物聯網技術在博物館用電安全管理中的應用

摘 要：博物館用電安全是博物館安全管理的重中之重，博物館數字化是未來博物館發展的必然趨勢，如何將數字化建設與博物館用電安全相結合，杜絕博物館用電安全隱患，預防火災發生，是各博物館亟待解決的問題。本文針對博物館安全運營中用電安全的實際情況，以西北大學博物館為例，提出了將物聯網技術應用于博物館用電安全建設的思路。通過對當前流行的物聯網技術進行對比，選擇LPWAN技術進行博物館智能用電系統建設，并在此基礎上實現用電環境的實時監測、預防和智能化管控，同時完成了傳統用電模式的升級，針對性進行用電供給，給博物館在用電安全管理方面提供了一種參考。

關鍵詞：物聯網；博物館；博物館數字化；用電安全；用電管理；智能化管控

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-0-03

0 引 言

2008年以來，我國博物館免費開放工作持續推進，隨之而來的是全國博物館持續升溫的參觀熱潮，從國家文物局公布的數據來看，2019年我國博物館參觀人數達12億余人次[1]，

由此可見，去博物館參觀已成為人民群眾積極參與的生活和休閑方式[2]。隨著博物館內人流量的增加，對博物館安全管理提出了新挑戰，用電安全作為博物館安全的關鍵環節，引起博物館行業的高度重視。2018年9月，巴西國家博物館發生重大火災，收藏的千萬件珍貴藏品僅有10%的館藏得以幸存[3]；2019年4月，巴黎圣母院發生火災，讓擁有近900年歷史的建筑付諸一炬[4]，引起上述兩場火災的原因可能是電氣系統故障。

西北大學博物館建筑面積為1.5萬平方米，擁有4個常設展館、3個專題館、1個臨時展館及辦公區域，大樓建筑面積龐大，房間眾多，線路老舊，如按原有電路模式繼續運行，存在較大安全隱患。西北大學博物館結合自身實際，以物聯網技術為支撐，對博物館電路安全進行升級改造，實現博物館電路預警監測、自動斷電、智能管控等功能。本系統選用LPWAN物聯網技術實現自身的物聯網建設。LPWAN（Low Power Wide Area Network， LPWAN）是低能耗、寬廣域的新型物聯網技術[5]。具體優勢體現在：廣闊的覆蓋性，數據可以在幾十公里范圍傳輸，讓智慧城市的實現成為可能[6]；設備會自動判別使用狀態，進入休眠模式，從而降低使用功耗，相關設備電池使用時間長達10年；因其廣闊的的覆蓋性，使得設備投入數量減少，從而降低投入成本[7]；它可實現靈活的數據對接、策略聯動、數據管理和查看，同時進行物聯網監管、控制，提升智能用電安全管理效率[8]。

1 物聯網技術整體架構

基于通用物聯網分層結構思想，西北大學博物館物聯網技術架構由物聯網平臺層、物聯網傳輸層、接入傳感層三大平臺構成，實現物聯網終端設備接入、信息傳輸以及設備管理、策略聯動、數據分析等功能[9-10]。物聯網技術架構如圖1所示。

接入傳感層是物聯網絡架構中的底層架構，通過WiFi、LoRa網關等設備，作為固定資產終端擴展聯入物聯網，將原本無法聯網、統一監控管理的電路和燈管等設備的數據進行統一采集，并回傳到物聯網平臺做數據匯總；傳輸層由有線、無線、LoRa、WiFi、GPRS等協議組成，在智能用電安全場景下，依托博物館大樓WiFi網絡，結合物聯網LoRa組網，實現底層物聯數據采集以及終端設備控制；感知層是對數據的匯總和分析，并進行智能化統計，對有價值的數據挖掘分析，進行圖形化展示。博物館管理員可以通過移動終端或者監控屏幕直觀了解整棟大樓電路系統的運行狀態。

2 系統硬件設計

電路智能管控系統建設需要對原有樓體空開進行改造，該系統基于CF4-23智能空開進行設計。智能空開模塊設計如圖2所示。

智能空開硬件負責實時監測與采集電路上的電計量數據以及電氣安全數據，通過數字信號及時識別電路風險驅動電機對電路進行通斷電操作，保證電路安全。系統以Microchip出品的MCU芯片作為主控芯片，外圍掛載電計量監測電路，漏電監測電路負責對電氣數據進行監測，及時識別電路風險，掛載電機以及電機驅動電路負責識及時處理風險。通過串口將統計的電氣數據以及用電安全數據發送到通信模塊，最后轉交給平臺進行數據的存儲與分析。

3 系統軟件設計

基于物聯網技術的西北大學博物館用電安全系統主要功能包括：電路預警監測、電路智能管控。電路預警監測實現流程如圖3所示。

空開通過內置的微處理芯片監測電氣狀態、線路溫度、漏電電流，并識別交流電的頻譜信息，當判斷數據異常時，通過程序驅動電機直接斷電，通過數字量進行識別和聯動，相比傳統空開能及時響應電器風險。電路智能管控流程如圖4所示。

