基于LabVIEW的博物館多情景環境檢測系統

張秦偉 邱力軍 屈碩 王雨婷

摘要：博物館是重要的文化場館，收藏的歷史文物種類繁多。現階段文化實力在綜合國力中占據的比重日益加大，文化交流與輸出對國家的全面發展至關重要，對博物館文物管理工作提出了更高的要求，尤其是要提高文物的保護能力與水平。現如今，雖然大多數博物館已配備了完善的現代化文物保護系統，但在現代化設備沒有那么完善的博物館，遇到文物巡展等工作時，文物保護工作就沒有那么順利。文章基于此問題，設計了博物館多情景環境檢測系統。該系統硬件采用ART公司DAM-3158A模塊、中創智合公司YX1210模塊以及各類傳感器來完成搭建；軟件采用LabVIEW開發，完成關鍵數據的處理及對下位機的控制，為文物提供穩定、適宜的保存及展覽環境。軟硬件通信采用基于RS485的Modbus通信模式。

關鍵詞：文物預防性保護；LabVIEW；RS485

中圖分類號：TP212文獻標志碼：A

0 引言

文物是人類寶貴的文化遺產，是精神文明的具象體現，見證了歷史的發展與變遷，是極為珍貴且不可再生的文化資源［1］。常規的文物保護方法無法滿足文物外出巡展所遇到的各種問題，小型博物館也沒有完善的配套設施，這些都造成文物損壞的潛在危險。隨著國家越來越重視文化的軟實力提升，文物的保護工作得到了政府及各界人士的支持，這使得文物保護工作成為一種發展趨勢，也具有良好的應用前景。因此，應用一切與博物館環境相關的科學技術和研究成果，對館藏文物保存環境進行有效的監測和控制［2］，從而最大限度地抑制和減緩環境因素對文物產生的破壞作用。這不僅是文物預防性保護的關鍵，也是當今世界范圍內文化遺產保護領域的發展趨勢。

1 系統設計

1.1 系統總體框架

此系統采用模塊化設計的方法，首先，由傳感器采集文物當前狀態的數據，傳送給采集系統完成數據采集工作，采集系統將數據傳送給上位機；其次，上位機處理數據并判斷當前數據是否在合理區間內［3］，如若不在，則報警提示操作員，并立刻驅動控制系統完成相應的操作，讓文物始終處在一個恒定的環境之中；最后，將報警信息及當前數據顯示在前面板上以達到讓文物所處環境處于恒定狀態的效果。上位機還存在遠程視頻監控以及歷史數據存儲的功能。本文的系統總體框架流程如圖1所示。

1.2 硬件設計

數據采集模塊分為AI和DI兩部分。本文AI采集主要選用ART公司的DAM-3158A這款產品，該模塊主要測量文物所處環境的溫度值、煙霧值以及光照強度值。DAM-3158A為8路差分模擬量輸入，16位AD，模擬量輸入隔離，RS485通信接口，帶有標準Modbus-RTU協議。

AI采集地址分配如下：

通道0采集環境煙霧濃度，量程為0～10 V；通道1采集環境光照強度，量程為0～10 V；通道2采集環境總溫度，量程為0～20mA；通道3采集環境左溫度，量程為0～20mA；通道4采集環境右溫度，量程為0～20mA。

DI采集及控制設備模塊選用中創智合公司的YX1210模塊，此模塊可以采集數字量，也可以輸出數字量驅動繼電器動作。本模塊采用32位ARM處理器、數字輸入量和數字輸出量使用高速磁電隔離及光電耦隔離技術。寬電源供電，通信輸出RS232、RS485，以太網接口可選，標準的 Modbus-RTU 通信協議，可與 PLC、組態軟件、文本顯示器等進行組網，具有10路繼電器輸出、12路開關量狀態采集，開關量輸入采用雙向光電二極管，可支持共正或共負方式電平信號輸入。RS485通信為后續上位機開發提供了便利。

由于DI采集模塊是24 V供電，傳感器輸出電壓的最大值為5 V信號，所以須給傳感器后端接一個繼電器，再將繼電器輸出端接入DI端，才可以采集到數字量信號。

DI采集地址分配如下：X0采集1號文物的振動狀況；X1采集2號文物的振動狀況；X2采集3號文物的振動狀況；X3采集環境濕度狀況。

DO輸出控制地址分配如下：第0路繼電器控制總報警燈，無論什么環境參數超過設定值都將報警，若同時都超過報警值第0路依然報警；第1路繼電器控制處理煙霧設備；第2路繼電器控制遮光設備；第3路繼電器控制降溫設備；第4路繼電器控制左邊加熱片工作；第5路繼電器控制右邊加熱片工作；第7路繼電器控制總加熱片工作（可實現切換高低擋位加熱），第1～第7路接設備的同時接通一個工作指示燈標志著目前正在處理某一報警，接線方式采用設備與繼電器串聯接法，同一設備并聯接入，工作指示燈也并聯接入電路。

控制模塊還有視頻監控的功能，安裝攝像頭可以讓操作者在文物遇到危險時第一時間查看到文物的當前狀態。攝像頭選用2K高清電腦攝像頭，可直接通過USB與PC機相連，通過程序的編寫可實現監控功能。

