0 引言

随着物联网技术在文物保护与环境监测领域的应用和发展,国内许多博物馆及文博单位,相继建成了基于无线传感网络技术的文物保存环境监测管理系统,基本实现了对文物保存环境的实时监测和信息化管理^[1]。当前文物保存环境监测系统(以下简称“监测系统”)主要基于2.4GHz和433MHz频段无线传输技术进行网络通信。2016年11月,四川博物院完成了基于433MHz无线自组网传输技术的监测系统建设,经过几年运行实践,并结合四川区域内已建成的其他监测系统运行情况,发现现有监测系统大多存在布线复杂、通信稳定性差、造价及安装维护成本高、需要频繁更换电池等问题,尽管通过不断优化进行了调整和完善,但因部署方式和投入成本等因素带来的困扰仍未从根本上得到改变。

由于各个博物馆的情况千差万别(如建筑规模大小不一、相关技术人员业务水平参差不齐、建筑结构及布局方式差异较大等),在文物保存环境监测系统的建设中,需要综合考虑信号覆盖范围、网络通信性能、安装维护成本,以及有无相关技术人员等因素,从中找到一个平衡点来形成较优的决策。为此,首先调研几种常见网络通信技术在监测系统中的应用现状及特性,再基于四川博物院现有监测系统,通过对博物馆应用场景的实验测试,从信号强度、丢包率和电池功耗等方面,对比分析采用433MHz、LoRa和NB-IoT等3种网络通信技术的优劣,探索一种新的文物保存环境监测系统,以求彻底改变现有监测系统部署方式复杂、建设成本较高、运行维护不便等问题。

1 监测系统概况

1.1 监测系统架构

文物保存环境监测系统是物联网技术在博物馆环境监测领域的应用和实践,目前监测系统主要由监测终端、网络通信和应用平台三部分组成(图1)。

1)监测终端:通过对文物周边环境的感知,完成数据的采集和传输。由于文物保存环境对供电安全性的限制,某些监测场景无法获取稳定的外部电源,因此,监测终端的长时间工作主要使用电池供电。

2)网络通信:监测系统的重要组成部分,也是连接监测终端与应用平台的桥梁。在国内已建成的文物保存环境监测系统中,常用的网络通信技术主要包括短距离通信技术(如Wi-Fi、ZigBee、433MHz)和远距离通信技术(如LoRa、NB-IoT)等,这些网络技术各有特性,其部署方式也不相同。

3)应用平台:主要负责数据的存储和管理,为用户提供远程查看、数据分析和展示应用的平台。应用平台分为本地服务器平台和云服务器平台:前者需要建设专门的服务器机房;而后者是一套成熟稳定的数据监测平台,无需机房建设,可减少成本的投入。

1.2 网络通信技术应用现状

1.2.1 短距离通信技术

1)Wi-Fi是一种最常用的无线局域网通信技术,它基于IEEE 802.11标准,一般工作在2.4GHz频段,由于数据传输速率快,并且很多单位都实现了Wi-Fi全覆盖,免去了现场布线工作的烦恼^[2]。吴健等^[3]提出一种基于Wi-Fi技术的博物馆微环境保护系统,该系统将展柜内监测数据通过Wi-Fi形式传输,以实现博物馆微环境保护系统中展柜与服务器之间的通信。虽然采用Wi-Fi技术进行数据传输速率快,但仍存在以下问题:穿墙能力弱,传输距离短;功耗大,需频繁更换电池;传感器节点成本高和无线系统稳定性差等^[4]。

2)ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的一种短距离、低速率无线通信技术,适用于数据量小、传输速率低、覆盖范围不大的传输需求,由于信号收发时间较短且采用了休眠模式,这使得ZigBee节点功耗降低^[5]。樊静等^[6]提出了一种基于ZigBee技术的博物馆状况无线监测系统设计,利用路由器进行多跳远程无线传输,将终端监测数据发送给ZigBee协调器,再由监控主机对数据进行存储和处理。由于ZigBee传输距离较短,需要设置多个路由器来实现数据传输,这增加了系统部署的复杂性,使得构建系统的成本也随之增加。此外,ZigBee网络和Wi-Fi网络共享2.4GHz频段,且发射功率较小,同区域安装的Wi-Fi网络会干扰ZigBee网络通信,使其通信质量下降,导致数据包丢失和延时增大,进而影响ZigBee网络的通信性能^[7]。

