构建新型智慧博物馆之物联网应用空气质量温湿度无线监控系统

​博物馆文物保护环境空气质量综合监控系统

北京盛世宏博科技有限公司

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现代化博物馆空气质量一体化3D可视化管控平台

博物馆温湿度在线监控系统

博物馆光照在线监控系统

博物馆二氧化碳在线监控系统

博物馆在线监控系统

博物馆紫外线在线监控系统

博物馆无线温湿度监控系统

博物馆TVOC在线监控系统

博物馆有线/无线环境参数一体化在线监控系统

北京盛世宏博科技有限公司

前言：

北京盛世宏博科技有限公司根据博物馆温湿度监控系统用来监控博物馆展会、库房的温湿度，实时监控温湿度，具有数据采集、数据统计、超限告警、远程监控的功能。通过远程监控使文物库房，确保文物的妥善和安全。

博物馆里有许多珍贵的文物和文献，因为随着时间的推移，这些物品不可避免地受到环境的威胁，其中之一就是空气中湿度影响。

高湿度会导致空气中水平衡的破坏，细菌的生长，物体的腐蚀。温度和湿度必须合理和稳定，以保持文物文件处于状态。

不同的收藏对温度和湿度有不同的要求。

博物馆库房温湿度国家标准如下：

金属材质的文物：

、铁器、金银器、金属钱币这些存放温度在20℃，湿度在0~40%RH之间；

锡器、铅器这些存放温度在25℃，湿度在0~40%RH之间；

珐琅器、搪这些存放温度在20℃，湿度在40~50%RH之间；

硅酸盐材质的文物：

陶器、陶俑、唐三彩、紫砂器、砖瓦、这些存放温度在20℃，湿度在40~50%RH之间；

玻璃器这些存放温度在20℃，湿度在0~40%RH之间；

岩石材质的文物：

石器、碑刻、石雕、画像石、岩画、、宝石、古生物化石、岩矿标本、彩绘泥塑、壁画这些存放温度在20℃，湿度在40~50%RH之间；

纸质材质的文物：

纸张、文献、经卷、书法、国画、书籍、拓片、邮票等这些存放温度在20℃，湿度在50~60%RH之间；

织品类、油画：

丝毛棉麻纺织品、织绣、服装、、油画这些存放温度在20℃，湿度在50~60%RH之间；

竹木制品：

漆器、木器、木雕、竹器、藤器、家具、版画这些存放温度在20℃，湿度在50~60%RH之间；

动植物材料：

制品、甲骨制品、角制品、贝壳制品这些存放温度在20℃，湿度在50~60%RH之间；

皮革、皮毛这些存放温度在5℃，湿度在50~60%RH之间；

动物标本、植物标本这些存放温度在20℃，湿度在50~60%RH之间；

黑白照片及胶片这些存放温度在15℃，湿度在50~60%RH之间；

背景

据国家文物局调查统计：全国有55.6%馆藏文物遭到不同程度的破坏，主要原因是库房环境不达标。而环境不达标的主要根本因素就是环境温湿度的不合理。

温度对文物的影响

1、温度升高会加快文物的物理变化速度，尤其对纸质、丝绸文物、、书画的影响很大。

2、温度升高会加快化学反应速率．特别是金属文物、纸质文物的老化会加剧。

3、库房温度过高，给有害物质提供了生存环境。微生物生长温度在25~37℃，害虫生长温度在22~32℃。在此范围内，每升高10℃，就会提高害虫繁衍速度。

4、库房温度升高后、会加速藏品热胀冷缩速度，尤其是年代久的藏品，损坏会更大。

5、库房温度过低，尤其对纸质文物结构、纸张轻度、质量都会产生直接的影响。

湿度对文物的影响

1、湿度不断增加，会增加空气中的无机盐含量，导致金属出现锈蚀，青钢器常见的铜绿就跟湿度高有很大关系。

2、湿度较大会加快纸质文物的纸张纤维素水解，降低纸张的耐久性。

3、库房湿度较大会加剧有害气体与灰尘的损坏程度．特别是纸张纤维会吸收水分，导致纸张潮湿，出现溶胀问题，对文物的破坏是非常大的。