1.3 軟件設計

此系統上位機采用LabVIEW進行開發，像C或C++等其他計算機高級語言一樣，LabVIEW也是一種通用編程系統，具有各種各樣、功能強大的函數庫，包括數據采集、GPIB、串行儀器控制、數據分析、數據顯示及數據存儲，甚至還有目前十分熱門的網絡功能。LabVIEW也有完善的仿真、調試工具，如設置斷點、單步等。LabVIEW的動態連續跟蹤方式，可以連續、動態地觀察程序中的數據及其變化情況，比其他語言的開發環境更方便、更有效。而且，LabVIEW與其他計算機語言相比，有一個特別重要的不同點：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼行，而LabVIEW采用圖形化編程語言——G語言。LabVIEW能夠為用戶提供簡明、直觀、易用的圖形編程方式，能夠將煩瑣復雜的語言編程簡化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來，十分省時簡便。與傳統的編程語言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節省85％以上的程序開發時間，其運行速度幾乎不受影響，體現了極高的效率。

在對博物館環境進行了解后，對上位機功能進行規劃，大致可以劃分為用戶管理模塊、系統測試模塊、數據存儲模塊以及輔助模塊。

為了使上位機各模塊之間具有較強的適應性及聯動性，提高軟件的編程邏輯，需要在寫功能模塊之前先構建一個合適的框架，保證后續子VI可以有序完成。目前，常規的軟件框架為：生產者消費者模式、QMH框架、狀態機等，本文選用QMH框架完成上位機軟件整體的搭建。軟件整體流程如圖2所示。

數據的采集及控制指令的下發主要利用VISA函數包來完成。VISA 函數在函數面板的儀器I/O——>串口子面板中，通過串口子面板中的這些 VISA 函數可以與GPIB、USB、串口等中的任何一種總線通信。用 LabVIEW 來寫串口驅動控制儀器一般的流程為：配置（打開）串口、讀寫串口、關閉串口［4］。例如，一般的VISA函數編寫步驟如圖3所示，此方式下的校驗碼必須手動編寫，否則程序會報錯。

2 軟硬件調試

2.1 系統測試

本文完成軟硬件的設計開發以及搭建后，對設備進行了軟硬件聯合測試，以保證系統運行的穩定性與智能性，從而為設備后期正式使用打下良好的基礎，同時也便于找出一些程序編寫時出現的漏洞，從而更進一步完善系統。

在實驗室完成了初步的調試工作，在測試階段不但采用分模塊分功能進行單獨測試還采用多功能聯合測試，極大地保證了系統的穩定性，方便對實驗室模擬環境的變化進行測試。

2.2 結果分析

本文檢測了各傳感器的靈敏度，以溫度傳感器為例，利用紅外測溫儀測得室內溫度，和上位機顯示溫度進行對比，得到表1的實驗數據，說明傳感器誤差范圍在可接受范圍內，其余傳感器類似。

經測試，無論在單一情況下還是多種異常情況下，采用基于RS485的ModBus協議傳輸數據穩定，滿足設計要求，最大化地保證文物受到準確、高效的保護。傳輸指令的速度也十分快，能很快地將動作命令下發至動作設備，動作設備的響應時間也十分短且工作狀態穩定。出現報警時上位機與下位機的狀態一致，可以給文物管理員提供正確的信息。上位機其余功能也出色地發揮了作用，視頻調用穩定，程序穩定性高，數據存儲功能也能將數據不差分毫地記錄下來。

3 結語

經測試，本系統能完成傳統文物保護設備所能完成的工作，且完成效率更出色，數據傳輸的穩定性得到了提高，除此之外，其還具備傳統設備所不具有的振動監測功能、遠程視頻監控功能、用戶管理功能以及報警信息存儲及分析功能。本設計的集成度高，功能更為全面，應用范圍也較傳統設備更為廣泛，可應用于之前沒有涉及的文物巡展過程之中，讓文物在巡展過程中可以得到不限于安保措施的保護，更重要的是得到了對其所處環境安全的保護，達到傳播文化以及保護文化的目的，擁有廣闊的市場前景，現實意義顯著。

本系統也存在著一些問題，在展覽時，加熱片雖然能很出色地完成任務，但其影響游客觀賞性。傳感器的位置也顯得較為突出，影響觀感。通信方式目前采用有線通信，導致線路過長，后續將換用網絡接口，上位機已預留轉換函數，框架也初步搭建完成，只需要改變通信VI便可實現。目前主要功能的實現都已趨于穩定，滿足設計技術要求。

參考文獻

［1］孔志剛.預防性保護視角下的博物館文物管理探究［J］.中國民族博覽，2022（8）：193-195.

［2］孟祥鵬.文物預防性保護在博物館中的應用策略［J］.文物鑒定與鑒賞，2022（6）：42-44.

［3］何東，于紀言，劉旭博.基于LabVIEW和RS 485總線的CO濃度維持系統［J］.現代電子技術，2019（15）：116-119，122.

［4］韓天琪，楊忠明，胡建華，等.基于STM32及LabVIEW的廚房環境監測系統［J］.信息技術與信息化，2022（2）：94-97.

（編輯 李春燕）