基于物聯網技術的文物保護環境監測系統

齊心　王鑫　趙澤

摘 要：隨著物聯網應用技術的飛速發展，將物聯網技術與博物館文物保護工作緊密結合，實現對博物館文物展陳環境以及管理運行系統的實時監測，極大提升文物保護工作的效率和質量。文中介紹了物聯網應用技術的基礎架構，以及近年來物聯網關鍵技術的提升，并結合物聯網技術與文物保護的實際應用需求，介紹了基于物聯網技術的環境監測系統在故宮博物院中的實際應用效果。

關鍵詞：文物保護;物聯網;環境監測;無線通信;NB-IoT;LoRa

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）07-00-04

0 引 言

文物是人類寶貴的歷史文化遺產，對歷史研究、社會藝術等各方面都有非常重要的意義，對文物的保護自然也成了博物館的重要工作內容。

早已為人們所了解的金屬銹蝕、竹木器干裂變形、紙張酸化、染料顏料褪色、絲織品老化、有機材料霉變蟲蛀等都與保存環境有關[1]。溫度會加大化學反應速率，還會對不同材質因膨脹系數不同而造成破壞性影響。濕度除了能影響反應速率外，還會導致染料褪色和紙張老化，以及發生物理形變對文物造成傷害，比如字畫起褶皺等。光引起的化學反應將削弱物質的強度，使染料、顏料色澤發生變化，其中紫外光更具有損傷性。其他污染氣體如SO2，H2S，氮氧化物，甲醛以及二氧化碳等都會直接參與一些化學反應，因此，對這些環境因素的監測成了文物保護工作的重點。目前，我國多數博物館還在以人工抄表等方法監測記錄環境情況，耗費人力的同時監測準確性和實時性極為有限。隨著物聯網技術的快速發展，將智能化、準確性高、監測靈活的物聯網環境監測技術應用于文物保護領域，能夠有效提高文物保護工作的效率及效果。

1 物聯網技術簡介

1999年，美國麻省理工學院Auto-ID實驗室提出了物聯網（The Internet of Things）一詞。國際電信聯盟《ITU互聯網報告2005：物聯網》正式提出了物聯網這一概念[2]。從早期的RFID到當下的低功耗廣域網（LPWAN），以及傳感器市場的快速增長，云計算、AI人工智能、數據挖掘等技術逐漸成熟，物聯網技術快速發展，目前已經被應用在包括工業、農業、教育、家居等多個領域。

在物聯網的網絡傳輸技術中，近年來LPWAN憑借低功耗、廣覆蓋、大連接、低帶寬、低成本的優勢迅速崛起，行業巨頭對NB-IoT，eMTC，LoRa等技術加大投資，逐步實現商用。2017年三大運營商全部大力發展NB-IoT與eMTC。

NB-IoT具有靈活部署、窄帶、低速率、低成本、高容量、覆蓋面廣、低功耗等特點。NB-IoT技術可滿足對低功耗、深覆蓋、大容量有所要求的低速率業務[3]。中國電信最早開始部署NB-IoT，目前已經實現了多個地區商用，在共享單車、智慧水表、智能家居等領域上線應用;中國移動實現了多個省市的NB-IoT網絡商用;中國聯通在2018年實現了全國商用。

LoRa作為非授權頻譜的一種LPWAN無線技術，與WiFi，Bluetooth，ZigBee等現有成熟商用的無線技術相比，具有遠距離、低功耗、低成本、覆蓋容量大等優點[4]。LoRa的發展極其迅速，中國聯通、阿里云，以及行業專業技術公司共同發布了“國內首個城域物聯網試商用”系統。LoRa技術現已開展廣泛應用，在各行業中逐步發揮重要作用[5]。

從概念到部署，物聯網在各領域已經展開全面的技術應用，也給產業鏈的上下游企業帶來了更多機遇和挑戰。物聯網無疑成為很有潛力的產業以及技術趨勢。隨著物聯網技術的逐步成熟，其為文物保護環境監測系統奠定了理論和應用基礎，能夠在復雜的建筑群內提供強大的網絡服務，實現便捷快速的數據傳輸。同時，物聯網的智能數據處理技術也可為文物保護提供有力的理論和技術依據。

2 物聯網技術在文物保護環境監測系統中的應用

文物保護中的環境監測是物聯網領域一項典型的實際應用。基于物聯網的環境監測技術在監測規模、監測地域、監測準確度、監測靈活程度等方面都有傳統監控手段難以比擬的優勢。這項技術在軍事、工業和科學研究等諸多重要領域都得到了很好的應用。

基于物聯網技術的環境監測應用通過具有傳感、計算、存儲和無線通信多種能力的智能感知節點來完成復雜的以應用目標為導向的監測工作。數據采集終端自適應組網和多模通信技術使得被網絡覆蓋的監測區域不僅能夠完成數據采集和發送任務，通過節點間的分布式協作，監測系統還能夠實現統計采樣、數據融合、查詢式監控、動態功能升級等，為眾多以監控為目標的應用提供了技術升級和再發展的技術基礎。

