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1、北京航空航天大学硕士学位论文中图分类号：TP3 论文编号： 10006GS132AA14专业硕士学位论文博物馆文物环境数据采集与监测系统的设计与实现作者姓名 胡鲁杰学科专业 软件工程指导教师 杨晴虹培养院系 软件学院Design and Application of Data Acquisition And Monitoring System of Museum Heritage EnvironmentA Dissertation Submitted for the Degree of MasterCandidate：Hu LujieSupervisor：Yang QinghongSchool
2、 of Mechanical Engineering & AutomationBeihang University, Beijing, China中图分类号： TP3论文编号：10006GS132AA14硕 士 学 位 论 文甘肃省博物馆文物环境数据采集与监测系统的设计与实现作者姓名 胡鲁杰 申请学位级别 工程硕士指导教师姓名 杨晴虹 职 称 讲师学科专业 软件学院 研究方向 互联网营销与管理 学习时间自 年 月 日 起至 年 月 日止论文提交日期 年 月 日 论文答辩日期 年 月 日学位授予单位 学位授予日期 年 月 日关于学位论文的独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下
3、独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得北京航空航天大学或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权书本人完全同意北京航空航天大学有权使用本学位论文（包括但不限于其印刷版和电子版），使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门（机构）送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位
4、论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日指导教师签名： 日期： 年 月 日摘 要博物馆作为文化交流的重要场所，肩负着文物保护、研究以及文化传播的重要使命。文物作为文化的载体，具有较高的历史价值和社会价值，记载了人类发展的历程，丰富了人类的精神生活，对于文化的发展进步具有极其重要的作用。文物作为一种不可再生的资源，极易受环境因素的影响，环境中的温度、湿度、有害气体、光照等各类因素，都会对文物造成不可逆的损坏，因此，从源头上杜绝这些不利因素，加强文物
5、的预防性保护工作，是博物馆工作的重中之重。随着科技的发展，物联网技术将物理基础设施与信息技术基础设施有效地结合起来，以其高效、准确、灵活、自动化等优势，已成功应用于多个领域，尤其是物联网在环境保护方面的应用，为博物馆文物保护工作提供了新的思路。借助于物联网技术，开展文物的预防性保护工作，根据甘肃省博物馆的实际需要，设计“监测-评估-预警-调控”的环境保护流程，对文物所处的环境进行实时监控，包括展厅、库房、外展等各个区域的空气质量参数，并将采集到的环境数据信息实时传输至监测中心，监控人员能够根据预警信息进行反馈以及微环境的调控。该系统经过功能测试与性能测试，已经在甘肃博物馆正式上线。实现了环境监
6、测数据实时获取、预警、调控等，在环境监测方面具有较大的应用价值。关键词：物联网，文物保护，数据采集，监测平台AbstractAs an important place for cultural exchange, the museum takes on the important mission of cultural relic protection, research and cultural communication. As the carrier of culture, cultural relics have high historical value and social val
7、ue, record the history of human development, enrich the spiritual life of human beings, and play an important role in the development of culture.Cultural relics as a kind of non renewable resources, easily affected by environmental factors, environmental factors of temperature, humidity, illuminatio
