博物館溫濕度檢測系統(tǒng)的研究與改進(jìn)

王琦 焦文潭 高向川

摘? 要： 針對市面上應(yīng)用于博物館環(huán)境下的溫濕度檢測裝置測量精度低且功耗過高等問題，設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度高、操作簡單、功耗低、小巧輕便的檢測裝置，實(shí)現(xiàn)對溫濕度的精確測量和快速反饋。系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)和SHT11芯片設(shè)計(jì)溫濕度檢測模塊，用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從檢測模塊到終端的傳送。采用迭代次數(shù)少、收斂速度快的RLS?BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。仿真及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，該系統(tǒng)檢測精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性好，算法優(yōu)化效果明顯，可較好地滿足博物館對環(huán)境溫濕度檢測的特殊要求，具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 文物保護(hù); 溫濕度檢測; 無線通信技術(shù); BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法; 溫濕度矯正; RLS?BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

中圖分類號： TN98?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）09?0092?04

Research and improvement of temperature?humidity detection system for museums

WANG Qi1， JIAO Wentan2， GAO Xiangchuan1

（1. School of Information Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China;

2. College of Electrical Engineering and Automation， Luoyang Institute of Science and Technology， Luoyang 471023， China）

Abstract： For the temperature?humidity detection devices used in the museum environment and existing in the market are of low accuracy and high power consumption， a detection device with high accuracy， simple operation， low power consumption， and compact and portable shape is designed to achieve an accurate measurement and a rapid feedback on the temperature and humidity. In the system， MSP430 SCM （single chip microcomputer） and SHT11 chip are used to design a temperature?humidity detection module， the ZigBee technology is used to achieve the data transmission from the detection module to the terminal， and the RLS?BP neural network algorithm with few iterations and fast convergence rate is used to optimize the collected data. The results of simulation and field experiments show that the system is of high detection accuracy， powerful anti?interference ability and good expansibility， and the adopted algorithm is of obvious optimization effect. Therefore， it can meet the special requirements of temperature?humidity detection in the museum environment， and has a high value in the promotion and application.

Keywords： preservation of cultural relics; temperature?humidity detection; wireless communication technology; BP neural network algorithm; temperature?humidity correction; RLS?BP neural network algorithm

0? 引? 言

近些年來溫濕度、二氧化硫等環(huán)境因素逐漸成為博物館內(nèi)文物保護(hù)工作的最大難題。溫濕度過高或過低會(huì)造成文物干燥或高濕，加速文物的老化，故當(dāng)溫濕度超標(biāo)時(shí)應(yīng)加快反饋速度并報(bào)警。由于我國文物保護(hù)起步較晚，溫濕度檢測裝置大多數(shù)從國外進(jìn)口，且價(jià)格昂貴，僅在一些發(fā)達(dá)城市有應(yīng)用，而在欠發(fā)達(dá)地區(qū)仍普遍由人工記錄和反饋當(dāng)前的溫濕度信息，這不僅極大地?fù)p耗人力物力，缺乏科學(xué)性，而且一些精度更高的算法和性能更好的傳感器也沒能在文物保護(hù)裝置中發(fā)揮效應(yīng)[1?3]。

要想實(shí)現(xiàn)文物的有效保護(hù)，故當(dāng)溫濕度超標(biāo)時(shí)要快速給出反饋。近幾年來，物聯(lián)網(wǎng)的興起和傳感器的快速發(fā)展可以有效地解決上述問題。本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的準(zhǔn)確度高、操作簡單、功耗低、便攜性好的溫濕度檢測裝置設(shè)計(jì)方案，該裝置采用MSP430單片機(jī)和SHT11芯片設(shè)計(jì)溫濕度檢測模塊，用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從檢測模塊到終端的傳送。由于測量過程易受到外界環(huán)境因素的干擾，數(shù)據(jù)處理時(shí)需要添加優(yōu)化算法進(jìn)行補(bǔ)償。文中采用精確度高、計(jì)算量小、收斂迅速的RLS?BP算法進(jìn)一步保證溫濕度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[4]。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及原理

