基于微震檢測(cè)技術(shù)的田野文物監(jiān)控系統(tǒng)方案硬件設(shè)計(jì)

葛 寧

（1.西安科技大學(xué) 陜西 西安 710054；2.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西安 閻良 710089）

文物是歷史上物質(zhì)文化和精神文化的遺存，是人民群眾智慧的結(jié)晶，是人類寶貴的歷史文化遺產(chǎn)；同時(shí)，文物是不可再生的文化資源，是歷史文化的重要見證和載體，文物反映了人類連綿不絕的生存、斗爭(zhēng)和發(fā)展歷史，具有重要的歷史價(jià)值。田野文物是我國(guó)優(yōu)秀歷史文化遺產(chǎn)的重要組成部分，保護(hù)好、管理好、利用好田野文物，對(duì)于繼承和弘揚(yáng)中華優(yōu)秀文化，增強(qiáng)民族凝聚力，推動(dòng)科技進(jìn)步，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，滿足人民群眾精神文化需求，提高全民文化素質(zhì)都有著重要的意義。大量的古墓、古石刻、壁畫等田野文物，這些文物都具有很高的藝術(shù)、研究、欣賞、歷史價(jià)值[1]。保護(hù)文物有利于精神文明建設(shè)，有利于促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，能給后人留下寶貴的文化財(cái)富。由于田野文物位于野外、分布面廣，要實(shí)時(shí)的進(jìn)行監(jiān)控保護(hù)具有一定的難度。目前對(duì)于已開發(fā)和未被開發(fā)的田野文物的監(jiān)管主要是通過(guò)人工巡查和視頻監(jiān)控、紅外監(jiān)控[2]相結(jié)合的方法實(shí)施保護(hù)。但是這些方法對(duì)于地下挖掘或者夜間爆破等盜掘活動(dòng)具有一定的局限性，加上其他安全保護(hù)措施不完善，使得古墓等田野文物被盜的案件層出不窮，大量的珍貴文物被破壞或被盜走，給國(guó)家造成了巨大的損失。本方案提出了一種基于微震動(dòng)檢測(cè)技術(shù)[3]的田野文物監(jiān)控系統(tǒng)，主要利用一些低功耗、體積小的傳感器組成檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，以有線通訊方式和主控系統(tǒng)組成一個(gè)完整的監(jiān)控系統(tǒng)。

1 微震監(jiān)控系統(tǒng)方案概述

本方案設(shè)計(jì)遵循技術(shù)先進(jìn)、功能齊全、性能穩(wěn)定、節(jié)約成本的原則。并綜合考慮施工、維護(hù)及操作因素，并將為今后的發(fā)展、擴(kuò)建、改造等因素留有擴(kuò)充的余地。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容具有科學(xué)性、合理性、可操作性。主要依據(jù)以下原則:

1）先進(jìn)性與適用性

2）經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性

3）可靠性與安全性

4）可擴(kuò)充性

5）追求最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)備配

6）保留足夠的擴(kuò)展容

田野文物監(jiān)控系統(tǒng)主要包括監(jiān)測(cè)部分、控制中心和遠(yuǎn)程控制中心3部分，如圖1所示。檢測(cè)部分由很多檢測(cè)點(diǎn)組成，這些檢測(cè)點(diǎn)分散在文物古跡所在的區(qū)域，對(duì)各種震動(dòng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集（震動(dòng)參數(shù)要能區(qū)分洛陽(yáng)鏟，汽車震動(dòng)，爆破行等等），并將采集到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換等操作最終傳遞給控制中心；控制中心對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、判別后做出模式識(shí)別響應(yīng)，判斷是否有危害文物的行為發(fā)生，提示報(bào)警，以便工作人員做出正確判斷。

圖1 田野文物監(jiān)控系統(tǒng)框圖Fig.1 Field of cultural relicsmonitoringsystem block diagram

2 硬件方案設(shè)計(jì)

田野文物監(jiān)控的硬件設(shè)計(jì)首先應(yīng)該考慮文物所處的地理環(huán)境、分布特點(diǎn)及監(jiān)控設(shè)備使用的穩(wěn)定性，其次還要顧及到它的開發(fā)成本、后期維護(hù)和性能指標(biāo)力求達(dá)到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。其中硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是信號(hào)采集部分。

