CN101742536A - 文物存护环境多参数智能化实时监测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的文物存护环境多参数智能化实时监测***及方法，该***包括用于测量环境参数的传感节点和用于接收传感节点数据的网关；传感节点是多个，传感节点和网关通过无线方式连接。本发明将现代无线通信技术和有线通信技术进行有效结合，形成一整套文物保存环境监测***，克服传统监控方案的不足，具有实用性和先进性的优势，在现代化的文物保存环境监测中可发挥较好作用。

Description

文物存护环境多参数智能化实时监测***及方法

技术领域

本发明涉及文物存护环境多参数智能化实时监测***及方法。

背景技术

无线传感器网络(wireless sensor network)是一个热点的研究领域，它在森林防火、水质监控等环境监测及军事、医疗健康、家庭智能监控和其他商业领域有着广泛的应用前景。无线传感器网络具有传感器节点密度高，网络组网方便，以及节点的功耗低等特点。zigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，其网络标准基于IEEE 802.15.4。主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。ZigBee仂、议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，其中物理层遵循IEEE 802.15.4协议，控制RF收发器工作，采用扩频通信，信号传输距离为室内50m，室外150m。MAC层：遵循IEEE 802.15.4协议，负责设备间无线数据链路，支持各种网络拓扑结构，网络中每个设备为16位地址寻址。网络层建立新的网络，处理节点的进入和离开网络，对节点分配地址，保证节点之间的同步，提供网络的路由，保证数据的完整性，使用可选的AES-128对通信加密。应用层：应用支持层维持器件的功能属性，根据服务和需求使多个器件之间进行通信。无线传感网络***作为最新推出的技术，虽然已被广泛应用于工业、国防等领域，但在文物保护方面目前还没有研发、制备出适用于文物保存的基于无线传感网络的设备和仪器。文物保存环境监测还处于空白。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种文物保存环境监测***，将现代无线通信技术和有线通信技术进行有效结合，形成一整套文物保存环境监测***，克服传统监控方案的不足，具有实用性和先进性的优势，在现代化的文物保存环境监测中可发挥较好作用。

本发明的技术解决方案是：本发明为一种文物存护环境多参数智能化实时监测***，其特殊之处在于：该***包括用于测量环境参数的传感节点和用于接收传感节点数据的网关；传感节点是多个，传感节点和网关通过无线方式连接。

上述传感节点包括数据采集模块和数据处理/传输模块，所述数据采集模块包括传感器、传感器驱动电路和传感器应用电路；所述数据处理及传输模块包括处理器、存储器和无线传输模块；所述传感器通过传感器驱动电路和传感器应用电路接入处理器，所述存储器和无线传输模块分别与处理器连接。

上述传感节点还包括给传感器、传感器驱动电路、传感器应用电路、存储器、处理器和无线发射/接收单元供电的电源模块。

上述网关包括数据处理和无线传输模块以及嵌入式***，数据处理和无线传输模块包括处理器、存储器和无线传输模块，存储器和无线传输模块分别和处理器连接，嵌入式***包括异构网络接口模块以及串口，异构网络接口模块通过串口与处理器连接。

上述监测***还包括远程服务器，远程服务器通过有线或无线方式与网关连接。

上述监测***还包括中继节点，所述中继节点转发传感节点数据，传送至网关或其它中继节点，所述传感节点通过中继节点和网关通过无线方式连接。

上述中继节点包括存储各种类型的传感数据并保存整个网络的路由信息的存储器、处理器和无线传输模块；存储器和无线传输模块都分别与处理器相连接。

本发明还提供一种基于文物存护环境多参数智能化实时监测***的监测方法，其特殊之处在于：所述监测方法包括以下步骤：

1)启动整个***，使网关和远程服务器处于预备接收数据的状态，启动由多数个中继节点与多数个网关组成的链式网；

2)在所监控区域内布撒多数个传感节点，布撒后，传感节点当即启动，开始环境信息的采集，网关也向传感节点广播测试信息；

3)传感节点采集到环境信息后，如果能够直接传送给网关，则直接传送；否则需要检测能与之通信的中继节点；确定并通信后，传感节点与中继节点组成自组的无线传感器网络，将采集的文物保存环境信息传给中继节点，中继节点再将文物保存环境信息传给网关；