1.1? 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

據(jù)研究，在博物館中溫度的浮動(dòng)范圍不得超過[±0.5] ℃，濕度應(yīng)保持在2%RH內(nèi)。因此，需要傳感器對溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并把采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理后發(fā)送到后臺(tái)管理系統(tǒng)上，由工作人員進(jìn)行處理[5]。

1.2? 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

按照上述要求可把整個(gè)硬件系統(tǒng)劃分為三部分：底層的數(shù)據(jù)采集模塊、中間的數(shù)據(jù)傳輸及處理模塊、后端顯示模塊。底層的數(shù)據(jù)采集模塊選擇溫濕度傳感器SHT11負(fù)責(zé)外部數(shù)據(jù)的感應(yīng);中間的數(shù)據(jù)傳輸及處理部分選擇MSP430芯片，負(fù)責(zé)接收傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過ZigBee組成的無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到后臺(tái)管理系統(tǒng)上;后臺(tái)顯示模塊則根據(jù)預(yù)先設(shè)置的溫濕度要求進(jìn)行處理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

工作原理如下：傳感器SHT11感知外部環(huán)境溫濕度并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，通過I2C通信接口發(fā)送給MSP430單片機(jī);單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，再根據(jù)預(yù)先設(shè)置的精度范圍判斷溫濕度數(shù)據(jù)是否正常，若溫濕度超過精度范圍則向后臺(tái)發(fā)送請求，由后端控制系統(tǒng)打開相關(guān)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，若仍超過允許的最大精度范圍，報(bào)警器開始報(bào)警，同時(shí)，后臺(tái)主機(jī)屏幕顯示溫濕度超標(biāo)信息，通知工作人員進(jìn)行處理，處理完畢后解除警報(bào)。

2? 硬件電路介紹

2.1? 主控電路

主控電路主要由單片機(jī)、時(shí)鐘電路和保護(hù)電路等構(gòu)成。單片機(jī)選擇MSP430芯片，主要完成數(shù)據(jù)的收集、處理、發(fā)送和報(bào)警等任務(wù)。系統(tǒng)采用電池進(jìn)行供電，電池電壓經(jīng)芯片L6920升壓后，使輸出電壓保持在3.3 V。休眠時(shí)電流設(shè)置為50 μA左右，而平均工作電流設(shè)置為700～800 μA，極大地降低了功耗，在速度和可靠性方面也有保障[6]。

2.2? 溫濕度采集模塊

溫濕度采集模塊采用瑞士Sensirion半導(dǎo)體公司的溫濕度傳感器SHT11，內(nèi)含溫度感應(yīng)模塊、濕度感應(yīng)模塊、14位的A/D轉(zhuǎn)換單元、放大器、OTP內(nèi)存和I2C總線接口，該總線接口只包含DATA數(shù)據(jù)線和SCK時(shí)鐘線，接口簡單可靠。為保證通信能正常進(jìn)行，分別在數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線上加入10 kΩ的上拉電阻。

2.3? 網(wǎng)絡(luò)通信模塊與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)置

網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用ZigBee無線傳輸模塊，由于文物位置保持不變，數(shù)據(jù)傳輸量相對較少，故采用網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[7]。網(wǎng)絡(luò)主要由終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。溫濕度傳感器作為終端節(jié)點(diǎn)，均勻分布在要測量的各個(gè)位置，完成數(shù)據(jù)的感應(yīng)、預(yù)處理和傳輸?shù)裙ぷ?主控電路作為協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)開啟和維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。工作流程如圖2所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1? 硬件電路控制程序

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括主控電路的控制程序[8]、溫濕度傳感器的訪問程序和網(wǎng)絡(luò)傳輸程序。系統(tǒng)軟件工作流程如圖3所示。

3.2? RLS?BP算法及其實(shí)現(xiàn)

