基于LoRa的文物預(yù)防性保護(hù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭文強(qiáng)， 韓 陽， 全定可， 賈 甲， 高文強(qiáng)

(1.陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.西安元智系統(tǒng)技術(shù)有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710077； 3.陜西省文物保護(hù)研究院， 陜西 西安 710075)

0 引言

博物館是展示一個(gè)國家、一個(gè)民族文化底蘊(yùn)和歷史的最好平臺(tái)之一，隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代化，我國越來越重視歷史文化的傳承，而館藏壁畫藝術(shù)等作為展示中華文化的主要文物，蘊(yùn)涵著大量的歷史、文化、藝術(shù)信息，具有重要的歷史、科學(xué)和藝術(shù)價(jià)值[1].根據(jù)文獻(xiàn)[2]可知，館藏文物受其保存環(huán)境影響，在溫濕度發(fā)生急劇變化時(shí)，館藏文物可能會(huì)過分干燥或高濕度，從而導(dǎo)致館藏文物的損壞；而光化學(xué)作用會(huì)使高分子聚合物類珍貴文物氧化變質(zhì)等.因此，開展加強(qiáng)博物館文物保存環(huán)境的監(jiān)測和等級(jí)評(píng)價(jià)工作，可以從源頭上預(yù)防性地對(duì)珍貴文物進(jìn)行保護(hù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義[3].

目前博物館環(huán)境監(jiān)測的研究與應(yīng)用工作在國內(nèi)受到了廣泛重視.文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種文物保存環(huán)境的監(jiān)測方案，在幾個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測的位置放置相應(yīng)的傳感器，并通過數(shù)據(jù)采集員每隔一段時(shí)間采集傳感器上獲取的數(shù)據(jù)，然而這種人工采集數(shù)據(jù)的方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)也不利于對(duì)文物的保護(hù)；文獻(xiàn)[5]提出了一種基于ZigBee技術(shù)的博物館狀況無線監(jiān)測系統(tǒng)，通過路由器進(jìn)行多跳遠(yuǎn)程無線傳輸，在PC上位機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和圖形界面顯示，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)博物館環(huán)境狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，節(jié)約了人工成本，解決了分散數(shù)據(jù)集中處理的問題，但ZigBee技術(shù)傳輸距離較短，需要采用大量的路由子網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，使得構(gòu)建系統(tǒng)的成本較高；文獻(xiàn)[6]提出了基于Wi-Fi技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Gainspan平臺(tái)完成處理器模塊、傳感器模塊、無線通信模塊、電源模塊的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)采集、數(shù)據(jù)的無線傳輸，雖然采用Wi-Fi技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)傳輸速率快，但存在著功耗大、傳輸距離短、成本較高的問題.

本文通過實(shí)際性能需求分析，設(shè)計(jì)了一種基于LoRa技術(shù)的文物預(yù)防性保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)，通過能夠?qū)崿F(xiàn)長距離通信的LoRa通信技術(shù)將傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)，在上位機(jī)監(jiān)控中心，利用聚類算法對(duì)所采集的數(shù)據(jù)依據(jù)相似性分析進(jìn)行分類，根據(jù)分類結(jié)果劃分博物館環(huán)境等級(jí)，對(duì)文物的預(yù)防性保護(hù)提供了新的方案，并為管理部門提供環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)依據(jù).與傳統(tǒng)的監(jiān)測方法相比，本文提出的方案不僅能夠?qū)崿F(xiàn)在范圍較大的博物館內(nèi)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，而且增加了環(huán)境等級(jí)評(píng)價(jià)的功能，系統(tǒng)在智能性、能耗和成本方面均具有明顯優(yōu)勢.

1 博物館環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

在本文中，監(jiān)測博物館展臺(tái)數(shù)上限為2 000個(gè).每個(gè)展臺(tái)的兩側(cè)及中間放置終端，每個(gè)終端內(nèi)置3個(gè)傳感器模塊.博物館建筑場館典型范圍在5平方千米，以陜西省歷史博物館為例，根據(jù)文獻(xiàn)，博物館基本陳列部分共分上下兩層，有3個(gè)展廳，共4 600 m2，展線總長2 300米[7].由于LoRa通信技術(shù)采用了擴(kuò)頻技術(shù)，不同傳輸速率的通信不會(huì)互相干擾，且還會(huì)創(chuàng)建一組“虛擬化”的頻段來增加網(wǎng)關(guān)容量，其數(shù)據(jù)傳輸速率范圍為0.3 kb/s至37.5 kb/s[8].為了最大化終端設(shè)備電池的壽命和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)容量，LoRa技術(shù)采取一種速率自適應(yīng)方案來控制數(shù)據(jù)傳輸速率和每一終端設(shè)備的射頻輸出功率.LoRa技術(shù)在其他條件相同的情況下，與Wi-Fi、ZigBee等技術(shù)的關(guān)鍵特性對(duì)比如表1所示[9,10].

