無線傳感器應用于古建筑內部環境監測

■ 蔣維樂 JIANG Weile 張福政 ZHANG Fuzheng 楊靖文 YANG Jingwen 戴昕芮 DAI Xinrui

0 引言

當前，信息技術已經普及和應用到了文化遺產領域的各個方面，如文物保護[1-4]、古建筑保護與修復[5-9]等，并都以自身的學科特色尋找技術與實際工作的切入點。在這一領域，信息技術最顯著特點是應用性，如何有效地將信息技術與文化遺產保護工作有機結合起來使其充分發揮作用[10-13]，這是值得認真研究探索并付諸實踐的重要研究內容。

對于古建筑內部環境的保護與修復方案的制定，必須考慮外在環境及人類活動對它的影響，需要對若干客觀因素進行準確的信息提取與分析，以保證其預測性與前瞻性[14-15]。本文將無線傳感器及網絡傳輸應用于古建筑內部環境檢測中，完成了包括傳感器節點、網關節點、基站和遠程終端的檢測系統的總體系統方案設計。此系統技術的支持能夠在古代建筑內部空間的復雜環境中，通過布置在待保護古建筑上的微型傳感器所形成的數據通過網絡傳輸，實現各項關鍵參數指標，如溫度、濕度、空氣質量等的實時監測，精確地提供有效數據背景，并模擬此背景下古建筑的環境形態[16-19]。這將給予古代建筑內部環境保護與修復方案制定時必要的技術指標與科學數據分析；同時，能夠在建筑文化遺產保護與修復項目中，實現運用信息思維方法指導古建筑遺址保護與修復方案的整體策劃，以及在古建筑遺址的信息管理、應用及展示時給予可靠的研究基礎[20]。

1 系統方案設計

在待保護的古建筑內布置若干個無線傳感器節點，通過其附帶的各種傳感器，采集需要密切關注的參數指標，并通過自適應構建的無線網絡傳遞給匯聚節點。隨后，匯聚節點根據周邊網絡情況，通過有限的光纖網絡或無線的4G網絡將數據傳送到云計算的信息服務平臺，供監控中心和移動終端用戶實施訪問和獲取數據。

1.1 總體系統方案設計

圖1 系統總體結構圖

圖2 傳感器節點組成結構圖

本文所述的監測系統包括傳感器節點、網關節點、基站和遠程終端（圖1）。傳感器節點組成結構（圖2、3）包括傳感器模塊（表1）、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊，其中，處理器模塊和無線通信模塊分別采用8051單片機和CC2530芯片。網關節點包括中央處理單元、存儲單元、射頻收發模塊、GPRS通信模塊和數據采集模塊。基站包括可以完成數據匯集的節點和一臺可以連入網絡的計算機，兩者通過USB接口相連接。遠程終端連入Internet設備，如智能手機、平板電腦、筆記本電腦、臺式計算機等。根據遠程終端的不同，通過Labview等軟件設計編寫圖形用戶界面，或在Andriod系統下利用Java語言編寫軟件，用戶通過遠程終端可以實時查看監測數據信息和發布控制指令，并可以設置預警閾值、下載數據等。

將監控溫度、濕度、PM2.5濃度和煙霧濃度等環境參數的傳感器節點部署在最底層，再向上依次布置網關節點、基站，遠程終端設備則通過Internet與基站連接。為了保證監控系統的可靠性和監控數據的準確性，在古建筑監控區域內密集布置大量的傳感器節點，傳感器節點可以自組織形成網絡，采集信息后向網關發送數據，網關節點與基站之間通過傳輸網絡連接，基站負責收集傳輸網絡送來的所有數據，并且發送到Internet上傳送到一個中心數據庫，由中心數據庫提供遠程數據服務。所有可以連入Internet的遠程終端都可以訪問數據庫和向基站發布各種命令。

