基于物聯網技術的智慧文博一體化管理系統

◆錢雪微 郝自勉 李迎霞 徐云云 江來

（1.湖北城市建設職業技術學院 湖北 430205；2.湖北職業教育軟件技術專業郝自勉工作室 湖北 430205）

在當前時代，經濟社會的迅速發展改變了民眾的消費習慣，廣大公民對衣食住行的需求相對降低，同時文化需求達到了新高度。經過調查研究發現，我國的人均消費支出在2019年較2018年增長8.6%，達到21559元人民幣。其中在教育文化娛樂這個板塊中，人們的消費支出占到整個板塊的11.7%，相比2018年提高了12.9%，可見民眾對于精神文化的需求越來越高。

文博系統（包括博物館、美術館、藝術館等）作為當前歷史文明的重要載體，文化傳播的重要標志，文博系統已經成為人們提高審美和地方文化展示的舞臺，人們也越來越傾向于走進這類文明和藝術的宮殿。

物聯網技術是通過各式各樣的傳感器、射頻識別技術、全球定位技術（GPS）以及紅外感應等各種感知層手段，實時聲、光、電、化學、生物、位置等信息獲取。物聯網技術一般分為三個布局層次：感知層、傳輸層和應用層。物聯網技術目前已被應用到各種方面，包括大家熟知的家居、交通、電力、環境、醫學等行業，可以有效推動這些行業往智能化、互聯化的方向發展，大大地提高了人們的生活質量[1]。在智能感知技術以及信息識別技術等大量通信感知技術的有效支持下，物聯網在各類技術中得以廣泛普及，被作為第三次信息技術革命的基礎。

1 本項目在文博系統中的應用創新點

智慧文博一體化管理系統項目以物聯網為主體，并以云技術為輔助，使用最新的WiFi6的傳輸方案，使用無線收發模塊以及有線中央控制系統結合各種傳感器，構建一個多AP的無線傳感網絡，并通過移動終端設備手機（APP）實現對整館的遠程控制同時實時同步館內情況。一旦出現警情，便會觸動安防報警裝置和攝像機進行拍攝，再利用云技術存儲安防信息，警情隨時發送到安防人員的相關移動終端；通過RFID技術對游客的進出館的信息進行實時更新，實現進出館游客管理；在后續的研究中，通過無線傳感網還可加入對館內物品的環境溫度實現實時監控的功能，在環境溫度比如濕度不適宜時，還可觸發相應裝置進行實時環境調節。

本項目在原有“底層傳感-數據采集-網絡傳輸-服務器”的模式上進行創新，使得傳感器的數據不通過傳統的網關而是在HQTT的協議的基礎上憑借WiFi的傳至私有云平臺，私有云平臺具有數據獲取與發布、存儲與分析、數據共享的功能，且安全性相對于市面上的公有云來說更有保障[2]。使用者通過移動端（APP）向私有云平臺取得傳感器和射頻信息，不僅縮減了傳統文博館安防系統的建設成本，還在很大幅度上擴充了管理人員以及視頻監控人員的工作范圍，使最終的數據采集不僅僅局限在文博系統內部區域。在國內任何地方，都可以將各式文博館的數據進行監測，同時在維護社會穩定方面，可以警察提供證據、提升警察破案速度。

2 智慧文博一體化管理系統的系統設計

本系統以物聯網為主體，并以云技術為輔助，使無線保真技術的傳輸方案，使用WiFi信號的收發模塊以及中央控制系統結合各種傳感器，建立了能夠遠程監測傳感數據、遠程數據監控、信息預警等各類服務的智慧文博一體化智能管理系統。一旦出現火警或者人員入侵等報警信息，便會觸發安防報警裝置以及攝像機進行拍攝，同時通過云技術來對預警信息進行存儲，緊接著安防人員隨身攜帶的移動設備上會收到報警提示；通過RFID射頻識別技術對游客的進出文博館的信息進行實時更新，實現進出館人員管理。不管是博物館、美術館還是藝術館，溫濕度、光照度等都是文博館物品管理的重要環境條件，通過溫濕度以及光照傳感器等將文博館內的環境情況進行及時匯報與預警。

