一種基于物聯(lián)網(wǎng)的全方位光敏文物保護監(jiān)控系統(tǒng)研究

許宇龍

研究背景

博物館常使用高功率的射燈照明文物，這樣能使參觀者在光線充足的情況下觀賞文物，但高溫照明情況下的光輻射對文物會造成不同程度的破壞。此外，游客在觀看文物時拍照所用的閃光燈也會對文物造成非常大的破壞。如今，LED產(chǎn)業(yè)日新月異，標(biāo)榜具有無紫外線、不發(fā)熱的特性，正符合博物館文物照明的需求;另外，其低耗能、使用壽命長的特性，也可解決博物館經(jīng)費緊張的窘境。因此，我們就構(gòu)想能否使用LED燈取代射燈用于博物館文物的照明。

根據(jù)調(diào)研提出假設(shè)

本次調(diào)研選取國內(nèi)外6座著名博物館：英國的大英博物館，日本的東京國立博物館和東京美術(shù)館，中國的中國國家博物館、故宮博物院和首都博物館。調(diào)研對象能夠代表當(dāng)今世界博物館展陳照明的較高水平。

基于目前世界各國按照文物材料的光化學(xué)穩(wěn)定性劃分方法，本次調(diào)研對于文物類型的選擇為：書畫類（特別敏感展品）、漆器類（比較敏感展品）、陶瓷類（不敏感展品）。選取照明方式、光源類型、光源色溫、平均照度和照度均勻度作為調(diào)研指標(biāo)，這些指標(biāo)能夠反映博物館展陳照明在文物保護方面的情況。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果可知，可見光源選擇和照明方式對照度均勻度具有重要影響。因此提出如下假設(shè)。

假設(shè)1：若將一般使用的鹵素射燈改為LED照明系統(tǒng)能否改善燈所發(fā)出的熱能對文物的影響。

假設(shè)2：制作一個可調(diào)控LED燈發(fā)出的藍光和紅光的處理器，以改善紅外線輻射和光輻射對文物的影響。

假設(shè)3：若設(shè)計1個可實時調(diào)控LED控制器的應(yīng)用程序，能控制LED的光強度、顏色、色溫等，可解決博物館對照明系統(tǒng)可調(diào)控參數(shù)不足的問題。

假設(shè)4：制作1個光強度傳感器，配合光強度數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)顯示及警報，能感測到閃光燈的第1下閃爍，并立即作出反應(yīng)調(diào)節(jié)LED燈的亮度，以抗衡閃光燈對文物的光輻射破壞，滿足不同文物對光強度的需求。

假設(shè)5：加入全方位紅外線人體傳感器和光敏傳感器，當(dāng)有人接近文物展示柜時，光敏傳感器會探測因人體阻礙光線進入展示柜的變化值，從而調(diào)節(jié)LED燈的光線亮度。

研究過程

系統(tǒng)硬件

本設(shè)計以光強度數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及LED控制處理器為2大核心。首先通過移動裝置的對應(yīng)應(yīng)用程序，通過藍牙與LED控制處理器進行連接，然后用戶能在應(yīng)用程序上發(fā)出指令，控制器接收信息后控制LED燈。同時，光強度處理系統(tǒng)會通過光強度傳感器檢測LED燈的亮度是否高于或低于設(shè)定值。當(dāng)人體處于文物展示柜的任意一個方向時，也會觸發(fā)效應(yīng)器傳輸信息給光強度數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，光強度傳感器會接收由于人體阻礙外界光線進入展示柜的變化值，從而對LED燈亮度進行調(diào)控，若超出臨界值，系統(tǒng)會以蜂鳴器及指示燈作為警報。

◇LED控制處理器

·MCU控制器：MCU采用STC89C52RC芯片。

·藍牙模塊：藍牙模塊選擇HC06，可以實現(xiàn)藍牙轉(zhuǎn)串口功能。

·LED驅(qū)動電路：驅(qū)動電路采用ONsemi公司生產(chǎn)的NCL30160作為主芯片，可以為LED光源提供精準的恒定電流輸出，以驅(qū)動高功率發(fā)光二極管。

·主程序設(shè)計：通過藍牙模塊與單片機互連，單片機通過串口接收來自手機藍牙模塊的無線數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機內(nèi)部解碼后產(chǎn)生對應(yīng)占空比的PWM波形。

·PWM調(diào)光算法設(shè)計：定時器0采用中斷的方式產(chǎn)生PWM波形，定義頻率、占空比，并且將P1.0口設(shè)為輸出埠。根據(jù)串口接收到的數(shù)據(jù)對占空比及頻率進行調(diào)節(jié)。