3)433MHz无线通信技术,也是短距离数据传输中的一种^[8]。由于该技术并不像Wi-Fi、ZigBee等技术制定了国际标准,其通信协议可参考现有协议标准而灵活设计,组网方便快捷,在不同协议下,还能兼容其他频段的通信方式,例如基于WIA-PA协议的无线传输就能兼容IEEE 802.15.4标准,使433MHz低频段窄带通信和2.4GHz高频段扩频通信集成到同一网络中^[9]。相较Wi-Fi、ZigBee而言,工作在433MHz频段没有太多干扰,波长较2.4GHz长,绕射性能好,更适合较复杂的室内环境^[10]。朱雨生等^[11]提出了一种基于433MHz频段无线传感器网络的馆藏文物温湿度监测系统,采用433MHz无线自组网形式,将终端采集数据发送到中继、网关,最终通过Wi-Fi或以太网络接入到服务器,完成整个系统的环境监测和控制管理等功能。433MHz技术虽然在传输距离上优于ZigBee,但因博物馆处于一个障碍物多的复杂网络环境,需要增加多个中继节点来增强或放大信号使其可以传播更长的距离,这同时也增大了中间节点的传输损耗。

1.2.2 远距离通信技术

1)LoRa是一种采用线性扩频调制技术的低功耗远距离无线通信技术,主要在1GHz以下的全球免费频段运行^[12],在延长电池寿命的同时,又提高了网络利用率和抗干扰能力,显著增加了通信距离和终端节点容量,相对于无线局域网传输,在功耗和覆盖范围方面有很大优势,是一种部署成本低且相对灵活的自组网络。张辉等^[13]提出了一种基于LoRa通信的博物馆微环境无线网络系统,在LoRa系统中,终端节点将采集的数据通过上行链路汇聚到网关,网关将LoRaWAN协议数据进行处理后转发至网络服务器,实现对博物馆文物保存环境信息的实时监控和预警。然而LoRa技术在远距离传输时,增强抗干扰能力的同时也增大了数据包发送延时,数据传输速率受限^[14],在实际应用中易受到各种干扰而导致网络质量下降。

2)NB-IoT是基于现有运营商蜂窝网络的窄带物联网通信技术,只消耗约200kHz的授权频段,在同样频段下,比现有局域网提升了100倍覆盖面积,还减少了不必要的功耗,电池寿命可长达10年^[15]。NB-IoT与LoRa的不同之处,在于该技术可兼容运营商网络,不需要重新建网,网络架构简单,部署成本也随之降低,还具有海量连接和深度穿透能力。成澜^[16]提出一种基于NB-IoT技术的博物馆环境监控系统解决方案,将传感器终端采集的相关数据,通过NB-IoT无线网络传输到监控云平台进行数据存储和处理,实现对博物馆各项环境指标的实时监测与调节。由于NB-IoT主要依赖运营商进行协议对接,其调制技术比较复杂,升级现有的基站价格较高,还会受到使用频段方面的限制,网络部署灵活性不够。

1.3 网络通信技术特性

文物保存环境的各个监测点主要分布在展厅、展柜和文物库房,其应用场景处于一个障碍物多、信号干扰性强、空间相对封闭的复杂网络环境,故所选择的网络通信技术不但需要具有较强的穿透能力和抗干扰能力,还应具有传输距离远、通信性能稳定和电池使用寿命长等特点。从多角度比较几种常见网络通信技术的主要特性可知^[17-20],433MHz、LoRa和NB-IoT等3种网络技术更加符合博物馆环境监测的实际应用需求(表1)。

