物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在博物館用電安全管理中的應(yīng)用

摘 要：博物館用電安全是博物館安全管理的重中之重，博物館數(shù)字化是未來博物館發(fā)展的必然趨勢(shì)，如何將數(shù)字化建設(shè)與博物館用電安全相結(jié)合，杜絕博物館用電安全隱患，預(yù)防火災(zāi)發(fā)生，是各博物館亟待解決的問題。本文針對(duì)博物館安全運(yùn)營中用電安全的實(shí)際情況，以西北大學(xué)博物館為例，提出了將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于博物館用電安全建設(shè)的思路。通過對(duì)當(dāng)前流行的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，選擇LPWAN技術(shù)進(jìn)行博物館智能用電系統(tǒng)建設(shè)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)用電環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)防和智能化管控，同時(shí)完成了傳統(tǒng)用電模式的升級(jí)，針對(duì)性進(jìn)行用電供給，給博物館在用電安全管理方面提供了一種參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；博物館；博物館數(shù)字化；用電安全；用電管理；智能化管控

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）02-0-03

0 引 言

2008年以來，我國博物館免費(fèi)開放工作持續(xù)推進(jìn)，隨之而來的是全國博物館持續(xù)升溫的參觀熱潮，從國家文物局公布的數(shù)據(jù)來看，2019年我國博物館參觀人數(shù)達(dá)12億余人次[1]，

由此可見，去博物館參觀已成為人民群眾積極參與的生活和休閑方式[2]。隨著博物館內(nèi)人流量的增加，對(duì)博物館安全管理提出了新挑戰(zhàn)，用電安全作為博物館安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，引起博物館行業(yè)的高度重視。2018年9月，巴西國家博物館發(fā)生重大火災(zāi)，收藏的千萬件珍貴藏品僅有10%的館藏得以幸存[3]；2019年4月，巴黎圣母院發(fā)生火災(zāi)，讓擁有近900年歷史的建筑付諸一炬[4]，引起上述兩場火災(zāi)的原因可能是電氣系統(tǒng)故障。

西北大學(xué)博物館建筑面積為1.5萬平方米，擁有4個(gè)常設(shè)展館、3個(gè)專題館、1個(gè)臨時(shí)展館及辦公區(qū)域，大樓建筑面積龐大，房間眾多，線路老舊，如按原有電路模式繼續(xù)運(yùn)行，存在較大安全隱患。西北大學(xué)博物館結(jié)合自身實(shí)際，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，對(duì)博物館電路安全進(jìn)行升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)博物館電路預(yù)警監(jiān)測、自動(dòng)斷電、智能管控等功能。本系統(tǒng)選用LPWAN物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自身的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。LPWAN（Low Power Wide Area Network， LPWAN）是低能耗、寬廣域的新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[5]。具體優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：廣闊的覆蓋性，數(shù)據(jù)可以在幾十公里范圍傳輸，讓智慧城市的實(shí)現(xiàn)成為可能[6]；設(shè)備會(huì)自動(dòng)判別使用狀態(tài)，進(jìn)入休眠模式，從而降低使用功耗，相關(guān)設(shè)備電池使用時(shí)間長達(dá)10年；因其廣闊的的覆蓋性，使得設(shè)備投入數(shù)量減少，從而降低投入成本[7]；它可實(shí)現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)對(duì)接、策略聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)管理和查看，同時(shí)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管、控制，提升智能用電安全管理效率[8]。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整體架構(gòu)

基于通用物聯(lián)網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)思想，西北大學(xué)博物館物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)由物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)層、物聯(lián)網(wǎng)傳輸層、接入傳感層三大平臺(tái)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備接入、信息傳輸以及設(shè)備管理、策略聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)分析等功能[9-10]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