本文的研究從原來的傳輸路徑從傳感器直接傳輸到服務器的模式中跳出來，將采集的終端信息通過第六代WiFi進行組網，移動端APP通過http協議的API進行訪問，實現對溫濕度（文博館藏品管理）、特定范圍內的人員入侵和火災（安防）和射頻識別（游客）的管理。

本項目系統框架圖如圖1所示：

圖1 系統整體框圖

3 智慧文博一體化管理系統的硬件設計

本系統的硬件部分主要作用是通過傳感器采集人體紅外信息、火焰信息、RFID射頻卡信息以及溫濕度信息，并將數據采集完成后通過網關發送至云平臺，同時移動應用端訪問云端獲取傳感器信息，云端可依托于服務器來捕獲數據和存儲[3]。本系統的硬件連接圖如圖2所示。

圖2 系統硬件連接圖

感知節點數據的采集在整個項目中擔任重要角色，負責搜集傳感器上傳的數據并在進行一定處理后傳輸到網關控制器。同時，節點還需要便于維護，成本低等優勢，便于商業推廣。因此，本項目中底層硬件的MCU采用TI公司的STM32F103VE 芯片進行。

傳感器作為智慧文博一體化管理系統的感官系統，起著搜集周圍環境安防信息，探測環境中有誤特殊緊急情況的重要作用，各國也越來越重視在傳感器領域的發展。

型號為HC-SR50為本項目所用到的人體感應紅外傳感器，該傳感器將探測并吸收到的紅外輻射通過傳感器變化為弱電壓信號，此時的電壓信號相對較弱，一般無法正常被識別，因此需要將信號經裝在探頭內的場效應管放大后再對外輸出。對人體紅外信號的探測來說，探測距離是比較重要的探測指標，菲涅爾透鏡是一個重要的裝置，它可以提高探測器的探測靈敏度，通常會與放大電路相結合，將信號放大至少70 分貝[4]。當有人入侵到探測范圍之內時，人體的紅外輻射信號通過部分鏡面進行聚焦，同時熱電釋元件將輻射信號吸收，由于兩片熱釋電元件接收到的熱量有差異，熱釋電也有差異，最終引發報警。

型號為Flame-1000-D是本項目所用到的火焰傳感器，該傳感器可以探測波段范圍為700—1100 nm的火焰發出的短波近紅外線；該傳感器采用雙重輸出的組合，并通過數字輸出使得系統設計更加簡化；而模擬信號的輸出也需要更加高精度的場合；通過對高精密電位器進行調節，可以調節檢測距離[5]。目前紅外火焰探測技術可以很好實現火災預警，通過響應的傳感器可以通過檢測火焰所發出的紅外線來對火災繼續預防，這種探測方式比傳統感煙或感溫式火災探測技術響應速度更快。

一個完整的RFID系統主要由電子標簽（RFID Tag）、讀寫器（閱讀器）和管理軟件組成。博物館游客智能化管理將采集游客入館信息與出館信息，游客信息管理主要是對 RFID 電子標簽信息的管理，主要包括了添加、修改、刪除以及查詢功能。用實時游客入館數量減去出館數量即可得到實時館內游客數量。RFID系統基本組成如圖3所示。

圖3 RFID 系統基本組成

該系統無線通信的方式選用第六代WiFi，文博場館由于館藏品的特殊性，一般為室內，且和上一代的Wi-Fi 技術標準相比，Wi-Fi 6 的數據傳輸速度相對于之前的WiFi 信號有了大幅度提高，且目前已經能夠對增強和虛擬現實（AR/ VR）進行強有力的支撐，對網絡的容量進行擴展，即使我們身處擁擠的火車站也能享受到優質的網絡服務，在如此高性能的網絡服務中，同時價格也相對較低，因此本項目選用WiFi的無線通信方式。

