物联网技术在秦始皇帝陵博物院环境监测中的应用

2020-11-27李华

文物保护与考古科学 2020年4期

李华

(陶质彩绘文物保护国家文物局重点科研基地(秦始皇帝陵博物院)，陕西西安 710600)

0 物联网技术概述

物联网的构思起源于比尔·盖茨1995年的《未来之路》一书。国际电信联盟(ITU)于2005年正式提出物联网的概念，按照ITU的定义，物联网是将射频识别(RFID)装置、红外感应器和激光扫描器等，嵌入到各种各样的日用品中，如电网、铁路、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道、汽车等各种物体中，将这些物体与现有的互联网连接，使物与物、人与物之间相互沟通，从而实现人员对机器、设备和基础设施的即时管控[1]。目前国际通用的物联网的定义是：是指通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[2]。其实质是利用射频自动识别技术，通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享，其核心技术为传感网技术。简单地说，物联网就是“物物相连的智能互联网”。物联网被称为世界信息产业第三次浪潮，是新一代的网络信息技术概念，代表了下一代信息发展技术[3]。自2009年8月温家宝总理提出“感知中国”以来，物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注。

1 物联网技术在博物馆环境监测中的必要性

“文物预防性保护”的概念自1930年在意大利罗马召开的国际文物保护会议上首次提出后[4]，在国际上已成为文物保护科学的共识，而其前提就是对博物馆文物保存环境的科学化认识，即应用一切相关的科学技术和成果，包括新兴的物联网技术，对馆藏文物保存环境进行有效的监测，进而进行有效的控制，以最大限度地抑制和减缓环境因素对文物材料的破坏作用[5]。1972年，联合国教科文组织第17届大会通过的《保护世界文化和自然遗产公约》中，也对世界遗产的监测提出了相关要求。关于世界文化遗产地的监测开始受到各缔约国的普遍重视，一些文化遗产大国和部分发达国家相继开展世界遗产监测的理论和方法体系的研究与实践活动，使文物保存环境监测成为文化遗产保护的必要和首要环节[6-8]。

物联网系统利用布置在文物周围的各种传感器节点来采集目标区域内的相关数据，并通过各类中继节点的相互协作组成无线传感器网络，并将数据传输至监控中心，以此来实现基于文物现场环境温度、相对湿度、日照强度、紫外线和雨量等有害于文物的信息监测和环境预警功能(图1)。将这些监测终端通过互联网连接，形成管理者、文物现状、环境特点连通的网络，从而实现人员对文物保存环境、文物风化情况的即时管控。

图1 文物保存环境监测“物联网”系统网络架构图[9]Fig.1 Monitoring system of the conservation environment for culture heritages

物联网技术由于能够迎合文物保存环境监测时对文物干预小，及时响应等优点而迅速受到博物馆环境监测者的青睐。已有研究表明采用物联网技术对博物馆环境监测的优势在于[8，10]：1)传感器节点的体积小且整个网络只需要部署一次，传感器网络部署对所监测环境的影响很小；2)传感器节点数量大，分布密度高，具有数据采集量大，空间精度高的特点；3)传感器节点本身具有一定的计算能力、存储与通信能力，可以根据物理环境的变化进行较为复杂的监测，并且在节点间进行实时协同监测；4)文物环境监测点的远程便捷性。人无需去现场，通过物联网就能进行监测工作，实现实时在线监测；5)多功能性。物联网文物环境系统可实现对多类文物环境要素的同步监测。监测平台借助互联网可对各类监测数据快速传输、分类呈现，实现多因素的监测和评估。