圖3 傳感器節點模塊裝置實物圖

表1 監測節點使用的傳感器規格表

監測系統結構簡單，安裝方便。與有線技術相比，無線傳感器網絡系統增加或更換節點相對比較容易，整個網絡的拓展性強，也易于維護。此外，傳感器節點的采集頻率可以人為設定，如初始采集頻率可以設置為5s采集一次。如圖4所示，傳感器節點只有在采集數據和傳送數據時才會被喚醒，在其余時間都處于休眠狀態，能耗低，運行成本低。

1.2 供電系統方案設計

傳感器節點裝置采用自供電和電池供電的組合形式。自供電是指通過太陽能電池板供電，干凈無公害，不受資源分布地域的限制，可在用電處就近發電，能源質量高。自供電式能量供應則包括太陽能電池板、控制器、蓄電池和繼電器模塊（圖5）。電池供電則采用電池盒和繼電器模塊組合的形式。

圖4 節點休眠和喚醒流程圖

圖5 自供電系統組成結構

圖6 為系統供電流程圖。在太陽能充足的情況下，連接節點負載和控制器的繼電器模塊1常閉，而連接電池和節點負載的繼電器模塊2常開，此時為太陽能供電；如果因為連續降雨、陰天等因素的影響導致太陽能不足，即監測到太陽能供電系統的輸出電壓＜5V，不能滿足節點負載正常工作的驅動電壓要求，此時，連接節點負載和控制器的繼電器模塊1斷開，而連接電池和節點負載的繼電器模塊2閉合，采用電池供電的方式；當太陽能供電系統的輸出電壓≥5V時，繼電器模塊2斷開，繼電器模塊1閉合，又回到初始的太陽能供電方式。通過這種組合供電的形式，既可降低成本，符合綠色產品要求，又可避免外界環境因素的干擾，保證系統的穩定運行。

2 監測系統軟件平臺及結果分析

2.1 系統監測平臺

本系統所采用的監測平臺是用Labview軟件編寫的圖形用戶界面，傳感器節點采集到的溫度、濕度、PM2.5濃度等室內環境參數，均可以在監測平臺實時顯示，并對各環境參數人為設置上限值，實現超限預警（特別是對CO、SO2、煙霧和震動實現定點超限預警），方便工作人員及時查看。

本文模擬古建筑遺址室內環境參數的監測，通過對室內1和室內2的環境參數監測來驗證監測系統的可靠性（圖7～10）。

2.2 監測數據結果分析

利用本監測系統，分別對西安某歷史文化遺產建筑內的兩個房間進行了室內環境監測，觀察其24h的環境變化情況（圖11～13）。

圖6 系統供電流程圖

圖7 室內1環境參數實時監測

圖8 室內2環境參數實時監測

由上述各監測結果曲線圖可知，兩個房間的室內溫濕度和PM2.5濃度變化比較平穩，溫度和濕度均未超過設置的上限值，未發生預警情況，PM2.5濃度值均小于50ppm，空氣質量為優。CO、SO2、煙霧和震動采用的是開關信號傳輸，由圖10可知，數字“1”表示正常，數字“0”表示不正常。工作人員可以根據實際情況人為設定閾值，如果監測到的數據超過設定的閾值，輸出信號就會由數字“1”變為數字“0”。根據現場監測結果，CO、SO2、煙霧和震動未發生預警情況，所以各環境參數均在正常范圍。總之，利用本系統可對古建筑遺址室內的溫度、濕度、PM2.5濃度、震動、煙霧和CO、SO2等有害氣體情況進行監測，系統穩定可靠。

圖9 數據采集程序框圖

圖10 數據處理程序框圖

圖11 室內1的溫濕度變化曲線圖（24h內）

3 結語

綜上所述，古建筑遺址內部環境監測是古建筑內部環境保護與修復方案制定的必要技術支持。采用物聯網環境感知技術，通過布置在待保護古建筑內部環境中的微型傳感器所形成的網絡，實現各項關鍵參數指標的實時監測，將監測數據輸送回監測中心進行數據處理和預測，并實現可視化。

圖12 室內2的溫濕度變化曲線圖（24h內）

圖13 室內1和室內2的PM2.5濃度變化曲線圖（24h內）