基于物联网的双闭环博物馆环境监控系统及方法

1.基于物联网的双闭环博物馆环境监控系统，包括无线传感器模块、信息处理模块和监控中心，其特征在于：所述无线传感器模块包括位于待测点处的传感器节点和簇头节点，每个展室中的传感器节点自组织成网络，按能量损耗最低原则选择簇头节点，簇头节点与非簇头节点之间形成父子节点；簇头节点通过Zigbee无线通信协议与所述信息处理模块连接，信息处理模块将数据进行过滤、融合、压缩，所述信息处理模块通过Wifi与监控中心双向通信，监控中心能够遥控响应设备、调整环境参数并与管理人员手机通信；所述传感器节点包括：电源、CPU模块、无线通信模块、GPS模块以及环境参数传感器，所述CPU模块分别与电源、无线通信模块、GPS模块以及环境参数传感器相连；
所述环境参数传感器包括温湿度传感器、光照传感器、振动传感器、气体浓度传感器中的一种或多种；
所述传感器节点的电源分为正常供电电源和备用电源，备用电源在正常供电电源发生故障或者更换时启动使用。
2.基于物联网的双闭环博物馆环境监控方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）由传感器节点对博物馆中各个展室的待测点的环境参数实时采集；
（2）由传感器节点将采集到的环境参数信息发送给簇头节点，簇头节点再将数据传送给信息处理模块；
（3）信息处理模块对上传上来的数据进行过滤、融合、压缩，然后传送给监控中心；
（4）监控中心读取信息处理模块上传上来的数据，并将数据存储在数据库中；
（5）监控中心将传送上来的数据与设定的各个阈值比较，若发现超过阈值就进行报警，并向管理人员手机发送短信通知；
监控中心报警后，在设定时间内没有得到响应，则向管理人员手机发送短信；监控中心发出的短信通知内容包括：需要做出调整的响应设备的位置信息以及响应设备需做出的响应动作；
所述响应设备包括空调、抽湿机、增湿器、窗帘中的一种或多种，每个响应设备都具有GSM模块；
监控中心报警时，管理人员通过监控中心的监控界面发送控制命令，控制所述响应设备的工作；管理人员手机接收到短信通知后，通过手机客户端软件连接各响应设备，通过手机客户端软件遥控各响应设备工作；或者通过手机短信回复控制命令，以此通过手机完成监控中心控制职能。

基于物联网的双闭环博物馆环境监控系统及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种基于物联网的双闭环博物馆环境监控系统及方法，属于物联网技术领域。\n背景技术\n[0002] 环境气候、温度、相对湿度、空气污染、光线辐射、昆虫危害、微生物繁殖等环境因素导致博物馆藏品受损现象呈明显加剧趋势，文物受到破坏与威胁，金属加速腐蚀、石刻风化粉碎、纸张酸化脆裂、丝织品老化等，各类文物都处于濒危的境地.而博物馆作为陈列文物的主要地点，对博物馆环境参数的精确监控尤为重要。\n[0003] 现有博物馆监控技术多由人工进行操作，调整博物馆环境温湿度. 由于设计、机械效率、控制系统等原因，控制精度达不到文物保存的要求，或者能耗很大.有涉及到物联网技术的也多为环境监测，并未形成一个完整的集监测控制为一体的系统。\n[0004] 因此，有必要建立一套精确、稳定的、自动化程度高的基于物联网的博物馆环境监控系统。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的是克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种基于物联网技术的双闭环博物馆环境监控系统及方法，用于对博物馆环境进行监控和保护。