8、n, and other harmful gases, will cause irreversible damage to cultural relics, therefore, to eliminate these negative factors from the source, strengthen the preventive protection of cultural relics, is the most the Museum of work.With the development of science and technology, networking technology
9、, physical infrastructure and information technology infrastructure to effectively combine with its efficient, accurate and flexible automation, and other advantages, has been successfully applied in many fields, especially in the application of IOT in environmental protection, and provides a new id
10、ea for the Museum of cultural relics protection work.With the help of Internet technology, to carry out preventive protection of cultural relics, according to the actual needs of the Museum of Gansu Province, the environmental protection process design monitoring - Assessment - warning - control, re
11、al-time monitoring of the cultural environment, including air quality parameters of exhibition hall, warehouse, outreach and other areas, and will be collected the environment of real-time data transmission to the monitoring center, monitoring personnel can be regulated according to feedback and mic
12、ro environment early warning information.The system has been tested on the function and performance, has been formally launched in Gansu museum. The real-time monitoring, early warning and control of environmental monitoring data are realized, which has great application value in environmental monit
13、oring.Keywords: Internet of things, cultural relics protection, data acquisition, monitoring platform目录第一章 绪论101.1 研究背景及意义101.2 国内外研究现状101.2.1 国外研究现状101.2.2 国内研究现状111.3 研究目标和研究内容121.3.1 研究目标121.3.2 研究内容131.4 论文组织结构14第二章 相关技术综述及研究现状152.1 物联网概念及体系结构152.1.1 物联网概念152.1.2 物联网的体系结构152.2 物联网涉及的关键技术162.3 物联
