无线传感器应用于古建筑内部环境监测

2018-10-08蒋维乐JIANGWeile张福政ZHANGFuzheng杨靖文YANGJingwen戴昕芮DAIXinrui

住宅科技 2018年9期

■ 蒋维乐 JIANG Weile 张福政 ZHANG Fuzheng 杨靖文 YANG Jingwen 戴昕芮 DAI Xinrui

0 引言

当前，信息技术已经普及和应用到了文化遗产领域的各个方面，如文物保护[1-4]、古建筑保护与修复[5-9]等，并都以自身的学科特色寻找技术与实际工作的切入点。在这一领域，信息技术最显著特点是应用性，如何有效地将信息技术与文化遗产保护工作有机结合起来使其充分发挥作用[10-13]，这是值得认真研究探索并付诸实践的重要研究内容。

对于古建筑内部环境的保护与修复方案的制定，必须考虑外在环境及人类活动对它的影响，需要对若干客观因素进行准确的信息提取与分析，以保证其预测性与前瞻性[14-15]。本文将无线传感器及网络传输应用于古建筑内部环境检测中，完成了包括传感器节点、网关节点、基站和远程终端的检测系统的总体系统方案设计。此系统技术的支持能够在古代建筑内部空间的复杂环境中，通过布置在待保护古建筑上的微型传感器所形成的数据通过网络传输，实现各项关键参数指标，如温度、湿度、空气质量等的实时监测，精确地提供有效数据背景，并模拟此背景下古建筑的环境形态[16-19]。这将给予古代建筑内部环境保护与修复方案制定时必要的技术指标与科学数据分析；同时，能够在建筑文化遗产保护与修复项目中，实现运用信息思维方法指导古建筑遗址保护与修复方案的整体策划，以及在古建筑遗址的信息管理、应用及展示时给予可靠的研究基础[20]。

1 系统方案设计

在待保护的古建筑内布置若干个无线传感器节点，通过其附带的各种传感器，采集需要密切关注的参数指标，并通过自适应构建的无线网络传递给汇聚节点。随后，汇聚节点根据周边网络情况，通过有限的光纤网络或无线的4G网络将数据传送到云计算的信息服务平台，供监控中心和移动终端用户实施访问和获取数据。

1.1 总体系统方案设计

图1 系统总体结构图

图2 传感器节点组成结构图

本文所述的监测系统包括传感器节点、网关节点、基站和远程终端（图1）。传感器节点组成结构（图2、3）包括传感器模块（表1）、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块，其中，处理器模块和无线通信模块分别采用8051单片机和CC2530芯片。网关节点包括中央处理单元、存储单元、射频收发模块、GPRS通信模块和数据采集模块。基站包括可以完成数据汇集的节点和一台可以连入网络的计算机，两者通过USB接口相连接。远程终端连入Internet设备，如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机等。根据远程终端的不同，通过Labview等软件设计编写图形用户界面，或在Andriod系统下利用Java语言编写软件，用户通过远程终端可以实时查看监测数据信息和发布控制指令，并可以设置预警阈值、下载数据等。

将监控温度、湿度、PM2.5浓度和烟雾浓度等环境参数的传感器节点部署在最底层，再向上依次布置网关节点、基站，远程终端设备则通过Internet与基站连接。为了保证监控系统的可靠性和监控数据的准确性，在古建筑监控区域内密集布置大量的传感器节点，传感器节点可以自组织形成网络，采集信息后向网关发送数据，网关节点与基站之间通过传输网络连接，基站负责收集传输网络送来的所有数据，并且发送到Internet上传送到一个中心数据库，由中心数据库提供远程数据服务。所有可以连入Internet的远程终端都可以访问数据库和向基站发布各种命令。

图3 传感器节点模块装置实物图

表1 监测节点使用的传感器规格表

监测系统结构简单，安装方便。与有线技术相比，无线传感器网络系统增加或更换节点相对比较容易，整个网络的拓展性强，也易于维护。此外，传感器节点的采集频率可以人为设定，如初始采集频率可以设置为5s采集一次。如图4所示，传感器节点只有在采集数据和传送数据时才会被唤醒，在其余时间都处于休眠状态，能耗低，运行成本低。

1.2 供电系统方案设计

传感器节点装置采用自供电和电池供电的组合形式。自供电是指通过太阳能电池板供电，干净无公害，不受资源分布地域的限制，可在用电处就近发电，能源质量高。自供电式能量供应则包括太阳能电池板、控制器、蓄电池和继电器模块（图5）。电池供电则采用电池盒和继电器模块组合的形式。

图4 节点休眠和唤醒流程图

图5 自供电系统组成结构

图6 为系统供电流程图。在太阳能充足的情况下，连接节点负载和控制器的继电器模块1常闭，而连接电池和节点负载的继电器模块2常开，此时为太阳能供电；如果因为连续降雨、阴天等因素的影响导致太阳能不足，即监测到太阳能供电系统的输出电压＜5V，不能满足节点负载正常工作的驱动电压要求，此时，连接节点负载和控制器的继电器模块1断开，而连接电池和节点负载的继电器模块2闭合，采用电池供电的方式；当太阳能供电系统的输出电压≥5V时，继电器模块2断开，继电器模块1闭合，又回到初始的太阳能供电方式。通过这种组合供电的形式，既可降低成本，符合绿色产品要求，又可避免外界环境因素的干扰，保证系统的稳定运行。

2 监测系统软件平台及结果分析

2.1 系统监测平台

本系统所采用的监测平台是用Labview软件编写的图形用户界面，传感器节点采集到的温度、湿度、PM2.5浓度等室内环境参数，均可以在监测平台实时显示，并对各环境参数人为设置上限值，实现超限预警（特别是对CO、SO2、烟雾和震动实现定点超限预警），方便工作人员及时查看。

本文模拟古建筑遗址室内环境参数的监测，通过对室内1和室内2的环境参数监测来验证监测系统的可靠性（图7～10）。

2.2 监测数据结果分析

利用本监测系统，分别对西安某历史文化遗产建筑内的两个房间进行了室内环境监测，观察其24h的环境变化情况（图11～13）。

图6 系统供电流程图

图7 室内1环境参数实时监测

图8 室内2环境参数实时监测

由上述各监测结果曲线图可知，两个房间的室内温湿度和PM2.5浓度变化比较平稳，温度和湿度均未超过设置的上限值，未发生预警情况，PM2.5浓度值均小于50ppm，空气质量为优。CO、SO2、烟雾和震动采用的是开关信号传输，由图10可知，数字“1”表示正常，数字“0”表示不正常。工作人员可以根据实际情况人为设定阈值，如果监测到的数据超过设定的阈值，输出信号就会由数字“1”变为数字“0”。根据现场监测结果，CO、SO2、烟雾和震动未发生预警情况，所以各环境参数均在正常范围。总之，利用本系统可对古建筑遗址室内的温度、湿度、PM2.5浓度、震动、烟雾和CO、SO2等有害气体情况进行监测，系统稳定可靠。