王珺

(甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 甘肅 天水 741020)

基于物聯(lián)網(wǎng)的麥積山石窟環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用分析

王珺

(甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 甘肅 天水 741020)

簡述了麥積山彩色泥塑佛像及壁畫文物保護(hù)與管理監(jiān)測，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建文物保護(hù)微環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。針對麥積山石窟環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)狀和存在的問題，分析了基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的監(jiān)測和傳感技術(shù)在石窟實施全覆蓋、實時監(jiān)控的方式，以及其優(yōu)勢和可行性。

物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；泥塑彩繪文物；麥積山石窟

Abstract： This paper sketched the protection and the management monitoring of clays culpture relics and frescoes of Maiji Mountain Grottoes cultral relics. And the establishment of micro- environmental monitoring system based on the internet of things (IOT)has also been introduced.For the status of the problems exist in the environmental monitoring of Maiji Mountain Grottoes, this paper analyzed the way to monitor grottoes universably and real- timely based on the IOT application and the sensor technique,the advantages and the feasibility of this technology have been analyzed as well.

Keywords： Internet of things; Environmental monitoring system; Clay sculpturerelics; Maiji Mountain Grottoes

麥積山石窟始建于公元384年，后來經(jīng)過十多個朝代的不斷開鑿、重修，現(xiàn)存洞窟194個，其中有從4—19世紀(jì)以來的泥塑、石雕7 200余件，壁畫1 300 多m2[1]。2014年依托“長安-天山廊道”路網(wǎng)文化遺產(chǎn)申請項目，麥積山石窟成功列入《世界遺產(chǎn)名錄》，確立了該石窟在我國著名四大石窟中的地位，使其成為聞名世界的藝術(shù)寶庫。

作為帶動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的助推器，石窟文物的保護(hù)工作卻沒有跟上經(jīng)濟發(fā)展的步伐。由于麥積山石窟文物的材質(zhì)非常特殊——主要為木胎泥塑彩繪佛像，這種文物對環(huán)境的要求相對嚴(yán)苛，而石窟現(xiàn)用的保護(hù)技術(shù)卻相對落后，現(xiàn)對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氣體監(jiān)測系統(tǒng)在麥積山石窟文物保護(hù)工作中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 麥積山彩色泥塑佛像及壁畫保護(hù)與管理監(jiān)測

麥積山石窟及其周邊多為紫褐色沉積巖，質(zhì)地疏松，極易受到周圍環(huán)境影響，經(jīng)年累月崖體遭受嚴(yán)重侵蝕，彩色泥塑佛像和壁畫由于鹽浸等破壞嚴(yán)重[2]。因為專項資金的投入不足，以及專業(yè)技術(shù)人員的欠缺，石窟仍然局限于隔離網(wǎng)、監(jiān)控攝像頭等簡單的物理防護(hù)，洞窟及壁畫病害頻繁，其中空鼓、起甲、酥堿、地仗脫落、顏料層脫落、裂隙尤為嚴(yán)重，而這些問題皆源于空氣污染物，包括顆粒物及污染氣體(硫化物、NOx、CO2等)的侵蝕和破壞[3-4]。環(huán)境問題已經(jīng)成為麥積山石窟保護(hù)的最大影響因素。

根據(jù)其他同類型石窟及泥塑文物保護(hù)的經(jīng)驗，這類特殊材質(zhì)的文物保護(hù)重點應(yīng)該是建立系統(tǒng)監(jiān)測體系，以區(qū)域環(huán)境監(jiān)測結(jié)合微環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的方式，準(zhǔn)確全面地對文物環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，將挽救變成預(yù)防，為文物的科學(xué)管理和保護(hù)提供決策依據(jù)，保證其可持續(xù)發(fā)展與利用。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建文物保護(hù)微環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

普通的氣體污染自動監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，但是和基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測體系相比，需要使用的設(shè)備體積過大，且價格昂貴，對監(jiān)測點位的選擇和周圍條件要求也比較嚴(yán)格，而且監(jiān)測點的距離間隔遠(yuǎn)、數(shù)量有限，這些都不能滿足麥積山石窟監(jiān)測的要求。麥積山石窟石像大多獨立成龕，石窟體積小，分散于整個山體崖面，所以基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氣體監(jiān)測體系能更好地實現(xiàn)全覆蓋和實時監(jiān)測的要求。

2.1 全覆蓋監(jiān)測

長三角地區(qū)是制造業(yè)集聚地，規(guī)模全國第一，但工業(yè)增加值率逐年下降，由2006年的26%下降至2013年的22%，高技術(shù)產(chǎn)業(yè)競爭力不強。以2013年數(shù)據(jù)為例，長三角地區(qū)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)主營業(yè)務(wù)利稅率僅為8.65%，比京津冀地區(qū)低3個百分點。地區(qū)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)有效發(fā)明專利數(shù)2.8萬件，僅僅是珠三角地區(qū)的41%。