14、网在环境监测中的应用162.3.1 大气污染监测172.3.2 水污染监测172.3.3 生态环境监测172.3.4 海洋污染监测172.4本章小结18第三章 系统需求分析183.1系统整体需求分析183.1.1 业务概述183.1.2 系统总体需求分析193.2 系统功能需求分析223.2.1 监测模块243.2.2 评估模块263.2.3 预警模块263.2.4 调控模块283.3 系统非功能需求303.4本章小结31第四章 系统总体设计314.1 系统体系结构314.2 系统软件架构设计334.3 无线传感网络设计364.3.1无线传感网络布置原则374.3.2 无线传感环境监测终端37
15、4.3.3 无线传感网络中继和网关384.3.4 数据传输流程384.4 系统功能架构设计404.5 数据库设计424.3 本章小结45第五章 系统详细设计与实现455.1 数据库详细设计455.1.1 数据库设计思想455.1.2 数据库逻辑结构设计465.2 系统功能模块的设计与实现515.2.1 预警模块的设计与实现515.2.2 数据可视化模块的设计与实现545.3 本章小结55第六章 系统测试与分析556.1 系统测试目标556.2 系统测试需求分析566.3 系统测试方案设计566.3.1 功能测试566.3.2 性能测试616.4系统测试部署实施636.5 系统测试结果分析和结论
16、63第七章 总结与展望647.1 本文总结647.2 展望65参考文献65致谢67图目录图 1 业务规划图14图 2 物联网体系结构图17图 3 基于洁净概念的文物保存微环境评估体系框架21图 4 系统功能用例图25图 5 监测模块功能用例图25图 6 评估模块功能用例图27图 7 告警模块功能用例图29图 8 调控模块功能用例图30图 9 系统体系结构图33图 10 系统软件架构图34图 11 博物馆展厅传感数据采集与传输图37图 12 数据传输流程图39图 13 系统功能架构图41图 14 在线监测模块功能架构图43图 15 在线评估模块功能架构图46图 16 实时告警模块功能架构图47图
17、 17 环境调控模块功能架构图48图 18 系统E-R图50图 19 系统告警流程图58图 20 规则引擎结构示意图58图 21 实时告警规则引擎调用时序图59图 22 数据可视化流程图61图 23 数据分析模块时序图62表目录表 1 REST技术选型对比表36表 2 B/S与C/S模式比较表36表 3 users表53表 4 devices表53表 5 areas表54表 6 activity monitoring data record54表 7 activity data record 表54表 8 hour data record表55表 9 day data record表55表 1
18、0 day data record表56表 11 month data record表56表 12 year data record表57表 13 standards表57第一章 绪论1.1 研究背景及意义中华民族有五千多年的历史，创造了丰富的文化。经过三次文物普查，不可移动的文物总量已经达到了76万余处，馆藏文物目前已经达到了3100万余件。丰富的文物藏品是国家珍贵的文化遗产，是中华民族历史发展的见证，具有极高的艺术价值、文化价值， 博物馆作为文物的收藏机构，在文化交流中起到了非常重要的作用。博物馆的核心工作就是保护这些珍贵文物，因此，加强文物的预防性保护工作，从源头上杜绝各种环境因素对文物
19、的损坏，是博物馆的重要使命。文物作为一种不可再生资源，各种环境因素，例如温度、湿度、有害气体、光照、紫外线等，都会对文物造成不可逆的伤害，如何从源头上杜绝这种伤害，预防性的保护珍贵文物，是文物保护工作的重中之重。近年来，文物受损的问题日益突出，预防性的保护文物已经成为国际共识，随着科技的发展，物联网技术将物理基础设施与信息技术基础设施有效地结合起来，以其高效、准确、灵活、自动化等优势，已成功应用于多个领域，尤其是物联网在环境保护方面的应用，为博物馆文物保护工作提供了新的思路。随着传感技术在物联网领域的应用，传感设备能够自主的对文物所处环境进行监测，实时采集环境数据，并将采集到数据传输至监测平台
20、，平台对数据进行分析处理，以可视化的图表的形式展现给监测人员，方便工作人员做出决策，最终实现了对文物的预防性保护,加强了博物馆的环境监测水平。 “甘肃省博物馆文物环境数据采集与监测系统”的主要任务是采集博物馆的文物所处空间的温湿度、有害气体、光照度等环境参数，而且监测数据可以实时传输，通过系统进行处理，使得监控人员能够根据预警信息进行反馈，通过调控设备对文物所处的微环境做出调控。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状随着物联网的快速发展，利用传感技术来解决文物预防性保护领域的环境实时监测监控等问题已成为可能。物联网技术突破了时间和空间的限制，传输速度快、数据承载量高，传感技术使得数据采
