基于移動(dòng)通信的智能文物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

婁俊鵬，岳維光，趙太飛，楊 潔，曹偉

（1.西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.桓臺(tái)縣實(shí)驗(yàn)中學(xué) 山東 淄博　256400）

基于移動(dòng)通信的智能文物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

婁俊鵬1，岳維光2，趙太飛1，楊 潔1，曹偉1

（1.西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.桓臺(tái)縣實(shí)驗(yàn)中學(xué) 山東 淄博256400）

該文物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是基于移動(dòng)通信技術(shù)，結(jié)合C#軟件開發(fā)的無線傳感器應(yīng)用設(shè)備，提出了一種具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警以及自動(dòng)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。針對(duì)文物在展柜保藏以及外展運(yùn)輸過程中可能遭到損壞的問題，該系統(tǒng)結(jié)合溫濕度調(diào)節(jié)、圖像監(jiān)測(cè)，自動(dòng)報(bào)警等模塊，實(shí)現(xiàn)通過上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)到各個(gè)終端的溫濕度和圖像信息并存儲(chǔ)，以及實(shí)現(xiàn)文物箱內(nèi)溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)、文物自動(dòng)報(bào)警等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示傳感器溫濕度的測(cè)量結(jié)果誤差在0.1%到0.2%之間，圖像信息的誤碼率可以忽略，可以準(zhǔn)確顯示文物所處環(huán)境的圖像信息。同時(shí)該系統(tǒng)具有整體協(xié)調(diào)性能好、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、操作簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合中小博物館及文物收藏家使用。

文物監(jiān)護(hù)；移動(dòng)通信；智能調(diào)節(jié)；傳感器技術(shù)

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人類進(jìn)入了智能信息的時(shí)代，然而移動(dòng)通信、智能控制、無線傳感器等這些技術(shù)目前大多應(yīng)用在智能家居，智能農(nóng)業(yè)等方面，在文物保護(hù)方面的應(yīng)用還不是很明顯。針對(duì)這些問題，文中結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，參考中科院計(jì)算所為故宮博物院開發(fā)了文物環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［1-2］，以及葡萄牙馬德拉大學(xué)De Brito將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于葡萄牙馬德拉島的Fortaleza Sao Tiago博物館［1-3］的實(shí)例，提出基于移動(dòng)通信的實(shí)時(shí)監(jiān)控智能文物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

文物在該系統(tǒng)中，可以時(shí)刻控制周圍環(huán)境條件，以達(dá)到文物較適宜保持的環(huán)境。對(duì)于現(xiàn)在無法開采的文物，可以使用這個(gè)系統(tǒng)，通過文物保護(hù)系統(tǒng)與外界大氣隔離，模擬出待開發(fā)文物所處環(huán)境從而使那些無法開采或準(zhǔn)備回填的文物可以重見天日。與此同時(shí)，我們加上了一系列的文物報(bào)警裝置，例如文物失竊報(bào)警、光強(qiáng)監(jiān)測(cè)報(bào)警、震動(dòng)檢測(cè)報(bào)警等以確保文物存儲(chǔ)和運(yùn)輸時(shí)的安全。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由若干個(gè)文物保護(hù)箱組成，每個(gè)文物保護(hù)箱又作為一個(gè)小的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定的功能，整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)又可以通過上位機(jī)或移動(dòng)終端監(jiān)控。每一個(gè)文物保護(hù)箱系統(tǒng)采用單片機(jī)STC12C5A微控制器為終端的核心，包括了溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊、環(huán)境圖像采集模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、SIM 900模塊、文物失竊報(bào)警模塊、運(yùn)輸震動(dòng)提示模塊以及光強(qiáng)檢測(cè)報(bào)警模塊等7大部分。文物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如1所示。

圖1　文物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示，是該文物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。從框圖中我們可以明顯看出系統(tǒng)主要分為7個(gè)部分，分別是溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊、環(huán)境圖像采集模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、SIM900模塊、文物失竊報(bào)警模塊、運(yùn)輸震動(dòng)提示模塊以及光強(qiáng)檢測(cè)報(bào)警模塊。通過這些模塊之間相互協(xié)調(diào)工作，從而實(shí)現(xiàn)文物監(jiān)護(hù)的功能。

