物館使用無線傳感器網絡對博物館展廳的溫度、濕度和CO2濃度進行監測[14]。2011年意大利佛羅倫薩博物館使用環境監測系統對館內16個展廳和4個展柜環境的溫濕度進行監測[15]。2014年英國劍橋博物館使用升級的無線環境監測系統對館內的每一個展示點進行溫濕度及光照和紫外的監測。2015年美國匹茲堡卡內基自然歷史博物館在整個博物館建筑中布設無線環境監測系統對館內溫濕度進行監測。

綜上所述，在博物館布設物聯網環境監測系統是當前國際文物保存環境監測的發展趨勢。且隨著物聯網技術的發展，監測網絡從開始的有線監測系統發展到近年來的無線監測系統，系統不斷升級，終端設備不斷更新，從而使博物館環境監測更加科學有效。

2.2 國內應用

2.2.1在大型展覽中的應用 2007年，敦煌研究院和浙江大學聯合開發的敦煌莫高窟環境監測預警系統，可以實時監測莫高窟10個開放洞窟的溫濕度及4個洞窟的二氧化碳濃度變化[16-17]。2008年,奧運會期間的“奇跡天工：中國古代發明創造文物展”中使用美國DICKSON公司生產的Wizard系列無線溫濕度記錄儀組成展館內的無線傳感網絡，對文物展柜內、外環境進行連續監測。2010年，上海世博會中國館銅車馬環境監測系統進行了溫濕度、二氧化碳和照度實時監測。2011年，西安世園會實現了長安塔銅車馬保存環境中的溫濕度、照度、紫外線和二氧化碳的實時監測。2013和2014年，“真彩秦俑展”和“輝煌時代——羅馬帝國展”中使用無線監測系統對展柜及展廳環境中的溫濕度、二氧化碳等環境因子進行持續監測。

2.2.2在博物館及遺址環境監測中的系統應用 相比與歐美國家，物聯網技術在我國的文物博物館環境監測中，受國家政策的支持，應用更為廣泛和系統。2009年起，國家文物局進行了系列部署，在戰略規劃層面、需求分析方面、應用試點方面組織開展了一系列科研課題，從多學科、多角度探索了物聯網技術在文化遺產保護領域中的應用前景。在此基礎上，國內其他博物館相繼進行了博物館物聯網環境與文物本體的監測系統的建設嘗試，如敦煌莫高窟建設了基于物聯網技術的微環境監測與游客流量監測系統；陜西歷史博物館環境監測系統；漢陽陵博物館環境實時監測系統；唐順陵陵區及文物本體監測系統；漢長樂宮遺址保護區環境實時監測系統；長安區鳳棲園漢張安世墓葬遺址環境實時監測系統；三星堆博物館環境實時監測系統；廣東省博物館環境實時監測系統；南京大報恩寺遺址環境實時監測系統等。

秦始皇帝陵博物院為目前中國最大的遺址博物館之一，已經對外開放的遺址館有5處，遺址分布較廣，環境類型較全，包括遺址、普通展廳，還有庫房。秦始皇帝陵博物院使用物聯網進行環境監測開始較早，自2010年開始布設監測系統，建成國內第一批博物館物聯網環境監測應用示范系統。經過多年的補充完善，實現了博物院文物保存區域的全部覆蓋和基礎環境因子的全面監測。對秦始皇帝陵博物院的環境監測系統進行分析評價，對國內同行在該領域的應用、研究，給予借鑒，以揚長避短。

3 物聯網技術在秦始皇帝陵博物院環境監測中的應用

3.1 文物環境監測物聯網系統的應用概況

秦始皇帝陵博物院物聯網環境監測系統在2010年開建初期，只針對博物館一號坑及文物修復室、分析實驗室和文物庫房，區域相對集中，環境監測主要針對環境溫濕度及二氧化碳濃度。目前，已實現對兵馬俑博物館三個俑坑的全部覆蓋，涉及的環境要素也逐漸增多，除原有的環境溫度、相對濕度、二氧化碳濃度，增加了照度、紫外線及遺址表層土壤溫度、含水量、含鹽量。目前布點區域較廣，布設監測終端數量較多的依舊是溫濕度測量終端。所以相對穩定和基礎的監測依然是溫濕度及二氧化碳的監測。

