一种基于物联网的文物保存环境监测系统的制作方法

本实用新型涉及环境监测技术领域，特别是一种基于物联网的文物保存环境监测系统。

背景技术：

我国是一个文物众多的国家，根据第三次全国文物普查的数据，我国登记在册的不可移动文物78万，仅全国重点文物保护单位就有2352处。其中，大量大型文物散落在野外，在自然环境因素作用下，很多文物已有损坏。另外，文物盗窃案件时有发生。这些对文物保护带来巨大的挑战。现在的文物保护单位多使用视频监控。比如，最近北京市2018年大量新增视频监控系统，通过大量布设全景摄像机实现文物的全监控。现有的文物监控系统，实际上和普通仓库的监控系统并无差别，都是使用摄像头采集视频信息由无线或者有线传输信息。这种方案由于视频无线传输需要占用大量带宽，对野外基站负荷太大，而有线传输在野外布线成本又太大，依然需要大量人力对视频进行实时监视。

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。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于物联网的文物保存环境监测系统，本实用新型能够完成长期、稳定的文物保存环境信息监测，性能稳定且方便携带。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本实用新型提出的一种基于物联网的文物保存环境监测系统，包括多个监测节点、转发器和云端，监测节点包括双轴倾角传感器模块和从BLE-SoC蓝牙主控模块，转发器包括主BLE-SoC蓝牙主控模块、蓝牙控制终端和无线通信电路，其中，

双轴倾角传感器模块用于采集文物的温度、震动和倾角信息，并将温度、震动和倾角信息经从BLE-SoC蓝牙主控模块输入至主BLE-SoC蓝牙主控模块；主BLE-SoC蓝牙主控模块用于将温度、震动和倾角信息经无线通信电路上传至云端，蓝牙控制终端用于控制主BLE-SoC 蓝牙主控模块。

作为本实用新型所述的一种基于物联网的文物保存环境监测系统进一步优化方案，无线通信电路使用MQTT协议与云端互联。

作为本实用新型所述的一种基于物联网的文物保存环境监测系统进一步优化方案，无线通信电路为BC28无线通信电路。

作为本实用新型所述的一种基于物联网的文物保存环境监测系统进一步优化方案，监测节点还包括3.3V供电电路，3.3V供电电路用于为从BLE-SoC蓝牙主控模块、主BLE-SoC 蓝牙主控模块供电。

作为本实用新型所述的一种基于物联网的文物保存环境监测系统进一步优化方案，还包括太阳能电池板和锂电池，3.3V供电电路用于储存太阳能板转换的电量、并监测锂电池的电压和电流。

作为本实用新型所述的一种基于物联网的文物保存环境监测系统进一步优化方案，还包括用于给无线通信电路供电的3.6V单独供电电路，3.6V单独供电电路包括MIC29302芯片、第一至第三电容和第一至第四电阻，MIC29302芯片的第二引脚与的第一电容的一端、第一电阻的一端分别连接，第一电容的另一端接地，第一电阻的另一端与MIC29302芯片的第一引脚连接，MIC29302芯片的第三引脚接地，MIC29302芯片的第五引脚与第二电阻的一端、第三电阻的一端分别连接，第三电阻的另一端接地，第二电阻的另一端与MIC29302芯片的第四引脚、第二电容的一端、第三电容的一端、第四电阻的一端、3.6V电源分别连接，第二电容的另一端接地，第三电容的另一端接地，第四电阻的另一端接地。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本实用新型体积小、可实现太阳能供电、方便携带、性能稳定，能够完成长期、稳定的文物保存环境信息监测。

附图说明

图1是系统结构框图。

图2是平面倾角测量原理图；(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0°，(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αX，即为平面倾斜角度。

图3是监测节点BLE-SoC电路。

图4是SCA100T芯片内部功能框图。

图5是SCA100T传感器电路。

图6是串口隔离电路。

图7是BC28无线通信电路。

图8是BC28供电电路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

系统以蓝牙BLE-SoC按照主从模式组建无线传感监测网络，其中监测节点BLE-SoC以MEMS传感器SCA100T采集温度、震动、倾角等信息，HUB收集各个监测节点的测量数据，并通过NB-IoT芯片BC28使用MQTT协议与云端互联上传监测的环境信息。基于熵权 TOPSIS模型对测量的环境信息进行分析处理，并给出文物保存环境的评价。

