基于LabVIEW的博物館多情景環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)

張秦偉 邱力軍 屈碩 王雨婷

摘要：博物館是重要的文化場(chǎng)館，收藏的歷史文物種類繁多?，F(xiàn)階段文化實(shí)力在綜合國(guó)力中占據(jù)的比重日益加大，文化交流與輸出對(duì)國(guó)家的全面發(fā)展至關(guān)重要，對(duì)博物館文物管理工作提出了更高的要求，尤其是要提高文物的保護(hù)能力與水平?，F(xiàn)如今，雖然大多數(shù)博物館已配備了完善的現(xiàn)代化文物保護(hù)系統(tǒng)，但在現(xiàn)代化設(shè)備沒(méi)有那么完善的博物館，遇到文物巡展等工作時(shí)，文物保護(hù)工作就沒(méi)有那么順利。文章基于此問(wèn)題，設(shè)計(jì)了博物館多情景環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件采用ART公司DAM-3158A模塊、中創(chuàng)智合公司YX1210模塊以及各類傳感器來(lái)完成搭建；軟件采用LabVIEW開發(fā)，完成關(guān)鍵數(shù)據(jù)的處理及對(duì)下位機(jī)的控制，為文物提供穩(wěn)定、適宜的保存及展覽環(huán)境。軟硬件通信采用基于RS485的Modbus通信模式。

關(guān)鍵詞：文物預(yù)防性保護(hù)；LabVIEW；RS485

中圖分類號(hào)：TP212文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

文物是人類寶貴的文化遺產(chǎn)，是精神文明的具象體現(xiàn)，見(jiàn)證了歷史的發(fā)展與變遷，是極為珍貴且不可再生的文化資源［1］。常規(guī)的文物保護(hù)方法無(wú)法滿足文物外出巡展所遇到的各種問(wèn)題，小型博物館也沒(méi)有完善的配套設(shè)施，這些都造成文物損壞的潛在危險(xiǎn)。隨著國(guó)家越來(lái)越重視文化的軟實(shí)力提升，文物的保護(hù)工作得到了政府及各界人士的支持，這使得文物保護(hù)工作成為一種發(fā)展趨勢(shì)，也具有良好的應(yīng)用前景。因此，應(yīng)用一切與博物館環(huán)境相關(guān)的科學(xué)技術(shù)和研究成果，對(duì)館藏文物保存環(huán)境進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和控制［2］，從而最大限度地抑制和減緩環(huán)境因素對(duì)文物產(chǎn)生的破壞作用。這不僅是文物預(yù)防性保護(hù)的關(guān)鍵，也是當(dāng)今世界范圍內(nèi)文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體框架

此系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，首先，由傳感器采集文物當(dāng)前狀態(tài)的數(shù)據(jù)，傳送給采集系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集工作，采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)；其次，上位機(jī)處理數(shù)據(jù)并判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)是否在合理區(qū)間內(nèi)［3］，如若不在，則報(bào)警提示操作員，并立刻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)完成相應(yīng)的操作，讓文物始終處在一個(gè)恒定的環(huán)境之中；最后，將報(bào)警信息及當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示在前面板上以達(dá)到讓文物所處環(huán)境處于恒定狀態(tài)的效果。上位機(jī)還存在遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控以及歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。本文的系統(tǒng)總體框架流程如圖1所示。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊分為AI和DI兩部分。本文AI采集主要選用ART公司的DAM-3158A這款產(chǎn)品，該模塊主要測(cè)量文物所處環(huán)境的溫度值、煙霧值以及光照強(qiáng)度值。DAM-3158A為8路差分模擬量輸入，16位AD，模擬量輸入隔離，RS485通信接口，帶有標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU協(xié)議。

AI采集地址分配如下：

通道0采集環(huán)境煙霧濃度，量程為0～10 V；通道1采集環(huán)境光照強(qiáng)度，量程為0～10 V；通道2采集環(huán)境總溫度，量程為0～20mA；通道3采集環(huán)境左溫度，量程為0～20mA；通道4采集環(huán)境右溫度，量程為0～20mA。

