遗址微气象环境监测系统

编辑:cgsoft 发布时间:2012-11-21 访问次数:1668

文化遗址受环境变化的影响很大,温湿度的变化、有毒有害气体浓度的增加等等都会破坏遗址已经达成的脆弱的平衡,造成对遗址的不可逆的破坏。因此对文化遗址所处环境进行长期不间断的监测,在发现可能危及到遗址安全的环境变化时及时给出预警,以便采取有效的环境控制措施,对于保护文化遗址的长期安全具有重要的意义。

然而,有很多文化遗址都位于风沙雨雪、高温严寒的野外,占地面积大,结构形制复杂多样,同时缺乏电源供应、网络通信等基础设施,因此要在文化遗址中安装部署环境监测系统,实现对遗址环境的长期实时监测,具有相当大的难度。 针对上述问题,通过长期研究开发,浙江大学研制成功了WEMS无线环境监测系统。该系统重点面向野外恶劣场景中的大范围环境监测应用,采用以电池供电的无线环境监测传感器采集温湿度、腐蚀性气体浓度等重要的环境参数,通过无线通信的方式发送到长距离无线中继器;长距离无线中继器汇总各无线环境监测传感器的数据以后通过长距离无线通信手段将数据发送给远方的环境监测路由器;环境监测路由器可以将数据转发到局域网的监控中心,实现对数据的存储、处理和访问。该系统的体系结构如下图所示:


 
 

WEMS无线环境监测系统的主要优点在于:

1. 极低功耗的无线环境监测传感器。系统采用了低功耗无线传感器网络技术,无线环境监测传感器的功耗极低,能采用电池长期工作,并通过无线通信的方式收发数据,无需在数据采集网络范围内建设电缆和通信线缆等基础设施,大大方便了在野外文化遗址中的安装和部署,并不会破坏遗址的外观;
2. 多跳自组网通信能力。无线环境监测传感器之间可以自动地组成一个无线通信网,通过相互之间的数据转发将数据汇总到长距离无线中继器,从而可以保证在野外恶劣环境下组网和通信的可靠性,并能够扩大监测网络的部署范围,降低部署难度。由于野外文化遗址所处环境往往范围较大,地形复杂,无线通信条件恶劣,无线环境监测传感器所具有的这种多跳自组网通信的特性将能有效地保证传感器部署的灵活性和无线通信的可靠性;
3. 长距离数据传输能力。长距离无线中继器采用了大功率无线数据传输、GPRS移动通信、3G移动通信等多种长距离无线通信手段,实现环境监测数据的远距离传输。因此,对于地处偏远、缺乏网络接入的野外文化遗址,也可以实现环境监测数据的可靠实时上传;
4. 方便灵活的数据处理服务中心。监控中心采用了网络化的数据存储与处理服务,文物保护工作人员可以在联网计算机上通过Web浏览器实时查询最新的环境数据、历史数据、统计数据等,分析遗址的环境状况,而不需要采用专业的数据分析处理工具,从而大大降低了使用难度。同时,系统还具有网页报警、短信报警等多种报警方式,在遗址出现环境状态异常时能及时通知有关人员采取有效措施,从而可以有效地为文物保护提供支持;
5. 良好的系统可维护性。为方便在野外恶劣场景下系统长期运行中的维护操作,系统提供了远程系统状态监测、故障诊断等功能,可实时报告系统中所有设备的当前运行状态,如传感器是否工作正常、是否需要更换电池等,并能够在设备出现故障时协助维护人员分析故障原因,及时采取有效措施排除故障。
1. 无线环境监测传感器


 

温湿度传感器                                                 二氧化碳传感器

无线环境监测传感器针对气象监测、环境监测等需求,采用高精度的温湿度传感器和气体传感器,并进行了宽温、高强度的防水、防尘、防紫外线节点设计,可以进行快速准确的环境数据采集。此外,考虑到环境监测应用提出的能够在各种环境和场所快速灵活部署的要求,该设备采用了最新的无线传感器网络技术,以无线通信的方式进行监测数据的传输,设备之间可以相互进行数据中继,从而可以大大扩展数据的传输范围。设备功耗极低,在自组织多跳组网的模式下,采用2节5号电池(温湿度监测设备)可以连续工作1年以上(1分钟通信周期)。

2. 长距离无线中继器


 
 

长距离无线中继器针对在较大范围内部署的无线环境监测系统的需求,通过数据汇聚和中继传输,可以扩展无线环境监测设备的部署范围,延长无线数据传输的距离。同时,为了进一步扩大部署范围,并提高无线网络的健壮性,长距离无线中继器之间也可以相互进行数据中继。

3. 无线环境监测路由器


 
 

无线环境监测路由器具有较强的处理能力和较大的存储空间,能够接收无线环境监测传感器采集的环境数据,进行必要的处理并将其实时发送到局域网上。为了避免因网络原因导致数据拥塞进而丢失数据,路由器中设置了大容量的存储空间,在网络或者服务器出现故障时,可以长时间地保存采集数据。

4. 数据处理与访问服务器

 
数据处理与访问服务器接收由无线环境监测路由器通过局域网发送过来的监测数据,进行解析处理后保存在数据库中。服务器提供基于Web方式的数据查询、统计、分析等处理功能,并提供完善的监测网络管理与设备管理功能。

WEMS无线环境监测系统已经在文物保护、数字农业、智能楼宇等多个领域得到广泛应用。目前该系统已经在浙江萧山蓝海生态农业示范园区、浙江大学农学院试验田中得到应用,并已经推广到敦煌莫高窟微气象环境监测工程中,取得了良好的效果。

敦煌莫高窟微气象环境监测项目是从2006年11月开始进行的。经过近3年的努力,通过了需求分析、原型测试、小规模试运行、大规模部署、实际运行等多个阶段,现在已经在莫高窟的60个开放洞窟部署了210个传感器节点,其中CO2传感器23个,室外环境监测点2个,设置监测信息综合展示系统3套,安装数据中继器21个,数据路由器1台,数据处理服务器1台,实现了对开放洞窟内的温度、湿度、CO2气体浓度的在线实时监测与数据记录,并在大屏幕综合展示系统上向游客展示,为接待部提供了洞窟超标报警通知。此外,在窟区部署实施了游客流量监测系统,共发放便携式游客流量计数卡123张,在九层楼和小牌坊分别设立2个讲解员带团记录终端,实现了对讲解员带团信息的记录、窟区游客人数的统计、洞窟内游客人数的统计等功能,为游客承载量管理提供了重要的基础数据,并较好地满足了接待部提升管理水平的需要。


 
 

洞窟内传感器节点


 


洞窟门传感器节点


 
 

无线中继通信模块


 
 

长距离无线通信模块


 
 

实时数据图

WEMS无线环境监测系统将集成大气、土壤、结构应力、污染物、图像等多种传感器,从而可以对遗址的保存环境、遗址本身的现状等信息进行全方位的采集和实时监测。通过与遗址现场环境控制设备的结合,可以实现对遗址环境的精确控制。

采用远距离无线通信技术,可以将WEMS无线环境监测系统应用到大遗址和野外遗址群的环境监测中,实现对远距离的文化遗址环境和文物现状的集中监测。

除了遗址环境监测外,WEMS无线环境监测系统还可以应用在数字农业、绿色节能建筑等多个行业应用中。

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