4)由网关通过有线网或无线网将采集的文物保存环境信息传送给远程服务器；

5)远程服务器根据文物保存环境信息数据进行处理，并控制操作。

上述步骤2)中网关向传感节点广播测试信息后，然后等待；传感节点收到广播测试信息后，直接给网关发送确认信息；网关收到确认信息后，即确认与该传感节点的连接；

上述步骤2)中是中继节点收到广播测试信息，再由中继节点发送给与之通信的传感节点，传感节点再通过中继节点给网关发送确认信息。

本发明采用的无线传感网络技术是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，其综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等等。通过各类集成化的微型传感器，无线传感网络节点协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，再通过嵌入式***对信息进行处理，最后通过随机自组织的无线通信网络，以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。

由于采用无线传输，无线传感网络克服了许多传统有线网络传输信息的弊病。一方面，在一些物理障碍和特殊环境下，有线网络是不可能实现的。另一方面，与传统的模拟无线通讯相比，数字无线通讯已通过事实证明其所具有的巨大优势。

另外，该无线技术对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制，同时还开发了链路安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。

本发明提出的监测***的有以下优点：

1、监测参数的多样性、专业性：实现文物保存微环境参数监测的多样性，能够对环境中的温度、湿度、CO2、VOC、甲醛、紫外线、光照度、空气浮尘等参数进行监测，并且所监测参数的标准符合国家文物保护行业标准《馆藏文物保存环境质量检测技术暂行规范》中的规定。

2、实时性、智能化：本发明结合了先进的嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术能够实现文物保存微环境的参数的实时监测，并能自动的收集各种传感参数，实现环境监测的实时、智能化。

3、专业友好的人机界面：本发明是专门针对博物馆文物保存环境的应用进行的开发，***界面具有完全符合博物馆展厅文物保存环境的特点，用户可以通过界面很方便的查看各个文物保存环境的状况，同时***还具有多种图表、图形显示功能，为文物保护的研究提供了科学基础。

4、强大的数据库***：本发明利用了计算机、数据库等技术，实现一个集数据解析，数据管理、数据综合展示为一体的多功能、高度集成、面向文物保存环境监测的数据服务***。同时***还具有强大的历史数据存储、查询功能，为用户提供了全面可靠的数据服务。

本发明采用的无线传感网络技术有以下优点：

1、功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年(本方案将采用可充高效锂电池)，免去了频繁更换电池的麻烦；

2、时延短：通常时延都在15毫秒至30毫秒之间；

3、安全性高：提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性；

4、网络容量大：每个网络最多可支持255个设备，也就是说，每个设备可以与另外254台设备相连接，同时，网络的高冗余性保证了整个网络在个别节点停止工作的情况下仍然可以正常运转。

5、优良的网络拓扑能力：无线传感节点可以自动形成有组织、有结构、自形成、自恢复的网络。无线传感网络的组建免除了传统网络的烦琐的配置过程。任何新加入网络中的节点设备只要处于无线通讯范围内，可自动加入已有网络，并自动形成信息路由路径，将信息传到有效接收者。同时在节点设备硬件成本足够低的情况下，这些节点可组建成一个高冗余的网络，从而保证网络强大的出错自恢复的能力。

6、建网及维护成本低：综合以上传感器网络的特性，可以看出，建网所需要的人工费用是很低的。任何一个经过授权的传感设备只要放在网络的无线信号覆盖范围内，就可自动加入网络工作，无须任何安装配置。高度智能化最大程度上降低了网络维护所需的人力和时间，加上网络节点本身价格低廉，使得智能无线传感网络的维护成本极低。

7、工作频段灵活：使用的频段有2.4GHz(全球)、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)供选择，均为免执照频段。

本发明将现代无线通信技术和有线通信技术进行有效结合，提供了一种文物保存环境监测***，形成一整套文物保存环境监测***，克服传统监控方案的不足，具有实用性和先进性的优势，在现代化的文物保存环境监测中可发挥较好作用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的网关的结构示意图；