21、集更为高效、便捷，为环境的实时监测的应用提供了技术支撑。国外在环境监测监控方面起步较早，获得了较大成就，目前已经拥有大量的研究成果和专利，为物联网在环境监测方面的应用和探索提供了基础，目前，国外已有多项物联网环境监测方面成功应用的案例，例如：挪威ENSYS公司研发的环境监测网络，已在很多国家和地区得到应用，该系统实现了对空气质量和水质的监测，实现了监测信息的存储、处理、显示及发布。Citysense是一个用于城市规划的无线传感器网络系统，有100个传感器节点，平均每天采集20次环境数据，该系统由哈佛大学和BBN在剑桥部署，主要用于监测天气和空气污染，包括空气湿度、风速风向、降雨量及降雨强度、噪
22、音级别等环境信息，监测范围广，覆盖了剑桥的大多数区域，但是该系统缺乏大量实时数据进行分析处理及可视化展示。1.2.2 国内研究现状与发达国家相比，我国的环境监测技术起步晚，发展相对滞后，环境采集设备功能单一，没有扩展性，采集到的数据误差大，同时由于通信设备较落后，传输速度慢，使得数据信息不能及时传送给监控人员，不利于工作人员及时作出调控措施，严重影响了博物馆的文物保护工作。随着物联网的引入，技术的发展提升了环境监测能力，突破了时间和空间的限制，使得我国在环境监测方面有了质的飞跃。我国对于文物预防性保护工作非常重视，国家文物局于2013年与工信部共同签署了“文物保护装备产业化合作协议”，将文物保
23、护事业与科技融合，推进博物馆事业的发展，提升文物保护工作的力度。主要研究成果包括馆藏文物环境监测系统、文物环境评估和离线检测系统，智能展柜、调湿设备等环境调控系统，为文物预防性保护工作提供了多项解决方案，提升了我国文物预防性保护的水平。物联网的发展，使得博物馆环境监测突破了地域的限制，2008年的北京奥运会中表演的节目奇迹天工-中国古代发明创造展中展示的大量珍贵文物，是通过远程监测调控来确保文物不受到环境的影响，对文物保护工作发挥了积极的作用。无独有偶，2010年的上海世博会，也用到了远程监控技术，在世博会“中国国家馆”、“博物馆”的大型展览中，远程调控现场文物所处环境的温湿度，气体浓度，关照
24、等各项环境参数，不仅保护了文物，更通过展览向世界展示了中国的民族艺术。 目前我国对博物馆环境监测方面做了很多研究，尤其在文物保存环境方面的研究上做了很多的尝试和突破，并取得了一定的成果。在针对武汉博物馆文物保存环境的研究中，上海博物馆文物保存环境重点科研基地受武汉博物馆的委托，为其设计了一套具体方案，该方案是在某些重点区域放置相应数量的传感器，博物馆负责数据采集的人员，定期采集传感器获取的环境数据信息，由于信息量大，导致工作人员的工作量大、费时费力，由于数据信息不能实时采集，也不利用文物的保护工作。基于以上不足，国内一些研究学者提出并设计了一套基于无线传感网络的博物馆环境监测系统，该系统能够在
25、第一时间采集到环境数据，解决了数据采集的实时性问题，同时后台程序能够对采集到数据进行自动处理，使得博物馆工作人员的工作方式更加简单、快捷，节约了人力成本。同样，浙江大学设计的敦煌莫高窟环境监测系统是针对室外文物的监测监控，监测的环境参数主要是二氧化碳浓度和湿度，通过控制游客人数来调控环境，设置环境数据的阈值，如果环境数据高于设定的阈值，将会自动报警，告知游客不宜参观洞窟，以此起到保护文物的作用，但是该系统采集的环境数据信息较为单一。传感器节点的成本及能耗问题、无线系统的稳定性问题等，使得借助于无线传感网络实现的博物馆环境监测系统无法大范围的推广，为了解决以上问题，国内专家进行探索研究，提出了一
26、套基于物联网技术的环境监测系统，该方案解决了传感节点功耗的问题，而且成本低、扩展性强，也为本文的研究提供了理论基础。1.3 研究目标和研究内容 1.3.1 研究目标论文的研究目标是针对甘肃省博物馆文物的预防性保护工作，建设一套文物环境数据采集与监测系统。系统通过在博物馆的展厅、库房等区域布置监测点，实时监测区域环境信息，并将环境数据实时传输至监控平台，监控人员能够根据预警信息进行反馈，通过调控设备对文物所处的微环境做出调控。 甘肃省博物馆文物环境数据采集与监控系统，是以区域内的文物环境监测数据的采集、存储为基础，能够自动产生、分发、推送监测数据和监控命令，使得目前处于信息孤岛状态的区域内的文物