從物聯網技術層面看，物聯網主要由感知層、網絡層、應用層三部分構成。物聯網環境監測系統是物聯網的一種應用，與物聯網在其他領域的應用系統有共同之處，但也存在不同。如圖1所示，物聯網環境監測系統可以分為監控現場、傳輸網絡和云服務平臺三部分。

2.1 監控現場

監控現場是物聯網環境監測系統的最前端部分，屬于物聯網的感知層，負責完成信息數據的采集和傳輸。位于監控現場的監測終端內部具有強大的微處理器以及多模網絡通信單元，可以完成環境參數的采集、初步分析、存儲以及通過無線通信方式將數據傳輸至服務端。環境參數的采集主要由傳感器完成，因此對傳感器的精度、穩定性以及功耗等性能指標具有較高的要求，以滿足文物保護過程中對環境監測系統的技術要求。

監測終端可采用電池供電方式，具有超低功耗以及高度安全可靠的性能，在應用現場的部署中能夠免去常規系統布線的困擾，自由設計監測點的密度和位置，縮小監測范圍，得到更加精準有效的文物保存環境信息。

2.2 傳輸網絡

傳輸網絡是物聯網環境監測系統的重要組成部分，屬于物聯網的傳輸層，是連接前端傳感網絡和互聯網的橋梁。在物聯網環境監測系統中，一般由網關完成數據轉發，通過短距離無線通信技術接收監控現場終端的傳感數據后，再由WiFi、以太網、GPRS、NB-IoT等技術接入互聯網，將數據發送到服務端。在一些特殊的應用中，也可在終端設備上集成類似NB-IoT等可以直接實現遠距離傳輸的通信方式，使得終端能夠直接接入運營商網絡，將數據傳輸至服務端。

傳輸網絡受多變環境的影響，以及在博物館等不能破壞現有環境的地方使用，因此必須設計一套功能強大、系統布置靈活且信號穩定的傳輸網絡系統。隨著目前無線通信的快速發展，可以使用多種網絡傳輸方式來滿足不同的應用需求。

2.3 云服務平臺

云服務平臺是物聯網環境監測系統的關鍵，屬于物聯網的應用層，是用戶最直接的觀察和分析數據的平臺。該部分主要完成數據的收集、校準、入庫、保存和查詢，以及通過AI算法、深度挖掘等技術建立數據模型，實現數據的分析、預測、預警等功能。如圖2所示，在云服務平臺中，監控設備入網、認證和管理系統完成傳感數據的接收以及用戶命令的發送，同時對數據進行校驗和計算處理，存入數據庫，并保證傳輸網絡的安全性和準確性。設備遠程更新與指揮系統負責實現設備的遠程控制和管理，監控傳感終端和傳感網絡運行狀態，同時能夠對設備的工作參數以及運行環境等進行遠程更新與升級，并將指令發布到終端網絡中執行;數據存儲及維護系統以及監測數據分析處理系統負責將數據進行整理、分析與統計，同時對數據進行深度處理，實現數據的關聯分析、預測報警等;數據報表和展示系統根據監測數據信息進行實時傳感數據發布，使監控用戶可以在任何時間和地點通過網頁、手機APP等查看數據詳情，并通過多種可視化技術進行數據展示，實現數據統計和導出功能。

3 文物保護中的應用案列

3.1 應用案例介紹

故宮博物院自2006年起開始在展廳內進行基于無線網絡的文物環境監測工作，經過多年不斷升級和完善，不斷嘗試新技術，現今已引入了最先進的物聯網技術。故宮博物院部署了基于物聯網技術的無線環境監測系統，用于文物保護環境監測。系統部署的監測點覆蓋面廣，在古建筑內外、展柜內外、機房內和辦公區域外實現環境監測。系統安裝、部署、使用及維護方便靈活，不破壞古建筑，不影響文物展示，擴展性強。博物院的管理人員可以對特定環境參數隨時進行遠程實時訪問。目前積累的古建筑體室內的環境數據可以為古建筑的保養和維護提供決策支持。

故宮端門部署了基于NB-IoT的無線環境監測系統，使用NB-IoT技術將采集的數據通過運營商網絡傳輸至服務平臺，通過Web發布后，在網頁及移動APP軟件上可實時查看數據。實踐證明，基于NB-IoT技術的環境監測設備可以在古建筑內使用。同時，監測設備的高可靠通信機制有效保障了監測數據的完整性。在部署過程中，由于故宮宮殿群建筑結構復雜，出現了少部分設備網絡通信質量較弱的情況，我們首先通過改變設備位置和安裝固定方式進行調整，其次選用請運營商配合調整基站部署位置和網絡信號覆蓋方向等方式加以解決。