2　系統(tǒng)功能及原理

2.1文物周圍溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控

通常需要人工去觀測(cè)溫濕度不僅工作量大，而且還有可能會(huì)對(duì)文物產(chǎn)生一定的損壞，尤其對(duì)于存在博物館中的文物來說，采用電子技術(shù)的溫度測(cè)量就顯得很有意義了。文物保護(hù)箱可以通過溫濕度傳感器采用了DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度符合傳感器，測(cè)量范圍20～90%RH，0～50℃測(cè)濕精度±5%RH，測(cè)溫精度±2℃，分辨力1，封裝 4針單排直插，具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，適合文物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)使用。

溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)的機(jī)制利用到反饋調(diào)節(jié)，DHT11將測(cè)得的當(dāng)前溫度發(fā)送給中控芯片STC12C5A60S2單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過分析與預(yù)設(shè)溫度范圍對(duì)比的結(jié)果，控制溫濕度調(diào)控設(shè)備工作，若高于預(yù)設(shè)溫濕度范圍則開啟相應(yīng)的降溫濕的裝置，若低于預(yù)設(shè)溫濕度范圍則開啟相應(yīng)的升溫濕度的裝置，從而實(shí)現(xiàn)了文物保護(hù)箱內(nèi)部溫濕度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2.2環(huán)境圖像模塊

通過無線攝像頭多方位的采集文物保護(hù)箱周圍的環(huán)境圖片，中央芯片讀取圖像數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)信息存入RAM，再通過無線數(shù)傳模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。這樣可以記錄文物周圍的一些變化，作為文物記錄的資料，方便對(duì)該文物今后變化的考察。

2.3文物報(bào)警裝置

該文物保護(hù)箱具有多個(gè)文物報(bào)警裝置，例如文物失竊報(bào)警、光強(qiáng)監(jiān)測(cè)報(bào)警、震動(dòng)檢測(cè)報(bào)警等以確保文物存儲(chǔ)和運(yùn)輸時(shí)的安全。文物報(bào)警裝置框圖如圖2所示。

圖2　文物報(bào)警裝置框圖

從圖2中，可以看出文物失竊檢測(cè)傳感器、光強(qiáng)監(jiān)測(cè)傳感器、震動(dòng)檢測(cè)傳感器以及聲光報(bào)警裝置都與中控芯片相連，傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)的分析處理，控制聲光報(bào)警器工作，從而實(shí)現(xiàn)文物報(bào)警功能。與此同時(shí)，報(bào)警信息還可以通過無線數(shù)傳模塊或者SIM900模塊發(fā)送到上位機(jī)或者手機(jī)、平板等移動(dòng)終端。

2.3.1紅外報(bào)警模塊

E18-D80NK構(gòu)成的紅外報(bào)警的優(yōu)點(diǎn)在于保密性高、隱蔽性好、受可見光干擾小、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定。E18-D80NK是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。對(duì)文物的感應(yīng)距離可以根據(jù)具體要求通過后部的旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。該報(bào)警器屬于主動(dòng)式紅外線報(bào)警器，是報(bào)警器主動(dòng)發(fā)出紅外線，紅外線碰到障礙物，就會(huì)反彈回來。如果探頭監(jiān)測(cè)到，紅外線是靜止不動(dòng)的，也就是不斷發(fā)出紅外線又不斷反射回去的，在可以就收到反彈回來的紅外線時(shí)，表示文物沒有失竊，報(bào)警器就不會(huì)報(bào)警。如果接收不到反射回來的紅外線，那么就會(huì)報(bào)警。

2.3.2震動(dòng)報(bào)警模塊

由于很多文物都會(huì)有臨時(shí)外展，也就是說文物永久保存在一個(gè)地方，這就難以避免文物的運(yùn)輸。然而文物在運(yùn)輸過程中會(huì)因?yàn)榘l(fā)生震動(dòng)遭受到一定程度的破壞，所以我們?cè)黾恿苏饎?dòng)報(bào)警功能。因?yàn)椴煌奈锟梢猿惺苷饎?dòng)能力不同，所以可以將不同文物保護(hù)箱內(nèi)部的震動(dòng)傳感器設(shè)置為不同靈敏度，這樣就可以保證不同文物保護(hù)箱的文物在受到超過自己可承受的震動(dòng)等級(jí)以上時(shí)就會(huì)自動(dòng)開啟報(bào)警功能，報(bào)警信息通過無線數(shù)傳模塊或者SIM900模塊發(fā)送到上位機(jī)或者手機(jī)、平板等移動(dòng)終端，以此來提示文物運(yùn)輸人員。

