一種基于物聯網的全方位光敏文物保護監控系統研究

許宇龍

研究背景

博物館常使用高功率的射燈照明文物，這樣能使參觀者在光線充足的情況下觀賞文物，但高溫照明情況下的光輻射對文物會造成不同程度的破壞。此外，游客在觀看文物時拍照所用的閃光燈也會對文物造成非常大的破壞。如今，LED產業日新月異，標榜具有無紫外線、不發熱的特性，正符合博物館文物照明的需求;另外，其低耗能、使用壽命長的特性，也可解決博物館經費緊張的窘境。因此，我們就構想能否使用LED燈取代射燈用于博物館文物的照明。

根據調研提出假設

本次調研選取國內外6座著名博物館：英國的大英博物館，日本的東京國立博物館和東京美術館，中國的中國國家博物館、故宮博物院和首都博物館。調研對象能夠代表當今世界博物館展陳照明的較高水平。

基于目前世界各國按照文物材料的光化學穩定性劃分方法，本次調研對于文物類型的選擇為：書畫類（特別敏感展品）、漆器類（比較敏感展品）、陶瓷類（不敏感展品）。選取照明方式、光源類型、光源色溫、平均照度和照度均勻度作為調研指標，這些指標能夠反映博物館展陳照明在文物保護方面的情況。

根據調研結果可知，可見光源選擇和照明方式對照度均勻度具有重要影響。因此提出如下假設。

假設1：若將一般使用的鹵素射燈改為LED照明系統能否改善燈所發出的熱能對文物的影響。

假設2：制作一個可調控LED燈發出的藍光和紅光的處理器，以改善紅外線輻射和光輻射對文物的影響。

假設3：若設計1個可實時調控LED控制器的應用程序，能控制LED的光強度、顏色、色溫等，可解決博物館對照明系統可調控參數不足的問題。

假設4：制作1個光強度傳感器，配合光強度數據處理系統、實時數據顯示及警報，能感測到閃光燈的第1下閃爍，并立即作出反應調節LED燈的亮度，以抗衡閃光燈對文物的光輻射破壞，滿足不同文物對光強度的需求。

假設5：加入全方位紅外線人體傳感器和光敏傳感器，當有人接近文物展示柜時，光敏傳感器會探測因人體阻礙光線進入展示柜的變化值，從而調節LED燈的光線亮度。

研究過程

系統硬件

本設計以光強度數據處理系統及LED控制處理器為2大核心。首先通過移動裝置的對應應用程序，通過藍牙與LED控制處理器進行連接，然后用戶能在應用程序上發出指令，控制器接收信息后控制LED燈。同時，光強度處理系統會通過光強度傳感器檢測LED燈的亮度是否高于或低于設定值。當人體處于文物展示柜的任意一個方向時，也會觸發效應器傳輸信息給光強度數據處理系統，光強度傳感器會接收由于人體阻礙外界光線進入展示柜的變化值，從而對LED燈亮度進行調控，若超出臨界值，系統會以蜂鳴器及指示燈作為警報。

◇LED控制處理器

·MCU控制器：MCU采用STC89C52RC芯片。

·藍牙模塊：藍牙模塊選擇HC06，可以實現藍牙轉串口功能。

·LED驅動電路：驅動電路采用ONsemi公司生產的NCL30160作為主芯片，可以為LED光源提供精準的恒定電流輸出，以驅動高功率發光二極管。

·主程序設計：通過藍牙模塊與單片機互連，單片機通過串口接收來自手機藍牙模塊的無線數據，經過單片機內部解碼后產生對應占空比的PWM波形。

·PWM調光算法設計：定時器0采用中斷的方式產生PWM波形，定義頻率、占空比，并且將P1.0口設為輸出埠。根據串口接收到的數據對占空比及頻率進行調節。

◇光強度數據處理系統

·系統設計：采用新型單片測光芯片BH1750，較好地解決了傳統測光系統的弊端。

·系統工作流程：系統工作時要先進行各部分的初始化，完成后開始接收使用者命令，根據使用者的不同操作執行不同任務。

·系統電路組件組成：由指示燈、開關按鈕、5V電源、LED指示燈、液晶顯示器、單片機控制電路、光照度檢測電路、按鍵控制電路、聲光報警電路、液晶顯示電路及電源電路組成。

◇紅外線人體感應

·人體紅外感應模塊：本設計采用HC-SR501。

·人體紅外檢測電路：該模塊只引出3個引腳，第2腳接單片機的10口P22，當有人出現在模塊的檢測范圍內時，該引腳輸出高電平，平時輸出低電平。

·按鍵輸入模組：本系統設計3個按鍵，分別是模式切換按鍵、亮度減少按鍵和亮度增加按鍵，故采用了獨立鍵盤的方式。

系統軟件

本設計自主編寫手機應用程序，并支持各地常用的iPhone OS（iOS）蘋果公司行動裝置操作系統和Android操作系統，實現與硬件電路的通信。用戶能在應用程序上發出指令，控制器接收信息后控制LED燈。利用藍牙傳輸技術與智能手機上的應用程序連接，實現與硬件電路的通信。

系統性能測試實驗及數據分析

◇實驗1：利用光譜分析儀檢測本設計在不同顏色照明下的光波值

假設保持光強度（設定位為最高）不變，在相同亮度環境下，綠光、紅光和白光都在安全范圍內，雖然藍光的波段介于危險范圍，但藍光很少會用于文物照明，因此對整個設計的效用沒有太大影響。

◇實驗2：利用紅外線溫度計檢測本設計在長時間開啟下溫度隨著時間的變化

假設保持光強度（設定位為最高）不變，在相同亮度和相同室溫環境下，紅色燈經過20小時后系統的溫度最高，而藍色和橙色的溫度最低。

◇實驗3：通過本設計的光強度數據處理器檢測不同顏色在最強亮度情況下的光通量

假設保持光強度（設定位為最高）不變，在相同亮度環境下，所有顏色在最強亮度的默認值下光通量也不超過3001m。

◇實驗4：測試紅外線傳感器的感應范圍

假設保持光強度（設定位為最高）不變，在相同亮度環境下，隨著人體的接近，光通量變高。

研究結論

◇除藍色外，所有顏色的波長都在450～650nm的波段范圍，也就是在破壞系數中最小的，因此能夠證明本設計合乎文物照明的波段要求。

◇本系統在不間斷運行20小時后，溫度仍在40℃以下，因此本系統所發出的熱量不會對文物保存造成過大的影響。

◇由實驗得知，不同顏色在光照度最強下的光通量在3001m的范圍內，經查詢資料得知光通量不超過3001m對文物不會造成影響。

因此，本設計是安全而且可靠的。

該項目獲得第33屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組工程學一等獎。

專家評語

項目考慮不同文物對光照的要求，實現對展品照明的分別調控;同時考慮觀眾對光照的要求，還能方便地通過計算機、手機等對展品的照明進行調控，方便布展。研究者對研究背景及目標有較詳盡的討論，能正確運用科學方法，通過多項科學實驗初步驗證其假設的正確性，成功運用信息及電子技術造出樣機以展示設計的可行性及功用。建議進一步考慮LED燈照明的均勻度;除光通量外，考慮亮度以尋找最佳色溫。