對于麥積山石窟文物的保護(hù)監(jiān)測而言，需要包括監(jiān)測區(qū)域全覆蓋和監(jiān)測內(nèi)容全覆蓋2個方面。

(1) 基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測體系可以輕松地實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域全覆蓋。這種監(jiān)測體系主要是利用無線傳感器進(jìn)行監(jiān)測，并獲取數(shù)據(jù)，它可以組成各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，理論上這種監(jiān)測體系最多可提供 65 536 個監(jiān)測節(jié)點，監(jiān)測點之間的通信距離在幾十米到幾百米不等，整個網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋幾千米的范圍，完全可以滿足麥積山石窟逐窟監(jiān)測的要求；

(2) 根據(jù)麥積山石窟文物的材質(zhì)特點，氣體污染監(jiān)測內(nèi)容包括PM10、SO2、NO2、CO、CO2等，在基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測體系中，這些監(jiān)測項目可以通過無線傳感器同時進(jìn)行監(jiān)測，輕而易舉地實現(xiàn)了監(jiān)測內(nèi)容全覆蓋。

2.2 實時監(jiān)測

利用基于物聯(lián)網(wǎng)建立的監(jiān)測體系，傳感器對各個洞窟進(jìn)行監(jiān)測時，每個監(jiān)測點都會對所有監(jiān)測信息進(jìn)行記錄和保存，監(jiān)測節(jié)點可以根據(jù)設(shè)計要求定時或?qū)崟r地傳回相應(yīng)數(shù)據(jù)，包括：監(jiān)測時間、監(jiān)測地點、檢測物類型、檢出物含量等，信息將實時存入服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫，在控制中心操作的工作人員可隨時查閱，或?qū)⑦@些數(shù)據(jù)調(diào)用到其他應(yīng)用程序中。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測的其他特點

(1) 由于傳感器芯片技術(shù)的發(fā)展，集成模塊的體積非常小，對石窟的監(jiān)測環(huán)境幾乎沒有影響；

(3) 利用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測時，盡管監(jiān)測節(jié)點非常多，但是由于設(shè)備的發(fā)射和接收功率極低，所以功耗非常低，可以直接利用麥積山石窟原有的安全監(jiān)測系統(tǒng)供電，不需要另外布線，降低了運行和維護(hù)成本；

(4) 傳感器監(jiān)測節(jié)點以無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行通信，可以同其他監(jiān)測方式配合監(jiān)控，除了設(shè)備維護(hù)，其余時間現(xiàn)場不需要人員操作。這些都盡可能地減少了外圍設(shè)備及人員對文物所處環(huán)境造成的影響和改變；

(5) 監(jiān)測控制中心通過實時數(shù)據(jù)，可以全面掌握文物周邊氣體構(gòu)成現(xiàn)狀及變化趨勢。同時相應(yīng)的專業(yè)軟件可以根據(jù)獲取的大量數(shù)據(jù)，分析確定當(dāng)前環(huán)境對文物造成的影響，提出文物保護(hù)方案[5]；或利用分析軟件繪制污染物變化曲線，實現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)污染預(yù)警等工作。

3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

由于麥積山石窟監(jiān)測系統(tǒng)中需監(jiān)測的目標(biāo)節(jié)點數(shù)量多，但監(jiān)測點之間的直線距離均不超過30 m，所以選擇ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其可接入節(jié)點數(shù)量及通信距離完全可以滿足石窟逐窟監(jiān)測的需求。

3.1 基于ZigBee協(xié)議的污染物監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要分為3個部分：終端傳感器節(jié)點、節(jié)點基站和監(jiān)控中心。選擇網(wǎng)狀拓?fù)涫且驗樗邆浒惭b布置簡易，結(jié)構(gòu)靈活且整體穩(wěn)定性高等特點[6]。布置在每個石窟的終端傳感器節(jié)點采集各種氣體濃度數(shù)據(jù)，基站負(fù)責(zé)終端數(shù)據(jù)的收集，監(jiān)控中心則收集并整理系統(tǒng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，完成備份的同時，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對石窟文物保護(hù)工作給出精確指導(dǎo)。

傳感器節(jié)點與基站之間通過無線通訊連接，基站和監(jiān)控中心同時設(shè)置在石窟山腳下的麥積山石窟研究所內(nèi)，采用有線的方式通過USB轉(zhuǎn)虛擬串口相連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

3.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

根據(jù)麥積山石窟地理特性及監(jiān)測的實際需求，在充分滿足節(jié)點功能的情況下，可以直接選用市場供應(yīng)的傳感器芯片，這類傳感器均為工業(yè)級的，精度高、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強[7],完全可以滿足監(jiān)測方案對傳感器節(jié)點的性能要求，即支持協(xié)議棧，可連續(xù)工作1～3 a，無線傳感器節(jié)點之間的空間距離能保證有效數(shù)據(jù)通訊等[6]。

