论文研究-基于物联网的文物保存环境监测系统与评价模型 .pdf

所需积分/C币:15 2019-08-19 01:10:28 737KB .PDF
74
收藏 收藏
举报

基于物联网的文物保存环境监测系统与评价模型,王锡宁,王跃飞,目前文物保存环境监测主要依靠人工巡视和视频监控的方式,存在着野外网络布线困难、耗费大量人力资源、无保护环境安全评估等弊端
山国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 传感器应用原理 SCA100T是基于MEMS工艺的传感器,其角度测量原理是将测量的加速度转化为倾角 变化量的SCA100T的硅电容感应元件由3层硅片构成,形成立体结构,当发生倾斜时, 中间质量片会倾向某一侧,从而使两侧的电容发生变化。平面倾角测量原理如图2所示, 图a)为传感器平面水平放置时,重力加速度矢量方向与Z轴重合,平面倾角为0o;图(b)为 传感器平面以ⅹ轴为转轴倾斜一定角度时,由于倾斜过程中,重力加速度矢量方向与Z轴 存在一定夹角,即为平面倾斜角度。g表示重力加速度。 8++ L gvZ 0 (b) 图2平面倾角测量原理图 sCAl00T输出测量值时,由SPI输出11位数据格式的数宇量,并且存储在SCA10OT 芯片的RDAX和RDAY数据寄存器中,数据范围是0-2048。输出数字量与倾斜角度的对应 85 关系满足函数 a= arcsin( (1) 式中,为倾斜角度;Do是测量的数字量,单位为;D0为基础数值,表示倾角为0°时 的Do数字输出量,取值为-1024LSB:S为芯片灵敏度常量,其值为89LSB/g 平面以ⅹ、Y轴为转轴倾斜的测量原理和方法是一样的,并且适用于以X、Y轴为旋转 轴同时旋转的情况,可由SCA100T芯片的两路SPI数据输出量分别计算出和。 因为环境温度的变化会造成芯片灵敏度S的偏移,故为提高测量精度,有必要进行温度 补偿。由环境温度T(αC)补偿测量倾斜角度,是通过修正芯片灵敏度S实现的。为∫得到修 正后的芯片灭敏度S",先由二阶多项式拟合曲线方程计算灵敏度补偿参数 0.0001172+0.00227+0.00408 95 再由灵敏度补偿参数,计算补偿修正后的芯片灵敏度为 100 因此,将代入式(1)中的,即可实现温度补偿,得到更准确的倾斜角度。 以上原理说明了SCA100T通过测量温度和加速度,完成对角度进行高精度的测量。 山国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 硬件电路设计 监测节点电路设计 (1)从 BLE-SOC 本文基于nRF51822的蓝牙监控实现方案,利用N\ odic公司开发的蓝牙低功耗晶片 nRF51822和专属2.4GHz系统单晶片(SoC开发一种蓝才低功耗(BLE)监控尜。蓝牙芯片采 用3.3V稳压电源供电,主控使用一个16MHz的夕置高频晶振和一个32.768kHL的外置低 105 频晶振,以达到性能和功耗的平衡。监测节点BLE-SoC电路如图3所示 bat I 40uF/ OUT 3长 aaaaaa P10 RECOVERY 0. 1ul 10V P1 4SSN SWDIO 88 GND SDA SCL UARTI TS PIN NUMBER 。s RECOⅤ ERY TX RX PIN NUMBER ,鲁 3.3V 图3监测节点BLES0C电路 (2)SCA100T传感器 SCA100T双轴倾角传感器是芬兰VTI公司研发的于3 D-MEMS的扃精度双轴倾角传 感器芯片,提供了水平测量仪表级别的性能6。SCA100传感器具有+90的量程,数字量输 出灵敏度达到819LSB/g。 12 VDD 感应元件1 信号调节与过滤 110uT1 A/D转换 asT 1 校准寄存器温度传感器 ○1sCK 9ST 2 自测2 桉口 感应元件2信号调节与过滤 oUT 2 B END 图4芯片内部功能框图 115 SCAl00I传感器具有温度测量功能,便于温度补偿。SCA100T芯片内部功能框图如图 4 山国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 4所示。主控芯片nRF51822通过SPI协议与SCA100T芯片进行串行通信,P10~P13分别 连接CLK,MISO,MOS,CSB。其中,CLK输入时钟信号,CSB为低电平有效的片选信 号,MISO和MOSI分别为数据输出和数据输入。