物联网技术在博物馆环境监测中的应用

海鸥

【摘 要】博物馆文物损害的一个关键原因是环境因素。通过物联网技术对博物馆各种环境进行实时监测和评估则是文物预防性保护的重要途径。针对博物馆中自动实时环境监测的需求，本文提出了一种基于可见光通信的博物馆环境监测系统，利用照明LED灯传输环境监测数据，系统无需额外布线及安装通信终端，实现了“照明通信两用”、提高了博物馆环境监测时间和空间的连续度，且降低了建设成本。

【关键词】物联网；博物館；环境监测；可见光通信

中图分类号： TP274 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）17-0009-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.004

【Abstract】Environment is one of the key reasons for museum artifacts damage.The real-time monitoring and evaluation of various museum environments using the Internet of Things technology is an important approach for preventative protection of cultural relics.Aiming at the requirement of automatic real-time environment monitoring for museums，a museum environment monitoring system based on visible light communication is proposed in this paper. Using lighting LED lights to transmit environmental monitoring data，the system realizes lighting and communication simultaneously without additional wiring and installation of communication terminals.The museum's environment parameters could be monitored continuously in time and space，while the construction cost is relatively low.

【Key words】Internet of Things；Museum；Environment monitoring；Visible light communication

0 引言

博物馆里珍藏着大量的珍贵文物，这些文物是人类重要的文化遗产。博物馆的存放环境对文物的保存有着至关重要的影响，对博物馆环境参数的连续自动化监测有利于实时发现环境风险并及时调整。物联网的核心就是传感技术与网络技术的结合，其中可见光通信技术利用室内照明LED灯同时提供照明与通信功能，建设成本低、易普及；无电磁辐射，对人体无害，环境友好；已逐渐成为室内、外短距离通信的热点技术。本文提出了一种基于可见光通信技术的博物馆环境监测系统，利用博物馆的LED光源传输环境监测数据，具有“照明通信两用”的优势，且LED光源分布直接对应于展厅的展柜、展品以及库房和文物储藏架，监测点分布均匀。该系统可以稳定地对博物馆环境因素进行监测， 最大程度减缓了环境因素对博物馆文物的破坏，对博物馆文物预防性保护具有重要的意义，也为博物馆从业者在文物保护方面提供了新的手段和思路。

1 物联网技术简述

物联网（Internet of Things）简单的说是物与物、人与物之间的信息传递与控制；万物之间、物与人之间通过互联网链接在一起。物联网又叫传感网，是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮[1]。

物联网主要由感知层、网络层、应用层三部分组成。感知层主要通过各类数据采集设备将实时发生的事件和数据进行数字化采集。网络层则是通过移动通信技术、互联网技术使感知层采集的各类数据进行无障碍且高效、安全的进行传递。应用层则是在采集的数据基础上按照个性需要实现的应用；通过各类支撑平台进行跨系统、跨应用的信息共享、互通和协同。

通过多年的发展，物联网技术已经在智能物流、环境保护、智能交通、公共安全、工业监测以及情报收集等诸多领域得到了长足的应用。并且已经延伸到博物馆文物保护与环境监测领域。

2 博物馆环境与预防性保护

博物馆环境主要分为微环境、小环境、大环境和室外环境四个方面。微环境指的是展柜、储藏柜以及储藏盒内的环境；小环境则是库房、展厅等室内空间的环境；大环境主要是博物馆建筑内部的空间环境；室外环境即博物馆建筑外部的空间环境。环境因素则主要是指光辐射、温湿度、污染气体和有害生物。

文物“预防性保护”的概念于1930年意大利罗马召开的一次艺术品保护国际研讨会上提出。对文物保护环境进行有效的监测伴随着各种高新技术的发展已经越来越精准和智能。使用一切能帮助博物馆对环境进行监测的科学技术，特别是物联网技术已经在文物保护领域发挥着不可或缺的作用，也是未来发展的趋势。

文物“预防性保护”需要通过各种监测、评估和干预将各类环境因素对文物的危害降低到最低水平。使文物保存在一个稳定且清洁的环境中，以达到长期保存的目的。其中所谓的“稳定”环境是指恒温恒湿的存放环境；所谓的“清洁”环境则是指在各类污染物浓度在安全指标以下的存放环境。通过相关的物联网应用技术，从源头上对影响文物保护的因素进行检测、评估和调控。

3 博物馆环境监测的需求分析

国内的大量研究表明，博物馆环境是引发博物馆文物劣化和损坏的主要原因。其中常见的因素包括博物馆里的温湿度、污染气体、光照、虫害等[2]。例如：温度常与环境中光照、各种气体等因素联合作用，对一定的化学反应起到加速发应的作用；湿度对文物的影响相对更大，过高或者过低的湿度会导致有机材料文物发生水解、增重、体积膨胀或者收缩、干裂等变化，潮湿空气会导致金属文物发生化学腐蚀、电化学腐蚀或者缓慢氧化；光对于博物馆虽然是人们研究、参观所必不可少的，但对于文物保存却是有害的，特别是光波中的紫外线，除了它的热效应能使有关化学反应加速外，更重要的是体现在光化学反应上。

