CN111736503A - 一种文物馆藏陈列场所环境监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种文物馆藏陈列场所环境监控系统，用于文物馆藏陈列场所环境监测和控制，以及环境数据的信息化管理，采用“云‑管‑端”物联网信息服务架构，分为终端设备、运营商网络和物联网云平台三个部分。终端设备又包括节点终端和应用终端，应用终端包括手机和电脑等交互设备。运营商网络用于实现终端设备与云平台的信息交互。基于OneNET云平台实现文物馆藏陈列场所环境监控信息化管理，可实时查看现场环境参数变化，对环境参数进行远程调节，对节点终端进行实时定位。基于“云‑管‑端”的系统架构可以使系统标准化、模块化，大幅降低系统建设与维护成本，提高连接的可靠度和稳定性，具有数据信号传输稳定、传输距离远等优点。

Description

一种文物馆藏陈列场所环境监控系统

技术领域

本发明涉及室内环境监测系统及其控制方法技术领域，尤其是一种文物馆藏陈列场所环境监控系统及使用该监控系统的控制方法。

背景技术

对文物馆藏陈列场所环境进行有效的监测和控制，一方面是从藏品预防性保护的角度出发，增强藏品的环境风险预控能力，最大限度防止或减缓环境因素对藏品材料的破坏作用；另一方面是从健康舒适的角度出发，关注文物馆藏陈列场所的空间环境品质，保障人员安全，提升观众的参观体验。目前文物馆藏陈列场所环境监测的最常用方式是通过传感器与无线传输网络对环境进行连续监测，使用的无线网络传输模式主要有433MHz和ZigBee两种。433MHz技术的优点是传输距离远，设备价格便宜，缺点是数据传输抗干扰能力差，有时会发生数据丢失；ZigBee技术的优点是数据信号传输稳定，网络扩展性好，节点终端电池可持续时间长，缺点是传输距离有限。

故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的针对文物馆藏陈列场所的环境监测系统，以能够降低系统建设与维护成本，提高数据传输的抗干扰能力和距离。

本发明同时提供了采用上述监控系统的控制方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种文物馆藏陈列场所环境监测系统，用于室内场所环境监测和控制，以及环境数据的信息化管理；该监测系统包括终端设备、运营商网络、物联网云平台。

所述终端设备包括节点终端和应用终端，节点终端用于实现环境数据采集、显示与上报、异常告警、设备开关控制、现场定位；

所述运营商网络用于实现节点终端、应用终端与物联网云平台的信息交互；

所述物联网云平台用于实现多个节点终端和应用终端对环境监控信息化的管理与控制。

节点终端使用STM32F103为核心控制器，包括微控制器最小系统、NB-IoT通信模块、GNSS定位模块、传感器模块、LCD显示模块、告警器、环境中设备开关控制模块以及电源模块。

进一步的，节点终端内置的嵌入式软件基于Huawei LiteOS操作系统，以任务为单位，将系统任务划分为LCD显示任务、RTC实时时钟任务、NB-IoT通信相关任务、数据采集相关任务、异常告警任务、设备控制相关任务，以及GNSS定位任务，实现嵌入式软件的模块化设计。

进一步的，运营商网络使用NB-IoT网络和3G/4G网络，NB-IoT网络用于实现节点终端与物联网云平台的信息交互，3G/4G网络用于实现电脑、手机应用终端与物联网云平台的信息交互。

进一步的，NB-IoT通信模块采用LwM2M通信协议，并参照IPSO智能对象组织数据资源。

进一步的，采用“云-管-端”物联网信息服务架构，使用电脑、手机等应用终端可远程实时登录中国移动OneNET物联网云平台上的环境监控信息化管理系统，实时监控现场环境参数变化，通过指示灯告警和通过邮箱收发告警信息，使用电脑或手机实现环境参数远程控制调节，节点终端实时定位。

进一步的，所述传感器模块包括温湿度传感器、光敏传感器、空气质量传感器、烟雾浓度传感器。

进一步的，NB-IoT通信任务分为NB-IoT初始化任务、接入云平台任务、数据发送任务和数据接收任务；所述NB-IoT初始化任务用于完成NB-IoT网络状态的检测，包括握手检测、SIM卡状态检测、信号质量检测、网络附着状态检测和网络注册状态检测。