SCA100传感器电路如图5所示。 GND VCC SCK SCH VDD Miso MISO NC OUT I 34567890 MOSI R2 MOSI CSB-I MOSI ST 2F8 CSB2-1 OUT 2 NC CSB SB2 OUT-1 5.11K GND OUT2-1 SCA1OOT GND GND VCC二二 VCC C4C3 MISO MOSI 47uF」100nF CSB-1 120 GND 图5SCA100T传感器电路 电路设计 (1)主 BLE-SoC 125 主 BLE-SOC和从 BLE-SOC的硬件电路完全一致,惟一的区别是主 BLE-SOC需要通过 申口连接BC28无线通信模块。CTS和RTS是申口的流控使能端口,在初始化时通过 AT+IFC=2,2配置保存,开启流控使能功能可以避免数据丢尖。当接收缓存快满时,模块把 CTS信号设置为无效,暂停数据传输。当接收缓存可以接收更多数据时,CTS信号被重置 为有效。主 BLE-SOC与BC28串口通信的串口隔离电路如图6所示。 BLE RX RIO2 BC28 TX BLE BC28 IK BC28 CTS BLE RTS RIOSH IK BC28 RTS l30 图6串口隔离电路 (2)BC28无线通信电路 BC28是一款高性能、低功耗的NB-IoT模块,支持六个频段。采用NB-IoT无线通信 协议(3 GPP Rel.14),BC28模块可通过NB-loT专用的SIM卡与网络运营商的基础设备建立 135 通信,同时支持 UDP/TCP/ COAP/LWM2 M/MQTT等多种通信协议。木设计通过AT指令控制BC28以MQTT协议 与云端服务器通信,达到低功耗的目的。BC28模块采用LCC贴片封装,及最新的省电技 术,电流功耗在省电模式(PSM)下,低至5uA,满足野外文物监控的低功耗要求。在多频模 式下,芯片的上行速度625kbps,下行速度25.5kbpS。 140 主BIF-SoC的 PWR CON可以驱动三极管电路控制BC28通信模块上的 PWR KEY完 成开机,关机时通过翻转 PWR CON的电平,或通过关机AT指令AT+ QPOWD完成关机 操作。BC28无线通信电路如图7所示。 山国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn CCG、D RST VPF AGND 22 PCM OUT PWRKE VDD EXT SIM CLK PWR CON-4 R601 =8 145 图7BC28无线通信电路 BC28供电电路对无线通信模块联网成功率的影响很大,必须单独设计,BC28供电电 路如图8所示。BC28可使用低静态电流、输出电流达到0.5A的LDO作为供电电源,也支 持锂电池供电。LDO电源的输入电压范围为3.V~4.2V。在数传工作中,电源输出电压是 150 36V,负载电流峰值到3A。 VUSB 9 图8BC28供电电路 系统软件 主程序设计 系统程序根据上一次云端下发的揞令设定定时器开机,开机先进行初始化工作,包括时 钟、IO、UART、蓝牙的初始化。然后,判断BC28供电电压是否工作电压,如果电压过低, 自动休眠;电压止常,则启动蓝牙,检测节点进入广播状态( Advertiser/advertising),HUB 进入扫描状态( Scanner! scanning然后执行相关定吋器中断和传感器逻辑应用部分程序。通 160 信时,HUB监牙进行查找,发起配对,与检测节点建立连接并成功后,主从双方即可收发 数据。在定时器中断响应或传感器检测到异常数据后,通过MQTT协议联网,完成数据上 传操作,之后再进入低功耗模式,等待中断唤醒。MQTT联网操作的核心是一个状态机, 状态机里的每个状态对应不同的操作,中新程序改变rx- buffer里的值,进而触发程序不断 跳出状态机里的现有状态,进入下一个状态。软件主稈序流稈图如图9所示,图(a)和图(b) 165 分别是HUB和监测节点的主程序流程图。 山国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 监测节点 开始 开始 启定时器中定 时针、1O、LART 时针、IO、蓝牙 时联网上报 监牙初始化 初始化 BLE主设备连接4 斗BLE从设备连接 MQTT联网操作 了逻辑 传感器子逻辑 传感器子逻辑 图9系统软件主程序流程图 联网操作子逻辑软件设计 网络连接最成熟的框架是状态机,状态机可归纳为4个要素,即现态、条件、动作、次 态。