2 物联网技术在文物保存环境监测中的应用

2.1 国外应用

物联网技术在文物保存环境监测中的应用最早出现在欧美。1997年英国纽伯里桑达木纪念教堂安装了有线环境监测系统进行室内温湿度监测[11]。1998年加拿大多伦多大学艺术中心在展室布设了有线的温湿度监测设备，进行环境微气候监测[12]。2006年加拿大多伦多艺术博物馆就尝试使用该技术进行博物馆不同展厅温湿度的监测[13]。2009年波兰西里西亚的博物馆使用无线传感器网络对博物馆展厅的温度、湿度和CO2浓度进行监测[14]。2011年意大利佛罗伦萨博物馆使用环境监测系统对馆内16个展厅和4个展柜环境的温湿度进行监测[15]。2014年英国剑桥博物馆使用升级的无线环境监测系统对馆内的每一个展示点进行温湿度及光照和紫外的监测。2015年美国匹兹堡卡内基自然历史博物馆在整个博物馆建筑中布设无线环境监测系统对馆内温湿度进行监测。

综上所述，在博物馆布设物联网环境监测系统是当前国际文物保存环境监测的发展趋势。且随着物联网技术的发展，监测网络从开始的有线监测系统发展到近年来的无线监测系统，系统不断升级，终端设备不断更新，从而使博物馆环境监测更加科学有效。

2.2 国内应用

2.2.1在大型展览中的应用 2007年，敦煌研究院和浙江大学联合开发的敦煌莫高窟环境监测预警系统，可以实时监测莫高窟10个开放洞窟的温湿度及4个洞窟的二氧化碳浓度变化[16-17]。2008年,奥运会期间的“奇迹天工：中国古代发明创造文物展”中使用美国DICKSON公司生产的Wizard系列无线温湿度记录仪组成展馆内的无线传感网络，对文物展柜内、外环境进行连续监测。2010年，上海世博会中国馆铜车马环境监测系统进行了温湿度、二氧化碳和照度实时监测。2011年，西安世园会实现了长安塔铜车马保存环境中的温湿度、照度、紫外线和二氧化碳的实时监测。2013和2014年，“真彩秦俑展”和“辉煌时代——罗马帝国展”中使用无线监测系统对展柜及展厅环境中的温湿度、二氧化碳等环境因子进行持续监测。

2.2.2在博物馆及遗址环境监测中的系统应用相比与欧美国家，物联网技术在我国的文物博物馆环境监测中，受国家政策的支持，应用更为广泛和系统。2009年起，国家文物局进行了系列部署，在战略规划层面、需求分析方面、应用试点方面组织开展了一系列科研课题，从多学科、多角度探索了物联网技术在文化遗产保护领域中的应用前景。在此基础上，国内其他博物馆相继进行了博物馆物联网环境与文物本体的监测系统的建设尝试，如敦煌莫高窟建设了基于物联网技术的微环境监测与游客流量监测系统；陕西历史博物馆环境监测系统；汉阳陵博物馆环境实时监测系统；唐顺陵陵区及文物本体监测系统；汉长乐宫遗址保护区环境实时监测系统；长安区凤栖园汉张安世墓葬遗址环境实时监测系统；三星堆博物馆环境实时监测系统；广东省博物馆环境实时监测系统；南京大报恩寺遗址环境实时监测系统等。

秦始皇帝陵博物院为目前中国最大的遗址博物馆之一，已经对外开放的遗址馆有5处，遗址分布较广，环境类型较全，包括遗址、普通展厅，还有库房。秦始皇帝陵博物院使用物联网进行环境监测开始较早，自2010年开始布设监测系统，建成国内第一批博物馆物联网环境监测应用示范系统。经过多年的补充完善，实现了博物院文物保存区域的全部覆盖和基础环境因子的全面监测。对秦始皇帝陵博物院的环境监测系统进行分析评价，对国内同行在该领域的应用、研究，给予借鉴，以扬长避短。

3 物联网技术在秦始皇帝陵博物院环境监测中的应用

3.1 文物环境监测物联网系统的应用概况

秦始皇帝陵博物院物联网环境监测系统在2010年开建初期，只针对博物馆一号坑及文物修复室、分析实验室和文物库房，区域相对集中，环境监测主要针对环境温湿度及二氧化碳浓度。目前，已实现对兵马俑博物馆三个俑坑的全部覆盖，涉及的环境要素也逐渐增多，除原有的环境温度、相对湿度、二氧化碳浓度，增加了照度、紫外线及遗址表层土壤温度、含水量、含盐量。目前布点区域较广，布设监测终端数量较多的依旧是温湿度测量终端。所以相对稳定和基础的监测依然是温湿度及二氧化碳的监测。