從表1可知，本文將LoRa通信技術(shù)應(yīng)用到博物館環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，對(duì)比利用Wi-Fi、ZigBee技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，具有明顯優(yōu)勢：LoRa優(yōu)勢在于遠(yuǎn)距離傳輸，但傳輸速率相對(duì)較低，而在博物館監(jiān)測系統(tǒng)中，一方面，博物館監(jiān)測的數(shù)據(jù)主要是溫濕度、光照強(qiáng)度等小規(guī)模數(shù)據(jù)，在5M服務(wù)器帶寬的情況下，即使所有終端同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)至匯聚節(jié)點(diǎn)，帶寬也能滿足數(shù)據(jù)傳輸需求.

表1 LoRa、Wi-Fi、ZigBee關(guān)鍵特性對(duì)比

另一方面，本文采取的LoRa通信技術(shù)，最遠(yuǎn)傳輸距離為15 km，可以覆蓋約225 km2的范圍，并且經(jīng)實(shí)測，在標(biāo)準(zhǔn)層高為3.8米的情況下，可以穿透樓層進(jìn)行通信，因此LoRa通信技術(shù)的傳輸覆蓋范圍及其穿透性可以滿足博物館數(shù)據(jù)通信的需求.

基于LoRa的博物館環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示.整個(gè)系統(tǒng)主要由博物館環(huán)境參數(shù)采集終端、匯聚節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和監(jiān)控中心組成.其中環(huán)境參數(shù)采集終端由傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，利用LoRa技術(shù)完成數(shù)據(jù)通信任務(wù).系統(tǒng)通過LoRa通信模塊將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心之間通過GPRS、3G、4G等通信技術(shù)構(gòu)成的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.在這個(gè)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)中，LoRa通信模塊是一個(gè)透明傳輸?shù)闹欣^，連接終端設(shè)備和匯聚節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)之間通過標(biāo)準(zhǔn)IP連接，終端設(shè)備采用單跳與一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)通信.所有的節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)間均是雙向通信；終端與網(wǎng)關(guān)之間的通信是在不同頻率和數(shù)據(jù)傳輸速率基礎(chǔ)上完成的.

圖1 博物館環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

基于以上總體設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

(1)采用能耗低、成本低的LoRa無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)博物館環(huán)境數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸；

(2)實(shí)現(xiàn)博物館環(huán)境參數(shù)的在線監(jiān)測；

(3)對(duì)監(jiān)測所得到的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，建立具有環(huán)境等級(jí)評(píng)價(jià)功能的博物館環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng).

1.2 環(huán)境參數(shù)采集終端的設(shè)計(jì)

環(huán)境參數(shù)采集終端的每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊(由溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器等傳感器以及A/D轉(zhuǎn)換功能模塊組成)、數(shù)據(jù)處理模塊(包括CPU、存儲(chǔ)器等)、電源模塊組成，傳感器節(jié)點(diǎn)與LoRa無線擴(kuò)頻模塊組合，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、二氧化碳(ppm)、露點(diǎn)-霜點(diǎn)、有機(jī)揮發(fā)物等9項(xiàng)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的收發(fā).圖2所示為環(huán)境參數(shù)采集終端結(jié)構(gòu).

圖2 環(huán)境參數(shù)采集終端結(jié)構(gòu)

微控制器選用STM32FX系列，而系統(tǒng)所使用的主要傳感器選用西安元智公司自主開發(fā)產(chǎn)品，如溫濕度傳感器選擇MW302GA-HN傳感芯片；光照強(qiáng)度傳感器選擇MW370GA-LUX模塊等.傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳送給微控制器，微控制器處理接收到的數(shù)據(jù)，再通過串口發(fā)送給LoRa無線通信模塊，通過LoRa模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)，經(jīng)由匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸至上位機(jī)監(jiān)控中心進(jìn)行處理，完成對(duì)博物館環(huán)境數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸?shù)墓δ?

