一种基于物联网的全方位光敏文物保护监控系统研究

许宇龙

研究背景

博物馆常使用高功率的射灯照明文物，这样能使参观者在光线充足的情况下观赏文物，但高温照明情况下的光辐射对文物会造成不同程度的破坏。此外，游客在观看文物时拍照所用的闪光灯也会对文物造成非常大的破坏。如今，LED产业日新月异，标榜具有无紫外线、不发热的特性，正符合博物馆文物照明的需求;另外，其低耗能、使用寿命长的特性，也可解决博物馆经费紧张的窘境。因此，我们就构想能否使用LED灯取代射灯用于博物馆文物的照明。

根据调研提出假设

本次调研选取国内外6座著名博物馆：英国的大英博物馆，日本的东京国立博物馆和东京美术馆，中国的中国国家博物馆、故宫博物院和首都博物馆。调研对象能够代表当今世界博物馆展陈照明的较高水平。

基于目前世界各国按照文物材料的光化学稳定性划分方法，本次调研对于文物类型的选择为：书画类（特别敏感展品）、漆器类（比较敏感展品）、陶瓷类（不敏感展品）。选取照明方式、光源类型、光源色温、平均照度和照度均匀度作为调研指标，这些指标能够反映博物馆展陈照明在文物保护方面的情况。

根据调研结果可知，可见光源选择和照明方式对照度均匀度具有重要影响。因此提出如下假设。

假设1：若将一般使用的卤素射灯改为LED照明系统能否改善灯所发出的热能对文物的影响。

假设2：制作一个可调控LED灯发出的蓝光和红光的处理器，以改善红外线辐射和光辐射对文物的影响。

假设3：若设计1个可实时调控LED控制器的应用程序，能控制LED的光强度、颜色、色温等，可解决博物馆对照明系统可调控参数不足的问题。

假设4：制作1个光强度传感器，配合光强度数据处理系统、实时数据显示及警报，能感测到闪光灯的第1下闪烁，并立即作出反应调节LED灯的亮度，以抗衡闪光灯对文物的光辐射破坏，满足不同文物对光强度的需求。

假设5：加入全方位红外线人体传感器和光敏传感器，当有人接近文物展示柜时，光敏传感器会探测因人体阻碍光线进入展示柜的变化值，从而调节LED灯的光线亮度。

研究过程

系统硬件

本设计以光强度数据处理系统及LED控制处理器为2大核心。首先通过移动装置的对应应用程序，通过蓝牙与LED控制处理器进行连接，然后用户能在应用程序上发出指令，控制器接收信息后控制LED灯。同时，光强度处理系统会通过光强度传感器检测LED灯的亮度是否高于或低于设定值。当人体处于文物展示柜的任意一个方向时，也会触发效应器传输信息给光强度数据处理系统，光强度传感器会接收由于人体阻碍外界光线进入展示柜的变化值，从而对LED灯亮度进行调控，若超出临界值，系统会以蜂鸣器及指示灯作为警报。

◇LED控制处理器

·MCU控制器：MCU采用STC89C52RC芯片。

·蓝牙模块：蓝牙模块选择HC06，可以实现蓝牙转串口功能。

·LED驱动电路：驱动电路采用ONsemi公司生产的NCL30160作为主芯片，可以为LED光源提供精准的恒定电流输出，以驱动高功率发光二极管。

·主程序设计：通过蓝牙模块与单片机互连，单片机通过串口接收来自手机蓝牙模块的无线数据，经过单片机内部解码后产生对应占空比的PWM波形。

·PWM调光算法设计：定时器0采用中断的方式产生PWM波形，定义频率、占空比，并且将P1.0口设为输出埠。根據串口接收到的数据对占空比及频率进行调节。

◇光强度数据处理系统

·系统设计：采用新型单片测光芯片BH1750，较好地解决了传统测光系统的弊端。

·系统工作流程：系统工作时要先进行各部分的初始化，完成后开始接收使用者命令，根据使用者的不同操作执行不同任务。

·系统电路组件组成：由指示灯、开关按钮、5V电源、LED指示灯、液晶显示器、单片机控制电路、光照度检测电路、按键控制电路、声光报警电路、液晶显示电路及电源电路组成。

◇红外线人体感应

·人体红外感应模块：本设计采用HC-SR501。

·人体红外检测电路：该模块只引出3个引脚，第2脚接单片机的10口P22，当有人出现在模块的检测范围内时，该引脚输出高电平，平时输出低电平。

·按键输入模组：本系统设计3个按键，分别是模式切换按键、亮度减少按键和亮度增加按键，故采用了独立键盘的方式。

系统软件

本设计自主编写手机应用程序，并支持各地常用的iPhone OS（iOS）苹果公司行动装置操作系统和Android操作系统，实现与硬件电路的通信。用户能在应用程序上发出指令，控制器接收信息后控制LED灯。利用蓝牙传输技术与智能手机上的应用程序连接，实现与硬件电路的通信。

系统性能测试实验及数据分析

◇实验1：利用光谱分析仪检测本设计在不同颜色照明下的光波值

假设保持光强度（设定位为最高）不变，在相同亮度环境下，绿光、红光和白光都在安全范围内，虽然蓝光的波段介于危险范围，但蓝光很少会用于文物照明，因此对整个设计的效用没有太大影响。

◇实验2：利用红外线温度计检测本设计在长时间开启下温度随着时间的变化

假设保持光强度（设定位为最高）不变，在相同亮度和相同室温环境下，红色灯经过20小时后系统的温度最高，而蓝色和橙色的温度最低。

◇实验3：通过本设计的光强度数据处理器检测不同颜色在最强亮度情况下的光通量

假设保持光强度（设定位为最高）不变，在相同亮度环境下，所有颜色在最强亮度的默认值下光通量也不超过3001m。

◇实验4：测试红外线传感器的感应范围

假设保持光强度（设定位为最高）不变，在相同亮度环境下，随着人体的接近，光通量变高。

研究结论

◇除蓝色外，所有颜色的波长都在450～650nm的波段范围，也就是在破坏系数中最小的，因此能够证明本设计合乎文物照明的波段要求。

◇本系统在不间断运行20小时后，温度仍在40℃以下，因此本系统所发出的热量不会对文物保存造成过大的影响。

◇由实验得知，不同颜色在光照度最强下的光通量在3001m的范围内，经查询资料得知光通量不超过3001m对文物不会造成影响。

因此，本设计是安全而且可靠的。

该项目获得第33届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目中学组工程学一等奖。

专家评语

项目考虑不同文物对光照的要求，实现对展品照明的分别调控;同时考虑观众对光照的要求，还能方便地通过计算机、手机等对展品的照明进行调控，方便布展。研究者对研究背景及目标有较详尽的讨论，能正确运用科学方法，通过多项科学实验初步验证其假设的正确性，成功运用信息及电子技术造出样机以展示设计的可行性及功用。建议进一步考虑LED灯照明的均匀度;除光通量外，考虑亮度以寻找最佳色温。