进一步的，环境中设备开关控制模块用以控制室内设置的空调、加湿器、照明灯、排气扇。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的文物馆藏陈列场所监控系统基于“云-管-端”系统架构，可以使系统标准化、模块化，大幅降低系统建设与维护成本，提高连接的可靠度和稳定性，具有数据信号传输稳定、传输距离远等优点。

附图说明

图1系统架构示意图。

图2节点终端结构示意图。

图3节点终端软件结构框图。

图4节点终端接入OneNET云平台流程图。

图5NB-IoT接收数据流程图。

图6读取经纬度定位流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

本文公开一种应用于室内的环境监控系统，具体的，是一种文物馆藏陈列场所环境监测系统。该监控系统整体架构采用“云-管-端”物联网信息服务架构，包括终端设备、运营商网络、物联网云平台，如图1所示。

所述终端设备分为节点终端和应用终端，应用终端为电脑和手机，节点终端用于实现环境数据采集、显示与上报，异常告警，设备开关控制，现场定位等。图2所示为节点终端结构示意图，包括微控制器(MCU)最小系统、NB-IoT通信模块、GNSS定位模块、传感器(温湿度传感器、光敏传感器、空气质量传感器、烟雾浓度传感器等)模块、LCD显示模块、告警器、开关控制模块以及电源模块。在本实施方式中，微控制器最小系统是整个节点终端的核心，控制所有外围设备，采用STM32F103型微控制器。NB-IoT模块采用中国移动的M5310-A通信模组，实现节点终端与NB-IoT网络的数据交互，通过微控制器的USART串口与微控制器间传输数据。GNSS定位模块使用SkyTraq公司的S1216F8-BD型模组，完成节点终端经纬度数据的获取，并通过微控制器的USART串口发送至微控制器。温湿度传感器型号为DHT22，采用单总线方式传输数据，通过微控制器的GPIO口与微控制器通信。光敏电阻传感器型号为YL-38，其亮度输出为模拟量，通过微控制器自带的ADC接口与微控制器连接。空气质量传感器型号为M Q-135，空气质量输出为模拟量，也通过ADC接口与微控制器连接。烟雾浓度传感器型号为MQ-2，与微控制器外部中断(EXTI)接口相连，通过外部中断的触发方式实现烟雾告警。报警器通过GPIO口与微控制器相连。通过继电器实现对空调、加湿器、照明灯和排气扇等的开关控制。LCD显示屏为4.3寸TFT-LCD，通过灵活静态存储控制器(FSMC)接口与微控制器相连，LCD显示所需数据，如字体等，保存在SD卡中，系统工作时通过Flash从SD卡读取数据，SD卡和Flash分别通过SDIO和SPI接口与微控制器实现数据传输。

所述节点终端，其软件结构框图如图3所示，为了提高节点终端软件的实时性、扩展性和可移植性，在微控制器上移植了Huawei LiteOS物联网操作系统，以任务为单位，将节点终端软件分为LCD显示任务、RTC实时时钟任务、NB-IoT通信相关任务、数据采集相关任务、异常告警任务、设备控制相关任务以及GNSS定位任务。

所述LCD显示任务，通过程序控制LCD显示设备的当前信息和采集的数据，包括设备硬件信息、各传感器最新采集的数据值及其状态、当前时间、设备运行状态以及报警器状态等。

所述RTC实时时钟任务，除了提供实时时间外，更重要的是通过信号量为其它定期循环执行的任务提供时间基准。本实施方式中温湿度采集任务、亮度采集任务、空气质量采集任务等都是定期循环执行的任务，一次采集的周期可设为2分钟，采用RTC实时时钟为基准可以更准确地执行任务。

所述NB-IoT通信任务分为NB-IoT初始化任务、接入云平台任务、数据发送任务和数据接收任务。

所述NB-IoT初始化任务用于完成NB-IoT网络状态的检测，包括握手检测、SIM卡状态检测、信号质量检测、网络附着状态检测和网络注册状态检测。对NB-IoT网络状态的检测主要是利用微控制器通过串口向其发送对应的AT指令实现。为了提高容错率，对指令进行了循环发送和超时检测，循环间隔可设为5秒，超时时间可设为30秒。

