文物保存環境實時監測系統的製作方法

2023-10-11 08:11:24

專利名稱：文物保存環境實時監測系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種實時監測系統，特別涉及一種用於對文物存護環境進行多參 數智能化監測的文物保存環境實時監測系統。
背景技術：
無線傳感器網絡在森林防火、水質監控等環境監測以及軍事、醫療健康、家庭智能 監控和其他商業領域有著廣泛的應用前景。無線傳感器網絡具有傳感器節點密度高、網絡 組網方便以及節點功耗低等特點。ZigBee技術是一種近距離、低複雜度、低功耗、低數據速 率、低成本的雙向無線通信技術，其網絡標準基於IEEE802. 15.4。主要適合於自動控制和 遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。ZigBee仂、議套件由高層應 用規範、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成，其中物理層遵循IEEE802. 15. 4協 議，控制RF收發器工作，採用擴頻通信，信號傳輸距離為室內50m，室外150m。MAC層遵循 IEEE802. 15. 4協議，負責設備間無線數據鏈路，支持各種網絡拓撲結構，網絡中每個設備為 16位地址尋址。網絡層建立新的網絡，處理節點的進入和離開網絡，對節點分配地址，保證 節點之間的同步，提供網絡的路由，保證數據的完整性，使用可選的AES-128對通信加密。 應用層應用支持層維持器件的功能屬性，根據服務和需求使多個器件之間進行通信。無線 傳感網絡系統作為最新推出的技術，雖然已被廣泛應用於工業、國防等領域，但在文物保護 方面目前還沒有研發、製備出適用於文物保存的基於無線傳感網絡的設備和儀器。文物保 存環境監測還處於空白狀態。

實用新型內容鑑於上述現有技術的不足，本實用新型提供了一種文物保存環境實時監測系統， 將現代無線通信技術和有線通信技術進行有效結合，形成一整套文物保存環境監測系統， 克服傳統監控方案的不足，在現代化文物保存環境監測中可發揮較好作用。本實用新型的技術解決方案是本實用新型所述的文物保存環境實時監測系統，包括用於測量環境參數的傳感節 點和用於接收傳感節點數據的網關，傳感節點是多個，傳感節點和網關通過無線方式連接。所述傳感節點包括數據採集單元和數據處理/傳輸單元，數據採集單元包括順序 連接的傳感器、傳感器驅動電路和傳感器應用電路，數據處理/傳輸單元包括處理器、存儲 器和無線傳輸單元，傳感器通過傳感器驅動電路和傳感器應用電路接入到處理器中，存儲 器和無線傳輸單元分別與處理器連接。所述傳感節點還包括給傳感器、傳感器驅動電路、傳感器應用電路、存儲器、處理 器和無線傳輸單元供電的電源單元。所述網關包括數據處理和無線傳輸單元以及嵌入式系統，數據處理和無線傳輸單 元包括網關處理器、網關存儲器和網關無線傳輸單元，網關存儲器和網關無線傳輸單元分 別和網關處理器連接，嵌入式系統包括異構網絡接口單元以及串口，異構網絡接口單元通
3過串口與網關處理器連接。所述監測系統還包括遠程伺服器，遠程伺服器通過有線或無線方式與網關連接。所述監測系統還包括中繼節點，中繼節點轉發傳感節點數據，傳送至網關或其它 中繼節點，傳感節點通過中繼節點和網關通過無線方式連接。所述中繼節點包括存儲各種類型的傳感數據並保存整個網絡的路由信息的中繼 節點存儲器、中繼節點處理器和中繼節點無線傳輸單元，中繼節點存儲器和中繼節點無線 傳輸單元都分別與中繼節點處理器相連接。本實用新型所述的文物保存環境實時監測系統，採用無線傳感網絡技術實現短距 離、低速率、低功耗，其綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分 布式信息處理技術等等。通過各類集成化的微型傳感器，無線傳感網絡節點協作地實時監 測、感知和採集各種環境或監測對象的信息，再通過嵌入式系統對信息進行處理，最後通過 隨機自組織的無線通信網絡，以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。由於採用無線傳輸，無線傳感網絡克服了許多傳統有線網絡傳輸信息的弊病。