基于物联网技术的智慧文博一体化管理系统

◆钱雪微 郝自勉 李迎霞 徐云云 江来

（1.湖北城市建设职业技术学院 湖北 430205；2.湖北职业教育软件技术专业郝自勉工作室 湖北 430205）

在当前时代，经济社会的迅速发展改变了民众的消费习惯，广大公民对衣食住行的需求相对降低，同时文化需求达到了新高度。经过调查研究发现，我国的人均消费支出在2019年较2018年增长8.6%，达到21559元人民币。其中在教育文化娱乐这个板块中，人们的消费支出占到整个板块的11.7%，相比2018年提高了12.9%，可见民众对于精神文化的需求越来越高。

文博系统（包括博物馆、美术馆、艺术馆等）作为当前历史文明的重要载体，文化传播的重要标志，文博系统已经成为人们提高审美和地方文化展示的舞台，人们也越来越倾向于走进这类文明和艺术的宫殿。

物联网技术是通过各式各样的传感器、射频识别技术、全球定位技术（GPS）以及红外感应等各种感知层手段，实时声、光、电、化学、生物、位置等信息获取。物联网技术一般分为三个布局层次：感知层、传输层和应用层。物联网技术目前已被应用到各种方面，包括大家熟知的家居、交通、电力、环境、医学等行业，可以有效推动这些行业往智能化、互联化的方向发展，大大地提高了人们的生活质量[1]。在智能感知技术以及信息识别技术等大量通信感知技术的有效支持下，物联网在各类技术中得以广泛普及，被作为第三次信息技术革命的基础。

1 本项目在文博系统中的应用创新点

智慧文博一体化管理系统项目以物联网为主体，并以云技术为辅助，使用最新的WiFi6的传输方案，使用无线收发模块以及有线中央控制系统结合各种传感器，构建一个多AP的无线传感网络，并通过移动终端设备手机（APP）实现对整馆的远程控制同时实时同步馆内情况。一旦出现警情，便会触动安防报警装置和摄像机进行拍摄，再利用云技术存储安防信息，警情随时发送到安防人员的相关移动终端；通过RFID技术对游客的进出馆的信息进行实时更新，实现进出馆游客管理；在后续的研究中，通过无线传感网还可加入对馆内物品的环境温度实现实时监控的功能，在环境温度比如湿度不适宜时，还可触发相应装置进行实时环境调节。

本项目在原有“底层传感-数据采集-网络传输-服务器”的模式上进行创新，使得传感器的数据不通过传统的网关而是在HQTT的协议的基础上凭借WiFi的传至私有云平台，私有云平台具有数据获取与发布、存储与分析、数据共享的功能，且安全性相对于市面上的公有云来说更有保障[2]。使用者通过移动端（APP）向私有云平台取得传感器和射频信息，不仅缩减了传统文博馆安防系统的建设成本，还在很大幅度上扩充了管理人员以及视频监控人员的工作范围，使最终的数据采集不仅仅局限在文博系统内部区域。在国内任何地方，都可以将各式文博馆的数据进行监测，同时在维护社会稳定方面，可以警察提供证据、提升警察破案速度。

2 智慧文博一体化管理系统的系统设计

本系统以物联网为主体，并以云技术为辅助，使无线保真技术的传输方案，使用WiFi信号的收发模块以及中央控制系统结合各种传感器，建立了能够远程监测传感数据、远程数据监控、信息预警等各类服务的智慧文博一体化智能管理系统。一旦出现火警或者人员入侵等报警信息，便会触发安防报警装置以及摄像机进行拍摄，同时通过云技术来对预警信息进行存储，紧接着安防人员随身携带的移动设备上会收到报警提示；通过RFID射频识别技术对游客的进出文博馆的信息进行实时更新，实现进出馆人员管理。不管是博物馆、美术馆还是艺术馆，温湿度、光照度等都是文博馆物品管理的重要环境条件，通过温湿度以及光照传感器等将文博馆内的环境情况进行及时汇报与预警。

本文的研究从原来的传输路径从传感器直接传输到服务器的模式中跳出来，将采集的终端信息通过第六代WiFi进行组网，移动端APP通过http协议的API进行访问，实现对温湿度（文博馆藏品管理）、特定范围内的人员入侵和火灾（安防）和射频识别（游客）的管理。

本项目系统框架图如图1所示：

图1 系统整体框图

3 智慧文博一体化管理系统的硬件设计

本系统的硬件部分主要作用是通过传感器采集人体红外信息、火焰信息、RFID射频卡信息以及温湿度信息，并将数据采集完成后通过网关发送至云平台，同时移动应用端访问云端获取传感器信息，云端可依托于服务器来捕获数据和存储[3]。本系统的硬件连接图如图2所示。

图2 系统硬件连接图

感知节点数据的采集在整个项目中担任重要角色，负责搜集传感器上传的数据并在进行一定处理后传输到网关控制器。同时，节点还需要便于维护，成本低等优势，便于商业推广。因此，本项目中底层硬件的MCU采用TI公司的STM32F103VE 芯片进行。

传感器作为智慧文博一体化管理系统的感官系统，起着搜集周围环境安防信息，探测环境中有误特殊紧急情况的重要作用，各国也越来越重视在传感器领域的发展。

型号为HC-SR50为本项目所用到的人体感应红外传感器，该传感器将探测并吸收到的红外辐射通过传感器变化为弱电压信号，此时的电压信号相对较弱，一般无法正常被识别，因此需要将信号经装在探头内的场效应管放大后再对外输出。对人体红外信号的探测来说，探测距离是比较重要的探测指标，菲涅尔透镜是一个重要的装置，它可以提高探测器的探测灵敏度，通常会与放大电路相结合，将信号放大至少70 分贝[4]。当有人入侵到探测范围之内时，人体的红外辐射信号通过部分镜面进行聚焦，同时热电释元件将辐射信号吸收，由于两片热释电元件接收到的热量有差异，热释电也有差异，最终引发报警。