所述接入云平台任务用于完成节点终端注册和登录OneNET云平台。如图4所示为节点终端接入OneNET云平台流程，首先在OneNET云平台上完成产品和设备的创建，然后在节点终端创建设备，添加对象、实例和资源，发起登录请求。创建设备是为了使云平台识别设备ID，订阅对象(Object)和资源(Resource)是申明需要使用的通信套件和需要使用的资源，对象和资源在LwM2M协议中已被进行了标准化定义。根据本系统的资源列表，首先发送指令“AT+MIPLCREATE”完成设备创建。然后，通过“AT+MIPLADDOBJ＝<ref>，<objid>，<inscount>，<bitmap>，<atts>，<acts>”完成所有对象实例的创建，第一个参数<ref>表示设备ID；第二个参数<objid>表示对象ID；第三个参数<inscount>表示对象实例的个数；第四个参数<bitmap>表示对象实例位图，其值为1表示启用此对象实例，为0表示不使用此对象实例；<atts>和<acts>分别表示属性个数和操作个数，默认为0。接着，通过“AT+MIPLDISCOVERRSP＝<ref>，<objid>，<instanceid>，<length>，<data>”为每个对象实例订阅资源，参数<instanceid>表示对象实例ID，<data>表示订阅的资源ID，多个资源ID之间用英文封号“；”隔开，<length>为<data>的长度。最后，通过指令“AT+MIPLOPEN＝<ref>，<lifetime>，<timeout>”向云平台发起注册请求，参数<lifetime>为此次接入云平台的生命周期，<timeout>为注册的超时时长。若云平台返回“+MIPLEVENT:0,6”，则表示此次对接OneNET云平台成功。

所述数据发送任务用于将传感器采集的环境数据、告警信息等数据发送给OneNET云平台。NB-IoT的数据上报主要通过指令“AT+MIPLNOTIFY＝<ref>,<mid>,<objid>,<insid>,<resid>,<type>,<len>,<value>,<index>,<flag>”完成，其具有多个参数，包括设备号、消息ID、对象ID、实例ID、资源ID、数据类型、数据长度、数据值、索引号和上报标志。如何定义对象数据很重要，在本实施方式中，定义一个结构体类型object_info_Typedef来组织对象数据。将一个对象实例声明为object_info_Typedef类型即可完成其定义。上报一个对象实例资源的操作通过函数“u8 NBIoT_Notify(USART_TypeDef*USARTx,object_info_Typedef obj_ins)”来实现，其第一个参数USARTx为串口号，第二个参数obj_ins为对象数据结构，函数返回值为上报结果。由于object_info_Typedef对象实例数据格式均为非字符串，而发送的指令必须为字符串形式，所以函数NBIoT_Notify()首先将指令格式转换为字符串格式，然后调用函数“Send_Cmd()”完成一条数据上报。

所述数据接收任务用于接收OneNET云平台向节点终端下发的数据。云平台下发数据主要有三种类型，即Read、Write和Execute操作指令。如图5所示为数据接收任务接收云平台下发数据的流程。当云平台下发Read操作指令时，表示云平台向节点终端请求读取某个资源数据；当云平台下发Write操作时，表示云平台向节点终端某个资源写入数据；当云平台下发Execute操作时，表示云平台请求节点终端执行某个任务。因此，若节点终端接收到云平台下发的命令，首先要对其类型进行判断，然后根据命令的类型，通过截取字符串的方式获得对应的信息。

所述数据采集任务包括温湿度采集任务、光照强度采集任务和空气质量采集任务，分别完成文物馆藏陈列场所环境温度湿度、光照强度和空气质量等数据的采集。在本实施方式中设置每2分钟进行一次环境数据的采集。