为了能够更完好地保存博物馆中的文物，实时监测博物馆里的温度、湿度以及二氧化碳等因素变化并及时做出对应调整有着至关重要的作用。传统的人工监测方法存在着许多不足之处，一是无法做到24小时连续监测，二是监测位置可能存在主观性。因此，自动化的连续实时环境监测对于博物馆文物保护有着积极的意义。但当前基于短距微波通信技术的传感网应用还存在诸多弊端，如无线通信信道带宽有限、产生无线电磁干扰、信道的相互干扰等问题[2]。

4 基于可见光通信的博物馆环境监测系统

为解决以上问题，本文提出了一种基于可见光通信技术的博物馆环境监测系统，利用照明LED灯传输环境监测数据。一方面，可见光通信利用照明LED灯作为通信终端，实现“通信照明两用”，可节省下一套系统的布线、安装、设备维护等成本；另一方面，博物馆中的展柜、展品等都安装有照明灯，换句话说，照明灯与展柜、展品等环境监测传感器正好一一对应，利用照明灯作为数据传输的节点不仅可以与传感器组相集成，监测位置固定且直接与文物相关。本文所提出的博物馆环境监测系统是将传感器组检测到的环境参数通过所设计的可见光通信终端上传至服务器；服务器端负责对接收到的数据进行分析[4]，并用web形式实时显示监测数据和监测曲线。本系统如图1所示，主要包括以下几个单元：传感器单元、可见光通信收发单元、服务器及监测信息可视化单元。

4.1 传感器单元

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。本系统分别采用温湿度传感器DHT11实时收集博物馆温度、湿度信息。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，其精度湿度+-5%RH，温度+-2℃，量程湿度20-90%RH，温度0～50℃，具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。采用红外二氧化碳传感器CM1106对空气中的二氧化碳浓度进行探测，其检测原理为非分光红外技术（NDIR），检测量程为400～2000ppm，数据刷新时间为1秒，检测精度±（50ppm+5%）。

4.2 可见光通信收发单元

可见光通信收发单元主要包括：可见光通信发送子模块与可见光通信接收子模块。LED属于单向导电器件，故采用直流电压持续为LED灯提供工作电流。当将持续的比特流信息输入到电路中的PWM输入引脚时，高电平使LED熄灭，低电平使LED点亮，通过调制LED发光来传送信息的目的，并且由于调制频率高，LED闪烁速度快，人的肉眼无法分辨，因此在数据传输时LED不影响照明。可见光接收电路接收到由发送电路发出的光信号后，光电检测器利用光电效应将光信号转化成电信号，由于光信号在传输过程中，会受到放大电路器件本身所引起不可避免的内部干扰，以及发送端与接收端之间，来自外部自然光的外部干扰，所以在接收电路中，采用额外的差分放大电路来尽可能的降低由于干扰产生的信号误差；最后，经过放大和整形的信号输出为数字信号。

4.3 服务器与监测数据可视化单元

本系统利用数据库对环境监测数据进行存储、分析和提示告警，不仅对每一个位置的单项环境监测数据设定安全工作区间，同时还对环境监测数据进行综合的关联分析，一旦单项指标或者综合指标出现异常，发出告警提示管理人员进行人工干预，达到保护文物的目的。系统通过web形式将整个博物馆的环境信息进行实时显示。整个web端页面主要分为主页、温度、湿度、污染气体浓度等几个功能部分，能够分别查看相应的博物馆环境参数实时信息。

湿度数据显示

5 总结与展望

博物馆的存放环境对文物的保存有着至关重要的影响。对博物馆环境参数的连续自动化监测有利于及时发现环境风险并及时调整。随着物联网技术的发展以及应用，为博物馆在文物保护环境检测方面提供了一个更好的管理模式，也为文物的预防性保护提供了新的技术手段。本文简单阐述了一种基于可见光通信技术的博物馆智能环境监测系统，利用博物馆的LED光源传输环境监测数据，具有“照明通信两用”的优势，降低了博物馆相关监测系统的重复建设，降低了博物馆的建设和运营成本。且LED光源分布直接对应于展厅的展柜、展品以及库房和文物储藏架，监测点分布均匀。通过此系统可以稳定地对博物馆环境因素进行监测，最大程度减缓了环境因素对博物馆文物的破坏，对博物馆文物保护具有重要的意义。

【参考文献】

[1]陈柳钦.物联网：国内外发展动态及亟待解決的关键问题.决策咨询通讯.2010（05）.

[3]张欢.博物馆文物保存环境及其对文物的影响[C]//中国考古与文物保护化学学术研讨会.2006.

[4]吴来明，徐方圆，黄河.博物馆环境监控及相关物联网技术应用需求分析[J].文物保护与考古科学，2011，23（3）：96-102.

[5]迟楠.LED可见光通信技术[M].清华大学出版社，2013.