基于LabVIEW的博物馆多情景环境检测系统

张秦伟 邱力军 屈硕 王雨婷

摘要：博物馆是重要的文化场馆，收藏的历史文物种类繁多。现阶段文化实力在综合国力中占据的比重日益加大，文化交流与输出对国家的全面发展至关重要，对博物馆文物管理工作提出了更高的要求，尤其是要提高文物的保护能力与水平。现如今，虽然大多数博物馆已配备了完善的现代化文物保护系统，但在现代化设备没有那么完善的博物馆，遇到文物巡展等工作时，文物保护工作就没有那么顺利。文章基于此问题，设计了博物馆多情景环境检测系统。该系统硬件采用ART公司DAM-3158A模块、中创智合公司YX1210模块以及各类传感器来完成搭建；软件采用LabVIEW开发，完成关键数据的处理及对下位机的控制，为文物提供稳定、适宜的保存及展览环境。软硬件通信采用基于RS485的Modbus通信模式。

关键词：文物预防性保护；LabVIEW；RS485

中图分类号：TP212文献标志码：A

0 引言

文物是人类宝贵的文化遗产，是精神文明的具象体现，见证了历史的发展与变迁，是极为珍贵且不可再生的文化资源［1］。常规的文物保护方法无法满足文物外出巡展所遇到的各种问题，小型博物馆也没有完善的配套设施，这些都造成文物损坏的潜在危险。随着国家越来越重视文化的软实力提升，文物的保护工作得到了政府及各界人士的支持，这使得文物保护工作成为一种发展趋势，也具有良好的应用前景。因此，应用一切与博物馆环境相关的科学技术和研究成果，对馆藏文物保存环境进行有效的监测和控制［2］，从而最大限度地抑制和减缓环境因素对文物产生的破壞作用。这不仅是文物预防性保护的关键，也是当今世界范围内文化遗产保护领域的发展趋势。

1 系统设计

1.1 系统总体框架

此系统采用模块化设计的方法，首先，由传感器采集文物当前状态的数据，传送给采集系统完成数据采集工作，采集系统将数据传送给上位机；其次，上位机处理数据并判断当前数据是否在合理区间内［3］，如若不在，则报警提示操作员，并立刻驱动控制系统完成相应的操作，让文物始终处在一个恒定的环境之中；最后，将报警信息及当前数据显示在前面板上以达到让文物所处环境处于恒定状态的效果。上位机还存在远程视频监控以及历史数据存储的功能。本文的系统总体框架流程如图1所示。

1.2 硬件设计

数据采集模块分为AI和DI两部分。本文AI采集主要选用ART公司的DAM-3158A这款产品，该模块主要测量文物所处环境的温度值、烟雾值以及光照强度值。DAM-3158A为8路差分模拟量输入，16位AD，模拟量输入隔离，RS485通信接口，带有标准Modbus-RTU协议。

AI采集地址分配如下：

通道0采集环境烟雾浓度，量程为0～10 V；通道1采集环境光照强度，量程为0～10 V；通道2采集环境总温度，量程为0～20mA；通道3采集环境左温度，量程为0～20mA；通道4采集环境右温度，量程为0～20mA。

DI采集及控制设备模块选用中创智合公司的YX1210模块，此模块可以采集数字量，也可以输出数字量驱动继电器动作。本模块采用32位ARM处理器、数字输入量和数字输出量使用高速磁电隔离及光电耦隔离技术。宽电源供电，通信输出RS232、RS485，以太网接口可选，标准的 Modbus-RTU 通信协议，可与 PLC、组态软件、文本显示器等进行组网，具有10路继电器输出、12路开关量状态采集，开关量输入采用双向光电二极管，可支持共正或共负方式电平信号输入。RS485通信为后续上位机开发提供了便利。

由于DI采集模块是24 V供电，传感器输出电压的最大值为5 V信号，所以须给传感器后端接一个继电器，再将继电器输出端接入DI端，才可以采集到数字量信号。

DI采集地址分配如下：X0采集1号文物的振动状况；X1采集2号文物的振动状况；X2采集3号文物的振动状况；X3采集环境湿度状况。

DO输出控制地址分配如下：第0路继电器控制总报警灯，无论什么环境参数超过设定值都将报警，若同时都超过报警值第0路依然报警；第1路继电器控制处理烟雾设备；第2路继电器控制遮光设备；第3路继电器控制降温设备；第4路继电器控制左边加热片工作；第5路继电器控制右边加热片工作；第7路继电器控制总加热片工作（可实现切换高低挡位加热），第1～第7路接设备的同时接通一个工作指示灯标志着目前正在处理某一报警，接线方式采用设备与继电器串联接法，同一设备并联接入，工作指示灯也并联接入电路。