系统结构框图如图1所示，包括监测节点、HUB和云端数据库三部分。系统采用散射网组网方式，在不同需求下使得一个HUB可与7个甚至更多监测节点通过蓝牙相连接。

监测节点包括：(1)SCA100T传感器模块；(2)从BLE-SoC蓝牙主控模块；(3)3.3V 供电电路模块。SCA100T传感器模块与蓝牙BLE-SoC相连，蓝牙BLE-SoC按固定的周期和场景读出SCA100T传感器检测的角度值、加速度值和温度值发送到HUB。3.3V供电电路具有锂电池充电管理功能，用于储存太阳能板转换的电量、监测电池的电压和电流，防止过冲、过放。

HUB包括：(1)BC28无线通信模块；(2)主BLE-SOC蓝牙主控模块；(3)3.3V供电电路模块；HUB负责接收多个监测节点通过蓝牙传送的检测数据并储存在FLASH里面。BC28 无线通信模块负责与云端通信，实现将HUB收集的多个监测节点测量数据上传云端，并可以接收云端下传的指令。当某些测量值超过设定阈值时，BLE-SOC蓝牙主控模块自动判断倾斜状态，并将角度信息发送到FIFO中以备推送到云端，当BC28联网时再发送至服务器的订阅主题下，实现文物环境监控的目的。

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。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2中的(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0°；图2中的 (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αX，即为平面倾斜角度。g表示重力加速度。

SCA100T输出测量值时，由SPI输出11位数据格式的数字量，并且存储在SCA100T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关系满足函数

式中，α为倾斜角度；Do是测量的数字量，单位为LSB；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819LSB/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αX和αY。

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(℃)补偿测量倾斜角度α，是通过修正芯片灵敏度S实现的。为了得到修正后的芯片灵敏度S'，先由二阶多项式拟合曲线方程计算灵敏度补偿参数Sc

Sc＝-0.00011T²+0.0022T+0.0408 (2)

再由灵敏度补偿参数Sc，计算补偿修正后的芯片灵敏度S′为

因此，将S′代入式(1)中的S，即可实现温度补偿，得到更准确的倾斜角度α。

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。

监测节点电路设计

(1)从BLE-SoC

基于nRF51822的蓝牙监控实现方案，利用Nordic公司开发的蓝牙低功耗晶片nRF51822 和专属2.4GHz系统单晶片(SoC)开发一种蓝牙低功耗(BLE)监控器。蓝牙芯片采用3.3V稳压电源供电，主控使用一个16MHz的外置高频晶振和一个32.768kHz的外置低频晶振，以达到性能和功耗的平衡。监测节点BLE-SoC电路如图3所示。

(2)SCA100T传感器

SCA100T双轴倾角传感器是芬兰VTI公司研发的基于3D-MEMS的高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。SCA100T传感器具有±90°的量程，数字量输出灵敏度达到819LSB/g。

SCA100T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 所示。主控芯片nRF51822通过SPI协议与SCA100T芯片进行串行通信，P1_0～P1_3分别连接CLK，MISO，MOSI，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。SCA100T传感器电路如图5所示。

HUB电路设计

(1)主BLE-SoC

主BLE-SoC和从BLE-SoC的硬件电路完全一致，唯一的区别是主BLE-SoC需要通过串口连接BC28无线通信模块。CTS和RTS是串口的流控使能端口，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失。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。

(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(3GPP Rel.14)，BC28模块可通过NB-IoT专用的SIM卡与网络运营商的基础设备建立通信，同时支持UDP/TCP/CoAP/LWM2M/MQTT等多种通信协议。本设计通过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62.5kbps，下行速度25.5kbps。

主BLE-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。

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3.1V～4.2V。在数传工作中，电源输出电压是3.6V，负载电流峰值到3A。

系统程序根据上一次云端下发的指令设定定时器开机，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；电压正常，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)然后执行相关定时器中断和传感器逻辑应用部分程序。通信时，HUB蓝牙进行查找，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，中断程序改变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。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本实用新型的保护范围。