所述异常告警任务用于实现烟感报警和温湿度、光照强度、空气质量的异常告警。异常告警有两种触发方式，一种是硬件触发，一种为软件出发。硬件中断触发方式通过电位器手动设定告警阈值，然后比较器比较当前对象参数值与设定的阈值大小。若对象参数未超过设定的阈值，IO口输出高电平；当对象参数超过设定阈值时，IO口输出低电平，触发中断告警。软件触发方式通过传感器采集对象参数的准确值，然后通过软件判断其是否超标，若超标则启动告警程序。在本实施方式中，烟感报警采用硬件触发方式，温湿度、光照强度和空气质量的异常采用软件触发方式。

所述设备控制任务用于实现对空调、加湿器、照明灯和排气扇等设备的远程控制。设备的远程控制主要通过手机或电脑登录云平台下发Write指令来完成，因此节点终端首先通过数据接收任务函数接收Write指令，并获取对象、实例、资源的ID及其资源值，然后根据对象和实例ID通过信号量唤醒对应设备的任务函数，任务函数被唤醒后控制相应设备完成相应的操作。

所述GNSS定位任务用于获取节点终端的经纬度值。如图6所示为微控制器从GNSS定位模块读取经纬度流程图。首先对GNSS定位模块测量参数进行配置，波特率设置为38400，测量输出频率为5Hz。接着等待串口接收数据，若接收到数据，则对数据进行解析。若接收到经纬度值，则更新上报OneNET云平台，并等待下一次接收；若未接收到经纬度值，则直接进行下一次接收。

所述运营商网络包括NB-IoT网络和3G/4G网络，NB-IoT网络用于实现节点终端与物联网云平台的信息交互，3G/4G网络用于实现应用终端与物联网云平台的信息交互。

所述物联网云平台使用中国移动OneNET物联网云平台，基于Huawei LiteOS物联网操作系统和NB-IoT无线通信技术的LwM2M协议实现多个节点终端与中国移动OneNET物联网云平台之间的信息交互；运用物联网云平台应用管理功能实现文物馆藏陈列场所环境监测平台设计。使用电脑、手机应用终端远程实时登录中国移动OneNET云平台上的环境监控信息化管理系统监控文物馆藏陈列场所环境现场状态，可实时查看现场环境参数变化，通过邮件发送和接收告警信息，对环境参数进行远程调节，对节点终端进行实时定位。

所述文物馆藏陈列场所环境监测平台的功能主要包括用户登录、设备管理、数据存储、数据监测、设备控制、异常告警和电子地图等。其中用户登录、设备管理和数据存储功能由中国移动OneNET云平台提供，用户在官网完成个人账号的注册，通过个人账号即可完成用户的登录。通过设备管理可对设备进行创建、删除、编辑和查看等操作。数据存储通过资源列表来实现，根据LwM2M协议的方式对数据进行管理。本实施例中提供的文物馆藏陈列场所环境监测平台用户界面首页中，根据场馆多楼宇划分情况，以分别显示6个场馆的节点终端数量、告警状态以及位置信息为例。当某个场馆环境数据正常时，告警状态图标将显示绿色；当有节点终端监测到环境数据异常时，告警状态图标将显示红色，此时通过电子地图可及时获取告警区域的位置信息。同时，可通过点击“进入查看”按钮进入环境监测页面查看该场馆环境数据监测的具体信息。同时，提供文物馆藏陈列场所环境监测平台的数据监测页面，通过此页面可直观地看出各个房间节点终端的告警状态、最近一次数据更新时间、环境数据最新值，包括温度、湿度、亮度，空气质量以及烟雾告警状态。通过“设备控制”、“历史数”、“主要参数”按钮可进入对应的页面。本实施例中提供文物馆藏陈列场所环境监测平台的设备控制页面，此页面可以对各个房间的空调、加湿器、照明灯和排气扇进行开关操作，还可对照明灯亮度进行调节，从而达到对环境数据远程调节的目的。对于照明灯的亮度，一方面可以通过旋转亮度刻度盘指针来调节，刻度盘的数值范围为0～100，即表示照明灯亮度的百分比；另一方面可以直接输入数值来调节。本实施例中提供文物馆藏陈列场所环境监测平台的历史数据页面，此页面通过曲线图的方式对温度、湿度、亮度、空气质量进行显示，通过曲线可直观地观察各参数的变化趋势，从而对环境数据有整体的了解与把握。通过点击曲线上的某个时间点，即可看到此刻的数据值。同时，若需要通过日期或时间查看更多的数据，可通过“查看更多”按钮进入OneNET云平台数据存储页面查看或导出数据。而针对应用终端，本实施例中也提供通过如手机等应用终端进入文物馆藏陈列场所环境监测平台的页面，同样包括首页、数据监测页面、设备控制页面和历史数据页面。在应用终端安装中国移动设备云App，通过OneNET云平台个人账号即可登录。适用于应用终端的文物馆藏陈列场所环境监测平台，非常方便管理人员随时随地对环境进行监控。