另外考慮到功耗問題，采集終端采取“休眠-自動(dòng)喚醒-數(shù)據(jù)采集及發(fā)送”機(jī)制.采集終端大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，經(jīng)過固定時(shí)間周期(2～5 s可調(diào))后會(huì)自動(dòng)喚醒，讀取傳感器的采集數(shù)據(jù)，發(fā)送到上位機(jī)監(jiān)控中心，然后再進(jìn)行休眠，這種機(jī)制可以使采集終端不需經(jīng)常更換電池，有利于系統(tǒng)的長期、穩(wěn)定運(yùn)行.

1.3 通信模塊的選擇

本系統(tǒng)采用LoRa技術(shù)進(jìn)行傳感器與匯聚節(jié)點(diǎn)之間環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸，選取Semtech公司的SX1278芯片，芯片采用LoRa調(diào)制技術(shù)，最高20 dBm的射頻功率輸出及-142 dBm的靈敏度保證了在博物館障礙物多、干擾強(qiáng)的復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸.通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸通信流程如圖3所示.

圖3 基于SX1278的數(shù)據(jù)通信流程圖

1.4 上位機(jī)監(jiān)控中心頁面設(shè)計(jì)

博物館環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以博物館預(yù)防性保護(hù)為背景，解決博物館環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測、評(píng)估分析等問題，為博物館建立“潔凈、平穩(wěn)”環(huán)境提供技術(shù)支持.上位機(jī)監(jiān)控中心頁面設(shè)計(jì)如圖4所示，監(jiān)控中心功能如下：

(1)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類劃分，依據(jù)劃分結(jié)果再劃分環(huán)境等級(jí)并直觀顯示出等級(jí)情況；

(2)顯示當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度等監(jiān)測數(shù)據(jù)；

(3)直觀顯示近一周等歷史環(huán)境數(shù)據(jù)變化情況，以便掌握環(huán)境變化趨勢.

監(jiān)控中心分為導(dǎo)航欄、功能選項(xiàng)、環(huán)境參數(shù)選項(xiàng)三個(gè)部分，工作人員通過導(dǎo)航欄確定所要查看的展廳，通過功能選項(xiàng)欄，工作人員可查看系統(tǒng)介紹、展廳各環(huán)境參數(shù)在一周內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，通過環(huán)境參數(shù)選項(xiàng)，工作人員可查看各展廳某參數(shù)在一天內(nèi)監(jiān)測值波動(dòng)范圍、當(dāng)前的監(jiān)測值以及該參數(shù)等級(jí)評(píng)價(jià)的閾值，導(dǎo)航欄與環(huán)境參數(shù)選項(xiàng)卡結(jié)合，可以查看某個(gè)展廳的某個(gè)環(huán)境參數(shù)在一天內(nèi)的變化范圍.

圖4 上位機(jī)監(jiān)控中心主界面設(shè)計(jì)圖

當(dāng)展廳總體環(huán)境等級(jí)不達(dá)標(biāo)時(shí)，代表當(dāng)前值的星形標(biāo)志變?yōu)榧t色并語音提示工作人員，達(dá)到預(yù)警效果，工作人員根據(jù)監(jiān)控中心所反饋的信息判斷當(dāng)前環(huán)境是否有利于藏品保存，并根據(jù)其工作經(jīng)驗(yàn)決定是否通過監(jiān)控中心調(diào)控展臺(tái)燈光、溫濕度等環(huán)境參數(shù)以預(yù)防藏品發(fā)生損壞.

2 博物館環(huán)境參數(shù)評(píng)價(jià)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了對(duì)博物館環(huán)境的監(jiān)測及運(yùn)行維護(hù)提供指導(dǎo)，監(jiān)控中心基于K-means聚類算法對(duì)監(jiān)測所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到博物館環(huán)境參數(shù)聚類分析后的模型[11]，根據(jù)分析得到的模型對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行等級(jí)評(píng)估.本文提出的基于K-means聚類算法的博物館環(huán)境參數(shù)評(píng)價(jià)子系統(tǒng)流程如圖5所示，具體步驟如下：

步驟1：輸入總樣本，任選k個(gè)對(duì)象作為環(huán)境數(shù)據(jù)并計(jì)算初始聚類中心[12]；

步驟2：判斷數(shù)據(jù)是否已建模，若已建模，則執(zhí)行步驟6；若沒有建模，則執(zhí)行步驟3；

步驟3：在總樣本中隨機(jī)選取所需數(shù)量的訓(xùn)練樣本，根據(jù)公式(1)計(jì)算每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本分別到k個(gè)初始聚類中心mk的歐式距離