“现态”和“条件”是因,“动作”和“次态”是果。当一个条件满足,则会触发一个动作 或者执行次状态转移。动作执行完毕后,或转移到新状态,或保持原状态。动作不是必需 的,当条件满足后,也可以不执行任何动作,直接迁移到新状态。“次态”是相对于“现态”而 175 言的,“次态”一旦被激活,就转变成新的“现态”了 每次进入状态机前先执行两次判断:若收到返回状态指令,按情形重启或不处理;若收 到移设备或网终报错,布尔变量变 falsc。状态机的主体是一个 switch函数,即 switch ( mgtt stato)。BC28的MQTT进入订阅状态的流程如图10所示 开 lo、LART、蓝牙 胡始化 开启蓝牙 登轱服务番 Y 请球打开麻为 Ero处理逻 辑 传感器子逻辑 校验用户 密码 更换默认IP 读卖取号 进入MQTT状态 发布消息 检测信号量N N 值 检测电压值 设置订阅主题 N <查询NB卡状 读取饭特率 控听是否收到订 阅消息 消息处理 (关闭联网 180 图10BC28的MQTT进入订阅状态的流程佟 传感器子逻辑软件设计 系统初始化时,在稈序的 ble central peripheral inito里对MEMS倾角传感器SCAl00T 7 山国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 作寄存器配置,进入倾角测量了函数,打倾角变化中断凶数和定吋器定吋读取 FLASH操 作。从BLE-SoC蓝牙主控模块实时接收SCAl0'传感器的监测薮据,并根据温度补偿模型 计算出当前倾角,中断函数判断倾角是否变化,如果变化则写入 FLASH,在定时器中断进 行MQT联网时上传数据。倾角监测程序流程如图11所示。 PID滤波处理倾角值 温度补偿欠理倾角值 初始化 AQTT联网并 上传主题 打开蓝牙 处理加速度得到倾角 读取 FLASH 配置传感器 读取加速度、温度 打开定时器中断 进入倾角测量子函 写入 FLASH 打开倾角变化中断 擦除原有位質 函数 FLASH 读取FLAS 断倾是合变化 图11倾角监测稈序流稈图 190 文物保存环境评价模型 文物保存环境的安全评价,以实测数据为依据,结合熵权法图和 TOPSIS模型对文物 保存环境是否安全进行一个客观的评价。利用熵权法对文物保存环境的影响要素指标进行客 观化赋杈,再结合双基点法用于对文物保存环境进行分析和评价,能够给文物管理人员 195 提供一个科学的文物保存状况评价。 文物保存环境指标分为空气指标、光照指标和外力影响指标三大类叫。其中空气指标 是反映文物保存自然环境的重要指标之一,空气指标主要影响文物的腐蚀和霉菌产生条件, 比如高温度増加会导鈫纤维素分解速度成倍增加,高湿度叁加快青铜的腐蚀速度;光照指标 主要影响文物表面材料的保存,一般情況下光线波长越短,光的能量越大,对文物的伤害也 200 越大;外力影响指标,主要指人为(非法移动、偷窃、刻画等)或者意外自然力量(地震、 暴雨等)。一级指标下设二级指标Pi,各二级指标具体体现了影响文物保存环境的主要物 理因素,不同物理量指标的性质也不尽相同。本文涉及的文物保存环境指标及性质如表 所示。 205 山国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 210 表1文物保存环境指标及性质 指标分类 二级指标表达式指标性质 空气指标对温度T(℃)P按近20为正 昼夜温差绝对值△T℃C) 负 PH值k P3接近7为正 相对湿度HR(% Pt 负 光照指标 波长A(nm) P 正 每小时曝光量 负 光照时长t(h) 负 220 外力影响指标 振动强度A(cm) P 正 振动次数 正 倾角() 接近90为正 225 系统实验与结果分析 终端控制实验 文物管理人员使用手机app进入文物维护模式的过程,即BLE终端控制测试过程如图 I2所示。首先搜索附近的蓝牙信号如图(a)所示,触摸“ connect连接信号最好的设备如图(b) 所示,然后发送管理员账号与密码如图(c)所示,最后显示蓝牙终端冋复管理模式已打开如 ? 囹ωd)所示。终端可以通过蓝牙直接控制监测系统进行联网和测量,当联网採作完成后,可 在网页上看到实时测量数据。