3.2 秦始皇帝陵博物院環境監測中應用的物聯網技術

3.2.1探頭/監測終端——物聯網的前端技術 根據具體的監測需求，確定傳感器的類型，并根據測量環境情況對所需傳感器靈敏度、響應頻率、線性范圍、穩定性、精度進行篩選，最終選擇了以下10種傳感器芯片和探頭作為室內環境監測和氣象環境監測的硬件設備：大氣溫濕度監測傳感器SHT15，土壤溫度傳感器PT100，土壤含水率傳感器FDS100，二氧化碳傳感器S100，光照度傳感器RY-G/W，紫外線傳感器RY-ZW，超聲波風速風向傳感器WINDCAP?，降雨量傳感器RAINCAP?，大氣壓傳感器BAROCAP?，氣象站溫濕度傳感器HUMICAP。

3.2.2物聯網的平臺——物聯網的應用/控制平臺

硬件方面，在文物保護現場使用多種無線傳感器節點監測環境，并通過自組織方式將各個節點組成無線傳感網絡，通過各個節點的相互協作將環境參數實時傳輸到監控中心，以此來實現基于文物現場環境溫度、相對濕度、日照強度、紫外線、雨量等有害于文物的信息監測和預警功能。最終實現對文物保護現場環境參數在線實時告警和監控。系統主要硬件從種類上劃分為數據采集節點、中繼和網關。

軟件方面，將采集到的數據進行存儲、管理和規劃，在需要的時候對其進行數據挖掘和重組，通過對實時數據和歷史數據的分析，實現對文物保護環境的分析。軟件服務主要是監測節點管理、實時數據顯示、歷史數據顯示、工作參數的設置。

3.3 秦始皇帝陵博物院物聯網環境監測系統

3.3.1秦陵博物院物聯網環境監測系統 秦始皇帝陵博物院物聯網環境監測系統由應用層、網絡層、感知層三層結構組成。感知層主要為溫濕度等各類傳感器作為監測終端，及傳感網來采集各類環境信息；網絡層包括物聯網與互聯網的融合網絡，將感知層獲取的信息進行傳遞和處理；應用層是各個區域監測系統與系統管理平臺。整個系統(圖2)通過各種傳感設備對大氣環境中的溫濕度、二氧化碳、光照、紫外線等要素進行數據采集，并通過無線傳輸將現場數據傳輸到監控中心，由監控中心實現對環境自動監測。

圖2 環境監測系統結構功能圖Fig.2 Structure function of the environmental monitoring system

3.3.2秦陵博物院物聯網環境監測系統功能 文物保存環境監測子系統的主要功能是采集溫度、濕度、二氧化碳、照度、紫外線強度等環境要素數據。以列表、圖形等形式，實現文物保存環境狀況的實時呈現、閾值報警、歷史數據查詢、數據分析等功能。通過匯總各類信息生成用戶自定義報表，支持監測數據的導出。

3.4 秦陵博物院物聯網環境監測系統數據有效性及傳輸便捷性分析

為評價物聯網獲取及傳輸數據的質量，本工作在博物院的某展柜中分別放置溫濕度無線監測設備(MW301GA-HN)和具有數據連續存儲功能的溫濕度記錄儀(Testo175H1，經過陜西省質量監督局的校準)(圖3)，進行溫濕度監測結果對比。結果顯示，兩種設備監測結果的總體變化趨勢保持一致(圖4)，表明兩種監測設備監測數值的相對有效性。但無線監測設備由于長時間(超過一年)沒有校驗，濕度略有漂移，表明定期(根據傳感器本身的精準度，采取半年或一年的周期)校驗的必要性。此外，和普通監測設備相同，也可通過對物聯網輸入數據庫中的數據進行深層的數據挖掘，以各種方式將環境參數的歷史數據以不同方式呈現，方便用戶對數據進行分析、整理和發展趨勢判斷，總結環境參數的變化規律。

圖3 臨展環境監測布點情況Fig.3 Environment monitoring assignment diagram of a temporary exhibition

圖4 使用無線(上)和常規連續(下)監測方式對溫度和相對濕度的監測結果Fig.4 Comparison of temperature and relative humidity inside display cabinets using different monitoring ways

借助無線監測設備，可在軟件界面上以圖和數值的形式直觀顯示各環境參數(圖5)，使工作人員能同步感知不同文物保存區域的環境狀況。也可以調取所需監測點的監測結果進行環境狀況檢查并進行對比，而無需到現場或開啟展柜等來讀取數據，也節省了人力資源，降低了勞動強度。此外，通過在軟件界面上對監測節點的部署情況進行顯示，能夠直觀顯示監測節點的工作狀況和分布情況(圖6)。此外，通過對軟件界面的設置，能夠遠程對單個或多個監測節點進行工作參數(包括均峰獲取時間、數據獲取間隔、傳感類型精度、監測數據公式計算參數)的直接設置(圖7)，實現對工作節點的遠程控制。

