物联网技术在博物馆智慧化文物保护中的应用

薄萍

摘 要：物联网技术在博物馆文物保护中的应用，可以有效提升博物馆文物保护的智慧化水平，更加契合智慧博物馆的发展要求。本研究设计了基于物联网技术的博物馆智慧化文物保护系统，该系统采用三层式架构，感知层通过在馆内各个区域布设传感器设备，获取各类文物保护相关信息，通过网络层上传至应用层，应用层中的博物馆文物保护综合管理平台负责各项文物保护管理功能的实现。该系统主要有文物保护环境监测与智慧化服务两大功能，同时考虑到了文物保护与传承，以文物保护环境监测实现对文物的预防性保护，以智慧化服务优化游客观赏体验，使更多的游客可以感受到文物的文化魅力。

关键词：博物馆；文物保护；物联网技术；藏品管理；智慧化服务

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.01.010

0 引言

智慧城市的发展，带动了博物馆现代化建设的变革，智慧博物馆已然成为新时期博物馆转型升级的必然路向。智慧博物馆建设的核心技术包括大数据、物联网、移动互联和云计算，以四大核心技术驱动业务智慧化变革，是智慧博物馆的核心任务。党的二十大报告提出，“加大文物和文化遗产保护力度”，同时提出的“实施国家文化数字化战略”也为博物馆文物保护工作指明了方向。博物馆需要采用先进的数字化技术实施智慧化保护，这也是智慧博物馆转型过程中的重要工作内容。物联网技术目前在很多领域均有应用，可以在复杂的博物馆建筑结构内提供强大的网络服务，实现文物保护数据的快速传输，对文物保护工作的高效开展具有重要支撑作用。鉴于物联网技术在博物馆文物保护工作中的强大应用优势，目前国内已有了一定的相关理论研究与实践探索，但大多仅关注到物联网技术在藏品管理中的应用，忽视了文物保护。物联网技术的应用不仅在于保证文物的完整性，更在于使更多的人通过观赏文物获取到其背后的文化内涵，实现传承與弘扬中华优秀传统文化的目的。本研究从这一角度出发，提出了物联网技术在博物馆智慧化文物保护中的应用方案。

1 博物馆智慧化文物保护的发展

随着物联网、元宇宙等新兴技术的发展，传统博物馆文物保护手段逐渐表露颓势，难以适应国家对文物保护工作提出的新要求。在此背景下，物联网技术开始向博物馆领域渗透。物联网技术在国内文物保护领域的应用起步较晚，至今物联网技术的应用尚未成熟，应用范围尚存在明显的局限性。物联网技术在国内博物馆文物保护领域中的应用大致起步于21世纪初，主要表现形式为以收藏职能为切入点，实施一系列以文物藏品为主的关于数字影像、收藏信息等基础资源建设，如南京博物馆的汉代铜牛灯的数字模型。随着对物联网技术理解与应用的加深，物联网技术在文物保护领域的应用范围也逐渐展开。2006年，故宫博物院开始应用物联网技术进行展厅内文物保护环境监测工作。2009年，国内出现了首家采用RFID电子门票的博物馆—中国科技馆新馆，并带动了故宫博物院、河南博物院等一众博物馆纷纷开始采用RFID电子门票。2012年，由中国科学院上海高等研究院院长封松林主持的“文物保护领域物联网建设技术创新联盟成立大会暨智慧博物馆—第二届文物保护领域物联网应用与发展研讨会”在上海召开，开启了我国博物馆文物保护领域应用物联网技术的新篇章。迄今为止，物联网技术助力博物馆智慧化文物保护已成为一种普遍性实践，物联网技术的应用范围也从最初的单一藏品管理，转变为藏品管理、环境监测、展馆展示等，智慧化文物保护成果显著。

2 基于物联网技术的博物馆智慧化文物保护方案

2.1 总体框架设计

本研究设计的基于物联网技术的博物馆智慧化文物保护系统，采用标准的三层体系架构，包括感知层、网络层与应用层（图1）。感知层由各类物联网节点构成，包括RFID标签、RFID阅读器、温湿度等规格类传感器、摄像头与移动端设备，通过各类物联网节点获取博物馆各类文物的属性与环境信息。网络层同时采用无线网络与有线网络，网络层负责将感知层采集的各类文物属性与环境信息上传至博物馆文物保护综合管理平台。应用层是系统的核心部分，应用层负责处理网络层上传的各类文物相关数据，通过博物馆文物保护综合管理平台进行文物保护全流程管理。不同层间的信息传递具有双向性，可以实现交互控制。同时，不同层间的传递内容也具有多样性特征，可传递RFID标志编码、文物属性数据、物联网监测数据以及信息传递反馈结果等。