图3是本发明的中继节点的结构示意图；

图4是本发明的传感节点的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种文物存护环境多参数智能化实时监测***，该***包括远程服务器1、网关2、中继节点3和传感节点4。传感节点4是多个，散布于监测目标区域；中继节点3是多个，分别与传感节点4和网关2以无线方式连接，每个传感节点4都选择性的与一中继节点3或一网关2无线连接，多个中继节点3与多个网关2组成链式网，并负责将多个传感节点4的信息传送给网关2，网关2汇聚所有接收到的网络信息，通过有互联网、局域网、WIFI、GPRS、GSM、短信、CDMAX1数据传输方式发送至远程服务器1，实现环境监控的信息化。传感节点4可任意摆放在所需监测区域，能实时的采集环境参数包括温度、湿度、CO2、VOC、甲醛、紫外线、光照度、空气浮尘等，并通过无线方式将采集数据传送至无线中继节点3或无线网关2，该远程服务器1以人机界面的方式将环境参数呈现给客户终端。

参见图4，本发明的传感节点是一个一体化的结构，主要由数据采集模块40和数据传输/处理模块41两部分组成，数据采集模块由传感器401、传感器驱动电路402和传感器应用电路403组成，传感器401、传感器驱动电路402和传感器应用电路403主要部分包括一个MCU mega128、各种相关的传感器如温度传感器DS18B20，以及***的电路如OPA2336、ADS1110等器件组成，也可以是现有技术中的其他传感器、传感器驱动电路和传感器应用电路。

传感器401包括针对微环境监测的温度、湿度、CO₂、VOC、甲醛、紫外线、光照度、空气浮尘等。数据传输/处理模块41包括处理器及存储器单元411和无线传输模块412；处理器及存储器单元411包括处理器、存储器、I/O，其中，处理器采用低能耗的微控制器。无线传输模块412是符合IEEE802.15.4/Zigbee的无线通信单元，此单元用于数据的无线传输和通信。传感节点4还包括有电源模块42，为各个单元供电。传感节点4的一个最重要的特点是要在没有持续永久供电的情况下工作。这一特点要求传感节点4的工作能耗必需很低，自带电源可持续供电时间必需较长。针对不同的应用，适当地调节传感的睡眠时间是电源控制的主要任务。通常的AA电池及锂电池可以维持传感节点生存几个月至2年不等。而采用更新的技术，如太阳能，或利用空气微震动产生电力，则可使传感节点4生存更长的时间，本发明中的电源模块42采用可充高效锂电池。

传感节点4的外壳封装由防水防压防腐蚀的轻型材料构成，避免传感节点4的内部电路受水、腐蚀性物质或其它污染物质的破坏，无线传输模块412的天线置于外壳外侧，以利传感器401与被测物质充分接触。

传感节点4根据布设方式的不同，分为两类：户外传感节点和室内传感节点，每个传感节点的工作方式都为无线通信。多数个中继节点3与一个网关2组成链式网，作为无线传感器网络的信宿节点汇聚网络传输的数据；同时通过有线网络与远程服务器1相连接，将传感节点4采集的数据传输至远程服务器1；该链式网，其链式无线网络的各个中继节点3、网关2的身份和位置是已知的，节点与节点之间进行通信，并以多跳的方式进行数据的传递。多数个中继节点3与一个网关2组成链式网和多数个传感节点自组成无线网络，链式网能确定移动传感节点的地理位置。

参见图2，本发明的网关2包括数据处理和无线传输模块20及与异构网络相连的嵌入式***21。网关2的主要功能是接收中继节点3或传感节点4的数据，并传送至远程服务器1的监测软件平台。传感节点4功能模块部分作为在IEEE802.15.4上和传感网络通讯的代理，同时必需配置有外部I/O通讯单元，用于和代理的应用服务器通讯(以太网、RS232、USB、GPRS和卫星通信等)。这样在网关2最终接收到来自传感网络的数据，将由计算功能更强，而不受电源限制的应用服务器进行处理。网关2的数据处理和无线传输模块20包括无线传输模块201和处理器202，嵌入式***21包括异构网络接口模块204和串口203，串口203连接处理器202，异构网络接口模块204和远程服务器1连接；无线传输模块201和传感节点4进行通信，网关2采用无线或有线的方式和远程服务器1进行通信，以有线方式通信时采用的有线网络，是以太网或者Intenet网。