所述通过邮箱接收和发送告警信息，当文物馆藏陈列场所环境监测平台出现异常告警时，平台向用户邮箱发送告警信息。由于邮箱接收到邮件有振铃提示功能，因此管理人员无需时刻观察环境监控管理平台也可及时收到告警通知。

本发明不局限于上述实施例,在本公开的技术方案的基础上,本领域的技术人员根据所公开的技术内容,不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形,这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种文物馆藏陈列场所环境监测系统，用于室内场所环境监测和控制，以及环境数据的信息化管理；其特征在于，

包括终端设备、运营商网络、物联网云平台；

所述终端设备包括节点终端和应用终端，节点终端用于实现环境数据采集、显示与上报、异常告警、设备开关控制、现场定位；

所述运营商网络用于实现节点终端、应用终端与物联网云平台的信息交互；

所述物联网云平台用于实现多个节点终端和应用终端对环境监控信息化的管理与控制。

2.根据权利要求1所述的文物馆藏陈列场所环境，其特征在于：用于文物馆藏陈列场所监测和控制，以及场所环境数据的信息化管理与控制。

3.根据权利要求1或2所述的室内环境监测系统，其特征在于：节点终端使用STM32F103为核心控制器，包括微控制器最小系统、NB-IoT通信模块、GNSS定位模块、传感器模块、LCD显示模块、告警器、环境中设备开关控制模块以及电源模块。

4.根据权利要求3所述的文物馆藏陈列场所环境，其特征在于：节点终端内置的嵌入式软件基于Huawei LiteOS操作系统，以任务为单位，将系统任务划分为LCD显示任务、RTC实时时钟任务、NB-IoT通信相关任务、数据采集相关任务、异常告警任务、设备控制相关任务，以及GNSS定位任务，实现嵌入式软件的模块化设计。

5.根据权利要求1所述的文物馆藏陈列场所环境，其特征在于：运营商网络使用NB-IoT网络和3G/4G网络，NB-IoT网络用于实现节点终端与物联网云平台的信息交互，3G/4G网络用于实现电脑、手机应用终端与物联网云平台的信息交互。

6.根据权利要求4所述的文物馆藏陈列场所环境，其特征在于：NB-IoT通信模块采用LwM2M通信协议，并参照IPSO智能对象组织数据资源。

7.根据权利要求1至5中任一项所述文物馆藏陈列场所环境，其特征在于：采用“云-管-端”物联网信息服务架构，使用电脑、手机等应用终端可远程实时登录中国移动OneNET物联网云平台上的环境监控信息化管理系统，实时监控现场环境参数变化，通过指示灯告警和通过邮箱收发告警信息，使用电脑或手机实现环境参数远程控制调节，节点终端实时定位。

8.根据权利要求3所述的文物馆藏陈列场所环境，其特征在于，所述传感器模块包括温湿度传感器、光敏传感器、空气质量传感器、烟雾浓度传感器。

9.根据权利要求4所述的文物馆藏陈列场所环境，其特征在于，NB-IoT通信任务分为NB-IoT初始化任务、接入云平台任务、数据发送任务和数据接收任务；所述NB-IoT初始化任务用于完成NB-IoT网络状态的检测，包括握手检测、SIM卡状态检测、信号质量检测、网络附着状态检测和网络注册状态检测。

10.根据权利要求8所述的文物馆藏陈列场所环境，其特征在于，环境中设备开关控制模块用以控制室内设置的空调、加湿器、照明灯、排气扇。

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