一 方面，在一些物理障礙和特殊環境下，有線網絡是不可能實現的。另一方面，與傳統的模擬 無線通訊相比，數字無線通訊已通過事實證明其所具有的巨大優勢。另外，該無線技術對其網絡層協議和API進行了標準化。完全協議用於一次可直 接連接到一個設備的基本節點的4K字節或者作為Hub或路由器的協調器的32K字節。每 個協調器可連接多達255個節點，而幾個協調器則可形成一個網絡，對路由傳輸的數目則 沒有限制，同時還開發了鏈路安全層，以保證這種便攜設備不會意外洩漏其標識，而且這種 利用網絡的遠距離傳輸不會被其它節點獲得。本實用新型提出的監測系統有以下優點1、監測參數的多樣性、專業性實現文物保存微環境參數監測的多樣性，能夠對環 境中的溫度、溼度、C02、V0C、甲醛、紫外線、光照度、空氣浮塵等參數進行監測，並且所監測 參數的標準符合國家文物保護行業標準《館藏文物保存環境質量檢測技術暫行規範》中的 規定。2、實時性、智能化本實用新型結合了先進的嵌入式計算技術、現代網絡及無線通 信技術能夠實現文物保存微環境的參數的實時監測，並能自動的收集各種傳感參數，實現 環境監測的實時、智能化。3、專業友好的人機界面本實用新型是專門針對博物館文物保存環境的應用進行 的開發，系統界面具有完全符合博物館展廳文物保存環境的特點，用戶可以通過界面很方 便的查看各個文物保存環境的狀況，同時系統還具有多種圖表、圖形顯示功能，為文物保護 的研究提供了科學基礎。4、強大的資料庫系統本實用新型利用了計算機、資料庫等技術，實現一個集數據 解析，數據管理、數據綜合展示為一體的多功能、高度集成、面向文物保存環境監測的數據 服務系統。同時系統還具有強大的歷史數據存儲、查詢功能，為用戶提供了全面可靠的數據 服務。本實用新型採用的無線傳感網絡技術有以下優點1、功耗低在低耗電待機模式下，兩節普通5號乾電池可使用6個月到2年(本 方案將採用可充高效鋰電池)，免去了頻繁更換電池的麻煩；
4[0022]2、時延短通常時延都在15毫秒至30毫秒之間；3、安全性高提供了數據完整性檢查和鑑權功能，加密算法採用AES-128，同時可 以靈活確定其安全屬性；4、網絡容量大每個網絡最多可支持255個設備，也就是說，每個設備可以與另外 254臺設備相連接，同時，網絡的高冗餘性保證了整個網絡在個別節點停止工作的情況下仍 然可以正常運轉。5、優良的網絡拓撲能力無線傳感節點可以自動形成有組織、有結構、自形成、自 恢復的網絡。無線傳感網絡的組建免除了傳統網絡的煩瑣的配置過程。任何新加入網絡中 的節點設備只要處於無線通訊範圍內，可自動加入已有網絡，並自動形成信息路由路徑，將 信息傳到有效接收者。同時在節點設備硬體成本足夠低的情況下，這些節點可組建成一個 高冗餘的網絡，從而保證網絡強大的出錯自恢復的能力。6、建網及維護成本低綜合以上傳感器網絡的特性，可以看出，建網所需要的人工 費用是很低的。任何一個經過授權的傳感設備只要放在網絡的無線信號覆蓋範圍內，就可 自動加入網絡工作，無須任何安裝配置。高度智能化最大程度上降低了網絡維護所需的人 力和時間，加上網絡節點本身價格低廉，使得智能無線傳感網絡的維護成本極低。7、工作頻段靈活使用的頻段有2. 4GHz (全球)、868MHz (歐洲)及915MHz (美國) 供選擇，均為免執照頻段。本實用新型將現代無線通信技術和有線通信技術進行有效結合，提供了一種文物 保存環境實時監測系統，克服了傳統監控方案的不足，具有實用性和先進性的優勢，在現代 化的文物保存環境監測中可發揮較好作用。

圖1是本實用新型的結構示意圖。圖2是本實用新型的網關的結構示意圖；圖3是本實用新型的中繼節點的結構示意圖；圖4是本實用新型的傳感節點的結構示意圖。
具體實施方式