(1)

式(1)中：xi=(xi1,xi2,…,xin)與xj=(xj1,xj2,…,xjn)為訓(xùn)練樣本，樣本之間的相似度通常用兩者之間的歐式距離d(xi,xj)表示；

步驟4：遵循最近距離原則，結(jié)合步驟3所計(jì)算出的歐式距離d(xi,xj)，依據(jù)文獻(xiàn)[12]的方法更新初始聚類中心mk，再一次根據(jù)公式(1)計(jì)算每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本到更新之后的聚類中心mk的歐式距離，依據(jù)距離最近原則進(jìn)行新一輪的聚類劃分；

步驟5：根據(jù)公式(2)計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)值，判斷評(píng)價(jià)函數(shù)值是否收斂，若收斂，則步驟4的迭代結(jié)束，依據(jù)步驟4所得到的最新聚類中心mk進(jìn)行聚類劃分，再執(zhí)行步驟6；若不收斂，則返回步驟4繼續(xù)迭代，更新聚類中心，劃分新的聚類.

(2)

式(2)中：xi表示給定數(shù)據(jù)樣本中包含的聚類子集，mk表示聚類中心；

步驟6：輸入總樣本中的待分類樣本，根據(jù)公式(1)計(jì)算與最新聚類中心mk的歐式距離d，依據(jù)距離最近原則將數(shù)據(jù)分到相應(yīng)類別.

圖5 環(huán)境評(píng)價(jià)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理算法流程圖

本文中的數(shù)據(jù)來自博物館環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)地監(jiān)測，如表2所示.

表2 監(jiān)測點(diǎn)部分監(jiān)測數(shù)據(jù)

表3所示是文獻(xiàn)[13]、[14]中建議的環(huán)境等級(jí)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則.

表3 博物館環(huán)境等級(jí)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

根據(jù)此準(zhǔn)則，基于K-means聚類算法的參數(shù)評(píng)價(jià)子系統(tǒng)可將博物館環(huán)境各個(gè)監(jiān)測指標(biāo)分為“優(yōu)”、“良”、“不達(dá)標(biāo)”三個(gè)等級(jí)，故聚類中心個(gè)數(shù)k值取3.以環(huán)境參數(shù)歷史數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)樣本，建立聚類模型，以當(dāng)日實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)為待分類樣本，確定各個(gè)參數(shù)指標(biāo)的等級(jí).整體評(píng)價(jià)結(jié)果依照從嚴(yán)原則，即：所有指標(biāo)為“優(yōu)”，評(píng)價(jià)輸出結(jié)果為“優(yōu)”；有一項(xiàng)指標(biāo)“不達(dá)標(biāo)”，則整體評(píng)價(jià)輸出結(jié)果為“不達(dá)標(biāo)”；其余，博物館環(huán)境參數(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)均輸出結(jié)果為“良”.

本文選取監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)中的500組溫濕度數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)總樣本進(jìn)行環(huán)境等級(jí)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，基于K-means聚類算法，以樣本點(diǎn)與聚類中心的歐式距離作為相似性指標(biāo)完成聚類劃分，聚類完成后再依據(jù)表2的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià).對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖6所示.其中，綠色星型數(shù)據(jù)點(diǎn)代表等級(jí)為優(yōu)，黃色三角數(shù)據(jù)點(diǎn)代表等級(jí)為良，紅色圓形數(shù)據(jù)點(diǎn)代表等級(jí)為不達(dá)標(biāo).

圖6 基于K-means聚類算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本文提出的博物館環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)了采集終端與博物館監(jiān)控中心間的數(shù)據(jù)傳輸.監(jiān)控中心利用聚類算法，依據(jù)數(shù)據(jù)間的相似性對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行建模、分類，確定出環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)，滿足了博物館環(huán)境參數(shù)監(jiān)控、查詢、預(yù)警等預(yù)防性保護(hù)需求.

本系統(tǒng)在陜西歷史博物館環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)項(xiàng)目、陜西歷史博物館文物外展綜合信息監(jiān)測及管理系統(tǒng)項(xiàng)目中得以調(diào)試、運(yùn)行，收到良好的應(yīng)用效果.基于LoRa技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、智能家居的設(shè)計(jì)與應(yīng)用等具有一定的借鑒意義.