2 网络通信技术对比实验

2.1 实验场景

以四川博物院应用场景为例。该博物馆是一栋现代建筑,占地约88亩,展厅整体采用天井式建筑设计,分为3层,共12 000m²,拥有10个常设展厅和4个临时展厅。文物库房是位于展厅南面的全封闭式地面建筑,紧靠展厅建筑主体,分为4层,约6 500m²,其典型之处在于库房墙体为定制钢板加厚墙体。四川博物院下设的文物保护修复中心位于展厅的东南面,共3层,建筑面积超过1 600m²,其中已建成的监测系统服务器机房设置在三楼。实验场景布局如图2所示。

2.2 实验方法及内容

2.2.1 实验部署

监测系统建设的首要条件,即是确保网络通信技术能在实际应用场景中达到足够的覆盖范围。该实验在四川博物院现有监测系统(基于WIA-PA协议的433MHz无线自组网传输技术,以下简称“433MHz技术”)之上,根据LoRa和NB-IoT的主要技术特性,分别在10个展厅和4个文物库房进行相应部署以达到信号的全覆盖,其部署方式详见表2。

2.2.2 测试内容

为对比分析433MHz、LoRa和NB-IoT等3种网络技术在博物馆环境下的信号覆盖质量和网络通信性能,于展厅和库房的每个楼层选取1~2个离网关最远的监测点,平行放置相应的3种监测终端,同时测试其信号强度、丢包率和电池功耗。监测日期为2020年11月1日至11月30日,时间间隔10min。

1)信号强度(RSSI):表示接收无线信号的强弱。越大的RSSI代表越高的信号接收强度和越好的数据传输通道;相反,RSSI越小代表接收信号越弱,数据传输通道的质量越差,并且在数据传输过程中丢包率与误码率会明显增加^[21]。由于信号强度表示当前无线信号强度的瞬时值,本次实验各监测点信号强度为该监测时间段RSSI数据平均值。

2)丢包率:也称为网络传输丢包率,是指数据包丢失部分与传输数据包总数的比值。在一段时间内数据包没有按照规定准确到达接收端是数据包丢失的主要原因,因此,丢包率能反映当前网络的稳定性^[22]。丢包率过高不仅会显著降低网络通信性能,还会影响监测系统的正常工作,所以丢包率越低越好,它是反映数据传输可靠性的关键参数之一。

3)电池功耗:决定设备的工作寿命。为了延长电池待机时间,避免频繁开启展柜更换电池,就要求能准确评价终端设备在监测中的实际功耗。本次实验采用干电池或锂离子电池为监测终端供电,每天采集数据至少144组,根据每天功耗,按照电池总容量的80%作为实际容量,通过公式1计算电池寿命。

2.2.3 实验设备

1)采用433MHz技术时,使用重庆声光电智联电子有限公司的设备:多通道网关ZL5606、无线中继ZL5605、监测终端a(SWJ-T/H1-1.1,8 000mA·h干电池供电)。

2)采用LoRa技术时,同时使用2种监测设备进行测试。一是由成都西望数字技术有限公司提供的设备:无线智能网关LT-MU02-GW01、监测终端b(XYH-J-WS,9 600mA·h干电池供电);二是由西安元智系统技术有限责任公司提供的设备:多功能网关MW903EA-HN-PE、监测终端c(MW302GA-HN,2 000mA·h锂离子电池供电)。

3)采用NB-IoT技术时,使用成都西望数字技术有限公司提供的监测终端LT-MU02-TH01。

此外,信号强度、丢包率和电池功耗均通过计算机软件系统进行监测和计算。

3 结果及分析

表3是展厅、库房共12个测试点的信号强度与丢包率测试结果(其中采用LoRa技术时,同时使用2种监测设备平行测试,鉴于2种设备测试结果相近,表3中信号强度为该监测点2种设备接收信号的强度指示RSSI数据平均值)。