27、环境数据，通过数据交换，实现信息共享。1.3.2 研究内容论文的研究内容是在甘肃省博物馆的外展、展厅、库房中的各个功能区域内，布置一定数量的可移动文物保存环境监测点、可移动文物保存环境评价点。其中，可移动文物保存环境监测点主要是根据文物材质进行针对性的环境监测。监测封闭展柜微环境的温湿度，光敏感藏品的光照水平，展厅、库房的空气质量和污染物浓度，游客流量对环境的影响等。可移动文物保存环境评价点是用于评价博物馆展厅、库房不同功能区的环境质量状况和变化趋势，反映半径50米到1公里范围内的整体环境质量水平。业务规划图如图 1 图 1 业务规划图 外展可移动文物保存环境数据通过GPS、4G LTE网络和
28、低功耗WiFi组成的无线传感网络传送到可移动文物保存环境区域监测中心。展厅可移动文物保存环境数据通过蓝牙BLE、低功耗WiFi组成的无线传感网络传送到可移动文物保存环境区域监测中心。库房可移动文物保存环境数据通过RFID、蓝牙BLE、低功耗WiFi组成的无线传感网络传送到可移动文物保存环境区域监测中心。可移动文物保存环境区域监测中心由监控中心和数据中心构成。数据中心，用来收集监测点、评价点采集到的环境数据，并对数据进行分析处理，数据中心建设有“环境历史数据库”，能够保存传感设备采集到的环境数据信息，为文物预防性保护的理论研究提供了数据基础，同时为保护措施的执行提供了科学依据。监控中心，配备监控
29、大屏幕和监控室。提供对设备的监控（设备工作状况，设备电量）；对文物保存环境信息的实时查询；对设备信息实时监控；对文物环境信息进行评估；对可移动文物微环境的调控；对可移动文物保存环境的预警；对游客流量进行监测。可移动文物保存环境区域监测中心把数据分析结果以及环境历史数据反馈给可移动文物保存环境监测实验室。1.4 论文组织结构本论文主要包括以下章节及内容。第一章 绪论：介绍了甘肃省博物馆文物环境数据采集与监测系统的研究背景，调研了国内外文物环境监测的研究现状，最终确定了本文的研究内容和研究目标。第二章 相关技术综述及研究现状：介绍了物联网的定义以及目前常用到的几项物联网技术，调研了物联网在环境监测
30、方面的具体应用。第三章 系统需求分析：介绍了甘肃省博物馆环境数据采集与监测系统的业务流程，分析了系统的总体需求，提出系统的功能需求和非功能需求。第四章 系统总体设计：包括系统的体系结构设计、软件技术架构设计、传感网络设计、数据库ER图等。第五章 系统详细设计实现：系统数据库的详细设计，设计并实现了系统部分功能模块，包括评估模块和数据可视化模块。第六章 系统测试：完成了测试用例设计、测试实施、测试结果分析等一系列测试流程。第七章 总结与展望。本章小结：本章主要介绍了甘肃省博物馆文物环境数据采集与监测系统的研究背景，调研了国内外文物环境监测的研究现状，在此基础之上，确定了论文的研究目标和内容，列出
31、了论文的组织结构。第二章 相关技术综述及研究现状物联网技术的发展，推动了各个领域的信息化发展进程，随着物联网技术在环境监测领域的成功应用，为文物预防性保护工作提供了新的方向，推动了国内博物馆环境监测事业的发展。2.1 物联网概念及体系结构2.1.1 物联网概念顾名思义，物联网是“物与物的连接”，是互联网人与物之间连接的拓展，其核心仍然是互联网，物联网的物与物之间的通信借助于传感网络，实现了信息的传递和交换。物联网依托于传感技术，通过各种传感设备，实时采集各种信息，形成一个巨大的感知网，实现物与物之间的互联，这种智能化的连接方式，使得人的工作得到了解放，节约了人力和成本。物联网作为一项新兴技术，
32、具有以下几个特点：1、物联网是传感技术的应用。物理网的发展离不开传感技术，物理网上部署的各类传感器代表了不同的信息源，这些传感器可以抓取各类不同的信息内容，这些数据信息具有实时性并且可以不断更新。2、物联网是互联网的延伸，核心仍然是互联网。传感设备采集到的信息是海量的，为保护数据传输的速度和准确性，需采用各种异构网路和协议，将大量的数据信息传输至互联网，最终将采集到的信息传输出去。3、物理网具有智能处理能力。物理网运用了云计算、模式识别等各种技术，可以从庞大的数据信息中分析识别出有用的信息，对物体试试智能控制和调节，满足了不同用户的需求。2.1.2 物联网的体系结构物联网的体系架构分为三层：感
33、知层、网络层和应用层。如图 2 所示。感知层：由各种传感器构成，是物理网识别物体、采集信息的来源，主要包括温度传感器、湿度传感器、甲醛传感器等各类传感器，二维码标签、RFID标签、GPS等各类感知终端。网络层由各种网络组成，负责传递和处理感知层抓取的信息，包括互联网、电信网络、广电网、物联网网管和云计算平台等。应用层是物联网和用户的接口，针对不同的行业需求，实现不同的应用，主要包括：数据库服务、信息处理、网络管理、WEB服务等。图 2 物联网体系结构图2.2 物联网涉及的关键技术物理网涉及了3箱关键技术，分别是传感器技术、RFID标签、嵌入式系统技术。1、传感器技术传感器技术是物理网应用中的关
