基于物联网技术的文物保护环境监测系统

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　　摘 要：随着物联网应用技术的飞速发展，将物联网技术与博物馆文物保护工作紧密结合，实现对博物馆文物展陈环境以及管理运行系统的实时监测，极大提升文物保护工作的效率和质量。文中介绍了物联网应用技术的基础架构，以及近年来物联网关键技术的提升，并结合物联网技术与文物保护的实际应用需求，介绍了基于物联网技术的环境监测系统在故宫博物院中的实际应用效果。
　　关键词：文物保护;物联网;环境监测;无线通信;NB-IoT;LoRa
　　中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）07-00-04
　　0 引 言
　　文物是人类宝贵的历史文化遗产，对历史研究、社会艺术等各方面都有非常重要的意义，对文物的保护自然也成了博物馆的重要工作内容。
　　早已为人们所了解的金属锈蚀、竹木器干裂变形、纸张酸化、染料颜料褪色、丝织品老化、有机材料霉变虫蛀等都与保存环境有关[1]。温度会加大化学反应速率，还会对不同材质因膨胀系数不同而造成破坏性影响。湿度除了能影响反应速率外，还会导致染料褪色和纸张老化，以及发生物理形变对文物造成伤害，比如字画起褶皱等。光引起的化学反应将削弱物质的强度，使染料、颜料色泽发生变化，其中紫外光更具有损伤性。其他污染气体如SO2，H2S，氮氧化物，甲醛以及二氧化碳等都会直接参与一些化学反应，因此，对这些环境因素的监测成了文物保护工作的重点。目前，我国多数博物馆还在以人工抄表等方法监测记录环境情况，耗费人力的同时监测准确性和实时性极为有限。随着物联网技术的快速发展，将智能化、准确性高、监测灵活的物联网环境监测技术应用于文物保护领域，能够有效提高文物保护工作的效率及效果。
　　1 物联网技术简介
　　1999年，美国麻省理工学院Auto-ID实验室提出了物联网（The Internet of Things）一词。国际电信联盟《ITU互联网报告2005：物联网》正式提出了物联网这一概念[2]。从早期的RFID到当下的低功耗广域网（LPWAN），以及传感器市场的快速增长，云计算、AI人工智能、数据挖掘等技术逐渐成熟，物联网技术快速发展，目前已经被应用在包括工业、农业、教育、家居等多个领域。
　　在物联网的网络传输技术中，近年来LPWAN凭借低功耗、广覆盖、大连接、低带宽、低成本的优势迅速崛起，行业巨头对NB-IoT，eMTC，LoRa等技术加大投资，逐步实现商用。2017年三大运营商全部大力发展NB-IoT与eMTC。
　　NB-IoT具有灵活部署、窄带、低速率、低成本、高容量、覆盖面广、低功耗等特点。NB-IoT技术可满足对低功耗、深覆盖、大容量有所要求的低速率业务[3]。中国电信最早开始部署NB-IoT，目前已经实现了多个地区商用，在共享单车、智慧水表、智能家居等领域上线应用;中国移动实现了多个省市的NB-IoT网络商用;中国联通在2018年实现了全国商用。
　　LoRa作为非授权频谱的一种LPWAN无线技术，与WiFi，Bluetooth，ZigBee等现有成熟商用的无线技术相比，具有远距离、低功耗、低成本、覆盖容量大等优点[4]。LoRa的发展极其迅速，中国联通、阿里云，以及行业专业技术公司共同发布了“国内首个城域物联网试商用”系统。LoRa技术现已开展广泛应用，在各行业中逐步发挥重要作用[5]。
　　从概念到部署，物联网在各领域已经展开全面的技术应用，也给产业链的上下游企业带来了更多机遇和挑战。物联网无疑成为很有潜力的产业以及技术趋势。随着物联网技术的逐步成熟，其为文物保护环境监测系统奠定了理论和应用基础，能够在复杂的建筑群内提供强大的网络服务，实现便捷快速的数据传输。同时，物联网的智能数据处理技术也可为文物保护提供有力的理论和技术依据。
　　2 物聯网技术在文物保护环境监测系统中的应用
　　文物保护中的环境监测是物联网领域一项典型的实际应用。基于物联网的环境监测技术在监测规模、监测地域、监测准确度、监测灵活程度等方面都有传统监控手段难以比拟的优势。这项技术在军事、工业和科学研究等诸多重要领域都得到了很好的应用。
　　基于物联网技术的环境监测应用通过具有传感、计算、存储和无线通信多种能力的智能感知节点来完成复杂的以应用目标为导向的监测工作。数据采集终端自适应组网和多模通信技术使得被网络覆盖的监测区域不仅能够完成数据采集和发送任务，通过节点间的分布式协作，监测系统还能够实现统计采样、数据融合、查询式监控、动态功能升级等，为众多以监控为目标的应用提供了技术升级和再发展的技术基础。