空開可支持兩種智能管控方式，分為預警監測后自動斷電以及遠程控制。空開通過電機帶動齒輪、推動操作桿完成開合操作。整體產品框架分為平臺、網關、末端空開三部分。平臺側主要負責設備的統一管理以及遠程控制和數據加工，采用B/S架構，后臺使用go語言開發微服務開發框架，采用LiteIDE集成開發環境。前端主要使用JavaScript編碼。網關側主要將終端上報的物聯網數據轉換為以太網數據并上報到平臺，將平臺下發的以太網數據轉換為物聯網數據發送給終端。使用MIPS架構開發環境，采用C語言進行業務開發，選用GCC集成開發環境。末端空開主要進行終端側的數據采集以及控制操作，采用C語言開發，使用Keil集成開發環境。

4 功能測試

4.1 電路預警檢測

本文應用的智能斷路器用于博物館配電系統，當回路電量過載時，斷路器自動斷開電路。智能斷路器具有信息記錄和通信功能，可記錄開關狀態、電器安全故障等信息并通過總線向主站傳輸；接收主站命令進行分、合操作。對該斷路器進行了分斷試驗，設置空開的過載電流為5 A，實驗過程中電壓為220 V，實驗電流為5.6 A。可以看到，當5.6 A電流持續130 ms后，空開自動斷開，保證電路安全，測試結果符合預期。分斷測試如圖5所示。

移動端預警如圖6所示。

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

通過圖6（a）可以直觀看到，該套系統每天9：30和16：50會自動巡檢，并進行結果分析，顯示正常和異常設備數量；圖6（b）直觀顯示了所有異常設備故障位置，提示工作人員進行點對點維修；圖6（c）展示的是單個設備電路實時監測情況，可看到當前該線路電壓、模塊溫度、漏電電流及線路電流等數據。

4.2 電路智能管控

4.2.1 平臺集中管理

基于空開采集數據-LoRa網關-平臺-數據顯示/人為操作/策略驅動的運行原理，為方便管理所有空開設備，設計了平臺的集中管理功能，實現效果如下：

（1）可通過后臺端對博物館電路運行環境進行實時監測。

（2）當出現異常時，管理人員通過APP或者后臺收到告警信息，可以查看哪個區域，哪個空開，哪條線路出現問題，精準查詢，節省人力，縮小了檢修范圍。

（3）通過平臺集中管理，管理人員可以根據實際用電情況自定義策略，提前設置危險值，當電路異常超出策略范圍時，該策略直接生效，驅動空開的斷開以及閉合，實現智能化管控[2]。

后端電路系統運行如圖7所示。

4.2.2 能耗監管

平臺式智能化管理可以基于探頭監測，對參觀人群進行智能劃分，對于人群密集區域自動啟動光源照明；人群空曠區域自動變暗或者關閉燈源，從而避免光源全天候開啟，造成電力浪費，實現節能。為了更加智能化地監控電路運行情況，本系統還設計了電量統計功能：

（1）可以統計每天電器設備的總耗電量，并精確顯示。

（2）在正常情況下，根據電量的數據顯示，可從側面反應當前電路是否存在設備老化問題，依據耗電異常情況，管理人員可以評估是否需要更換新的電器設備，規避電器風險。

每日用電功率統計如圖8所示。

5 結 語

西北大學博物館物聯網用電管理系統投入運營后，管理人員通過電腦Web界面、手機APP和手機短信，隨時掌握全館用電情況，及時發現電氣火災隱患并進行快速有效處置，最大限度避免電氣火災可能對館藏文物文獻、建筑本體和人民群眾造成的損失或傷害。以西北大學博物館為例的研究分析證明，物聯網技術在博物館用電安全管理中的應用可以有效降低博物館火災發生概率，基本實現防范于未“燃”，在確保博物館安全高效運營的前提下，為博物館的智慧化管理提供更多可能。

參考文獻

[1]鐘國文. 我國博物館觀眾現狀分析與對策思考[J]. 博物館管理，2021，3（3）：74-84.

[2]楊彬蔚. LoRaWAN技術及其在物聯網中的應用[J]. 數字技術與應用，2021，39（4）：43-45.

[3]于萍萍. 文明之殤—巴西國家博物館火災背后[J]. 消防界（電子版），2018，4（19）：10-15.

[4]靳鎧瑞，宋雪華. 巴黎圣母院火災風險分析及管控 [J]. 中國科技信息，2019，31（24）：45-46.

[5]牛富增，趙勇，張彬. 基于LPWAN技術的智慧光學燃氣報警系統設計[J]. 城市燃氣，2020，29（11）：15-19.

[6]劉帛松.下一個5年，LPWAN的發展動力究竟從何而來？ [J]. 單片機與嵌入式系統應用，2021，21（6）：92-93.

[7]楊雪. 博物館安全管理制度體系探究[J]. 文物鑒定與鑒賞，2020，11（15）：134-135.

[8]王一波. 基于LoRa的低功耗廣域物聯網系統設計研究[D].深圳：深圳大學，2019.

[9]聶躍光. 物聯網關鍵技術與應用研究[J]. 計算機產品與流通，2020，37（9）：142.

[10]程家豪. 物聯網中無線通信技術應用分析[J]. 物聯網技術，2020，10（8）：94-97.