DI采集及控制設(shè)備模塊選用中創(chuàng)智合公司的YX1210模塊，此模塊可以采集數(shù)字量，也可以輸出數(shù)字量驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作。本模塊采用32位ARM處理器、數(shù)字輸入量和數(shù)字輸出量使用高速磁電隔離及光電耦隔離技術(shù)。寬電源供電，通信輸出RS232、RS485，以太網(wǎng)接口可選，標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus-RTU 通信協(xié)議，可與 PLC、組態(tài)軟件、文本顯示器等進(jìn)行組網(wǎng)，具有10路繼電器輸出、12路開關(guān)量狀態(tài)采集，開關(guān)量輸入采用雙向光電二極管，可支持共正或共負(fù)方式電平信號(hào)輸入。RS485通信為后續(xù)上位機(jī)開發(fā)提供了便利。

由于DI采集模塊是24 V供電，傳感器輸出電壓的最大值為5 V信號(hào)，所以須給傳感器后端接一個(gè)繼電器，再將繼電器輸出端接入DI端，才可以采集到數(shù)字量信號(hào)。

DI采集地址分配如下：X0采集1號(hào)文物的振動(dòng)狀況；X1采集2號(hào)文物的振動(dòng)狀況；X2采集3號(hào)文物的振動(dòng)狀況；X3采集環(huán)境濕度狀況。

DO輸出控制地址分配如下：第0路繼電器控制總報(bào)警燈，無(wú)論什么環(huán)境參數(shù)超過(guò)設(shè)定值都將報(bào)警，若同時(shí)都超過(guò)報(bào)警值第0路依然報(bào)警；第1路繼電器控制處理煙霧設(shè)備；第2路繼電器控制遮光設(shè)備；第3路繼電器控制降溫設(shè)備；第4路繼電器控制左邊加熱片工作；第5路繼電器控制右邊加熱片工作；第7路繼電器控制總加熱片工作（可實(shí)現(xiàn)切換高低擋位加熱），第1～第7路接設(shè)備的同時(shí)接通一個(gè)工作指示燈標(biāo)志著目前正在處理某一報(bào)警，接線方式采用設(shè)備與繼電器串聯(lián)接法，同一設(shè)備并聯(lián)接入，工作指示燈也并聯(lián)接入電路。

控制模塊還有視頻監(jiān)控的功能，安裝攝像頭可以讓操作者在文物遇到危險(xiǎn)時(shí)第一時(shí)間查看到文物的當(dāng)前狀態(tài)。攝像頭選用2K高清電腦攝像頭，可直接通過(guò)USB與PC機(jī)相連，通過(guò)程序的編寫可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)上位機(jī)采用LabVIEW進(jìn)行開發(fā)，像C或C++等其他計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言一樣，LabVIEW也是一種通用編程系統(tǒng)，具有各種各樣、功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，甚至還有目前十分熱門的網(wǎng)絡(luò)功能。LabVIEW也有完善的仿真、調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步等。LabVIEW的動(dòng)態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動(dòng)態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，比其他語(yǔ)言的開發(fā)環(huán)境更方便、更有效。而且，LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比，有一個(gè)特別重要的不同點(diǎn)：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼行，而LabVIEW采用圖形化編程語(yǔ)言——G語(yǔ)言。LabVIEW能夠?yàn)橛脩籼峁┖?jiǎn)明、直觀、易用的圖形編程方式，能夠?qū)┈崗?fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來(lái)，十分省時(shí)簡(jiǎn)便。與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85％以上的程序開發(fā)時(shí)間，其運(yùn)行速度幾乎不受影響，體現(xiàn)了極高的效率。

在對(duì)博物館環(huán)境進(jìn)行了解后，對(duì)上位機(jī)功能進(jìn)行規(guī)劃，大致可以劃分為用戶管理模塊、系統(tǒng)測(cè)試模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及輔助模塊。

為了使上位機(jī)各模塊之間具有較強(qiáng)的適應(yīng)性及聯(lián)動(dòng)性，提高軟件的編程邏輯，需要在寫功能模塊之前先構(gòu)建一個(gè)合適的框架，保證后續(xù)子VI可以有序完成。目前，常規(guī)的軟件框架為：生產(chǎn)者消費(fèi)者模式、QMH框架、狀態(tài)機(jī)等，本文選用QMH框架完成上位機(jī)軟件整體的搭建。軟件整體流程如圖2所示。