接入傳感層是物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的底層架構(gòu)，通過WiFi、LoRa網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，作為固定資產(chǎn)終端擴(kuò)展聯(lián)入物聯(lián)網(wǎng)，將原本無法聯(lián)網(wǎng)、統(tǒng)一監(jiān)控管理的電路和燈管等設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一采集，并回傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)做數(shù)據(jù)匯總；傳輸層由有線、無線、LoRa、WiFi、GPRS等協(xié)議組成，在智能用電安全場景下，依托博物館大樓WiFi網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)LoRa組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)底層物聯(lián)數(shù)據(jù)采集以及終端設(shè)備控制；感知層是對(duì)數(shù)據(jù)的匯總和分析，并進(jìn)行智能化統(tǒng)計(jì)，對(duì)有價(jià)值的數(shù)據(jù)挖掘分析，進(jìn)行圖形化展示。博物館管理員可以通過移動(dòng)終端或者監(jiān)控屏幕直觀了解整棟大樓電路系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電路智能管控系統(tǒng)建設(shè)需要對(duì)原有樓體空開進(jìn)行改造，該系統(tǒng)基于CF4-23智能空開進(jìn)行設(shè)計(jì)。智能空開模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

智能空開硬件負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測與采集電路上的電計(jì)量數(shù)據(jù)以及電氣安全數(shù)據(jù)，通過數(shù)字信號(hào)及時(shí)識(shí)別電路風(fēng)險(xiǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)電路進(jìn)行通斷電操作，保證電路安全。系統(tǒng)以Microchip出品的MCU芯片作為主控芯片，外圍掛載電計(jì)量監(jiān)測電路，漏電監(jiān)測電路負(fù)責(zé)對(duì)電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)識(shí)別電路風(fēng)險(xiǎn)，掛載電機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)識(shí)及時(shí)處理風(fēng)險(xiǎn)。通過串口將統(tǒng)計(jì)的電氣數(shù)據(jù)以及用電安全數(shù)據(jù)發(fā)送到通信模塊，最后轉(zhuǎn)交給平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的西北大學(xué)博物館用電安全系統(tǒng)主要功能包括：電路預(yù)警監(jiān)測、電路智能管控。電路預(yù)警監(jiān)測實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

空開通過內(nèi)置的微處理芯片監(jiān)測電氣狀態(tài)、線路溫度、漏電電流，并識(shí)別交流電的頻譜信息，當(dāng)判斷數(shù)據(jù)異常時(shí)，通過程序驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接斷電，通過數(shù)字量進(jìn)行識(shí)別和聯(lián)動(dòng)，相比傳統(tǒng)空開能及時(shí)響應(yīng)電器風(fēng)險(xiǎn)。電路智能管控流程如圖4所示。

空開可支持兩種智能管控方式，分為預(yù)警監(jiān)測后自動(dòng)斷電以及遠(yuǎn)程控制。空開通過電機(jī)帶動(dòng)齒輪、推動(dòng)操作桿完成開合操作。整體產(chǎn)品框架分為平臺(tái)、網(wǎng)關(guān)、末端空開三部分。平臺(tái)側(cè)主要負(fù)責(zé)設(shè)備的統(tǒng)一管理以及遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)加工，采用B/S架構(gòu)，后臺(tái)使用go語言開發(fā)微服務(wù)開發(fā)框架，采用LiteIDE集成開發(fā)環(huán)境。前端主要使用JavaScript編碼。網(wǎng)關(guān)側(cè)主要將終端上報(bào)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)并上報(bào)到平臺(tái)，將平臺(tái)下發(fā)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送給終端。使用MIPS架構(gòu)開發(fā)環(huán)境，采用C語言進(jìn)行業(yè)務(wù)開發(fā)，選用GCC集成開發(fā)環(huán)境。末端空開主要進(jìn)行終端側(cè)的數(shù)據(jù)采集以及控制操作，采用C語言開發(fā)，使用Keil集成開發(fā)環(huán)境。

4 功能測試

4.1 電路預(yù)警檢測

本文應(yīng)用的智能斷路器用于博物館配電系統(tǒng)，當(dāng)回路電量過載時(shí)，斷路器自動(dòng)斷開電路。智能斷路器具有信息記錄和通信功能，可記錄開關(guān)狀態(tài)、電器安全故障等信息并通過總線向主站傳輸；接收主站命令進(jìn)行分、合操作。對(duì)該斷路器進(jìn)行了分?jǐn)嘣囼?yàn)，設(shè)置空開的過載電流為5 A，實(shí)驗(yàn)過程中電壓為220 V，實(shí)驗(yàn)電流為5.6 A。可以看到，當(dāng)5.6 A電流持續(xù)130 ms后，空開自動(dòng)斷開，保證電路安全，測試結(jié)果符合預(yù)期。分?jǐn)鄿y試如圖5所示。