控制模块还有视频监控的功能，安装摄像头可以让操作者在文物遇到危险时第一时间查看到文物的当前状态。摄像头选用2K高清电脑摄像头，可直接通过USB与PC机相连，通过程序的编写可实现监控功能。

1.3 软件设计

此系统上位机采用LabVIEW进行开发，像C或C++等其他计算机高级语言一样，LabVIEW也是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。LabVIEW也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步等。LabVIEW的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其他语言的开发环境更方便、更有效。而且，LabVIEW与其他计算机语言相比，有一个特别重要的不同点：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码行，而LabVIEW采用图形化编程语言——G语言。LabVIEW能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将烦琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便。与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85％以上的程序开发时间，其运行速度几乎不受影响，体现了极高的效率。

在对博物馆环境进行了解后，对上位机功能进行规划，大致可以划分为用户管理模块、系统测试模块、数据存储模块以及辅助模块。

为了使上位机各模块之间具有较强的适应性及联动性，提高软件的编程逻辑，需要在写功能模块之前先构建一个合适的框架，保证后续子VI可以有序完成。目前，常规的软件框架为：生产者消费者模式、QMH框架、状态机等，本文选用QMH框架完成上位机软件整体的搭建。软件整体流程如图2所示。

数据的采集及控制指令的下发主要利用VISA函数包来完成。VISA 函数在函数面板的仪器I/O——>串口子面板中，通过串口子面板中的这些 VISA 函数可以与GPIB、USB、串口等中的任何一种总线通信。用 LabVIEW 来写串口驱动控制仪器一般的流程为：配置（打开）串口、读写串口、关闭串口［4］。例如，一般的VISA函数编写步骤如图3所示，此方式下的校验码必须手动编写，否则程序会报错。

2 软硬件调试

2.1 系统测试

本文完成軟硬件的设计开发以及搭建后，对设备进行了软硬件联合测试，以保证系统运行的稳定性与智能性，从而为设备后期正式使用打下良好的基础，同时也便于找出一些程序编写时出现的漏洞，从而更进一步完善系统。

在实验室完成了初步的调试工作，在测试阶段不但采用分模块分功能进行单独测试还采用多功能联合测试，极大地保证了系统的稳定性，方便对实验室模拟环境的变化进行测试。

2.2 结果分析

本文检测了各传感器的灵敏度，以温度传感器为例，利用红外测温仪测得室内温度，和上位机显示温度进行对比，得到表1的实验数据，说明传感器误差范围在可接受范围内，其余传感器类似。

经测试，无论在单一情况下还是多种异常情况下，采用基于RS485的ModBus协议传输数据稳定，满足设计要求，最大化地保证文物受到准确、高效的保护。传输指令的速度也十分快，能很快地将动作命令下发至动作设备，动作设备的响应时间也十分短且工作状态稳定。出现报警时上位机与下位机的状态一致，可以给文物管理员提供正确的信息。上位机其余功能也出色地发挥了作用，视频调用稳定，程序稳定性高，数据存储功能也能将数据不差分毫地记录下来。

3 结语

经测试，本系统能完成传统文物保护设备所能完成的工作，且完成效率更出色，数据传输的稳定性得到了提高，除此之外，其还具备传统设备所不具有的振动监测功能、远程视频监控功能、用户管理功能以及报警信息存储及分析功能。本设计的集成度高，功能更为全面，应用范围也较传统设备更为广泛，可应用于之前没有涉及的文物巡展过程之中，让文物在巡展过程中可以得到不限于安保措施的保护，更重要的是得到了对其所处环境安全的保护，达到传播文化以及保护文化的目的，拥有广阔的市场前景，现实意义显著。

本系统也存在着一些问题，在展览时，加热片虽然能很出色地完成任务，但其影响游客观赏性。传感器的位置也显得较为突出，影响观感。通信方式目前采用有线通信，导致线路过长，后续将换用网络接口，上位机已预留转换函数，框架也初步搭建完成，只需要改变通信VI便可实现。目前主要功能的实现都已趋于稳定，满足设计技术要求。

参考文献

［1］孔志刚.预防性保护视角下的博物馆文物管理探究［J］.中国民族博览，2022（8）：193-195.

［2］孟祥鹏.文物预防性保护在博物馆中的应用策略［J］.文物鉴定与鉴赏，2022（6）：42-44.

［3］何东，于纪言，刘旭博.基于LabVIEW和RS 485总线的CO浓度维持系统［J］.现代电子技术，2019（15）：116-119，122.

［4］韩天琪，杨忠明，胡建华，等.基于STM32及LabVIEW的厨房环境监测系统［J］.信息技术与信息化，2022（2）：94-97.

（编辑 李春燕）