數(shù)據(jù)的采集及控制指令的下發(fā)主要利用VISA函數(shù)包來(lái)完成。VISA 函數(shù)在函數(shù)面板的儀器I/O——>串口子面板中，通過(guò)串口子面板中的這些 VISA 函數(shù)可以與GPIB、USB、串口等中的任何一種總線通信。用 LabVIEW 來(lái)寫串口驅(qū)動(dòng)控制儀器一般的流程為：配置（打開）串口、讀寫串口、關(guān)閉串口［4］。例如，一般的VISA函數(shù)編寫步驟如圖3所示，此方式下的校驗(yàn)碼必須手動(dòng)編寫，否則程序會(huì)報(bào)錯(cuò)。

2 軟硬件調(diào)試

2.1 系統(tǒng)測(cè)試

本文完成軟硬件的設(shè)計(jì)開發(fā)以及搭建后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了軟硬件聯(lián)合測(cè)試，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與智能性，從而為設(shè)備后期正式使用打下良好的基礎(chǔ)，同時(shí)也便于找出一些程序編寫時(shí)出現(xiàn)的漏洞，從而更進(jìn)一步完善系統(tǒng)。

在實(shí)驗(yàn)室完成了初步的調(diào)試工作，在測(cè)試階段不但采用分模塊分功能進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試還采用多功能聯(lián)合測(cè)試，極大地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，方便對(duì)實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境的變化進(jìn)行測(cè)試。

2.2 結(jié)果分析

本文檢測(cè)了各傳感器的靈敏度，以溫度傳感器為例，利用紅外測(cè)溫儀測(cè)得室內(nèi)溫度，和上位機(jī)顯示溫度進(jìn)行對(duì)比，得到表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，說(shuō)明傳感器誤差范圍在可接受范圍內(nèi)，其余傳感器類似。

經(jīng)測(cè)試，無(wú)論在單一情況下還是多種異常情況下，采用基于RS485的ModBus協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求，最大化地保證文物受到準(zhǔn)確、高效的保護(hù)。傳輸指令的速度也十分快，能很快地將動(dòng)作命令下發(fā)至動(dòng)作設(shè)備，動(dòng)作設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間也十分短且工作狀態(tài)穩(wěn)定。出現(xiàn)報(bào)警時(shí)上位機(jī)與下位機(jī)的狀態(tài)一致，可以給文物管理員提供正確的信息。上位機(jī)其余功能也出色地發(fā)揮了作用，視頻調(diào)用穩(wěn)定，程序穩(wěn)定性高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能也能將數(shù)據(jù)不差分毫地記錄下來(lái)。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)能完成傳統(tǒng)文物保護(hù)設(shè)備所能完成的工作，且完成效率更出色，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性得到了提高，除此之外，其還具備傳統(tǒng)設(shè)備所不具有的振動(dòng)監(jiān)測(cè)功能、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能、用戶管理功能以及報(bào)警信息存儲(chǔ)及分析功能。本設(shè)計(jì)的集成度高，功能更為全面，應(yīng)用范圍也較傳統(tǒng)設(shè)備更為廣泛，可應(yīng)用于之前沒(méi)有涉及的文物巡展過(guò)程之中，讓文物在巡展過(guò)程中可以得到不限于安保措施的保護(hù)，更重要的是得到了對(duì)其所處環(huán)境安全的保護(hù)，達(dá)到傳播文化以及保護(hù)文化的目的，擁有廣闊的市場(chǎng)前景，現(xiàn)實(shí)意義顯著。

本系統(tǒng)也存在著一些問(wèn)題，在展覽時(shí)，加熱片雖然能很出色地完成任務(wù)，但其影響游客觀賞性。傳感器的位置也顯得較為突出，影響觀感。通信方式目前采用有線通信，導(dǎo)致線路過(guò)長(zhǎng)，后續(xù)將換用網(wǎng)絡(luò)接口，上位機(jī)已預(yù)留轉(zhuǎn)換函數(shù)，框架也初步搭建完成，只需要改變通信VI便可實(shí)現(xiàn)。目前主要功能的實(shí)現(xiàn)都已趨于穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 李春燕）