4、湿度过大会促进有害生物的繁衍，物体容霉，导致纸张字迹褪色。

5、湿度高低导致木质、纸质以及丝绸品等藏品的变形或开裂。影响文物的本身价值。

目前，我们专门研究温湿度监控系统，主要是针对博物馆文物温湿度监测

1、研究了文物保存湿度指标的确定方法和展柜的温湿度控制技术，提出了温湿度独立控制的技术方案。

2、对文物保存展柜微环境控制技术进行了试验研究。

3、设计了恒温恒湿一体机文物柜，未涉及文物保管和陈列用温湿度无线联网远程监控系统的开发。

4、研究的环境温湿度监测系统，可用于档案、库房和文物保存环境。

5、采用以太网总线实行分散监控，集中管理的方式，集温湿度数据采集、温湿度控制、数据库自动更新于一体，实现温湿度的测量监视控制以及数据的自动保存。

6、研究了由上位机、下位机和传感器三大部分组成的档案资料库温湿度控制系统。与本项目采用国际通用的无线数传频段构成的无线网络不同。

7、研究了无线传输温湿度监测系统和室内空气质量监控仪，侧重于检测，不具备网络监控功能。

8、设计一种室内空气质量监控仪，由传感器、变送器、多路智能监控仪、无线发射与接收模块、机箱和电源转换插座盒所构成。

北京盛世宏博科技有限公司方案实施

国外研究发展状况

国外博物馆温湿度环境主要是由中央空调控制，从上世纪80年始关注展柜内小环境的湿度控制。由于文物展柜大多制作优良，具备良好的密闭性，因此普遍采用文物专用的调湿剂使柜内湿度恒定。但采用调湿剂控制湿度，其发挥作用是一个缓慢的过程，要求展柜具有极高的气密性，因此国内生产的大多数展柜无法满足这种应用方式的要求。与此同时，采用药剂控湿，很难达到的控制，其使用寿命及控制效果受到众多外界因素的影响。其优点是初期投资较低，但使用效果随寿命而衰减，需要定期更换，因此维护的费用较大。其次，也有针对展柜的电子式恒湿机的使用和无线监测设备。如：东京国立博物馆2002年开始采用无线感应系统，所采用的系统也是无线搭配有线的系统。英国维多利亚与爱伯特博物馆2004年开始使用无线感测系统。但其还处于监测数据的收集和就地控制的状态，无法组成便捷的通讯网络，更无法实现集中的管理和控制。

以上资料显示，国内外文献中未见采用无线网络技术研制的博物馆文物保管和陈列用温湿度远程监控系统的报道和具体应用。

二、常用温湿度控制方法和传统温湿度检测手段的局限性

目前，国内外博物馆调节控制环境温湿度措施包括：装备集中式中央空调系统；局部空间使用恒温恒湿机、空调器、去湿机、加湿机和使用调湿材料等。被调节控制的温湿度环境是否达到文物保存环境的标准，需用温湿度测量仪表测定。通常使用的温湿度测量仪表有：液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计、毛发湿度计、自动记录温湿度计、微电子温湿度记录器等。温湿度测量仪表分布在文物展厅中的每个展柜中，采集温湿度监测数据的传统手段是人工巡检记录，然后进行汇总，记录存档。首都博物馆新馆开馆以后，环境监测仍然采用传统的人工巡检手抄记录方法。由于展厅数量多、面积大，工作人员完整巡检一遍需要走5公里左右。因此，利用人工抄表的方式，每日记录温湿度的次数极为有限，而且在夜间也无法巡查记录。更为重要的是，对于博物馆的“心脏”——文物库房，由于严格的人员出入管理制度，使得日常的人工抄表巡检无法进行，成为温湿度监控的盲区。一旦中央空调出现问题，需要经过很长时间才能被文物保护中心察觉到，因此存在极大的隐患。这就要求我们采用更加便捷的方法，获取更加详细的信息，适应现代化文物保护工作的需要。解决这一问题的关键首先就是使用何种手段进行温湿度的检测、记录及分析和控制文物所处的温湿度环境，确保文物始终处于一种相对的稳定环境中。