34、键技术，计算机处理的信号都是数字信号，传感器可以把模拟信号转化成计算可以处理的数字信号。2、RFID标签RFID标签能够自动识别，主要应用于物流领域。RFID技术融合了嵌入式技术和无线射频技术，是一门综合的传感器技术。3、嵌入式系统技术嵌入式技术比较复杂，综合了多门技术，包括集成电路技术、计算机软硬件技术、传感技术等，嵌入式技术在国防业应用较多，极大地推动了国防工业的发展。 2.3 物联网在环境监测中的应用改革开放以来，随着工业的飞速发展，粗放式的经济增长模式对我们生存的环境造成了严重的污染，危害了国民的身体健康，极大地影响了社会的可持续发展。由于信息化程度不高，虽然我国在环境保护问题上制定了
35、一系列的标准，但是效果并不显著。物联网的发展加快了环境保护工作的进程。物联网技术最先应用环境监测领域，主要包括生态环境监测、大气污染监测、噪音监测、降雨量监测、土壤监测、电磁波监测、污染物监控等。2.3.1 大气污染监测目前，我国在大气污染监测方面的体系非常完善。随着重工业的发展，我国北方大部分城市空气质量差，空气中颗粒物浓度高，严重影响城市居民的身体健康。通过物联网技术实时检测环境中的可吸入颗粒物的含量、有毒气体有害物质的含量等，并将检测的环境数据传输至当地的气象中心，气象中心通过新闻等多种形式告知民众，方便民众根据每日的空气质量情况及早作出防范措施，同时也为国家在环境治理时的决策提供数据支
36、持。2.3.2 水污染监测物联网在水质监测、污水处理等领域也有广泛的应用。在河流河道中布置一定数量的传感设备，监测水质中的污染物含量、有毒有害物质含量，将采集到的数据传输至中央控制系统，中央控制系统通过对数据进行分析处理，以此判断水质情况，在水质出现严重问题时自动报警，方便河道治理人员及早治理。2.3.3 生态环境监测物联网在生态环境方面的监测相对较少，主要是在国家重点保护区域，例如沙漠植被研究、濒危物种监测、生态环境恶化监测中应用，目前正在逐步应用推广。生态环境监测的系统，不仅仅包括环境监测，还包括生态环境中的生物生存情况的监测等。2.3.4 海洋污染监测 物理网在海洋污染方面的监测还处于初
37、期阶段，通过对海洋水质、污染物情况及早监测，能够及时发现轮船原油泄漏等重大事故，能够及早作出处理，防止污染蔓延。同时，也可以及早发现一些重大自然灾害，避免不必要的人员伤亡，总之，海洋污染监测是非常必要的。2.4本章小结 本章主要讲解了物联网的概念及体系结构，物联网所运用的主要技术、物联网在环境监测中的重要应用，对博物馆文物环境数据采集与监测系统的建设具有极大的参考意义。第三章 系统需求分析本文第一章讲述了博物馆文物环境数据采集与监测系统的研究内容，基于博物馆文物保护的大课题，博物馆需要对文物所处的展示和储存环境进行监测，并最终通过数据采集设备将环境数据保存入博物馆的数据库中。环境特征和环境变化
38、对于文物保存和保护具有极大的影响，环境数据的变化是备受博物馆管理者重视的焦点，因此需要一个信息数据监测与管理的平台，为博物馆日常管理和文物保护提供参考数据和分析依据。本章将根据具体的业务规划，做出具体的分析，提出系统的业务需求以及功能需求。3.1系统整体需求分析3.1.1 业务概述 甘肃省博物馆是中国省级综合性历史博物馆，位于甘肃省兰州市七里河路。多年来，甘肃省博物馆一直致力于文物的保护和研究，并取得了一定成果。如下： 1、甘肃省博物馆文物数目较大、材质多样、保存环境差异大，具有一定的复杂性，因此需要结合文物本身的特点综合考虑文物的预防性保护工作。 2、甘肃省博物馆在文物保护方面具有较强的意识
39、，保管部、研究部配备有专职的文物管理员对博物馆库房环境进行监测，监测方式是根据气候的变化，不定期的采用简单的手持式温湿度仪和简易温湿度表，监测文物保存环境的温湿度情况，根据监测结果对文物定期进行保养，对库房定情进行清洁等工作；对库房文物进行了防震加固处理。对于进一步开展文物保护工作奠定了良好的基础。 3、甘肃省博物馆现有的环境检测手段比较单一，仅配备少量精度不高的简易温湿度表，无法全面、实时感知馆藏文物保存环境中温湿度、气体浓度、紫外线灯环境因素的变化，更不能对环境进行科学评估。因此，需要建设一套文物环境数据采集和监控系统，实现对文物库房、展厅、重点展柜等文物保存区域的环境质量信息进行实时、全