參見圖1，本實用新型所述文物保存環境實時監測系統，該系統包括遠程伺服器 1、網關2、中繼節點3和傳感節點4。傳感節點4是多個，散布於監測目標區域；中繼節點 3是多個，分別與傳感節點4和網關2以無線方式連接，每個傳感節點4都選擇性的與一中 繼節點3或一網關2無線連接，多個中繼節點3與多個網關2組成鏈式網，並負責將多個傳 感節點4的信息傳送給網關2，網關2匯聚所有接收到的網絡信息，通過有網際網路、區域網、 WIFI、GPRS、GSM、簡訊、CDMAXl數據傳輸方式發送至遠程伺服器1，實現環境監控的信息化。 傳感節點4可任意擺放在所需監測區域，能實時的採集環境參數包括溫度、溼度、C02、V0C、 甲醛、紫外線、光照度、空氣浮塵等，並通過無線方式將採集數據傳送至無線中繼節點3或 無線網關2，該遠程伺服器1以人機界面的方式將環境參數呈現給客戶終端。參見圖4，本實用新型的傳感節點是一個一體化的結構，主要由數據採集單元40 和數據處理/傳輸單元41兩部分組成，數據採集單元由傳感器401、傳感器驅動電路402和傳感器應用電路403組成，傳感器401、傳感器驅動電路402和傳感器應用電路403主要 部分包括一個MCU megal28、各種相關的傳感器如溫度傳感器DS18B20，以及外圍的電路如 0PA2336、ADS1110等器件組成，也可以是現有技術中的其他傳感器、傳感器驅動電路和傳感 器應用電路。傳感器401包括針對微環境監測的溫度、溼度、CO2, V0C、甲醛、紫外線、光照度、空 氣浮塵等。數據處理/傳輸單元41包括處理器及存儲器單元411和無線傳輸單元412 ；處 理器及存儲器單元411包括處理器、存儲器、1/0，其中，處理器採用低能耗的微控制器。無 線傳輸單元412是符合IEEE802. 15. 4/Zigbee的無線通信單元，此單元用於數據的無線傳 輸和通信。傳感節點4還包括有電源單元42，為各個單元供電。傳感節點4的一個最重要 的特點是要在沒有持續永久供電的情況下工作。這一特點要求傳感節點4的工作能耗必需 很低，自帶電源可持續供電時間必需較長。針對不同的應用，適當地調節傳感的睡眠時間 是電源控制的主要任務。通常的AA電池及鋰電池可以維持傳感節點4生存幾個月至2年 不等。而採用更新的技術，如太陽能，或利用空氣微震動產生電力，則可使傳感節點4生存 更長的時間，本實用新型中的電源單元42採用可充高效鋰電池。傳感節點4的外殼封裝由防水防壓防腐蝕的輕型材料構成，避免傳感節點4的內 部電路受水、腐蝕性物質或其它汙染物質的破壞，無線傳輸單元412的天線置於外殼外側， 以利傳感器401與被測物質充分接觸。傳感節點4根據布設方式的不同，分為兩類戶外傳感節點和室內傳感節點，每個 傳感節點的工作方式都為無線通信。多數個中繼節點3與一個網關2組成鏈式網，作為 無線 傳感器網絡的信宿節點匯聚網絡傳輸的數據；同時通過有線網絡與遠程伺服器1相連接， 將傳感節點4採集的數據傳輸至遠程伺服器1 ；該鏈式網，其鏈式無線網絡的各個中繼節點 3、網關2的身份和位置是已知的，節點與節點之間進行通信，並以多跳的方式進行數據的 傳遞。多數個中繼節點3與一個網關2組成鏈式網和多數個傳感節點4自組成無線網絡， 鏈式網能確定移動傳感節點4的地理位置。參見圖2，本實用新型的網關2包括數據處理和無線傳輸單元20及與異構網絡相 連的嵌入式系統21。網關2的主要功能是接收中繼節點3或傳感節點4的數據，並傳送至 遠程伺服器1的監測軟體平臺。傳感節點4功能單元部分作為在IEEE802. 15. 4上和傳感 網絡通訊的代理，同時必需配置有外部I/O通訊單元，用於和代理的應用伺服器通訊(以太 網、RS232、USB、GPRS和衛星通信等)。這樣在網關2最終接收到來自傳感網絡的數據，將 由計算功能更強，而不受電源限制的應用伺服器進行處理。網關2的數據處理和無線傳輸 單元20包括網關無線傳輸單元201和網關處理器202，嵌入式系統21包括異構網絡接口 單元204和串口 203，串口 203連接網關處理器202，異構網絡接口單元204和遠程伺服器 1連接；網關無線傳輸單元201和傳感節點4進行通信，網關2採用無線或有線的方式和遠 程伺服器1進行通信，以有線方式通信時採用的有線網絡，是乙太網或者Intenet網。參見圖3，本實用新型的中繼節點3的主要功能是轉發傳感節點4的採樣數據，並 通過無線自組織網絡傳送至網關2或其它中繼以實現更遠距離的傳輸。中繼節點3主要由 數據存儲單元和中繼節點無線傳輸單元33組成。其中數據存儲單元按功能分為中繼節點 處理器32、中繼節點存儲器31和1/0，其中，中繼節點處理器32是低能耗的微控制器。中繼 節點無線傳輸單元33由符合IEEE802. 15. 4/Zigbee的無線通信單元組成。此單元用於數據的無線傳輸和通信，主要的功能是接收數據採集單元40和網關2的數據並實時的轉發。 