CN104676831A - 一种用于洞窟微环境调节控制系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于洞窟微环境调节控制系统的控制方法。该控制方法基于CFD分析，对洞窟微环境引入的主动送风以及主动抽风的控制手段进行分析，分析结果发现，洞窟墙壁表面的最大风速，主动抽风比主动送风小。从保护壁画的角度，主动抽风优于主动送风。在风险分析基础上提出洞窟微环境控制方案。该微环境控制系统由分隔门、无线传感器、多功能网关等模块组成，具备环境分隔、自然通风、主动抽风等功能。分隔门主要由主控制器(1)、抽风风扇(2)、多功能网关(3)、纱帘(4)、百叶(5)组成。在自然通风状态下，通过调整分隔门上百叶的旋转角度，控制进入洞窟的风量和风速。当自然通风不能调整洞窟的微环境的时候，采用主动抽风的方式，向洞窟内送入干燥空气，使洞窟微环境的湿度、CO₂含量保持在一种稳定的、理想的状态。

Description

一种用于洞窟微环境调节控制系统的控制方法

技术领域：

本发明涉及文物保护领域，特别是洞窟保护领域。

背景技术：

世界著名遗产地敦煌莫高窟地处戈壁腹地，是中国乃至世界上规模最大、内涵丰富、艺术精湛、保存良好、影响最大的石窟。对敦煌莫高窟文化瑰宝的保护一直得到我国政府的高度重视。然而阴雨天气和沙尘天气导致洞窟微环境突变，对洞窟壁画的保存带来很大的影响。在阴雨天气，外界环境空气处于高湿度，随着洞窟内外的空气交换，致使窟内湿度升高，从而导致壁画的损坏；在沙尘天气，沙尘进入洞窟，沉降于壁画或塑像表面，不仅从视觉上影响壁画的美观，而且对壁画造成潜在的危险。此外随着旅游业的不断发展，大量的游客参观使洞窟微环境改变，已经威胁到壁画的保存。游客参观带来的洞窟环境改变主要集中在温度、湿度、CO₂、微生物和气溶胶等。CO₂可造成壁画处于一个酸性环境中，对壁画、彩塑保护造成潜在的威胁。

CFD软件即计算流体动力学是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。基于CFD技术的分析方法，对洞窟微环境引入的控制手段进行分析，确保控制方式和控制量不会对文物有任何程度的损害。

采用CFD理论和现场试验对控制技术可能带来的风险和危害进行风险分析。在风险分析基础上提出洞窟微环境控制方案，研发洞窟微环境控制系统。该微环境控制系统具备环境分隔、自然通风、主动抽风等功能，使洞窟微环境保持在一种稳定的、理想的状态。

发明内容：

建立洞窟微环境分析模型。根据洞窟的实际尺寸，洞窟模型的长度为260cm，宽度为230cm，高度为300cm。在CFD数值模拟中，每个控制体积都由一个网格节点来代表，网格节点的生成对CFD数值模拟很重要。模拟时洞窟顶部的梯形选择四面体网格，其它部分选择六面体网格，每隔2.5cm进行一次分割，边界都设置为墙面。在洞窟的甬道上部安装一个模拟风扇，风扇两侧的压力差为10Pa。

在主动送风和主动抽风条件下采用CFD模拟洞窟内空气流动情况。主动送风是指向洞窟内送入干燥、洁净的空气，主动抽风是指通过抽风风扇抽走洞窟内的湿度比较大的空气，洞窟内形成负压，外界空气的压力大于洞窟内的空气压力。外界干燥空气在压差的作用下进入洞窟。模拟结果表明，洞窟墙壁表面最大风速，主动抽风比主动送风要小。从保护壁画的角度，模拟结果表明主动抽风优于主动送风。

洞窟微环境控制系统包括分隔门、无线传感器、无线传输网络等模块。无线传感器采集的温度、湿度及二氧化碳浓度等环境信息通过多功能无线网关发送给安装在分隔门上的DSP主控制器，主控制器根据洞窟内的微环境数据变化做出反应，控制分隔门上的百叶以及抽风风扇的动作，形成一个闭环控制系统。从而保证洞窟内的温度、湿度相对恒定以及降低二氧化碳浓度。