\n[0006] 按照本发明提供的技术方案，所述基于物联网的双闭环博物馆环境监控系统，包括无线传感器模块、信息处理模块和监控中心，所述无线传感器模块包括位于待测点处的传感器节点和簇头节点，每个展室中的传感器节点自组织成网络，按能量损耗最低原则选择簇头节点，簇头节点与非簇头节点之间形成父子节点；簇头节点通过Zigbee无线通信协议与所述信息处理模块连接，信息处理模块将数据进行过滤、融合、压缩，所述信息处理模块通过Wifi与监控中心双向通信，监控中心能够遥控响应设备、调整环境参数并与管理人员手机通信；所述传感器节点包括：电源、CPU模块、无线通信模块、GPS模块以及环境参数传感器，所述CPU模块分别与电源、无线通信模块、GPS模块以及环境参数传感器相连。\n[0007] 所述环境参数传感器包括温湿度传感器、光照传感器、振动传感器、气体（如CO2）浓度传感器中的一种或多种。\n[0008] 所述传感器节点的电源分为正常供电电源和备用电源，备用电源在正常供电电源发生故障或者更换时启动使用。\n[0009] 基于物联网的双闭环博物馆环境监控方法，包括如下步骤：\n[0010] （1）由传感器节点对博物馆中各个展室的待测点的环境参数实时采集；\n[0011] （2）由传感器节点将采集到的环境参数信息发送给簇头节点，簇头节点再将数据传送给信息处理模块；\n[0012] （3）信息处理模块对上传上来的数据进行过滤、融合、压缩，然后传送给监控中心；\n[0013] （4）监控中心读取信息处理模块上传上来的数据，并将数据存储在数据库中；\n[0014] （5）监控中心将传送上来的数据与设定的各个阈值比较，若发现超过阈值就进行报警，并向管理人员手机发送短信通知。\n[0015] 监控中心报警后，在设定时间内没有得到响应，则向管理人员手机发送短信。监控中心发出的短信通知内容包括：需要做出调整的响应设备的位置信息以及响应设备需做出的响应动作。\n[0016] 所述响应设备包括空调、抽湿机、增湿器、窗帘中的一种或多种，每个响应设备都具有GSM模块。\n[0017] 监控中心报警时，管理人员通过监控中心的监控界面发送控制命令，控制所述响应设备的工作。\n[0018] 管理人员手机接收到短信通知后，通过手机客户端软件连接各响应设备，通过手机客户端软件遥控各响应设备工作。\n[0019] 管理人员手机接收到短信通知后，也可以通过手机短信回复控制命令，以此通过手机完成监控中心控制职能。\n[0020] 本发明由监控中心和手机客户端双闭环监控环境参数，设定监控中心的响应优先级高于手机客户端的响应优先级；若采集到的环境参数值超过了阈值，而监控中心在设定时间内未下达控制命令，则监控中心向管理人员手机发送手机短信报警，通过手机短信回复控制命令或者打开手机客户端软件，以此通过手机完成监控中心职能。\n[0021] 本发明的优点是：将物联网技术应用于博物馆环境监控中，不但能够精确地监测到环境参数的变化而且能够迅速的做出调整，环境中的响应设备能够对环境参数变化迅速做出反应，通过监控中心PC机和管理人员手机客户端软件双闭环控制，控制精度更高。\n附图说明\n[0022] 图1为本发明所述的基于物联网的双闭环博物馆监控系统的结构示意图；\n[0023] 图2为本发明所述的传感器节点结构图；\n[0024] 图3为本发明监控中心监控软件结构示意图。\n具体实施方式\n[0025] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。\n[0026] 本发明的基于物联网的双闭环博物馆环境监控系统结构如图1所示，硬件部分包括：无线传感器模块、信息处理模块和监控中心。所述无线传感器模块包括位于待测点处的传感器节点和簇头节点，每个展室中的传感器节点自组织成网络，按能量损耗最低原则选择簇头节点，簇头节点与非簇头节点之间形成父子节点；簇头节点通过Zigbee无线通信协议与所述信息处理模块连接，信息处理模块将数据进行过滤、融合、压缩，所述信息处理模块通过Wifi与监控中心双向通信，监控中心能够遥控响应设备、调整环境参数并与管理人员手机通信。\n[0027] 如图2所示，所述传感器节点包括：电源、CPU模块（本实施例采用STM32F103单片机）、无线通信模块、GPS模块以及各类环境参数传感器，所述CPU模块分别与电源、无线通信模块、GPS模块以及环境参数传感器相连。