移動(dòng)端預(yù)警如圖6所示。

（a）" " " " " " " " " " " " " " " " " "（b）" " " " " " " " " " " " " " " " "（c）

通過圖6（a）可以直觀看到，該套系統(tǒng)每天9：30和16：50會(huì)自動(dòng)巡檢，并進(jìn)行結(jié)果分析，顯示正常和異常設(shè)備數(shù)量；圖6（b）直觀顯示了所有異常設(shè)備故障位置，提示工作人員進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)維修；圖6（c）展示的是單個(gè)設(shè)備電路實(shí)時(shí)監(jiān)測情況，可看到當(dāng)前該線路電壓、模塊溫度、漏電電流及線路電流等數(shù)據(jù)。

4.2 電路智能管控

4.2.1 平臺(tái)集中管理

基于空開采集數(shù)據(jù)-LoRa網(wǎng)關(guān)-平臺(tái)-數(shù)據(jù)顯示/人為操作/策略驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行原理，為方便管理所有空開設(shè)備，設(shè)計(jì)了平臺(tái)的集中管理功能，實(shí)現(xiàn)效果如下：

（1）可通過后臺(tái)端對(duì)博物館電路運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

（2）當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，管理人員通過APP或者后臺(tái)收到告警信息，可以查看哪個(gè)區(qū)域，哪個(gè)空開，哪條線路出現(xiàn)問題，精準(zhǔn)查詢，節(jié)省人力，縮小了檢修范圍。

（3）通過平臺(tái)集中管理，管理人員可以根據(jù)實(shí)際用電情況自定義策略，提前設(shè)置危險(xiǎn)值，當(dāng)電路異常超出策略范圍時(shí)，該策略直接生效，驅(qū)動(dòng)空開的斷開以及閉合，實(shí)現(xiàn)智能化管控[2]。

后端電路系統(tǒng)運(yùn)行如圖7所示。

4.2.2 能耗監(jiān)管

平臺(tái)式智能化管理可以基于探頭監(jiān)測，對(duì)參觀人群進(jìn)行智能劃分，對(duì)于人群密集區(qū)域自動(dòng)啟動(dòng)光源照明；人群空曠區(qū)域自動(dòng)變暗或者關(guān)閉燈源，從而避免光源全天候開啟，造成電力浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。為了更加智能化地監(jiān)控電路運(yùn)行情況，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了電量統(tǒng)計(jì)功能：

（1）可以統(tǒng)計(jì)每天電器設(shè)備的總耗電量，并精確顯示。

（2）在正常情況下，根據(jù)電量的數(shù)據(jù)顯示，可從側(cè)面反應(yīng)當(dāng)前電路是否存在設(shè)備老化問題，依據(jù)耗電異常情況，管理人員可以評(píng)估是否需要更換新的電器設(shè)備，規(guī)避電器風(fēng)險(xiǎn)。

每日用電功率統(tǒng)計(jì)如圖8所示。

5 結(jié) 語

西北大學(xué)博物館物聯(lián)網(wǎng)用電管理系統(tǒng)投入運(yùn)營后，管理人員通過電腦Web界面、手機(jī)APP和手機(jī)短信，隨時(shí)掌握全館用電情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣火災(zāi)隱患并進(jìn)行快速有效處置，最大限度避免電氣火災(zāi)可能對(duì)館藏文物文獻(xiàn)、建筑本體和人民群眾造成的損失或傷害。以西北大學(xué)博物館為例的研究分析證明，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在博物館用電安全管理中的應(yīng)用可以有效降低博物館火災(zāi)發(fā)生概率，基本實(shí)現(xiàn)防范于未“燃”，在確保博物館安全高效運(yùn)營的前提下，為博物館的智慧化管理提供更多可能。

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