3.2 秦始皇帝陵博物院环境监测中应用的物联网技术

3.2.1探头/监测终端——物联网的前端技术根据具体的监测需求，确定传感器的类型，并根据测量环境情况对所需传感器灵敏度、响应频率、线性范围、稳定性、精度进行筛选，最终选择了以下10种传感器芯片和探头作为室内环境监测和气象环境监测的硬件设备：大气温湿度监测传感器SHT15，土壤温度传感器PT100，土壤含水率传感器FDS100，二氧化碳传感器S100，光照度传感器RY-G/W，紫外线传感器RY-ZW，超声波风速风向传感器WINDCAP®，降雨量传感器RAINCAP®，大气压传感器BAROCAP®，气象站温湿度传感器HUMICAP。

3.2.2物联网的平台——物联网的应用/控制平台

硬件方面，在文物保护现场使用多种无线传感器节点监测环境，并通过自组织方式将各个节点组成无线传感网络，通过各个节点的相互协作将环境参数实时传输到监控中心，以此来实现基于文物现场环境温度、相对湿度、日照强度、紫外线、雨量等有害于文物的信息监测和预警功能。最终实现对文物保护现场环境参数在线实时告警和监控。系统主要硬件从种类上划分为数据采集节点、中继和网关。

软件方面，将采集到的数据进行存储、管理和规划，在需要的时候对其进行数据挖掘和重组，通过对实时数据和历史数据的分析，实现对文物保护环境的分析。软件服务主要是监测节点管理、实时数据显示、历史数据显示、工作参数的设置。

3.3 秦始皇帝陵博物院物联网环境监测系统

3.3.1秦陵博物院物联网环境监测系统秦始皇帝陵博物院物联网环境监测系统由应用层、网络层、感知层三层结构组成。感知层主要为温湿度等各类传感器作为监测终端，及传感网来采集各类环境信息；网络层包括物联网与互联网的融合网络，将感知层获取的信息进行传递和处理；应用层是各个区域监测系统与系统管理平台。整个系统(图2)通过各种传感设备对大气环境中的温湿度、二氧化碳、光照、紫外线等要素进行数据采集，并通过无线传输将现场数据传输到监控中心，由监控中心实现对环境自动监测。

图2 环境监测系统结构功能图Fig.2 Structure function of the environmental monitoring system

3.3.2秦陵博物院物联网环境监测系统功能文物保存环境监测子系统的主要功能是采集温度、湿度、二氧化碳、照度、紫外线强度等环境要素数据。以列表、图形等形式，实现文物保存环境状况的实时呈现、阈值报警、历史数据查询、数据分析等功能。通过汇总各类信息生成用户自定义报表，支持监测数据的导出。

3.4 秦陵博物院物联网环境监测系统数据有效性及传输便捷性分析

为评价物联网获取及传输数据的质量，本工作在博物院的某展柜中分别放置温湿度无线监测设备(MW301GA-HN)和具有数据连续存储功能的温湿度记录仪(Testo175H1，经过陕西省质量监督局的校准)(图3)，进行温湿度监测结果对比。结果显示，两种设备监测结果的总体变化趋势保持一致(图4)，表明两种监测设备监测数值的相对有效性。但无线监测设备由于长时间(超过一年)没有校验，湿度略有漂移，表明定期(根据传感器本身的精准度，采取半年或一年的周期)校验的必要性。此外，和普通监测设备相同，也可通过对物联网输入数据库中的数据进行深层的数据挖掘，以各种方式将环境参数的历史数据以不同方式呈现，方便用户对数据进行分析、整理和发展趋势判断，总结环境参数的变化规律。