本設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要由檢波監(jiān)測(cè)網(wǎng)、調(diào)理電路、傳輸線纜、信號(hào)采集卡、PC機(jī)、視頻和音頻采集設(shè)備部分組成[4]。信號(hào)采集系統(tǒng)框圖如圖2所示：多個(gè)檢波點(diǎn)的檢波器把震動(dòng)物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚煌ㄟ^(guò)調(diào)理電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、變換、濾波等處理；信號(hào)采集完成A/D轉(zhuǎn)換等處理，PCI卡通過(guò)計(jì)算機(jī)的PCI插槽完成對(duì)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件分析、處理、判別后做出識(shí)別，通過(guò)有線傳輸向遠(yuǎn)程控制中心發(fā)出報(bào)警信號(hào)，遠(yuǎn)程控制中心收到報(bào)警，采取相應(yīng)措施。本硬件設(shè)計(jì)主要集中在信號(hào)檢測(cè)與信號(hào)調(diào)理部分。

圖2 信號(hào)采集系統(tǒng)框圖Fig.2 Signal acquisition system block diagram

2.1 檢波監(jiān)測(cè)網(wǎng)

在文物所處的一定區(qū)域范圍外，間隔一定距離多處埋下檢波器即地波探頭，組成一個(gè)檢波監(jiān)測(cè)網(wǎng)。其中每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過(guò)埋在監(jiān)測(cè)位置地下的地波探頭感知并采集單元附近區(qū)域的震動(dòng)信息，比如汽車、行人路過(guò)或是洛陽(yáng)鏟、爆炸等震動(dòng)信號(hào)[5]。檢波器使用時(shí)需要埋于地下所以必須考慮到檢波器的使用壽命、維修的方便性及抗腐蝕性等因素，因此在本設(shè)計(jì)中為了延長(zhǎng)使用時(shí)間、減小后期維護(hù)的費(fèi)用將HK20DX-10S檢波器安裝不銹鋼外殼，樹脂密封，改進(jìn)的地波探頭如圖3所示，將震動(dòng)物理量轉(zhuǎn)換為電量，傳送到采集卡。檢波監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域可以執(zhí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的各種震動(dòng)信號(hào)。根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域的特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為平面式監(jiān)測(cè)和立體式監(jiān)測(cè)。平面式監(jiān)測(cè)是指在需要監(jiān)控區(qū)域周圍內(nèi)，建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)，且各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)區(qū)域是互相覆蓋的，如田野文物，只在文物附近一定區(qū)域內(nèi)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，就可有效地監(jiān)測(cè)挖掘等活動(dòng)。立體式監(jiān)測(cè)主要指目標(biāo)區(qū)域是立體式空間，在區(qū)域內(nèi)設(shè)置足夠多的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)立體區(qū)域的監(jiān)控。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域的地理特點(diǎn)、安全等級(jí)以及投入成本選擇不同的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖3 地波探頭Fig.3 Ground wave probe

2.2 調(diào)理電路

檢波器將一定范圍內(nèi)的震動(dòng)信息轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)非常微弱甚至達(dá)到uV級(jí)，加之傳輸線路上損耗的存在，信號(hào)不能直接輸入采集卡。因此，在進(jìn)入采集卡之前需要對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。調(diào)理即是對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，緩沖或定標(biāo)的過(guò)程，調(diào)理后的信號(hào)適于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入[6]。模/數(shù)轉(zhuǎn)換是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)的過(guò)程，同時(shí)把數(shù)字信號(hào)送到后續(xù)的數(shù)字電路中，數(shù)字電路中的器件對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析等下一步處理。本設(shè)計(jì)調(diào)理電路采用外接滑動(dòng)變阻器的前置放大器AD620，單路調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 單路調(diào)理電路Fig.4 Single conditioning circuit

AD620是一種通用儀表放大器。尺寸較小、精度高、價(jià)格低常用于傳感器接口、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和工業(yè)過(guò)程控制等電路。具有失調(diào)電壓低、漂移小、輸入阻抗高（10G）共模抑制比高、輸入偏移電流低、消耗功率低（最大供電壓電流僅1.3 mA）以及過(guò)電壓保護(hù)等特性AD620供電電源為±5 V，Vref為參考電平。調(diào)整RG1將信號(hào)增益值在1～10 000之間任意放大，益于信號(hào)波形的觀察及分析處理。

3 結(jié) 論

田野文物的保護(hù)是非常重要的，目前大多屬于多種保護(hù)措施同時(shí)應(yīng)用。本設(shè)計(jì)應(yīng)用微震檢波器能夠?qū)ξ奈铿F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集與處理。在實(shí)際中得到了初步應(yīng)用。

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