参见图3，本发明的中继节点3的主要功能是转发传感节点4的采样数据，并通过无线自组织网络传送至网关2或其它中继以实现更远距离的传输。中继节点3主要由数据存储模块和无线传输模块33组成。其中数据存储模块按功能分为处理器32、存储器31和I/O，其中，处理器32是低能耗的微控制器。无线传输模块33由符合IEEE802.15.4/Zigbee的无线通信单元组成。此单元用于数据的无线传输和通信，主要的功能是接收数据采集模块40和网关2的数据并实时的转发。存储器31主要是由RAM或FLASH存储单元组成，其主要的功能是存储各种类型的传感数据并保存整个网络的路由信息等。中继节点3包括有外壳，无线传输模块33的天线置于外壳外侧，与传感节点4无线通信。

本发明提供的监测***的技术重点之一就是如何实现各种微环境参数的监测，并保证所监测的环境参数准确、可靠、有效；同时将采集的数据通过无线方式传输回中央控制室。因此，本发明还提供一种文物存护环境多参数智能化实时监测***的监测方法，由分布于监控区域的传感节点4将采集到的信息直接发送到网关2或中继节点3，再经中继节点3发送到网关2，网关2将数据以有线的方式传给远程服务器；其具体步骤如下：

1)启动整个***，使网关2和远程服务器处于预备接收数据的状态，启动由多数个中继节点3与多数个网关2组成的链式网：

2)在所监控区域内布撒多数个传感节点4，布撒后，传感节点4当即启动；

3)传感节点4检测能与之通信的中继节点3，确定并通信后，传感节点4与中继节点3组成自组的无线传感器网络，将采集的文物保存环境信息传给中继节点3，中继节点3再将文物保存环境信息传给网关2；

4)所有的网关2通过有线网与远程服务器相连，并将由中继节点3或传感节点4来的数据发送到远程服务器；

5)远程服务器根据文物保存环境信息数据进行处理，并控制操作。

步骤2)中：如果是传感节点4，当其被布置于网关2附近的位置，即直接与网关2通信，当其被布置于距网关2的远处，不能与网关2直接通信，则通过中继节点3与网关2通信，此时传感节点4和网关2已经开始通信，对区域环境参数进行实时监控。