　　从物联网技术层面看，物联网主要由感知层、网络层、应用层三部分构成。物联网环境监测系统是物联网的一种应用，与物联网在其他领域的应用系统有共同之处，但也存在不同。如图1所示，物联网环境监测系统可以分为监控现场、传输网络和云服务平台三部分。
　　2.1 监控现场
　　监控现场是物联网环境监测系统的最前端部分，属于物联网的感知层，负责完成信息数据的采集和传输。位于监控现场的监测终端内部具有强大的微处理器以及多模网络通信单元，可以完成环境参数的采集、初步分析、存储以及通过无线通信方式将数据传输至服务端。环境参数的采集主要由传感器完成，因此对传感器的精度、稳定性以及功耗等性能指标具有较高的要求，以满足文物保护过程中对环境监测系统的技术要求。
　　监测终端可采用电池供电方式，具有超低功耗以及高度安全可靠的性能，在应用现场的部署中能够免去常规系统布线的困扰，自由设计监测点的密度和位置，缩小监测范围，得到更加精准有效的文物保存环境信息。
　　2.2 传输网络
　　传输网络是物联网环境监测系统的重要组成部分，属于物联网的传输层，是连接前端传感网络和互联网的桥梁。在物联网环境监测系统中，一般由网关完成数据转发，通过短距离无线通信技术接收监控现场终端的传感数据后，再由WiFi、以太网、GPRS、NB-IoT等技术接入互联网，将数据发送到服务端。在一些特殊的应用中，也可在终端设备上集成类似NB-IoT等可以直接实现远距离传输的通信方式，使得终端能够直接接入运营商网络，将数据传输至服务端。 　　传输网络受多变环境的影响，以及在博物馆等不能破坏现有环境的地方使用，因此必须设计一套功能强大、系统布置灵活且信号稳定的传输网络系统。随着目前无线通信的快速发展，可以使用多种网络传输方式来满足不同的应用需求。
　　2.3 云服务平台
　　云服务平台是物联网环境监测系统的关键，属于物联网的应用层，是用户最直接的观察和分析数据的平台。该部分主要完成数据的收集、校准、入库、保存和查询，以及通过AI算法、深度挖掘等技术建立数据模型，实现数据的分析、预测、预警等功能。如图2所示，在云服务平台中，监控设备入网、认证和管理系统完成传感数据的接收以及用户命令的发送，同时对数据进行校验和计算处理，存入数据库，并保证传输网络的安全性和准确性。设备远程更新与指挥系统负责实现设备的远程控制和管理，监控传感终端和传感网络运行状态，同时能够对设备的工作参数以及运行环境等进行远程更新与升级，并将指令发布到终端网络中执行;数据存储及维护系统以及监测数据分析处理系统负责将数据进行整理、分析与统计，同时对数据进行深度处理，实现数据的关联分析、预测报警等;数据报表和展示系统根据监测数据信息进行实时传感数据发布，使监控用户可以在任何时间和地点通过网页、手机APP等查看数据详情，并通过多种可视化技术进行数据展示，实现数据统计和导出功能。
　　3 文物保护中的应用案列
　　3.1 应用案例介绍
　　故宫博物院自2006年起开始在展厅内进行基于无线网络的文物环境监测工作，经过多年不断升级和完善，不断尝试新技术，现今已引入了最先进的物联网技术。故宫博物院部署了基于物联网技术的无线环境监测系统，用于文物保护环境监测。系统部署的监测点覆盖面广，在古建筑内外、展柜内外、机房内和办公区域外实现环境监测。系统安装、部署、使用及维护方便灵活，不破坏古建筑，不影响文物展示，扩展性强。博物院的管理人员可以对特定环境参数随时进行远程实时访问。目前积累的古建筑体室内的环境数据可以为古建筑的保养和维护提供决策支持。
　　故宫端门部署了基于NB-IoT的无线环境监测系统，使用NB-IoT技术将采集的数据通过运营商网络传输至服务平台，通过Web发布后，在网页及移动APP软件上可实时查看数据。实践证明，基于NB-IoT技术的环境监测设备可以在古建筑内使用。同时，监测设备的高可靠通信机制有效保障了监测数据的完整性。在部署过程中，由于故宫宫殿群建筑结构复杂，出现了少部分设备网络通信质量较弱的情况，我们首先通过改变设备位置和安装固定方式进行调整，其次选用请运营商配合调整基站部署位置和网络信号覆盖方向等方式加以解决。
　　故宫博物院的中心机房部署了NB-IoT+LoRa组网方式的环境监测系统，网关通过NB-IoT完成与服务器的通信，同时通过LoRa完成节点数据的收集，弥补了部分区域运营商网络覆盖不良的情况。