图3 临展环境监测布点情况Fig.3 Environment monitoring assignment diagram of a temporary exhibition

图4 使用无线(上)和常规连续(下)监测方式对温度和相对湿度的监测结果Fig.4 Comparison of temperature and relative humidity inside display cabinets using different monitoring ways

借助无线监测设备，可在软件界面上以图和数值的形式直观显示各环境参数(图5)，使工作人员能同步感知不同文物保存区域的环境状况。也可以调取所需监测点的监测结果进行环境状况检查并进行对比，而无需到现场或开启展柜等来读取数据，也节省了人力资源，降低了劳动强度。此外，通过在软件界面上对监测节点的部署情况进行显示，能够直观显示监测节点的工作状况和分布情况(图6)。此外，通过对软件界面的设置，能够远程对单个或多个监测节点进行工作参数(包括均峰获取时间、数据获取间隔、传感类型精度、监测数据公式计算参数)的直接设置(图7)，实现对工作节点的远程控制。

图5 不同区域实时数据的同步显示Fig.5 Monitoring data’s synchronous show of several sites

图6 监测节点管理界面图Fig.6 Interface of monitoring sites

图7 工作参数设置界面图Fig.7 Environment parameter set interface

采用物联网技术对博物馆环境进行监测，对所监测环境的影响很小，即不需要频繁开启展柜或到展厅现场进行数据下载，直接在办公室电脑上就可以查看目标环境的监测结果，从而减少了对文物保存环境的干扰，并可同步获取不同监测区域的环境状况，及时发现问题，及时发布预警警告。

3.5 拓展预警监控功能

对物联网红外传感技术系统中的一些参数设置上下限后，一旦超过限值，系统自动启动报警装置，提示工作人员及时调控。系统本身也可以根据馆内各展厅要求不同，对展品存放的温度、湿度、有害气体浓度和光照等多种物理量，设置上下限，判别展厅环境是否良好，实现环境预警。尤其随着展厅人流量增长而引起的污染气体浓度增加、室内温度上升、湿度上升和颗粒物浓度发生变化等情况，通过传感器监测的数据，设置监控预警提示，进而引导工作人员采取环境调控措施，如指示其对展厅人流进行相应引导疏散。或在配备调控系统的情况下，将预警指示与调控系统关联，自动启动调控装备，如空调或恒湿调控净化装置，自动采取调整措施，使文物保存环境趋于设定值。

物联网技术保证了问题的及时发现和及时处理，提高环境响应速度，使文物保护环境的快速调控成为可能。

3.6 有待改善的物联网技术环节

设备在监测中具有很好的时间连续性和规律性，只要电池供给充分，结果就能持续地记录下来。而无线设备受网络连通性、网络电源和自身电池等多种因素的影响，只要一种条件不满足，就会造成数据丢失。如图8所示，因夜间切断电源引起的断网情况，出现大段时间数据缺失。图9则显示了因传感器自身供电不足引起的数据记录停止情况，造成低电压或超时现象。尤其一些复合的传感器(如温湿度及二氧化碳：合一传感器)本身耗电量大，而电池配备容量不足，断电频繁，造成数据缺失。图9展示了受多种情况的干扰和网络自身的特点引起的数据接收不规律，使工作人员无法采用数据处理软件对数据进行统一处理。大多数情况下，只好对所有数据一一检查后，手动处理，费时又费力，数据处理效率急剧降低。

图8 传感器工作状态显示界面Fig.8 Sensor working state interface

图9 无线设备(左)与普通设备(右)的监测时间间隔Fig.9 Time intervals of the wireless device and the common device

目前，可与物联网配套的各种环境传感器功能还比较单一，精度不高，与传统连续监测设备相比，极值的监测不够准确，可监测的污染物种类较少，可靠性不高；大部分依靠进口，价格和维护成本较高。而且传感器精度要与博物馆环境的环境因子的监测范围相适应，传感器精度的提高和大批量校准将成为物联网应用于文物保存环境监测时必须面对的问题。