40、面的感知和调控。甘肃省文物环境数据采集与监测系统的建设，是根据文物预防性保护原则和基于“洁净”概念的文物保存环境理念，当前甘肃省博物馆文物保护工作存在以下问题：环境监测手段单一，费时费力；环境监测缺乏实时性，现有系统不能及时感知文物环境质量，无法及时报警并调控，不利于文物的保护工作，因此，迫切需要建设一套环境数据信息采集与监控系统，综合运用传感技术、移动互联技术、通讯技术等信息化手段，选用适宜的博物馆环境监测技术、调控技术和预警管理技术，实时监测甘肃省博物馆的文物所处的环境信息，提高馆藏文物对环境的感知、评估、决策能力，在实践中增强文物保护意识，形成科学保护文物的长效机制，提高文物收藏保护能力
41、。甘肃省文物环境数据采集与监控系统应从技术层面上实现对博物馆环境监测分析、评估分析、风险预警、决策调控等，系统采用无线传感器及其自组网在线实现监测，按照甘肃省博物馆文物收藏保管、展陈利用等实际需要，统筹考虑博物馆展厅和库房的空间分布，对不同材质的珍贵文物选择性的监测。3.1.2 系统总体需求分析 博物馆的文物极易受到环境因素的影响，本着“预防第一，抢救为辅”的原则，国家于2006年开展课题研究“馆藏文物保存环境应用技术研究”，针对博物馆文物保存环境的具体特点，引入了现代工业洁净室和生物洁净室技术管理的概念，建立了基于“洁净”概念的文物保存微环境评估体系，如图 3所示。 为保证博物馆的文物处于一
42、个稳定的环境，通过有效的监测、评估、调控等手段，保证博物馆的环境空气质量在科学合理的范围之内，以达到“洁净”的目的。图 3 基于洁净概念的文物保存微环境评估体系框架 博物馆文物环境数据采集与监控系统应甘肃省博物馆的实际需要而开发，用户可通过系统对文物保存环境的监测指标进行实时信息检测、登录、存储、分析、评估、预警、查询、交流和管理决策。使用人员可以通过系统的人机交互界面，随时查看各文物保存环境监测点的状况，以图标或文字形式进行环境质量分析，在出现异常情况时向相关工作人员报警，以提高风险预控的科学管理。 经过以上的分析，我们可以初步梳理出以下系统需求：1. 文物环境数据信息采集需求文物环境数据信
43、息采集，是掌握博物馆环境质量、了解变化规律，及时采取调控改善措施的必要手段，随着技术的日益进步，各种进口或国产的无线传感监测设备、便携式检测仪等环境采集设备相继问世，为博物馆环境的实时监测提供了多种技术手段。影响博物馆文物保护的主要环境因素包括光照、温度、湿度、有害气体浓度等，在采集文物环境数据信息时，要求采集设备能够满足博物馆环境指标检测量程范围和测量精度，数据传输稳定，体积小，功耗低，样式美观，在使用时不会散发污染物。2. 人机交互需求博物馆环境监测系统最终需要将监测数据呈现给博物馆管理人员，同时能够满足人员日常管理的需求。（1）博物馆环境监测的基本功能是实现数据的实时显示，因此采集数据支
44、持实时显示，便于人们对于数据的监测。（2）环境数据需要能够存储，并且实现对于历史数据的查询功能。便于以后的查询管理。（3）要有预警机制，预警机制要有2方面的功能：阈值的设置以及预警的显示、处理。首先因为每个监测点对应的阈值是不同的，所以需要支持每个监测点独立的设置阈值，其次，到达阈值触发告警时，系统支持通过邮箱，短信等多种告警方式。因告警级别而异。（4）要对整个系统的参数有控制功能，完成系统参数设置。比如对于数据采集的频率设置，对于串口波特率的设置等。监测点参数设置：为了使得监测的数据能够保持连续性以及有效性，避免突发情况下产生系统无效数据，比如网络攻击，网络干扰等，我们需要对能够控制监测点数
45、据接收的检查周期。此外，为了在数据呈现的时候能够清楚的区分监测点位置，我们需要支持对监测点建立别名。总结一下，我们首先需要能够对监测点设置数据检查周，同时支持对监测点自定义别名。监测点参数范围设置：支持设置告警阈值。在增长到最高阈值或者降低到最低阈值的时候系统自动触发告警。 监测点运算系数设置：实际中每个监测点所处环境不同，虽然在系统里共享一套运算算法，但是还是有细微差别，这种差别可以通过运算系数来消除。不同的监测点可能对应不同的运算系数。为了对每个监测点都可以采取有差异的独立运算，需要支持设置监测点的运算系统。以实现对每个监测点传感器单独进行数据校正。（5）针对整个系统的管理和博物馆管理人员的区别，还要实现角色分配和权限控制。实现博物馆管理人员的注册权限控制，以及系统管理员角色的设置。实现对于系统的人员角色分配。3、数据可视化需求将处理后的数据以可视化的图表形式展现给工作人员，方便工作人员作出决策。 博物馆文物环境数据采集与监控系统将实现以下功能：（1）数据实时查看：为了向用户最快限度识别问题，解决问题的能力，需要系统对监测点收集到的数据快速处理并实时呈现给用户。另外为了方便用户查看，可以对数据以图形化的是形式展现（2）部署图形查看：对监测点的位置、运行状态建模，并以图像的形式展现。 （3）监测点列分区查看：