2.2 基础模块设计

基础模块主要实现人、文物与设备的信息管理，对应划分出3个子模块：①用户管理模块。该模块主要负责用户登录与权限管理，用户可分为一般管理人员与超级管理人员两类，一般管理人员的权限包括信息查阅、文物日常盘点、文物流通登记，超级管理人员除了上述权限以外，还具备文物出入馆登记、物联网设备添加或删除权限，用户登录管理可以避免无权限人员的登录以及错登问题。在具体实现时，需要在数据库中建立用户与权限关系表，用户编号与权限编号采取多对多的关系，由权限编号与用户进行对应，向用户分配权限，用户在实施功能操作时，识别用户是否具有相应的权限，若没有则直接给出信息提示，并拒绝用户使用该功能。②文物管理模块。该模块主要负责文物信息的录入、查询、显示、统计、打印与导出等，其中针对文物信息查询设计了简单查询、条件查询、模块查询与批量查询四种查询方式，以便于用户快速找到对应的文物信息。文物信息包括文物名称、类别、等级、登记号、质地、保存状态、来源、正视图、俯视图、局部图等，通过RFID电子标签可获取文物信息。电子标签读取方式分为固定式读写器与手持式读写器两类，当环境内存在多个电子标签时，采用手持式读写器进行人工录入。③设备管理模块。该模块主要负责馆内各类设备管理，包括RFID电子标签、RFID读写设备、温湿度等传感器设备等。因为设备类型众多，可能面临着数据传输格式多元化而引起的无法统一管理问题，因此需要采用设备管理模块实现统一管理，用户需要根据构建的感知节点信息模型录入设备，并将对应的信息模型上传至传感器资源管理平台，从而实现各类设备的标准化管理。

2.3 文物保护环境监测设计

博物馆文物保护工作受到客观环境影响非常大，包括温度、湿度、光照等，因此需要进行文物保护环境监测。文物保护环境监测的实现同样需要感知层、网络层与应用层的共同配合。感知层通过在馆内布设各类传感器节点，进行温度、湿度与光照数据的采集，传感器节点通过统一的路由协议，将所有数据汇聚到汇聚节点后，通过网络层传送至博物馆文物保护综合管理平台，由环境监测管理模块进行存储、分析与处理，从而完成对环境数据的实时监测。

所有传感器节点均具备收集与处理数据、无线通信的功能，传感器节点的构成包括传感模块、数据处理模块、数据传输模块与能量供应模块。①传感器模块。该模块主要负责数据收集，通过在馆内各个区域配置传感器模块，实现对全馆范围内的环境数据实时采集，传感器模块主要应用的传感器类型有温湿度传感器与光照传感器，传感器模块可以将收集到的环境信息转化为数字信号。②数据处理模块。该模块主要负责处理传感器模块以及其他节点采集的各类环境数据，该模块由嵌入式操作系统构成。此外，该模块还具有协调传感器各部位以及控制電源工作模式的功能。③数据传输模块。该模块主要负责将传输器输出的数据通过网络层上传至博物馆文物保护综合管理平台，该模块需要解决无线通信方式中载波频段选择、信号调制、数据传输速率、数据编码等问题，可以通过有线通信与无线通信相结合的方式进行节点间与平台间数据的收发。④能量供应模块。该模块主要负责向传感器设备供应电能，电源管理单元用于选通各类传感器，所采用的芯片为多路器芯片ADG715BRU，通过12C总线进行智能化控制，使传感器在使用过程中带电，否则将处于休眠状态，符合新时期的节能用电理念。能量供应模块负责向其他三个模块供电，一旦能量供应断开，节点会立刻退出网络中，其余节点再次组网，原本路由随之改变，因此可通过能量供应模块决定网络节点的使用时间。考虑到馆内走线不便利，且容易造成火灾安全隐患，采用电池作为电源。