\n[0028] 所述环境参数传感器可以包括温湿度传感器、光照传感器、振动传感器、CO2传感器以及各种气体传感器，对多种环境参数进行监测。各传感器与CPU模块通过IIC接口连接。无线通信模块与CPU模块通过SPI接口连接。\n[0029] 所述传感器节点的电源分为正常供电电源和备用电源，备用电源在正常供电电源发生故障或者更换时启动使用。在正常供电电源电量不足时启用备用电源，使得传感器节点的工作不间断。\n[0030] 所述响应设备包括空调、抽湿机、增湿器、窗帘中的一种或多种，每个响应设备都设置有GSM模块。\n[0031] 如图3所示，监控软件由中心信息处理模块、数据库、数据显示模块，控制命令发送模块，警报模块和阈值设定模块组成。无线传感器模块与信息处理模块之间采用Zigbee低功耗无线通信协议。信息处理模块与监控中心之间采用Wifi无线协议连接。监控中心通过短信或者3G网络向各响应设备发送控制命令。\n[0032] 工作时将无线传感器模块布置在各个需要采集参数的展览室中，监控中心向下发送控制命令，传感器模块响应命令，初始化参数，开始采集数据。采集周期设置为3秒。各个展室中的无线传感器模块自组织成网络，按能量损耗最低原则选择簇头节点，簇头节点与各节点之间形成父子节点，簇头节点将数据融合后利用Zigbee无线通信协议上传至信息处理模块，信息处理模块接收数据，对采集的原始数据进行过滤、融合、压缩。所述过滤主要是过滤掉采集过程中受到的干扰信息，例如电磁干扰，噪声等，原始数据经过滤波之后，在剩下的数据中，将同种类型节点上传的数据进行融合，例如，将温度传感器上传的温度信息融合在一起，融合后的数据中，选择一个有代表性的数据，将大量数据压缩成为几个值。例如，有几个温度节点采集的原始数据分别见下表1。\n[0033] 表1\n[0034] \n序号 噪声位 噪声位 起始位 节点号 温度 停止位\n1 00 00 A1 01 10 AE\n2 00 00 A1 02 11 AE\n3 00 00 A1 03 13 AE\n4 00 EE A1 04 0E AE\n5 EE 00 A1 05 12 AE\n[0035] 其中在通信协议中规定了起始位为A1，停止位为AE。信息处理模块收到原始数据之后，首先将00，EE等噪声过滤掉，剩下的数据为有用数据，然后将温度数据融合起来，在剩下的数据中选择一个满足最小二乘的数值作为这几个节点的代表，本例中选择节点02作为代表。这样就完成了一次数据的过滤，融合和压缩。此方法对湿度、光照等环境因素的采集同样适用。\n[0036] 然后上传至监控中心PC机，监控中心处的监控软件将数据储存在数据库中，同时显示实时采集的数据。监控中心处PC机可以对各个温度参数设置阈值。若采集到的环境参数值超过了阈值，因为此双闭环控制系统中，设定监控中心的响应优先级高于手机的响应优先级，出现阈值超过的情况时，首先警报模块会报警，管理人员听到报警后，可以在监控室利用监控中心PC机下达控制命令，命令中包含对各个响应设备的控制要求。响应设备都装有GSM模块，此命令直接传送至需要调整的响应设备，GSM模块调用gprs_read()函数读取命令，解析具体的控制指令，然后“命令”相关设备进行调整，如空调增温、降温，增湿器增湿，抽湿机抽湿，窗帘起落等，命令执行完成后返回报告至监控中心。传感器模块继续采集环境参数，周而复始形成闭环系统。若监控中心处的管理人员在所设置的时间1分钟内未下达控制命令，则监控中心的PC机向管理人员手机发送手机短信报警。管理人员接收到手机短信后，可以选择手机短信回复控制命令也可以打开手机客户端软件，手机客户端软件界面仿照监控中心PC机的监控界面，可以设置各种参数阈值，下达控制命令。由此形成双闭环控制系统，控制更加精确，系统稳定性好，安全有保障。\n[0037] 通信协议中还包含剩余电量查询功能，若节点剩余电量低于阈值时，则产生中断，向监控中心发送更换电池请求，同时启用备用电池，防止工作中断。