物联网技术在博物馆用电安全管理中的应用

摘 要：博物馆用电安全是博物馆安全管理的重中之重，博物馆数字化是未来博物馆发展的必然趋势，如何将数字化建设与博物馆用电安全相结合，杜绝博物馆用电安全隐患，预防火灾发生，是各博物馆亟待解决的问题。本文针对博物馆安全运营中用电安全的实际情况，以西北大学博物馆为例，提出了将物联网技术应用于博物馆用电安全建设的思路。通过对当前流行的物联网技术进行对比，选择LPWAN技术进行博物馆智能用电系统建设，并在此基础上实现用电环境的实时监测、预防和智能化管控，同时完成了传统用电模式的升级，针对性进行用电供给，给博物馆在用电安全管理方面提供了一种参考。

关键词：物联网；博物馆；博物馆数字化；用电安全；用电管理；智能化管控

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）02-0-03

0 引 言

2008年以来，我国博物馆免费开放工作持续推进，随之而来的是全国博物馆持续升温的参观热潮，从国家文物局公布的数据来看，2019年我国博物馆参观人数达12亿余人次[1]，

由此可见，去博物馆参观已成为人民群众积极参与的生活和休闲方式[2]。随着博物馆内人流量的增加，对博物馆安全管理提出了新挑战，用电安全作为博物馆安全的关键环节，引起博物馆行业的高度重视。2018年9月，巴西国家博物馆发生重大火灾，收藏的千万件珍贵藏品仅有10%的馆藏得以幸存[3]；2019年4月，巴黎圣母院发生火灾，让拥有近900年历史的建筑付诸一炬[4]，引起上述两场火灾的原因可能是电气系统故障。

西北大学博物馆建筑面积为1.5万平方米，拥有4个常设展馆、3个专题馆、1个临时展馆及办公区域，大楼建筑面积庞大，房间众多，线路老旧，如按原有电路模式继续运行，存在较大安全隐患。西北大学博物馆结合自身实际，以物联网技术为支撑，对博物馆电路安全进行升级改造，实现博物馆电路预警监测、自动断电、智能管控等功能。本系统选用LPWAN物联网技术实现自身的物联网建设。LPWAN（Low Power Wide Area Network， LPWAN）是低能耗、宽广域的新型物联网技术[5]。具体优势体现在：广阔的覆盖性，数据可以在几十公里范围传输，让智慧城市的实现成为可能[6]；设备会自动判别使用状态，进入休眠模式，从而降低使用功耗，相关设备电池使用时间长达10年；因其广阔的的覆盖性，使得设备投入数量减少，从而降低投入成本[7]；它可实现灵活的数据对接、策略联动、数据管理和查看，同时进行物联网监管、控制，提升智能用电安全管理效率[8]。

1 物联网技术整体架构

基于通用物联网分层结构思想，西北大学博物馆物联网技术架构由物联网平台层、物联网传输层、接入传感层三大平台构成，实现物联网终端设备接入、信息传输以及设备管理、策略联动、数据分析等功能[9-10]。物联网技术架构如图1所示。

接入传感层是物联网络架构中的底层架构，通过WiFi、LoRa网关等设备，作为固定资产终端扩展联入物联网，将原本无法联网、统一监控管理的电路和灯管等设备的数据进行统一采集，并回传到物联网平台做数据汇总；传输层由有线、无线、LoRa、WiFi、GPRS等协议组成，在智能用电安全场景下，依托博物馆大楼WiFi网络，结合物联网LoRa组网，实现底层物联数据采集以及终端设备控制；感知层是对数据的汇总和分析，并进行智能化统计，对有价值的数据挖掘分析，进行图形化展示。博物馆管理员可以通过移动终端或者监控屏幕直观了解整栋大楼电路系统的运行状态。

2 系统硬件设计

电路智能管控系统建设需要对原有楼体空开进行改造，该系统基于CF4-23智能空开进行设计。智能空开模块设计如图2所示。

智能空开硬件负责实时监测与采集电路上的电计量数据以及电气安全数据，通过数字信号及时识别电路风险驱动电机对电路进行通断电操作，保证电路安全。系统以Microchip出品的MCU芯片作为主控芯片，外围挂载电计量监测电路，漏电监测电路负责对电气数据进行监测，及时识别电路风险，挂载电机以及电机驱动电路负责识及时处理风险。通过串口将统计的电气数据以及用电安全数据发送到通信模块，最后转交给平台进行数据的存储与分析。

3 系统软件设计

基于物联网技术的西北大学博物馆用电安全系统主要功能包括：电路预警监测、电路智能管控。电路预警监测实现流程如图3所示。

空开通过内置的微处理芯片监测电气状态、线路温度、漏电电流，并识别交流电的频谱信息，当判断数据异常时，通过程序驱动电机直接断电，通过数字量进行识别和联动，相比传统空开能及时响应电器风险。电路智能管控流程如图4所示。