　　3.2 系统组成及运行效果
　　监控现场主要由监测终端完成对温湿度、光强、紫外线、有毒有害气体等的采集、存储，以及通过无线网络将数据发送至服务端。监测终端需具有超低的设备功耗和长期的设备稳定性。在监测终端的环境采集传感器选择上，保证其稳定可靠和精度高的同时需要兼顾其能够在超低功耗状态下运行，设备中所使用的温湿度、光照、紫外传感器的功耗都控制在微安级，从而保证设备长期稳定工作。系统中所使用的无线环境监测终端以及智能传输网关设备如图3所示。
　　系统的传输网络可完成数据传输，实现网络自组织，具有短延时、低功耗、高容量、易安装维护的特点。因每种无线通信方式都有其自身的优势和缺点，所以在系统部署中，需要根据现场应用情况，综合无线传输的特点搭建具有高效网络传输功能的混合自组网实现复杂的数据传输。
　　在多年監测系统的实际部署中，前端传感网络监测终端设备的通信方式从调频通信方式逐步升级到同时具有WiFi，ZigBee或LoRa的多模通信方式，不断提升网络传输的低功耗及高可靠性能，以应对多种复杂的网络通信环境。在某些场合中，监测终端可以直接以NB-IoT的传输方式将数据传输至后台服务器。以一种典型的混合自组网络为例，使用具有超低功耗的LoRa网络传输单元环境监测终端以及多模智能网关组成前端监测传感网络，终端设备采集环境监测数据并与网关通过LoRa协议通信或采用NB-IoT的方式将数据直接传输至服务器，网关将收到的数据通过WiFi/GPRS/NB-IoT等方式将数据发送给服务器。基于LoRa网络和WiFi网络传输的混合自组织网络结构如图4所示。
　　云服务平台是一套成熟稳定的数据监测平台，首页数据区域化展示，布局新颖美观;提供数据统计和导出功能，方便用户对数据进行深度处理;具有数据及设备通用性适配功能，自适应匹配多参数监测;可按年、月、日等多时段报表曲线绘制，拥有丰富的数据筛选条件，方便用户对数据进行统计分析;超出自定义报警阈值后通过线上线下多种方式报警，及时排除潜在风险;多用户权限管理以及数据库自动备份和恢复，使管理更加安全。
　　图5所示为实际部署于故宫博物院的环境监测终端设备。监测平台的数据显示效果如图6所示，左边为部署地图，中间为实时数据显示，右边为历史数据曲线。图7所示为故宫某个单体建筑的环境温湿度监测曲线，显示了2016年11月
　　到2017年7月温度和湿度日平均曲线。灰色线为温度曲线，总体呈上升趋势，反映了冬季到第二年夏季的气候变化。黑色线为湿度曲线，殿内湿度受天气变化影响较大，北方冬天总体干燥，春夏季节湿度较高，因此应有效控制殿内湿度，降低因湿度变化对文物造成的损害。基于物联网的文物保护环境监测系统在多年的运行中，经过多次更新升级，现在已成为一套稳定可靠的物联网环境监测系统。
　　4 结 语
　　基于物联网的无线环境综合监测与报警系统紧密结合，能够支持WiFi/ZigBee/LoRa/NB-IoT等多种网络通信模式，可应用于复杂环境中的无线数据采集及控制系统。无论在室内或室外都可部署监测终端，支持多种组网方式混合使用，无需布线施工，能够满足多变恶劣环境及复杂地形下的组网与数据传输需求。 　　监测终端内置高精度传感器配合误差补偿算法，实现多数据准确无误同步采集。终端使用高效锂电源，无漏液、无污染，安全可靠。终端具有意外掉线保护机制，数据可自动保存，上线同步回传。
　　系统软件设有多元化数据展现模块，摆脱传统数字曲线式抄表，简洁直观。丰富的数据分析与管理功能配合多终端监管系统，便捷易用。
　　基于物联网技术的无线环境监测系统可以根据部署现场的情况，定制完整的解决方案，将物联网环境监测系统与文物保护工作有机结合，这对遗址地环境保护和博物馆文物保护具有重要推广意义。
　　注：本文通讯作者为赵泽。
　　参考文献
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　　[10]董亚波，曾波，鲁东明.面向文化遗址保护的物联网技术研究与应用[J].文物保护与考古科学，2011（3）：74-78.
　　作者简介：齐 心（1972—），男，本科，工程师，主要研究方向为计算机系统结构与计算机网络。
　　王 鑫（1994—），男，本科，工程师，主要研究方向为嵌入式技术、物联网。
　　赵 泽（1978—），男，博士，高级工程师，主要研究方向为物联网、嵌入式技术及人工智能。
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