网关2和传感节点4的信息交互方法，是传感节点4和网关2相互作用，传感节点4向网关2发送所采集到的信息和其它信息，网关2也向传感节点4广播信息；

传感节点4的信息采集和传送方法，是由传感节点4监测到环境数据并直接或以接力的方式传送至就近的网关2，或通过固定节点传给网关2，具体步骤如下：

21)在传感节点4布撒之前，先启动整个***，使网关2和链式网和远程服务器处于预备接收数据的状态；

22)传感节点4布撒后，开始环境信息的采集，采集信息是通信信息和其它信息，网关2也向传感节点4广播信息；

23)采集到环境信息，如果能够直接传送给网关2，则直接传送；否则需要检测能与之通信的中继节点3；

24)传感节点4检测到中继节点3后，由微处理器控制，通过无线收发单元传送信息，再由中继节点3将信息传给网关2；

25)由网关2通过有线网将信息传送给远程服务器。

网关2和传感节点4的信息交互方法，由网关2通过广播控制信息控制节点工作方式，具体步骤如下：

31)网关2广播测试信息，然后等待；

32)传感节点4收到广播信息后，直接给网关2发送确认信息；

33)中继节点3收到广播信息后，发送给与之通信的传感节点4，传感节点4再通过中继节点3给网关2发送确认信息；

34)网关2收到确认信息后，即确认与该传感节点4的连接；

35)网关2准备下一次发送广播信息；

36)如果网关2想控制单个传感节点4，即广播该传感节点4地址的广播信息。

本发明涉及环境保护技术、计算机技术、无线传感网络技术。本发明提出的基于无线传感网络的文物保存环境监测***主要针对馆藏文物的保存微环境进行实时监测，为博物馆展厅提供能够实现网络化、智能化实时监测的微环境参数监测***，特别是对文物影响较大的一些微环境参数如温度、湿度、CO2、VOC、甲醛、紫外线、光照度、空气浮尘等，本***能够实现对文物保存微环境参数的实时监测、历史数据管理、数据图表统计等。该***由传感节点4、中继节点3、网关2、中间件软件、客户端软件构成。传感节点4、中继节点3、网关2通过自主研发的无线路由协议自动与网关构建无线传感网络，前端传感节点4负责采集文物保存环境信息通过无线传感网络传递到网关2，网关2汇聚采集到的数据通过有线或无线方式传递到中间件服务器。完成文物保存环境信息的采集、实时环境监测，超标报警、实时计算、数据挖掘，进一步的对于数据的智能化管理和分析，最终得出当前文物保存的整体环境状态。本发明实现了对文物保存环境检测的信息化、科学化，使得文物保存部门能实时监测文物保存环境的信息以便于及时采取适当措施，以对文物保存环境做出适当和有效的调整和治理。

Claims (10)

1.文物存护环境多参数智能化实时监测***，其特征在于：该***包括用于测量环境参数的传感节点和用于接收传感节点数据的网关；所述传感节点是多个，所述传感节点和网关通过无线方式连接。

2.根据权利要求1所述的文物存护环境多参数智能化实时监测***，其特征在于：所述传感节点包括数据采集模块和数据处理/传输模块，所述数据采集模块包括传感器、传感器驱动电路和传感器应用电路；所述数据处理及传输模块包括处理器、存储器和无线传输模块；所述传感器通过传感器驱动电路和传感器应用电路接入处理器，所述存储器和无线传输模块分别与处理器连接。

3.根据权利要求2所述的文物存护环境多参数智能化实时监测***，其特征在于：所述传感节点还包括给传感器、传感器驱动电路、传感器应用电路、存储器、处理器和无线发射/接收单元供电的电源模块。

4.根据权利要求1所述的文物存护环境多参数智能化实时监测***，其特征在于：所述网关包括数据处理和无线传输模块以及嵌入式***，所述数据处理和无线传输模块包括处理器、存储器和无线传输模块，所述存储器和无线传输模块分别和处理器连接，所述嵌入式***包括异构网络接口模块以及串口，所述异构网络接口模块通过串口与处理器连接。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的文物存护环境多参数智能化实时监测***，其特征在于：所述监测***还包括远程服务器，所述远程服务器通过有线或无线方式与网关连接。

6.根据权利要求5所述的文物存护环境多参数智能化实时监测***，其特征在于：所述监测***还包括中继节点，所述中继节点转发传感节点数据，传送至网关或其它中继节点，所述传感节点通过中继节点和网关通过无线方式连接。

7.根据权利要求6所述的文物存护环境多参数智能化实时监测***，其特征在于：所述中继节点包括存储各种类型的传感数据并保存整个网络的路由信息的存储器、处理器和无线传输模块；所述存储器和无线传输模块都分别与处理器相连接。

8.一种基于物存护环境多参数智能化实时监测***的监测方法，其特征在于：所述监测方法包括以下步骤：

1)启动整个***，使网关和远程服务器处于预备接收数据的状态，启动由多数个中继节点与多数个网关组成的链式网；

2)在所监控区域内布撒多数个传感节点，布撒后，传感节点当即启动，开始环境信息的采集，网关也向传感节点广播测试信息；

3)传感节点采集到环境信息后，如果能够直接传送给网关，则直接传送；否则需要检测能与之通信的中继节点；确定并通信后，传感节点与中继节点组成自组的无线传感器网络，将采集的文物保存环境信息传给中继节点，中继节点再将文物保存环境信息传给网关；

4)由网关通过有线网或无线网将采集的文物保存环境信息传送给远程服务器；

5)远程服务器根据文物保存环境信息数据进行处理，并控制操作。

9.根据权利要求8所述的文物存护环境多参数智能化实时监测***的监测方法，其特征在于：所述步骤2)中网关向传感节点广播测试信息后，然后等待；传感节点收到广播测试信息后，直接给网关发送确认信息；网关收到确认信息后，即确认与该传感节点的连接；

10.根据权利要求9所述的文物存护环境多参数智能化实时监测***的监测方法，其特征在于：所述步骤2)中是中继节点收到广播测试信息，再由中继节点发送给与之通信的传感节点，传感节点再通过中继节点给网关发送确认信息。

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