此外，管理平台中的环境监测管理模块嵌入了云服务平台，云服务平台是实现文物保护环境功能的关键。云服务平台通过AI算法、深度挖掘技术等核心技术构建数据模型，通过数据模型对网络层传输的环境监测数据进行处理与分析，并实现智能化预警（图2）。在云服务平台中，互联网设备入网、认证和管理系统负责接收传感器节点传输的数据，并对数据进行认证与管理，确保采集到的数据为有效数据，并上传至监测数据分析处理系统进行分析与处理，形成可视化数据处理结果，将其结果存储到数据存储及维护系统。相关管理人员可通过信息发布服务器调取可视化处理结果，利用设备远程更新与指挥系统向各个传感器节点发布查询、监视等控制与管理命令。

2.4 智慧化服务设计

博物馆文物保护除了要重视环境监测以外，还需要注重服务的优化升级，使更多的游客享受更优质的文物观赏体验，因此在系统中嵌入了智慧化服务管理模块。智慧化服务管理模块的主要功能有智慧化导航服务、智慧化信息服务与开放式资源服务。①智慧化导航服务。目前很多博物馆已经非常注重智慧化导航服务，传统导航服务通常分为两种模式：一种为导游讲解，这种模式形式较为单一，部分游客若对文物产生探究兴趣，需要对文物的历史根源进行深度挖掘，此时导游就难以满足游客的个性化需求；另一种为自行观赏，这种模式下游客只能通过实物与文字来了解文物，内容过于书面化，游客体验效果不佳。而智慧化导航服务需要充分利用互联网技术、VR技术、AR技术等，打造虚拟博物馆，以虚拟服务人员引导游客观赏，在文字介绍的基础上会配有相应的图片以及虚拟服务人员的讲解，当游客需要深度了解时，虚拟博物馆还可以弹出与之相关的网络链接，以获取到更多的相关信息。同时，虚拟博物馆一比一还原真实博物馆，游客在虚拟博物馆中可有与实体博物馆相似的参观体验，使更多的游客足不出户便可了解馆内各类文物。②智慧化信息服务。博物馆的主要服务对象有外来游客与本地参观者，智慧化信息服务面向主要服务对象提供个性化信息服务，具体是指服务方式个性化、服务内容个性化、预订服务个性化。服务方式个性化是指采用现代信息技术进行个人信息内容定制以及在线咨询服务，需要创建电子资源数据库，通过构建用户画像模型进行游客个性化需求的识别，从而精准推送其需要的信息服务，并以人机交互的方式增强服务体验。博物馆需要提供App无线网络接口，游客可通过智能终端下载App，并通过内部局域网进行RFID标签扫描，从而获取文物信息及相关讲解视频。服务内容个性化是指用户可通过个人门户定制其关注的文物领域，如朝代、文物类别等，若馆内藏品有相应更新，会通过个人门户向用户进行推送。预订服务个性化通过RFID电子标签识别用户所需服务的时间、空间及特征，并向用户及时推送准确的服务信息。③开放式资源服务。主要目的在于实现全方位的人机交互一站式信息服务，这一点也是智慧化导航服务与智慧化信息服务难以实现的。开放式资源服务是指通过大数据技术对文物数据进行归类与整理，并向游客主动推送数字文物资源，需要向游客开放博物馆门户网站与服务平台入口，从而实现游客在线进行查询与检索。博物馆需要建立数字文物资源库，按照数字资源将所有内容划分为可供查询与可供观赏两类。针对可供查询的内容，应覆盖各项文物资源，做到精准地向游客推送其潜在的需求资源。便于用户进行存取，需要最大化地以当前数字文物资源进行管理与规划，使其尽可能自由开放，尤其是针对馆内特色数字文物资源，一定要在观赏部分做到尽可能人性化。整个系统通过大数据与物联网技术构建游客智慧化服务场景，大大提高用户的感知度，使各类文物数字资源可以立体化地呈现给游客。

3 结束语

面对智慧博物馆的发展，博物馆在文物保护上应积极响应实施国家文化数字化战略，采用物联网技术等新兴技术不断提升文物保护的智慧化水平。本研究设计了一套基于物联网技术的博物馆智慧化文物保护系统，该系统可用于文物保护工作，通过各类传感器设备获取文物信息、设备信息以及各类环境监测信息，从而实现对文物保护环境的智慧化监测与馆藏文物的智慧化流通管理，相比于传统人工管理模式，在管理效率与水平上可以实现大幅提升。同时，考虑到文物保护的目的是充分发挥出文物所具有的文化传承作用，这一点需要优化服务质量才能实现，因此系统又设计了智慧化服务，可以为游客提供智慧化导航服务、智慧化信息服务与开放式资源服务，优化游客的文物观赏体验。

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