圖5 不同區域實時數據的同步顯示Fig.5 Monitoring data’s synchronous show of several sites

圖6 監測節點管理界面圖Fig.6 Interface of monitoring sites

圖7 工作參數設置界面圖Fig.7 Environment parameter set interface

采用物聯網技術對博物館環境進行監測，對所監測環境的影響很小，即不需要頻繁開啟展柜或到展廳現場進行數據下載，直接在辦公室電腦上就可以查看目標環境的監測結果，從而減少了對文物保存環境的干擾，并可同步獲取不同監測區域的環境狀況，及時發現問題，及時發布預警警告。

3.5 拓展預警監控功能

對物聯網紅外傳感技術系統中的一些參數設置上下限后，一旦超過限值，系統自動啟動報警裝置，提示工作人員及時調控。系統本身也可以根據館內各展廳要求不同，對展品存放的溫度、濕度、有害氣體濃度和光照等多種物理量，設置上下限，判別展廳環境是否良好，實現環境預警。尤其隨著展廳人流量增長而引起的污染氣體濃度增加、室內溫度上升、濕度上升和顆粒物濃度發生變化等情況，通過傳感器監測的數據，設置監控預警提示，進而引導工作人員采取環境調控措施，如指示其對展廳人流進行相應引導疏散。或在配備調控系統的情況下，將預警指示與調控系統關聯，自動啟動調控裝備，如空調或恒濕調控凈化裝置，自動采取調整措施，使文物保存環境趨于設定值。

物聯網技術保證了問題的及時發現和及時處理，提高環境響應速度，使文物保護環境的快速調控成為可能。

3.6 有待改善的物聯網技術環節

設備在監測中具有很好的時間連續性和規律性，只要電池供給充分，結果就能持續地記錄下來。而無線設備受網絡連通性、網絡電源和自身電池等多種因素的影響，只要一種條件不滿足，就會造成數據丟失。如圖8所示，因夜間切斷電源引起的斷網情況，出現大段時間數據缺失。圖9則顯示了因傳感器自身供電不足引起的數據記錄停止情況，造成低電壓或超時現象。尤其一些復合的傳感器(如溫濕度及二氧化碳：合一傳感器)本身耗電量大，而電池配備容量不足，斷電頻繁，造成數據缺失。圖9展示了受多種情況的干擾和網絡自身的特點引起的數據接收不規律，使工作人員無法采用數據處理軟件對數據進行統一處理。大多數情況下，只好對所有數據一一檢查后，手動處理，費時又費力，數據處理效率急劇降低。

圖8 傳感器工作狀態顯示界面Fig.8 Sensor working state interface

圖9 無線設備(左)與普通設備(右)的監測時間間隔Fig.9 Time intervals of the wireless device and the common device

目前，可與物聯網配套的各種環境傳感器功能還比較單一，精度不高，與傳統連續監測設備相比，極值的監測不夠準確，可監測的污染物種類較少，可靠性不高；大部分依靠進口，價格和維護成本較高。而且傳感器精度要與博物館環境的環境因子的監測范圍相適應，傳感器精度的提高和大批量校準將成為物聯網應用于文物保存環境監測時必須面對的問題。

4 結 論

1) 秦陵博物院物聯網環境監測系統的優點

監測終端設備體量小、能實現多環境因素的同時布點監測，對文物干預小，不影響文物風貌；能及時響應、實時采集、傳輸、記錄并分析數據，能節省人力，便于綜合分析、判斷、研究；能同步掌握博物院廣大區域各類環境的文物保存環境狀況，空間分辨率高，因此在數據對比分析和環境快速預警，服務于環境調控方面具有優勢。

2) 秦陵博物院物聯網環境監測需要改進的地方

應針對秦始皇帝陵博物院各類文物保存環境的特點，通過多種網絡的組合來暢通網絡，防治數據丟失，強化數據存儲能力、擴充電池容量、并優化傳感器的配置與校準，即可顯著提高物聯網技術在遺址及普通文物保存環境監測中的推廣度，使文化遺產環境的信息化預控能力得到最大程度的提升。

秦始皇帝陵博物院環境監測的應用實踐表明，物聯網技術使文物保護工作人員無需趕赴現場，就可及時、準確、同步獲悉較大區域內各展陳環境的狀況，實現快速環境預警和調控指示。物聯網技術如能在硬件設施、網絡條件和配套關鍵組件等關鍵環節上實現突破，將有助于文物保存環境的科學化理解，提升對文化遺產的預防性保護水平。