本机服务器接收到的监测数据如图13所示。 vIces ≡ Devices STOP SCANNING SCANNER BONDED ADVERTISER SCANNER ECNDED AVERTISER CONNECTED Woht notter CONNECTED CLIENT BEREIS NOT EONDED NOT BONDED C_IENT SERVER 0 wJUY-URa于e 6D0caA7350 Unknown Service 开ENLE-40cB104m 1325:31.70∠"' reCeived 13 25: 31.70/ Notifica ion ree 日Q坐A0 Ur NOT ECNDE) -B8cBn + ms Write value 3: 25 31.305 Datawritten' o Ee400002-b53 CONNECT 2C303135353632,ah Advanced 18.20 31.805 ad, 1453b2 sert 1323: 31.31 Nctitca ion received trom 63BCEEF5255 心F Client Characteristi> Config.ta, ion 6: DD: 87. D3EACD Uu:0x2902 Vs ue, Noti iane Enabled RX Characteristic 18.25.31. Mainlan Slale'Igceived uDe40002kd3f393=0:9 g2E1:3E:3 e5ce21dsca9e one>dcra qF, valle(ne) 3]25z015|05〖 Experimental Buttonless DFU Servi (b) (d) 35 图12BLE终端控制测试图 山国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn Epen07x)题法 +c合0 Iccalbest E8 Subserve ★0H N武路器CC1ECE04 节点m N试 DNEEFAAS5GAB 操作结果 倾角:8 是否震:1 温妄:215摄氏度 图13本机服务器接收监测数据 系统实验结果 240 为了测得系统实际应用中可能岀现的各种状况数据,用普通工艺品代替文物以模拟10 种不同环境及场景进行实验,通过晃动、移动等动作仿貞自然环境中的多种破坏动作或损坏 场景。该系统测量的倾角、移动、环境温度等数据如衣2所示。 衣2实验数据 序号测量倾角是否震动测量温度(℃) 28 19.85 40 2979 30) 39.68 49.72 0 34 5991 0 0 35 79.51 0 8930 0.1 28 245 文物保存坏境是否安全,通过安全评价模型进行评价。评价模型除了倾角、震动和温度 数据外,还需要其他坏境参数,包括光照、PH值、湿度等,可通过其他相关测量仪器测得, 评价模型所需具体数据如表3所示。表3中的Pi(i=1,2、3..10)分别是二级指标相对温度T (℃)、昼夜温差绝对值△T(℃C)、PH值k、相对湿度IR(%)、波长λ(nm)、每小时曝光量 250 Ev(MJm2)、光照时长t(h)、振动强度A(cm)、振动次数、倾角θ(°)。其中,是否震动分别 表示为0、1,但是值0不符合模型规范,在使用 Matlab处理数据时里使用0.1代替 表3评价模型的环墳数据 序号 3554.95394853.6140.510.02 2865.60604621.1140 409507625683914112119.8 10

...展开详情
试读 12P 论文研究-基于物联网的文物保存环境监测系统与评价模型 .pdf
立即下载 低至0.43元/次 身份认证VIP会员低至7折
一个资源只可评论一次,评论内容不能少于5个字
您会向同学/朋友/同事推荐我们的CSDN下载吗?
谢谢参与!您的真实评价是我们改进的动力~
关注 私信
上传资源赚钱or赚积分
最新推荐
论文研究-基于物联网的文物保存环境监测系统与评价模型 .pdf 15积分/C币 立即下载
1/12
论文研究-基于物联网的文物保存环境监测系统与评价模型 .pdf第1页
论文研究-基于物联网的文物保存环境监测系统与评价模型 .pdf第2页
论文研究-基于物联网的文物保存环境监测系统与评价模型 .pdf第3页

试读结束, 可继续读1页

15积分/C币 立即下载 >