一、系统概述:
博物馆环境监测系统是利用现代传感器技术、无线通信技术、网络和嵌入式计算机技术交叉渗透的产物,随着物联网概念的提出,其技术得到了飞速发展,并且在社会多个X域取得了成功应用。针对当前博物馆环境监测存在的问题与难点,提出了基于物联网技术的博物馆室内环境监测系统的总体设计方案,在此基础上,分别给出了传感器节点、汇聚节点的软硬件设计方案,该设计具有低功耗、低成本、扩展灵活等X点。构建的测试平台验证了该系统良好的可行性与稳定性。
传统的博物馆环境监测手段,基本上以人工巡检为主,并通常要在监测区域内部部署大量的线路,体积庞大、造价高,特别是在电源供给困难、工作人员不能到达的区域或是无通信网络的区域,监测的难度大大增加。此外,一旦线路部署完毕,就很难根据监测的需求改变监测任务,以至系统可重用性差。
二、以跨湖桥遗址为背景的监测项目及相关参数
一 | 土遗址监测 | ||
序号 | 探测器名称 | 数量 | 安装位置 |
1 | 土体开裂监测探头 | 2台 | 土遗址两边上 |
2 | 土壤盐分传感器 | 2个 | |
3 | 土壤水分传感器 | 6个 | 于3个不同土层安装 |
二 | |||
1 | 玻璃房内土壤水分传感器 | 6个 | 于3个不同土层安装 |
2 | 玻璃房内土壤盐分传感器 | 2个 | |
三 | 遗址厅温湿度\二氧化碳\二氧化硫监测 | ||
1 | 二氧化碳传感器 | 3个 | 遗址厅上中下位置各1个 |
2 | 二氧化硫传感器 | 3个 | 遗址厅上中下位置各1个 |
3 | 空气温湿度传感器 | 3个 | 遗址厅上中下位置各1个 |
四 | 玻璃房内温湿度\二氧化碳\二氧化硫监测 | ||
1 | 二氧化碳传感器 | 3个 | 玻璃房上中下位置各1个 |
2 | 二氧化硫传感器 | 3个 | 玻璃房上中下位置各1个 |
3 | 空气温湿度传感器 | 3个 | 玻璃房上中下位置各1个 |
五 | 遗址厅集水井及围堰夹层水位\盐分检测 | ||
1 | 水位传感器 | 3个 | 土遗址\玻璃房\围堰夹层集水井各安装1个 |
2 | 水盐分传感器 | 3个 | 土遗址\玻璃房\围堰夹层集水井各安装1个 |
1)二氧化碳传感器参数
供电电压:12~24V DC
.测量范围: 0~2000ppm 0~3000ppm 0~5000ppm 0~10000ppm
.反应时间: 60s
.测量精度:±3%
.信号输出: 4-20mA
.功 耗:平均<60mA,峰值< 200mA
.工作温度范围:-20℃~80℃
2)空气温湿度传感器:
.空气湿度:范围 0~100% 精度 ±3% 分辨率 0.1%
.空气温度:范围-30~70℃ 精度 ±0.2℃ 分辨率 0.1℃
.信号输出方式:0~2.0V或4~20mA
.工作电压:12~24V(典型值12V)
.响应时间:<1S
.测量稳定时间:1S
.工作温度范围:-35℃~75℃
3)光照传感器:
.光线范围: 0~200Klux
.反应时间: 1秒
.环境温度:-30~70°C
.精 度:±3%
.重 量:210g
电压型
.供电电压:5V~24V DC
.输出信号:0~2V
电流型
.供电电压:9V~24V DC
.输出信号:4~20mA
.输出负载:<300Ω
4)土壤水分传感器
.量 程:0~100%
.单 位:%(m3/m3)
.输出信号:0~2V(电压型)4~20mA(电流型)
.测量精度:±3%
.互换精度:<3%
.复测误差:<1%
.测量原理:频域反射原理(FDR)
.工作电流:约15mA
.工作频率:100MHZ
.响应时间:<1秒
.测量稳定时间:1秒
.工作温度范围:-30℃~70℃
.测量区域:95%的影响在以中央探针为中心,直径为7cm、高为7cm的圆柱体内
.探针长度:6cm
.探针直径:3mm
.探针材料:不锈钢(抗电解)
5)土壤温度传感器
.量 程:-30℃~120℃
.输出信号:4~20mA
.测量精度:±0.2℃
.互换误差:<0.2℃
.工作电压:9~24V
.工作电流:约10mA
.响应时间:<100mS
.稳定时间:<1秒
.工作温度:-40℃~75℃
.引线长度:2米
6)土壤盐分传感器 :
供电电压:5-24V供电 信号输出:0-2V 0-2.5V 0-5V
盐分测量范围:0.01-0.3mol/L,X小读数为0.01mol/L,
电导测量范围:0-20mS(相对应于0-2000mV)
X小分辨率:0.01mS
电压与电导相关性(线性度):≥98%