◇光強度數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

·系統(tǒng)設(shè)計：采用新型單片測光芯片BH1750，較好地解決了傳統(tǒng)測光系統(tǒng)的弊端。

·系統(tǒng)工作流程：系統(tǒng)工作時要先進行各部分的初始化，完成后開始接收使用者命令，根據(jù)使用者的不同操作執(zhí)行不同任務(wù)。

·系統(tǒng)電路組件組成：由指示燈、開關(guān)按鈕、5V電源、LED指示燈、液晶顯示器、單片機控制電路、光照度檢測電路、按鍵控制電路、聲光報警電路、液晶顯示電路及電源電路組成。

◇紅外線人體感應(yīng)

·人體紅外感應(yīng)模塊：本設(shè)計采用HC-SR501。

·人體紅外檢測電路：該模塊只引出3個引腳，第2腳接單片機的10口P22，當(dāng)有人出現(xiàn)在模塊的檢測范圍內(nèi)時，該引腳輸出高電平，平時輸出低電平。

·按鍵輸入模組：本系統(tǒng)設(shè)計3個按鍵，分別是模式切換按鍵、亮度減少按鍵和亮度增加按鍵，故采用了獨立鍵盤的方式。

系統(tǒng)軟件

本設(shè)計自主編寫手機應(yīng)用程序，并支持各地常用的iPhone OS（iOS）蘋果公司行動裝置操作系統(tǒng)和Android操作系統(tǒng)，實現(xiàn)與硬件電路的通信。用戶能在應(yīng)用程序上發(fā)出指令，控制器接收信息后控制LED燈。利用藍牙傳輸技術(shù)與智能手機上的應(yīng)用程序連接，實現(xiàn)與硬件電路的通信。

系統(tǒng)性能測試實驗及數(shù)據(jù)分析

◇實驗1：利用光譜分析儀檢測本設(shè)計在不同顏色照明下的光波值

假設(shè)保持光強度（設(shè)定位為最高）不變，在相同亮度環(huán)境下，綠光、紅光和白光都在安全范圍內(nèi)，雖然藍光的波段介于危險范圍，但藍光很少會用于文物照明，因此對整個設(shè)計的效用沒有太大影響。

◇實驗2：利用紅外線溫度計檢測本設(shè)計在長時間開啟下溫度隨著時間的變化

假設(shè)保持光強度（設(shè)定位為最高）不變，在相同亮度和相同室溫環(huán)境下，紅色燈經(jīng)過20小時后系統(tǒng)的溫度最高，而藍色和橙色的溫度最低。

◇實驗3：通過本設(shè)計的光強度數(shù)據(jù)處理器檢測不同顏色在最強亮度情況下的光通量

假設(shè)保持光強度（設(shè)定位為最高）不變，在相同亮度環(huán)境下，所有顏色在最強亮度的默認值下光通量也不超過3001m。

◇實驗4：測試紅外線傳感器的感應(yīng)范圍

假設(shè)保持光強度（設(shè)定位為最高）不變，在相同亮度環(huán)境下，隨著人體的接近，光通量變高。

研究結(jié)論

◇除藍色外，所有顏色的波長都在450～650nm的波段范圍，也就是在破壞系數(shù)中最小的，因此能夠證明本設(shè)計合乎文物照明的波段要求。

◇本系統(tǒng)在不間斷運行20小時后，溫度仍在40℃以下，因此本系統(tǒng)所發(fā)出的熱量不會對文物保存造成過大的影響。

◇由實驗得知，不同顏色在光照度最強下的光通量在3001m的范圍內(nèi)，經(jīng)查詢資料得知光通量不超過3001m對文物不會造成影響。

因此，本設(shè)計是安全而且可靠的。

該項目獲得第33屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項目中學(xué)組工程學(xué)一等獎。

專家評語

項目考慮不同文物對光照的要求，實現(xiàn)對展品照明的分別調(diào)控;同時考慮觀眾對光照的要求，還能方便地通過計算機、手機等對展品的照明進行調(diào)控，方便布展。研究者對研究背景及目標(biāo)有較詳盡的討論，能正確運用科學(xué)方法，通過多項科學(xué)實驗初步驗證其假設(shè)的正確性，成功運用信息及電子技術(shù)造出樣機以展示設(shè)計的可行性及功用。建議進一步考慮LED燈照明的均勻度;除光通量外，考慮亮度以尋找最佳色溫。