2.3.3光強(qiáng)檢測(cè)模塊

由于文物在展出的過程中經(jīng)常會(huì)有游客拍照，對(duì)于一些對(duì)光線比較敏感的文物，文物保護(hù)部門特意將這些文物存儲(chǔ)于較暗的環(huán)境展出，然而在拍照時(shí)相機(jī)的閃光燈會(huì)對(duì)文物造成一定的破壞。因此在文物保護(hù)箱上，增加了光強(qiáng)檢測(cè)模塊。當(dāng)閃光燈照射時(shí)，保護(hù)箱內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)報(bào)警提示，以此來警示游客不能打開閃光燈拍照。

2.4無線傳輸模塊

無線傳輸模塊由無線數(shù)傳和SIM900模塊構(gòu)成，無線數(shù)傳模塊具有復(fù)雜度低、成本低、功耗低等特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫、濕度控制方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。無線傳感器在開放區(qū)域通信距離可達(dá)305 m，在封閉性區(qū)域通信距離為76～122 m，方便與現(xiàn)有的有限以太網(wǎng)整合，組網(wǎng)的成本低［4］。此外，無線數(shù)傳模塊也可以用ZigBee無線傳輸技術(shù)代替，組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽?］。此外中央控制芯片利用增強(qiáng)型51單片機(jī)，是比51單片機(jī)更加高效的系統(tǒng)。終端到上位機(jī)的無線傳輸部分利用無線數(shù)傳模塊，傳輸文字與圖片等信息或者是利用基于SIM900模塊的移動(dòng)通信將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)、平板等移動(dòng)終端。

3　系統(tǒng)軟件編程

3.1上位機(jī)人機(jī)界面

上位機(jī)文物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)開發(fā)人機(jī)界面是基于C#［6］高級(jí)語言軟件編寫的，具有顯示、控制以及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能。該系統(tǒng)界面可以包含多個(gè)文物保護(hù)箱，此處以兩個(gè)文物保護(hù)箱為例，分別為1號(hào)箱和2號(hào)箱。

3.2下位機(jī)編程

下位機(jī)是基于C語言的STC12C5A60S2單片機(jī)開發(fā)，單片機(jī)通過I/O口收發(fā)數(shù)據(jù)與傳感器實(shí)現(xiàn)通信，攝像頭通過串口1與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，串口2連接無線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信。當(dāng)監(jiān)控程序發(fā)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)差生異常時(shí)，運(yùn)用推理機(jī)得出調(diào)控方案，并轉(zhuǎn)換為控制指令，發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備工作。具體流程如圖3所示，文物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)算法的流程圖，整體分為四部分，分別是溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)、智能報(bào)警、圖像接收以及串口發(fā)送的算法流程。智能報(bào)警又分為震動(dòng)檢測(cè)算法、光電傳感器算法以及光強(qiáng)傳感器算法3個(gè)部分。其中文物保護(hù)箱溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊的算法中a表示預(yù)設(shè)值，b表示文物運(yùn)行環(huán)境變化百分比。

圖3　文物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)算法流程圖

4　結(jié)果展示

4.1對(duì)文物所處溫、濕度環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控測(cè)試

測(cè)試結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)對(duì)文物所處溫、濕度環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控。例如：設(shè)置最適溫度為25度，最適的濕度為30%，調(diào)節(jié)范圍5%。那么若當(dāng)前溫濕度超出最適溫度的5%范圍時(shí)，相應(yīng)的溫濕度調(diào)節(jié)設(shè)備會(huì)自動(dòng)開啟。即：溫濕度的調(diào)控，若高于預(yù)設(shè)溫度范圍則開啟降溫裝置，若低于預(yù)設(shè)溫度范圍則開啟升溫裝置。若高于預(yù)設(shè)濕度范圍則開啟降低濕度裝置，若低于預(yù)設(shè)濕度范圍則開啟增加濕度裝置。文物保護(hù)系統(tǒng)開啟后（針對(duì)1號(hào)文物保護(hù)箱）如圖4所示。