3.1 信号强度

无线信号在传输过程中会受到多种因素的影响,包括楼宇阻挡、墙体隔离、距离远近、其他网络的干扰等。

分析表3中数据可知,采用433MHz技术时,需要在展厅、库房共计部署9个网关和43个中继,才能实现网络信号的全覆盖,由于中间节点较多,布线相对复杂,容易发生网络通信路径衰减,从而增加相同传输任务的数据延时和数据断点,与此同时,数据传输的电池功耗也会随之增大。其中,展厅的RSSI为-94~-62dBm,库房的RSSI为-88~-53dBm,12个测试点的平均信号强度为-79dBm,能满足展厅及库房的信号覆盖要求,并且库房的平均信号强度高于展厅。

注:RSSI＞-80dBm为信号强,RSSI＜-100dBm为信号弱。

采用LoRa技术时,在展厅和库房各部署1个网关,基本可以实现对每栋建筑的信号覆盖,但部分测试点信号干扰较多,网络通信质量不佳。其中展厅的RSSI为-111~-83dBm,库房的RSSI为-123~-92dBm,12个测试点的平均信号强度为-101dBm,信号强度不高,容易出现数据丢包现象,并且在低信号强度的网络环境中,数据传输速率较小,还会消耗较高的电池电量。由于库房内定制钢板墙体和加厚金属防盗门的阻挡严重,导致信号强度快速衰减,加之部分测试点部署在全密闭文物储藏柜内,故而库房的平均信号强度明显低于展厅。

采用NB-IoT技术时,虽然各个运营商在该实验场景均有信号覆盖,本次实验选择信号覆盖较强的电信网络进行数据传输测试。结果显示,展厅及库房12个测试点中,有50%的测试点无信号,即使有信号也非常弱,难以达到监测系统所需的覆盖效果。

3.2 丢包率

博物馆展厅及库房的柜架放置密集、墙体阻挡复杂、金属材质较多,无线信号在这种特殊空间传输时,不可避免地存在通信距离缩短的情况,极易因突发的网络拥塞或其他网络干扰而降低通信质量,甚至发生严重的数据丢包现象,最终导致监测系统不能正常运行。此外,多个监测终端同时传输数据也容易造成网络吞吐量突然降低,故而丢包率还与监测终端的数量有一定关系。统计上述实验中信号强度较好的433MHz和LoRa网络传输丢包率:由于现有监测系统的433MHz网络传输,每个测试点放置有多个监测终端同时采集数据,其丢包率选取多个监测终端的最高丢包率;而采用LoRa技术时,虽然每个测试点只有1个监测终端,但每栋建筑仅部署了1个网关,实际测试过程是该栋建筑的多个监测终端,同时向同一网关上传监测数据,最后通过监测系统分析每个终端向网关上传的数据包丢失部分与计划传输数据包总数的比值,因此,本次实验中最多可达到5~7台终端设备的同时测试。如表3所示:2种网络技术在展厅各测试点均无丢包现象;但在库房内网络性能衰减明显,尤其是采用LoRa技术时,若只部署1个网关在库房一楼,那么放置在库房三、四楼的监测终端丢包率极高,最高达90%。

为进一步分析网络性能衰减的具体原因,对丢包率极高的三楼文物库房进行再次测试:把监测终端放进文物储藏柜,当文物储藏柜门和库房门处于打开状态,监测终端链路质量较好,数据上传正常;当文物储藏柜门和库房门关闭时,监测终端出现数据掉线和无法上传至网关的现象。结果表明,部署1个LoRa网关基本可以实现对展厅的信号覆盖,但库房内受金属墙体、定制防盗门和密闭柜架的多重阻隔,网络性能降低,监测数据无法有效传输,需要调整网关位置和数量、改进部署方案或改变监测系统运行参数配置,才能提高网络传输质量,降低数据包丢失率。

3.3 电池功耗

表4中分别列出了基于433MHz和LoRa技术时,不同监测终端的实际功耗情况。数据显示,采用干电池供电的2种终端设备(a和b),每天耗电量相差不大(约7.0mA·h),能连续工作2年以上,达到了长期监测的低功耗要求。其中,基于LoRa技术的监测终端b较基于433MHz技术的监测终端a,每工作一次的耗电量减少了50%,而且干电池总容量也提高了1600mA·h,在一定程度上增加了电池续航时间,但每天的总功耗并未得到优化,可见单靠提高电池容量不是延长电池寿命的最佳方式,并且也不可能无限制提高监测终端的电池容量和外观大小。