中繼節點存儲器31主要是由RAM或FLASH存儲單元組成，其主要的功能是存儲各種類型的 傳感數據並保存整個網絡的路由信息等。中繼節點3包括有外殼，中繼節點無線傳輸單元 33的天線置於外殼外側，與傳感節點4無線通信。本實用新型提供的監測系統的技術重點之一就是如何實現各種微環境參數的監 測，並保證所監測的環境參數準確、可靠、有效；同時將採集的數據通過無線方式傳輸回中 央控制室。本實用新型涉及環境保護技術、計算機技術、無線傳感網絡技術。本實用新型提出 的基於無線傳感網絡的文物保存環境實時監測系統主要針對館藏文物的保存微環境進行 實時監測，為博物館展廳提供能夠實現網絡化、智能化實時監測的微環境參數監測系統，特 別是對文物影響較大的一些微環境參數如溫度、溼度、C02、V0C、甲醛、紫外線、光照度、空氣 浮塵等，本系統能夠實現對文物保存微環境參數的實時監測、歷史數據管理、數據圖表統計 等。該系統由傳感節點4、中繼節點3、網關2、中間件軟體、客戶端軟體構成。傳感節點4、 中繼節點3、網關2通過自主研發的無線路由協議自動與網關構建無線傳感網絡，前端傳感 節點4負責採集文物保存環境信息通過無線傳感網絡傳遞到網關2，網關2匯聚採集到的數 據通過有線或無線方式傳遞到中間件伺服器。完成文物保存環境信息的採集、實時環境監 測，超標報警、實時計算、數據挖掘，進一步的對於數據的智能化管理和分析，最終得出當前 文物保存的整體環境狀態。本實用新型實現了對文物保存環境檢測的信息化、科學化，使得 文物保存部門能實時監測文物保存環境的信息以便於及時採取適當措施，以對文物保存環 境做出適當和有效的調整和治理。
權利要求文物保存環境實時監測系統，其特徵在於該系統包括用於測量環境參數的傳感節點和用於接收傳感節點數據的網關；所述傳感節點是多個，所述傳感節點和網關通過無線方式連接。
2.根據權利要求1所述的文物保存環境實時監測系統，其特徵在於所述傳感節點包 括數據採集單元和數據處理/傳輸單元，所述數據採集單元包括順序連接的傳感器、傳感 器驅動電路和傳感器應用電路；所述數據處理/傳輸單元包括處理器、存儲器和無線傳輸 單元，傳感器通過傳感器驅動電路和傳感器應用電路接入到處理器中，存儲器和無線傳輸 單元分別與處理器連接。
3.根據權利要求2所述的文物保存環境實時監測系統，其特徵在於所述傳感節點還 包括給傳感器、傳感器驅動電路、傳感器應用電路、存儲器、處理器和無線傳輸單元供電的 電源單元。
4.根據權利要求1所述的文物保存環境實時監測系統，其特徵在於所述網關包括數 據處理和無線傳輸單元以及嵌入式系統，所述數據處理和無線傳輸單元包括網關處理器、 網關存儲器和網關無線傳輸單元，所述網關存儲器和網關無線傳輸單元分別和網關處理器 連接，所述嵌入式系統包括異構網絡接口單元以及串口，所述異構網絡接口單元通過串口 與網關處理器連接。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的文物保存環境實時監測系統，其特徵在於所述監 測系統還包括遠程伺服器，所述遠程伺服器通過有線或無線方式與網關連接。
6.根據權利要求5所述的文物保存環境實時監測系統，其特徵在於所述監測系統還 包括中繼節點，所述中繼節點轉發傳感節點數據，傳送至網關或其它中繼節點，所述傳感節 點通過中繼節點和網關通過無線方式連接。
7.根據權利要求6所述的文物保存環境實時監測系統，其特徵在於所述中繼節點包 括存儲各種類型的傳感數據並保存整個網絡的路由信息的中繼節點存儲器、中繼節點處理 器和中繼節點無線傳輸單元；所述中繼節點存儲器和中繼節點無線傳輸單元都分別與中繼 節點處理器相連接。
專利摘要本實用新型提供的文物保存環境實時監測系統，該系統包括用於測量環境參數的傳感節點和用於接收傳感節點數據的網關；傳感節點是多個，傳感節點和網關通過無線方式連接。其將現代無線通信技術和有線通信技術進行有效結合，形成一整套文物保存環境監測系統，克服傳統監控方案的不足，具有實用性和先進性的優勢，在現代化的文物保存環境監測中可發揮較好作用。
文檔編號G01W1/02GK201667720SQ200920299118
公開日2010年12月8日 申請日期2009年12月23日 優先權日2009年12月23日
發明者劉鋼 申請人:北京思瑞創科技有限公司