測量過程中，傳感器探頭要接觸外界環(huán)境，測量結(jié)果易受到外界因素的影響，而且溫濕度之間也會(huì)相互形成干擾。為進(jìn)一步保障溫濕度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在軟件設(shè)計(jì)中加入RLS?BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，RLS?BP算法是使用遞歸最小二乘（RLS）算法來優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)值和閾值[9]。

RLS是一種指數(shù)加權(quán)的最小二乘方法，它依據(jù)每個(gè)時(shí)刻對全部原始信號的平方誤差和最小的準(zhǔn)則，使代價(jià)函數(shù)最小并實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波。代價(jià)函數(shù)為[Jn=i=0nλn-1e（i）2]，其中，[λ]為遺忘因子，作用是越靠近[n]時(shí)刻時(shí)賦予較大的權(quán)重，越遠(yuǎn)離[n]時(shí)刻時(shí)賦予較小的權(quán)重，常取0.5～0.998;[e（i）=di-yi]，為后驗(yàn)估計(jì)誤差;[n]為問題規(guī)模。RLS算法有效解決了最小均方算法（LMS）收斂速度慢、信號非平穩(wěn)適應(yīng)差的缺點(diǎn)[10]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是信號的正向輸入，誤差反向傳播多層前饋網(wǎng)絡(luò)，具有簡單、易行、計(jì)算量小、并行性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)依然存在缺陷：它需要大量的數(shù)據(jù)來求解閾值[y]和權(quán)值[w]，容易陷入局部極小點(diǎn)而得不到全局最優(yōu)值;當(dāng)以不同的權(quán)值來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其可能收斂于不同的局部極小點(diǎn)。故采用RLS算法來優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練。設(shè)計(jì)過程如圖4所示。

RLS?BP算法的具體步驟如下：

1） 更新輸出層增益矢量：

[g2k=P2k-1y1kλ+y1TkP2k-1y1k] （1）

由式（1）可得更新權(quán)值矩陣：

[P2k=λ-1[P2k-1-g2ky1TkP2k-1]] （2）

根據(jù)增益矢量來更新輸出層矢量：

[W2Nk=W2Nk-1+y2k[d2Nk-y1kW2Nk-1]]? （3）

再由式（3）計(jì)算估計(jì)誤差：

[ε2Nk=d2Nk-y1kW2Nk-1] （4）

根據(jù)式（4）計(jì)算誤差能量函數(shù)：

[Jk=λJk-1+? ? ? ? ? ? ? 12j=1N[d2Nk-y2kW2Nk-1]] （5）

2） 進(jìn)入中間層后，重復(fù)上述過程，先更新增益矢量：

[g1k=fz1MkP1k-1xkλ+fz1MkxTkP1k-1xk] （6）

然后更新權(quán)值矩陣：

[P1k=λ-1[P1k-1-g1kfZ1Mk?xTkP1k-1xk]] （7）

式中[z1Mk]為輸出層的輸入值。

根據(jù)式（7）更新中間層矢量：

[W1Mk=W1Mk-1+g1k[d1Mk-y1kW1Mk-1]] （8）

依據(jù)式（8）計(jì)算輸出誤差矢量：

[ε1Mk=yTkW1Mk-1+j=1Nw2jmk-1ε2jk] （9）

計(jì)算輸出誤差矢量后，更新誤差能量函數(shù)：

[Jk=λJk-1+12j=1M[d1Mk-y1kW1Mk-1]] （10）

3） 將誤差能量函數(shù)值與能量終止值進(jìn)行比較，若滿足條件則停止迭代，不滿足條件則重新計(jì)算。

參數(shù)說明：[k]為遞推步長;[fx]為傳遞函數(shù);[fx]為[fx]的求導(dǎo)函數(shù);[y1k]為中間層第[k]個(gè)輸入時(shí)的實(shí)際輸出值;[xk]為輸入層的輸入值;[P1k，P2k]為中間層和輸出層的逆相關(guān)矩陣;[g1k，g2k]為中間層和輸出層的卡爾曼增益;[ε1jk，ε2jk]為中間層和輸出層第[j]個(gè)節(jié)點(diǎn)的第[k]個(gè)輸入時(shí)的誤差信號。

4? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1? 數(shù)據(jù)測量

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過中國計(jì)量院溫濕度露點(diǎn)儀標(biāo)定，測量時(shí)分別讀取露點(diǎn)儀的示值與溫濕度檢測裝置的數(shù)據(jù)。測量濕度時(shí)，保持溫度在25 ℃;測量溫度時(shí)，保持濕度在20%RH，分別如表1，表2所示。

4.2? 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置

RLS?BP網(wǎng)絡(luò)輸入神經(jīng)元個(gè)數(shù)為2個(gè)，中間層輸入神經(jīng)元個(gè)數(shù)為5個(gè)，輸出神經(jīng)元個(gè)數(shù)為1個(gè)，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)為3層。遺忘系數(shù)[λ=]0.998。結(jié)果如圖5，圖6所示，分別為濕度誤差曲線和溫度誤差曲線。

4.3? 測量精度設(shè)置

溫度的最大允許誤差為±0.5 ℃;濕度的最大允許誤差為±2.0%RH。

根據(jù)表1，表2，圖5，圖6結(jié)果可知：加入優(yōu)化算法后濕度偏離不超過±0.5%RH，溫度偏離不超過±0.05 ℃，誤差明顯降低，可較好地滿足博物館場景下的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

5? 結(jié)? 論

本系統(tǒng)使用MSP430芯片和SHT11溫濕度傳感器設(shè)計(jì)溫濕度檢測裝置，并結(jié)合ZigBee技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，完成網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)溫濕度參數(shù)的感應(yīng)、處理及傳輸?shù)裙ぷ?，并且加入基于RLS?BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的濾波算法對溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波矯正。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果證明，濕度偏離不超過±0.5%RH，溫度偏離不超過±0.05 ℃，滿足實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，大大提高了實(shí)驗(yàn)精度，可有效緩解溫濕度對文物的損毀問題。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)簡單、功耗較低、魯棒性好、應(yīng)用場景適應(yīng)性強(qiáng)，還具備良好的可擴(kuò)展性，可在單片機(jī)上加入多個(gè)測量傳感器，分別將其賦予不同的權(quán)重后得出最終結(jié)果，進(jìn)一步改進(jìn)檢測效果。

注：本文通訊作者為焦文潭。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭曉茜，馬朝華，趙方，等.基于MSP430和GSM技術(shù)的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].糧食與油脂，2017，30（3）：87?90.

[2] 戴建華.基于MSP430無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，26（4）：18?24.

[3] 丁月林.基于STM32的低功耗溫濕度采集器實(shí)現(xiàn)[J].軟件，2015，36（5）：84?88.

[4] 鄧書輝，施正香，李保明.低屋面橫向通風(fēng)牛舍溫濕度場CFD模擬[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（9）：209?214.

[5] 程艷，任勇峰，文豐，等.基于MSP430的低功耗溫濕度計(jì)設(shè)計(jì)[J].電子器件，2015，38（2）：382?385.

[6] 化騰飛.基于MSP430F149單片機(jī)與AM2301傳感器的溫濕度計(jì)設(shè)計(jì)[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，46（1）：143?147.

[7] 周海鴻，周嘉奉.基于ZigBee技術(shù)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)[J].國外電子測量技術(shù)，2015，34（7）：75?79.

[8] 姜鈞嚴(yán)，郭艷玲，楊冬霞，等.基于ZigBee技術(shù)的溫室溫濕度檢測系統(tǒng)[J].森林工程，2014，30（2）：105?108.

[9] 朱振國，田松祿.基于權(quán)值變化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)學(xué)習(xí)率改進(jìn)研究[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2018，27（7）：205?210.

[10] 崔大鵬.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在自適應(yīng)噪聲抵消中的應(yīng)用研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（16）：36?37.