工作条件:环境温度为-10~60℃
相对湿度为小于90%
7)水位传感器:
测量介质: 水、油等液体
测量范围: 0~100m中间量程任选 线长:含5米
压力类型: 表压/绝压可选
精度等X: 0.1X (X大量程的千分之1)
长期稳定性: ≤0.1F•S/年
供电范围: 12~36VDC
输出信号: 0~5V或者0~10V
探头材料: 316不锈钢
介质温度: -30~60℃
环境温度: -40~85℃
8)二氧化硫传感器技术参数:
工作电压:12-30VDC;
检测气体:空气中的二氧化硫;
检测原理:电化学式;
检测范围:0-20ppm、2000ppm,或X范围;
分辨率: 0.1ppm、5ppm;
精 度:±3%FS;
重 复 性:±1.0%;
线性误差:±1.0%;
响应时间:≤30秒;
恢复时间:≤40秒;
9)二氧化氮传感器
传感器:电化学
测量范围:0~20、100ppm、2000ppm
分辨率:0.001ppm(0~10 ppm);0.01ppm(0~100 ppm);1ppm(0~2000 ppm)
响应时间:≤30秒
工作模式:连续工作
工作电压:DC12~36V(一般是按照DC24V来设置)
输出电流:4-20mA(也可直接输出继电器开关量)
输出方式:4~20mA ,40~200mV,RS485
温度范围:-20℃~50℃
湿度范围:0~95%(RH)无冷凝
10)液体ph传感器
输出 4-20mA
测量范围 0-14pH
精度 2%满量程
X大压力 40 psi
工作电压 10-36VDC
拉电流 5.5mA +传感器输出
预热时间 3秒
工作温度 -5~+55℃
探头尺寸 标准版: 32×254mm(直径×长度),在线版: 50×305mm(直径×长度)
重量 标准版: 454g,在线版: 454g
三、功能特点:
1. 监测环境因子:
大气环境类:环境温度,环境相对湿度,露点温度,二氧化碳、二氧化硫、雨雪,大气压力,风速,风向,降水量,水面蒸发,叶面湿度,叶面温度,日照时数,光照度,太阳总辐射等
土壤参数类:土壤温度,土壤湿度,土壤热通量,土壤水势,土壤导电率等;生态环境类:CO2等;
水质类:溶解氧、PH、水位、水温等。
2. 控制器:
智能温室控制系统控制器功能强大,数据采集测量精度高,可采集多项环境因子的数据,具有16路继电器输出,可以控制16个点的设备。核心部件采用高性能32位微处理器为主控CPU,内置大容量数据存储器,可连续存储10万条数据永不丢失。便携式防震结构,工业化标准设计,适合在恶劣环境中使用,大屏幕汉字液晶显示屏输出,一屏可显示多路环境测量数据,便于现场直接观测。继电器指示灯指示各继电器的开关状态。
3. 通讯方式:
★有线传输方式:通过标准RS232/RS485/USB通讯接口,与监测中心PC机有线连接,X长有线通讯距离可达1000米,实时传送采集数据,也可通过网络接口实现一个中心对多个站点的实时监测;
★无线传输方式:可根据通讯距离的不同分为短距离无线数传、中距离无线数传、长距离无线数传三种无线传输方式。
(1)短距离无线数传方式:采用X的微波射频通讯传输模块,通讯距离在0~300米范围之内,无任何通讯费用。
(2)中距离无线数传方式:采用电台方式进行数据传输,通讯距离在0~2000米范围之内,不收取任何通讯费用数据传输稳定。
(3)长距离无线数传方式:采用GSM网/GPRS/3G网通讯技术,结合Internet网络通讯协议,配备无线通讯控制器可实现监测中心对各个站点进行实时监测,远程监控各温室的环境数据与控制状态,不受距离限制,数据传输可靠。3GX点在于传输数度快,稳定,可传输容量较大的数据,广泛应用于视频传输等X域,缺点为网络覆盖面较小,此通讯方式是今后发展的趋势。
四、博物馆环境监测系统的X势
主要体现在三方面:(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,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控,并且在节点间进行协同监控。此外,应用于环境监测的传感器网络,一般具有部署简单、便宜、长期不需更换电池、无需派人现场维护的X点。通过密集的节点布置,可以观察到微观的环境因素。因此,将物联网应用于博物馆环境监测中,通过传感器网络监测得到环境数据为文物保护X人员探索适合文物生存的环境特点提供数据支持,并且在监测文物环境过程中可以智能发布预警警告,既能提高文物的保护水平,又能节省人力资源,降低劳动强度。