如圖4所示，是該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)上位機(jī)的工作界面。無線數(shù)傳模塊通過USB串口10連接到上位機(jī)，該界面具有顯示、控制、和存儲(chǔ)功能。

以西安理工大學(xué)教五樓7樓樓道模擬博物館，每隔五小時(shí)記錄一次溫濕度測(cè)量，通過對(duì)樓道不同時(shí)刻溫、濕度記錄數(shù)據(jù)分析整理。表1所示為2015年2月7日數(shù)據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1中測(cè)試數(shù)據(jù)是在單片機(jī)中經(jīng)過處理得到的，為排除干擾因素的影響，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，忽略異常數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)和前4次采集到的數(shù)據(jù)取平均值。從表中可以看出測(cè)試溫濕度與實(shí)際溫度十分接近，能夠滿足文物監(jiān)護(hù)系要求。

圖4　文物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)上位機(jī)工作界面

表1　溫濕度數(shù)據(jù)分析表

4.2對(duì)文物所處環(huán)境圖像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及報(bào)警功能測(cè)試

測(cè)試結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)文物所處環(huán)境圖像基于無線數(shù)傳模塊傳輸，通過對(duì)數(shù)據(jù)處理可以存儲(chǔ)文物隨時(shí)間變化的特征，并且能夠代替了工作人員的定期巡邏工作。對(duì)文物失竊報(bào)警測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)光電檢測(cè)模塊檢測(cè)到文物失竊時(shí)，保護(hù)箱能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。對(duì)文物運(yùn)輸過程中震動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)文物箱在一定時(shí)間內(nèi)震動(dòng)達(dá)到一定程度時(shí)，保護(hù)箱就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)爆閃燈警示功能。

5　結(jié)束語

項(xiàng)目產(chǎn)品可以有效的對(duì)珍貴文物進(jìn)行監(jiān)護(hù)，時(shí)刻記錄文物所處的溫濕度數(shù)據(jù)，上傳文物周圍環(huán)境圖像，以及實(shí)現(xiàn)失竊報(bào)警，能夠避免在博物館保藏或外展運(yùn)輸過程中文物遭到損壞。同時(shí)具有體積小、整體協(xié)調(diào)性能好、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、操作簡(jiǎn)單、安全可靠、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適于投入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)模式，以供中小博物館及文物收藏家使用。

［1］王舉，房鼎益，陳曉江，等.文物監(jiān)測(cè)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)壓縮算法［J］.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（1）：157-162.

［2］Dong Li，Wei Liu，Ze Zhao，et al.Demonstration of a WSN Application in Relic Protection and an Optimized System Deployment Tool［C］.IEEE Proc of ACM/IEEE International Conference on Information Processing in Sensor Networks，2008：541-542.

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［4］馬增煒，馬錦儒，李亞敏.基于WIFI的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2011（2）：154-162.

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［8］倪云峰.單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

The relics monitoring system based on mobile communication

LOU Jun-peng1，YUE Wei-guang2，ZHAO Tai-fei1，YANG Jie1，CAO Wei1
（1.Faculty of Automation and Information Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，China；2.Huantai Experimental Middle School，Zibo 256400，China）

The relics monitoring system is based on mobile communication technology，combined with C#software development for wireless sensor applications.It proposes a real-time monitoring and automatic adjustment systems.In view of the problems that relics were damaged in the showcase preservation or outreach transported.The system combines the temperature and humidity regulation module，images real-time monitored module，automatic alarm module，such as cultural relics reached through PC remote monitoring to each terminal，to store the image information and the data of temperature and humidity，as well as the realization of cultural relics in the temperature and humidity automatic adjustment，automatic alarm，and other functions.The experimental results show that temperature and humidity sensor measurements error between 0.1% and 0.2%，bit error rate of image information can be ignored，which can display image information of environment of cultural relics accurately.At the same time，the system has good overall coordination performance，strong anti-interference ability，high sensitivity，simple operation and low cost.It's suitable for small museums and heritage collectors.

relics monitoring；mobile communications；smart regulation；sensor technology

TN929.12

A

1674－6236（2016）06-0008-04

2015-04-01稿件編號(hào)：201504004

國(guó)家自然科學(xué)基金-中國(guó)民航局民航聯(lián)合研究基金（U1433110）

婁俊鵬（1993—），男，陜西銅川人。研究方向：光通信、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器。