根据表4对比分析不同电池类型监测终端在工作中的功耗时发现,基于相同LoRa技术的终端设备(b和c),采用锂离子电池供电时,每天总功耗比采用干电池的更高,电池寿命大大缩短,即便锂离子电池能重复充电,然而频繁开启展柜进行电池充电或更换电板,也不符合博物馆的实际情况。因此,电池续航能力的关键在于最大限度地降低系统功耗,若能优化采样过程,在避免无谓等待和异常功耗的同时,尽量降低工作频率,那么用于数据传输的耗电量将大大降低,有利于进一步延长电池寿命。

4 结论与建议

4.1 初步结论

根据上述实验分析结果,并结合文物预防性保护在实际应用中的需求,得出以下初步结论:

1)基于433MHz技术的监测系统,需要在展厅、库房共计部署9个网关和43个中继,才能实现网络信号的全覆盖,存在系统布线复杂、建设成本较高、安装维护困难等明显弊端。

2)基于LoRa技术的监测系统,与现有的433MHz技术相比,减少了以太网络布线、本地服务器建设和43个中继部署,在降低成本投入的同时也减少了中间节点的传输损耗,但仍存在网关电源供电不稳定而导致的数据传输故障。所有测试点信号强度不高,甚至部分测试点丢包率极高,需要通过调整网关位置和数量来提高信号覆盖质量,从而优化网络应用性能,降低数据传输丢包率。

3)基于NB-IoT技术的监测系统,不但减少了以太网络布线、本地服务器建设和43个中继部署,而且无需安装网关,因此,监测系统的设备采购和安装维护成本将大大降低,但同时也会受到运营商方面的限制。所有测试点信号质量较差,难以达到监测所需的覆盖效果,需要与运营商沟通配合,通过调整基站部署位置、改变网络覆盖方向和增大无线信号强度等方式加以解决。

4.2 思考及建议

为力求减少中间环节,探索一种部署简单、信号稳定且安装维护方便的低功耗文物保存环境监测系统,从文物预防性保护的发展方向出发,提出以下建议:

1)建设成本和安装维护方面。首先,应改变现有监测系统的部署方式,将“监测终端—中继—网关—本地服务器”的部署方式,直接简化为“监测终端—云服务器平台”的方式(图3)。监测系统通过减少中间环节的部署,避免现场布线和本地服务器建设,既可降低用于环境监测的成本投入,又能让更多资金运用到环境调控之上,以达到文物保护的最终目的。其次,从用户体验角度考虑,设计一种傻瓜式操作的监测终端,无需更改信道设置等复杂流程即可使用,方便对设备进行维护和更换。

2)网络通信技术方面。可将其他领域的成熟技术运用到文物保护领域,并根据其特性实现多种技术互补共存,最终达到扬长避短的效果。例如,采用多种组网方式相融合的通信模式,在终端设备上集成类似4G、NB-IoT等可以实现远距离传输的通信技术,使监测终端直接接入运营商网络,而无需通过中继、网关转发数据,这样既能简化监测系统的部署方式,还能弥补部分区域信号覆盖较差的问题,以应对复杂多变的网络环境。由于网络通信技术处于快速发展中,随着网络通信、主控芯片、通讯模块等技术的改进,监测系统也会不断优化,因此,关于网络通信技术的应用及其技术措施将在后续研究中深入探讨。

3)电池功耗方面。应针对监测系统进行低功耗设计,监测系统的功耗主要分为:系统采样、数据传输、系统断电和系统待机等功耗。在实际使用过程中,对数据的采集和查看并不要求过快的工作频率和上传周期,若能优化采样过程,降低工作频率,并将采集到的数据自动保存后,采取几小时甚至12h以上打包上传一次的方式,即可在完成监测功能的前提下,大大降低系统功耗,有利于延长电池使用寿命(连续工作2年以上)。

参考文献