空开可支持两种智能管控方式，分为预警监测后自动断电以及远程控制。空开通过电机带动齿轮、推动操作杆完成开合操作。整体产品框架分为平台、网关、末端空开三部分。平台侧主要负责设备的统一管理以及远程控制和数据加工，采用B/S架构，后台使用go语言开发微服务开发框架，采用LiteIDE集成开发环境。前端主要使用JavaScript编码。网关侧主要将终端上报的物联网数据转换为以太网数据并上报到平台，将平台下发的以太网数据转换为物联网数据发送给终端。使用MIPS架构开发环境，采用C语言进行业务开发，选用GCC集成开发环境。末端空开主要进行终端侧的数据采集以及控制操作，采用C语言开发，使用Keil集成开发环境。

4 功能测试

4.1 电路预警检测

本文应用的智能断路器用于博物馆配电系统，当回路电量过载时，断路器自动断开电路。智能断路器具有信息记录和通信功能，可记录开关状态、电器安全故障等信息并通过总线向主站传输；接收主站命令进行分、合操作。对该断路器进行了分断试验，设置空开的过载电流为5 A，实验过程中电压为220 V，实验电流为5.6 A。可以看到，当5.6 A电流持续130 ms后，空开自动断开，保证电路安全，测试结果符合预期。分断测试如图5所示。

移动端预警如图6所示。

（a）" " " " " " " " " " " " " " " " " "（b）" " " " " " " " " " " " " " " " "（c）

通过图6（a）可以直观看到，该套系统每天9：30和16：50会自动巡检，并进行结果分析，显示正常和异常设备数量；图6（b）直观显示了所有异常设备故障位置，提示工作人员进行点对点维修；图6（c）展示的是单个设备电路实时监测情况，可看到当前该线路电压、模块温度、漏电电流及线路电流等数据。

4.2 电路智能管控

4.2.1 平台集中管理

基于空开采集数据-LoRa网关-平台-数据显示/人为操作/策略驱动的运行原理，为方便管理所有空开设备，设计了平台的集中管理功能，实现效果如下：

（1）可通过后台端对博物馆电路运行环境进行实时监测。

（2）当出现异常时，管理人员通过APP或者后台收到告警信息，可以查看哪个区域，哪个空开，哪条线路出现问题，精准查询，节省人力，缩小了检修范围。

（3）通过平台集中管理，管理人员可以根据实际用电情况自定义策略，提前设置危险值，当电路异常超出策略范围时，该策略直接生效，驱动空开的断开以及闭合，实现智能化管控[2]。

后端电路系统运行如图7所示。

4.2.2 能耗监管

平台式智能化管理可以基于探头监测，对参观人群进行智能划分，对于人群密集区域自动启动光源照明；人群空旷区域自动变暗或者关闭灯源，从而避免光源全天候开启，造成电力浪费，实现节能。为了更加智能化地监控电路运行情况，本系统还设计了电量统计功能：

（1）可以统计每天电器设备的总耗电量，并精确显示。

（2）在正常情况下，根据电量的数据显示，可从侧面反应当前电路是否存在设备老化问题，依据耗电异常情况，管理人员可以评估是否需要更换新的电器设备，规避电器风险。

每日用电功率统计如图8所示。

5 结 语

西北大学博物馆物联网用电管理系统投入运营后，管理人员通过电脑Web界面、手机APP和手机短信，随时掌握全馆用电情况，及时发现电气火灾隐患并进行快速有效处置，最大限度避免电气火灾可能对馆藏文物文献、建筑本体和人民群众造成的损失或伤害。以西北大学博物馆为例的研究分析证明，物联网技术在博物馆用电安全管理中的应用可以有效降低博物馆火灾发生概率，基本实现防范于未“燃”，在确保博物馆安全高效运营的前提下，为博物馆的智慧化管理提供更多可能。

参考文献

[1]钟国文. 我国博物馆观众现状分析与对策思考[J]. 博物馆管理，2021，3（3）：74-84.

[2]杨彬蔚. LoRaWAN技术及其在物联网中的应用[J]. 数字技术与应用，2021，39（4）：43-45.

[3]于萍萍. 文明之殇—巴西国家博物馆火灾背后[J]. 消防界（电子版），2018，4（19）：10-15.

[4]靳铠瑞，宋雪华. 巴黎圣母院火灾风险分析及管控 [J]. 中国科技信息，2019，31（24）：45-46.

[5]牛富增，赵勇，张彬. 基于LPWAN技术的智慧光学燃气报警系统设计[J]. 城市燃气，2020，29（11）：15-19.

[6]刘帛松.下一个5年，LPWAN的发展动力究竟从何而来？ [J]. 单片机与嵌入式系统应用，2021，21（6）：92-93.

[7]杨雪. 博物馆安全管理制度体系探究[J]. 文物鉴定与鉴赏，2020，11（15）：134-135.

[8]王一波. 基于LoRa的低功耗广域物联网系统设计研究[D].深圳：深圳大学，2019.

[9]聂跃光. 物联网关键技术与应用研究[J]. 计算机产品与流通，2020，37（9）：142.

[10]程家豪. 物联网中无线通信技术应用分析[J]. 物联网技术，2020，10（8）：94-97.