三、适应博物馆现状的温湿度检测新手段

为了提高首都博物馆的文物保护科技水平，实现对文物的有效保护，急需一种现代化的检测手段来满足博物馆环境的特殊需求,我们研发博物馆专用的无线温湿度检测系统。该无线系统监控分为：无线zigbee、无线射频和无线gprs三种监控系统，本系统采用无线通讯方式，通过放置在各个陈列柜、展厅及文物库中的采集节点构成无线通讯网络，集中监控。每个无线采集节点可采集多种空气环境信息，中央监控系统可实时动态显示各个采集点的位置信息及该点的空气状态信息，当某个空气环境指标超出限制值时，系统自动发出报警信息，可自行启动博物馆内恒温恒湿设备，并对历史报警信息进行存储；人员可浏览2-3年内由各节点采集来的所有空气状态数据；亦可通过人工手动控制调节无线网络博物馆内恒温恒湿机电设备等。该系统具有如下特点：

1、采用无线通讯方式，无需繁杂的人工布线，项目实施简单快捷。可用于采集展柜、展厅及库房内温湿度信号。

2、通过放置在各个陈列柜、展厅及储藏库中的采集节点构成无线通讯网络，其通讯距离可覆盖整座建筑物。

3、每个无线采集节点体积小巧，可放置于展柜内角落处，隐蔽性好。

4、每个节点所采集的空气环境信息会被实时记录在中央监控系统数据库中。该中央监控系统的主要功能包括:

a、动态显示功能：在监控屏幕中可显示各个采集点的位置信息及该点的实时空气状态信息。

b、报警功能：当某个空气环境指标超出限制值时，系统自动发出报警信息，并对历史报警信息进行长时间的存储，以便日后分析。

c、趋势记录功能：可浏览2-3年内由各节点采集而来的所有空气状态数据，并作出趋势分析，人员可以此为依据，对现有的空调系统做出改进。

d、报表打印功能：可通过系统自带的打印机，将所关心的数据以报表形式打印出来。其中包括报警纪录、趋势记录等。

四、传统湿度控制手段的局限性

当湿度的检测、记录及分析手段完善后，对于现有湿度环境的改善及控制便成为更加突出的问题。现实中有时会遇见这样的尴尬，当无线湿度检测系统探知异常并发出实时报警后，管理人员束手无策，一筹莫展。因为传统的环境湿度控制手段是采用中央空调，但由于初期设计缺陷，极易出现夏季除湿能力不足，冬季加湿效果不够的状况。更为重要的是，对于同一展厅，中央空调只能统一设定湿度，因此，差异化的湿度需求无法得到满足。例如，在同一展厅中，需要湿度低于40%RH的尽可能干燥的环境，而书画和纺织品文物则需要将湿度控制在55%RH左右，这些特殊的要求仅靠大环境控制是无法满足的。可见，中央空调对于文物湿度的控制受到诸多因素的局限，无法达到理想的状态。

五、适应博物馆无线湿度控制新手段

为了弥补中央空调的局限性，新的手段必须满足如下要求：首先，设备体积小巧，能安装于展柜内部，为不同的展柜提供独立的湿度控制；其次，该设备应同时具备加湿与除湿功能，以满足全年各种气候的变化；另外，该设备必须能够稳定而且高精度的持续运行；与此同时，当设备台数较多时，应具备集中监控的功能，便于管理。

利用陈列柜将文物有效的隔绝在一个单独小环境内，再对这个小环境实施的控制。通过在密闭的展柜内形成独立的、可循环的气流组织，控制湿度。采用半导体制冷的原理，将经过充分加湿的空气进行减湿处理，以控制柜体内的湿度值，兼具加湿与除湿的功能，低噪音，体积小巧，控制。采用电子式恒湿机，能够通过调节空气的循环量来克服展柜的泄露，各种展柜经改造便能实施控制，因此更能适应国内展柜的现状。电子式恒湿机内置各种智能控制程序，能够针对外界各种影响迅速、自动的做出调整，因此其控制效果更、更稳定，人为干预的因素较少。

与中央空调相比，小环境控制显得更为有效：其特点是：（1）每个展柜内的控制目标都可以是不同的，能够满足不同种类文物对于湿度的差异化需求；（2）由于在较小的空间内实施控制，精度要大大提高，能够达到±1.5%；（3）小环境控制柔性较高，不仅噪音低，而且体积小巧，能与展陈有机的融为一体。

当展柜湿度控制设备分布较分散且数量较多时，集中监控能极大方便使用者的管理。与此同时为了展厅内有可能不断变化的展陈布局，灵活的无线通讯方式能更好的满足博物馆的需求。

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