4 智慧文博一體化管理系統的軟件部分設計

本系統的硬件部分主要作用是通過傳感器采集人體紅外信息、火焰信息、RFID 射頻卡信息以及溫濕度信息，并將數據采集完成后通過網關發送至云平臺，同時移動應用端訪問云端獲取傳感器信息，云端通過服務器進行數據的訪問與存儲。系統軟件連接圖4 所示。

圖4 系統軟件架構圖

移動終端（APP）是文博館一體化智能化云管理系統的頂層設計，也是物聯網三大層次結構應用層的核心部分。用戶不可能都通過云端服務器去對設備的傳感信息進行讀取，通過移動終端實時查看傳感器數據并對執行器開展實時控制，同時對視頻信號進行監控、查看報警信息、進出館游客的信息以及文博館館藏品的保存條件，考慮到以上特點，移動終端（APP）必須擁有簡單且穩定、容易操作（符合用戶的習慣）、靈敏度高以及內存占用低等特點[5]。

移動終端采用了自動控制的服務、數據實時上傳的服務、用戶數據處理分析的服務，程序的實現流程如圖4 所示。本項目中實現自動控制采取了調用封裝好的API 函數接口的方式，該方式不僅在私有云平臺上定義好自動控制接口，而且多個客戶端（APP）同時訪問云平臺時，可以對多個客戶端進行有效設置。相比于在APP 端實現自動控制功能的設計，它可以簡化客戶端的開發，提升用戶的使用體驗。APP 端登錄頁面如圖5 所示，安防監控系統如圖6 所示，游客監控系統如圖7 所示，館藏品環境監控如圖8所示，視頻監控如圖9 所示，安卓設計菜單欄如圖10 所示。

圖5 安卓登錄頁面

圖6 安防監控系統

圖7 游客監控系統

圖8 館藏品環境監控

圖9 視頻監控

圖10 安卓設計菜單欄

5 應用及推廣前景預測

本項目的適用范圍主要包括：（1）獲取數據（其他可以用傳感器獲取的數據，包括可燃氣氣體、煙霧等其他環境數據等）；（2）自動化控制所有室內景點智能化管理解決方案；（3）項目的實施不僅可提高整個室內景點的信息化管理水平，提高從業人員的信息素養和管理水平，實現館藏品、游客和安防的智能化管理。

經濟效益分析：本品可以以較低的成本對所有室內景點進行普及，比起經濟效益更重要是的社會效益。還可以實現所有文博系統相關景點的個性化定制，受眾面廣。人文館藏承載著中華優秀傳統文化，實現文物更智能化、更安全的管理顯得尤為重要。

6 總結

本項目為的智慧文博一體化管理系統，以物聯網技術為核心，通過自建的私有云平臺提供數據采集、存儲、管理等基礎服務，在數據通信上通過各種云服務API 接口為核心，以標準的數據傳輸格式為作為技術，以網絡攝像頭為視頻監控設備，以移動的智能終端作為用戶體驗終端，以第六代WiFi 通信為組網方式實現傳感器數據采集和執行器控制，實現了實時數據監測、遠程軟硬件控制、數據查詢與傳輸、報警信息的發布、視頻監控、進出館的游客管理和文博館館藏品存儲的環境監控等功能，可以有效解決了傳統博物館安防系統、游客管理以及館藏物管理無法實現集中智能化管理所存在的問題。除此之外，有效降低了布置的成本、系統后期的維護費用也具有良好的價格優勢，最終實現了文博館內數據的共享、數據傳送與存儲的格式標準化，使用和擴展的難度進一步降低。

目前，物聯網與云平臺的融合已經逐漸深度融合，本系統也將進一步繼續改善，比如館藏物的環境條件比較多，比如紫外線等也有一定的影響，但是隨著物聯網技術與云技術的發展越來越成熟，文博系統智能化管理系統也必將越來越完善，全方位助力各式文博系統的更形象更安全地展現給全世界。