分隔门包括主控制器(1)、抽风风扇(2)、无线多功能网关(3)、纱帘(4)、百叶(5)。自然通风状态下，通过调整百叶(5)的旋转角度，控制进入洞窟的风量和风速。在雨雪、大风等恶劣天气条件下，百叶自动关闭；纱帘(4)主要起到防虫功能。当通过自然通风不能调整洞窟内的微环境时，可以经过主动抽风的方式，向洞窟内送入干燥的空气，对洞窟微环境的湿度和二氧化碳浓度进行主动干预和调节。

主控制器包含一个TMS320F28335DSP芯片和其它外围的元器件，与百叶、抽风风扇、无线多功能网关等模块相连，构成了分隔门的核心器件。

附图说明：

图1CFD模拟过程流程图

图2洞窟微环境控制系统的结构示意图

图3分隔门外形图

图4洞窟微环境控制流程图

具体实施方式：

无线监测传感器采集洞窟内的温度、湿度及二氧化碳信息，传送给无线多功能网关。无线多功能网关把微环境信息传给门控制器的F5通信模块。F5通信模块为射频-串口透明传输模块，当射频端有数据接收时，将按一定的协议通过串口转发给门控制器。

无线多功能网关把环境监测站监测的环境温度、湿度等信息传给门控制器。

洞窟内的相对湿度上限为60％，当相对湿度超过60％，并且洞窟外的环境湿度低于60％时，分隔门的百叶将打开，通过自然通风的形式使洞窟内外的空气进行交换。

当洞窟内的相对湿度远远超过60％时，借助自然通风不能调整洞窟内湿度的情况下，开启风扇抽风，使洞窟内产生一定的负压。

开启百叶，由于洞窟内外的压力差，外界的干空气送入洞窟内，通过气体扩散逐渐进行气体交换。

关闭百叶，打开抽风风扇。抽风一定时间后停止抽风，开启百叶，再进行空气交换，循环往复，直到洞窟内的湿度低于60％。

当洞窟内的二氧化碳的浓度超过1500ppm，开启抽风风扇，同时打开百叶，进行气体交换，直到窟内的二氧化碳的浓度低于1500ppm。

当出现大风或降雨等恶劣天气时，监控中心通过无线传输网络下达百叶关闭和抽风风扇停止转动的命令到无线多功能网关，网关再转发给F5通信模块给门控制器执行命令。同时门控制器把百叶和抽风风扇的状态信息发送给监控中心。

以上是对本发明的软硬件较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或者替换均包含在本申请权利要求所限的范围内。

Claims (5)

1.一种用于洞窟微环境控制系统的控制方法，其特征在于该控制方法基于CFD数值模拟，其中CFD数值模拟包括以下步骤：建立洞窟微环境分析模型，根据洞窟的实际尺寸，洞窟模型的长度为260cm，宽度为230cm，高度为300cm；

在CFD模拟中，每个控制体积都由一个网格节点来代表；模拟时洞窟顶部的梯形选择四面体网格，其它部分选择六面体网格，每隔2.5cm进行一次分割，边界都设置为墙面；

在洞窟的甬道上部安装一个模拟风扇，风扇两侧的压力差为10Pa；

在主动送风和主动抽风条件下采用CFD模拟洞窟内空气流动情况，进而对洞窟中的空气流动情况进行控制。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于所述控制系统包括分隔门、无线传感器、无线传输网络。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其中所述无线传输网络由无线监测传感器、无线多功能网关、环境监测路由器、F5通信模块组成；无线环境监测传感器是微环境控制系统的状态反馈单元，用于实时将微环境信息发送给主控制器，在主控制器内计算得到控制量，驱动百叶向目标位置转动，其中所述微环境信息包括温度、湿度及二氧化碳含量。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其中所述分隔门包括主控制器、纱帘、百叶、抽风风扇、无线多功能网关，通过调整百叶的旋转角度，控制进入洞窟的风量和风速；在雨雪、大风恶劣天气条件下，百叶自动关闭；纱帘主要起到防虫功能；当通过自然通风不能调整洞窟内的微环境时，可以经过主动抽风的方式，向洞窟内送入干燥的空气，对洞窟微环境的湿度和二氧化碳浓度进行主动干预和调节。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其中所述主控制器包括一个TMS320F28335 DSP芯片和其它外围的元器件，与百叶、抽风风扇、无线多功能网关相连。