故宮博物院的中心機房部署了NB-IoT+LoRa組網方式的環境監測系統，網關通過NB-IoT完成與服務器的通信，同時通過LoRa完成節點數據的收集，彌補了部分區域運營商網絡覆蓋不良的情況。

3.2 系統組成及運行效果

監控現場主要由監測終端完成對溫濕度、光強、紫外線、有毒有害氣體等的采集、存儲，以及通過無線網絡將數據發送至服務端。監測終端需具有超低的設備功耗和長期的設備穩定性。在監測終端的環境采集傳感器選擇上，保證其穩定可靠和精度高的同時需要兼顧其能夠在超低功耗狀態下運行，設備中所使用的溫濕度、光照、紫外傳感器的功耗都控制在微安級，從而保證設備長期穩定工作。系統中所使用的無線環境監測終端以及智能傳輸網關設備如圖3所示。

系統的傳輸網絡可完成數據傳輸，實現網絡自組織，具有短延時、低功耗、高容量、易安裝維護的特點。因每種無線通信方式都有其自身的優勢和缺點，所以在系統部署中，需要根據現場應用情況，綜合無線傳輸的特點搭建具有高效網絡傳輸功能的混合自組網實現復雜的數據傳輸。

在多年監測系統的實際部署中，前端傳感網絡監測終端設備的通信方式從調頻通信方式逐步升級到同時具有WiFi，ZigBee或LoRa的多模通信方式，不斷提升網絡傳輸的低功耗及高可靠性能，以應對多種復雜的網絡通信環境。在某些場合中，監測終端可以直接以NB-IoT的傳輸方式將數據傳輸至后臺服務器。以一種典型的混合自組網絡為例，使用具有超低功耗的LoRa網絡傳輸單元環境監測終端以及多模智能網關組成前端監測傳感網絡，終端設備采集環境監測數據并與網關通過LoRa協議通信或采用NB-IoT的方式將數據直接傳輸至服務器，網關將收到的數據通過WiFi/GPRS/NB-IoT等方式將數據發送給服務器。基于LoRa網絡和WiFi網絡傳輸的混合自組織網絡結構如圖4所示。

云服務平臺是一套成熟穩定的數據監測平臺，首頁數據區域化展示，布局新穎美觀;提供數據統計和導出功能，方便用戶對數據進行深度處理;具有數據及設備通用性適配功能，自適應匹配多參數監測;可按年、月、日等多時段報表曲線繪制，擁有豐富的數據篩選條件，方便用戶對數據進行統計分析;超出自定義報警閾值后通過線上線下多種方式報警，及時排除潛在風險;多用戶權限管理以及數據庫自動備份和恢復，使管理更加安全。

圖5所示為實際部署于故宮博物院的環境監測終端設備。監測平臺的數據顯示效果如圖6所示，左邊為部署地圖，中間為實時數據顯示，右邊為歷史數據曲線。圖7所示為故宮某個單體建筑的環境溫濕度監測曲線，顯示了2016年11月

到2017年7月溫度和濕度日平均曲線。灰色線為溫度曲線，總體呈上升趨勢，反映了冬季到第二年夏季的氣候變化。黑色線為濕度曲線，殿內濕度受天氣變化影響較大，北方冬天總體干燥，春夏季節濕度較高，因此應有效控制殿內濕度，降低因濕度變化對文物造成的損害。基于物聯網的文物保護環境監測系統在多年的運行中，經過多次更新升級，現在已成為一套穩定可靠的物聯網環境監測系統。

4 結 語

基于物聯網的無線環境綜合監測與報警系統緊密結合，能夠支持WiFi/ZigBee/LoRa/NB-IoT等多種網絡通信模式，可應用于復雜環境中的無線數據采集及控制系統。無論在室內或室外都可部署監測終端，支持多種組網方式混合使用，無需布線施工，能夠滿足多變惡劣環境及復雜地形下的組網與數據傳輸需求。

監測終端內置高精度傳感器配合誤差補償算法，實現多數據準確無誤同步采集。終端使用高效鋰電源，無漏液、無污染，安全可靠。終端具有意外掉線保護機制，數據可自動保存，上線同步回傳。

系統軟件設有多元化數據展現模塊，擺脫傳統數字曲線式抄表，簡潔直觀。豐富的數據分析與管理功能配合多終端監管系統，便捷易用。

基于物聯網技術的無線環境監測系統可以根據部署現場的情況，定制完整的解決方案，將物聯網環境監測系統與文物保護工作有機結合，這對遺址地環境保護和博物館文物保護具有重要推廣意義。

注：本文通訊作者為趙澤。

參考文獻

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作者簡介：齊 心（1972—），男，本科，工程師，主要研究方向為計算機系統結構與計算機網絡。

王 鑫（1994—），男，本科，工程師，主要研究方向為嵌入式技術、物聯網。

趙 澤（1978—），男，博士，高級工程師，主要研究方向為物聯網、嵌入式技術及人工智能。