型号为Flame-1000-D是本项目所用到的火焰传感器，该传感器可以探测波段范围为700—1100 nm的火焰发出的短波近红外线；该传感器采用双重输出的组合，并通过数字输出使得系统设计更加简化；而模拟信号的输出也需要更加高精度的场合；通过对高精密电位器进行调节，可以调节检测距离[5]。目前红外火焰探测技术可以很好实现火灾预警，通过响应的传感器可以通过检测火焰所发出的红外线来对火灾继续预防，这种探测方式比传统感烟或感温式火灾探测技术响应速度更快。

一个完整的RFID系统主要由电子标签（RFID Tag）、读写器（阅读器）和管理软件组成。博物馆游客智能化管理将采集游客入馆信息与出馆信息，游客信息管理主要是对 RFID 电子标签信息的管理，主要包括了添加、修改、删除以及查询功能。用实时游客入馆数量减去出馆数量即可得到实时馆内游客数量。RFID系统基本组成如图3所示。

图3 RFID 系统基本组成

该系统无线通信的方式选用第六代WiFi，文博场馆由于馆藏品的特殊性，一般为室内，且和上一代的Wi-Fi 技术标准相比，Wi-Fi 6 的数据传输速度相对于之前的WiFi 信号有了大幅度提高，且目前已经能够对增强和虚拟现实（AR/ VR）进行强有力的支撑，对网络的容量进行扩展，即使我们身处拥挤的火车站也能享受到优质的网络服务，在如此高性能的网络服务中，同时价格也相对较低，因此本项目选用WiFi的无线通信方式。

4 智慧文博一体化管理系统的软件部分设计

本系统的硬件部分主要作用是通过传感器采集人体红外信息、火焰信息、RFID 射频卡信息以及温湿度信息，并将数据采集完成后通过网关发送至云平台，同时移动应用端访问云端获取传感器信息，云端通过服务器进行数据的访问与存储。系统软件连接图4 所示。

图4 系统软件架构图

移动终端（APP）是文博馆一体化智能化云管理系统的顶层设计，也是物联网三大层次结构应用层的核心部分。用户不可能都通过云端服务器去对设备的传感信息进行读取，通过移动终端实时查看传感器数据并对执行器开展实时控制，同时对视频信号进行监控、查看报警信息、进出馆游客的信息以及文博馆馆藏品的保存条件，考虑到以上特点，移动终端（APP）必须拥有简单且稳定、容易操作（符合用户的习惯）、灵敏度高以及内存占用低等特点[5]。

移动终端采用了自动控制的服务、数据实时上传的服务、用户数据处理分析的服务，程序的实现流程如图4 所示。本项目中实现自动控制采取了调用封装好的API 函数接口的方式，该方式不仅在私有云平台上定义好自动控制接口，而且多个客户端（APP）同时访问云平台时，可以对多个客户端进行有效设置。相比于在APP 端实现自动控制功能的设计，它可以简化客户端的开发，提升用户的使用体验。APP 端登录页面如图5 所示，安防监控系统如图6 所示，游客监控系统如图7 所示，馆藏品环境监控如图8所示，视频监控如图9 所示，安卓设计菜单栏如图10 所示。

图5 安卓登录页面

图6 安防监控系统

图7 游客监控系统

图8 馆藏品环境监控

图9 视频监控

图10 安卓设计菜单栏

5 应用及推广前景预测

本项目的适用范围主要包括：（1）获取数据（其他可以用传感器获取的数据，包括可燃气气体、烟雾等其他环境数据等）；（2）自动化控制所有室内景点智能化管理解决方案；（3）项目的实施不仅可提高整个室内景点的信息化管理水平，提高从业人员的信息素养和管理水平，实现馆藏品、游客和安防的智能化管理。

经济效益分析：本品可以以较低的成本对所有室内景点进行普及，比起经济效益更重要是的社会效益。还可以实现所有文博系统相关景点的个性化定制，受众面广。人文馆藏承载着中华优秀传统文化，实现文物更智能化、更安全的管理显得尤为重要。

6 总结

本项目为的智慧文博一体化管理系统，以物联网技术为核心，通过自建的私有云平台提供数据采集、存储、管理等基础服务，在数据通信上通过各种云服务API 接口为核心，以标准的数据传输格式为作为技术，以网络摄像头为视频监控设备，以移动的智能终端作为用户体验终端，以第六代WiFi 通信为组网方式实现传感器数据采集和执行器控制，实现了实时数据监测、远程软硬件控制、数据查询与传输、报警信息的发布、视频监控、进出馆的游客管理和文博馆馆藏品存储的环境监控等功能，可以有效解决了传统博物馆安防系统、游客管理以及馆藏物管理无法实现集中智能化管理所存在的问题。除此之外，有效降低了布置的成本、系统后期的维护费用也具有良好的价格优势，最终实现了文博馆内数据的共享、数据传送与存储的格式标准化，使用和扩展的难度进一步降低。

目前，物联网与云平台的融合已经逐渐深度融合，本系统也将进一步继续改善，比如馆藏物的环境条件比较多，比如紫外线等也有一定的影响，但是随着物联网技术与云技术的发展越来越成熟，文博系统智能化管理系统也必将越来越完善，全方位助力各式文博系统的更形象更安全地展现给全世界。