監(jiān)測氣體項目選用Winsen的ZE12型電化學(xué)模組，它利用電化學(xué)原理對CO、SO2、NO2等氣體進(jìn)行探測，具有良好的選擇性和穩(wěn)定性。它內(nèi)置溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補償；提供 UART、模擬電壓信號、PWM 波形等多種輸出方式。通信采用主動上傳式,每間隔1s發(fā)送一次濃度值。另外，選用模組可以省去標(biāo)定和電路信號放大環(huán)節(jié)。而在監(jiān)測PM10項目時選用激光粉塵傳感器，可以獲取單位體積內(nèi)空氣中0.3～2.5μm直徑顆粒物準(zhǔn)確濃度。通常普通紅光激光的波長在630～650 μm，半波衍射是630～650 nm，高于300 nm(也就是0.3 μm)的顆粒物都能被準(zhǔn)確探測到。在3萬h連續(xù)工作后，可控衰減在5%以內(nèi)，對監(jiān)測要求相對較高的文物保護(hù)效果更好。

在石窟監(jiān)測系統(tǒng)中，所有傳感器的電力可以由已經(jīng)遍布每個石龕的防盜監(jiān)控系統(tǒng)的電路提供，只需在布設(shè)期間同時布置電壓轉(zhuǎn)換單元。在后期維護(hù)和修理時電路部分將非常容易進(jìn)行。選用MTW5-S5C將220 V交流電轉(zhuǎn)為5 V直流電為電化學(xué)模組供電。另外主控制器模塊和ZigBee 無線通信模塊需要 3.3 V電壓，所以還需要三端穩(wěn)壓器BM1117-33將電壓由5 V轉(zhuǎn)成 3.3 V。

系統(tǒng)中的無線傳感節(jié)點與系統(tǒng)進(jìn)行的是無線通訊，所以不需布設(shè)多余的線纜和外接連接，不會影響石窟的外觀視效。

3.3 軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)采用 Browser/Server 架構(gòu)的服務(wù)平臺，基于 Java EE 設(shè)計實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的服務(wù)器端軟件。Browser/Server 模式使用通用瀏覽器，使用靈活方便，對于直接面向石窟研究人員的監(jiān)測系統(tǒng)而言，瀏覽器操作簡單，操作者無須接受任何培訓(xùn)即可順利地獲得數(shù)據(jù)信息[8]。在后期系統(tǒng)維護(hù)和升級時，設(shè)計人員只需要將升級版本在 WEB 服務(wù)器端更新即可。

4 結(jié)語

建立基于物聯(lián)網(wǎng)的污染物監(jiān)測系統(tǒng)，對于麥積山石窟文物保護(hù)研究，以及合理的管控具有現(xiàn)實的可操作意義，前期投入的資金并不龐大，對文物及其周邊環(huán)境的影響盡量降到了最低，而獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，可讓文物保護(hù)工作人員及時、全面地掌控所有信息，加上專業(yè)分析軟件，及時確定重大變化的原因并提出相應(yīng)的對策，將文物保護(hù)工作徹底從破壞后的挽救，變成了預(yù)防性保護(hù)，為文物可持續(xù)保護(hù)和開發(fā)利用提供了可靠的技術(shù)保障。

[1] 張少昀.麥積山石窟保存現(xiàn)狀調(diào)查 [J].絲綢之路，2016 (8)：20-22.

[2] 孟瑩.淺析麥積山石窟壁畫保護(hù)現(xiàn)狀及其應(yīng)對策略 [J].絲綢之路，2015(16)：62-63.

[3] 郭青林.敦煌莫高窟壁畫病害水鹽來源研究 [D].蘭州大學(xué)，2009.

[4] 張婷.麥積山石窟防滲防潮技術(shù)研究 [D].蘭州大學(xué)，2011.

[5] 張國彬.莫高窟洞窟環(huán)境數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析在洞窟管理中的應(yīng)用研究[D].蘭州大學(xué)，2013.

[6] 王國超.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣顆粒監(jiān)測系統(tǒng)研究 [D].大連理工大學(xué)，2014.

[7] 張紹良.一種二氧化碳無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) [J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2014，7(2):10-14.

[8] 薛衛(wèi)強.基于物聯(lián)網(wǎng)的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與軟件的實現(xiàn) [D].燕山大學(xué)，2013.

欄目編輯 周立平

TheApplicationofMaijiMountainGrottoesEnvironmentalMonitoringSystemBasedonInternetofThings

WANG Jun

(GansuForestryTechnologicalCollege，Tianshui，Gansu741020，China)

10.3969/j.issn.1674- 6732.2017.05.016

X84

B

1674-6732(2017)05-0069-03

2017-03-10；

2017-03-22

甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技計劃基金資助項目(GSLY-201608)

王珺(1984—)，女，講師，碩士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用研究工作。