//Logo Image
作者:鄭智銘、馬鴻祥(2005-07-05);推薦:徐業良(2005-07-06)

故宮博物館環境監測系統於裱畫室建立之先導測試

PTMS架構在故宮博物館設置環境監測系統計畫,首先選擇裱畫室建立一先導測試,目的在故宮實際環境下測試PTMS監測系統的穩定性,並進一步瞭解故宮博物館在環境監測系統使用上的實際需求,作後續計畫之參考。

1.     設置地點之環境條件

故宮博物院裱畫室位於行政大樓地下一樓,平時主要是提供專業工作人員修葺、保養墨寶的場所,因此會短期存放一些文物。雖然裱畫室已裝置有恆溫恆濕的溫濕度控制與監測設備,但環境稽查人員還是必須定時到該地點巡察儀器。圖1所示為裱畫室內佈置圖,裱畫室網路環境屬內部區域實體網路且二十四小時均有電源提供,圖1中紅色圓圈處鄰近電源座與網路孔,所以監測裝置選擇擺放於此。

1. 裱畫室佈置圖

2.     軟硬體設計

2.1 硬體設計

硬體部分主要包括分散式資料伺服器和感測器兩部分,說明如下。

(1)   分散式資料伺服器(Distributed Data server, DDS)

本研究開發之DDS是以Microchip公司生產之PIC18F4620單晶片微控制器為核心,該單晶片具有64K bytes大小的程式記憶體空間,與1310bitA/D channel,搭配8019網路卡所賦予與網際網路溝通的功能、多媒體儲存卡(Multi-media card, MMC)作資料儲存、以及LCD作資料顯示,建構成為監控系統中的伺服器。

如圖2所示,本研究開發之DDS採堆疊式組裝設計,共分為三層,最底層為元智大學機械系機電整合實驗室所開發之單晶片網路伺服器PIC_SERVER,中間層為DDS之核心,最上層可因應不同的監測需求,而放置不同的客製化電路板,以及LCD顯示螢幕。

2. 堆疊式組裝設計

(2)   感測器

故宮現有的環境控制系統,維持溫度在20±2oC的範圍,濕度則因館藏品而有不同的濕度有40%55%65%的濕度要求,並維持在±3%的範圍。因此感測器的理想精確度規格溫度可能必須在±0.5oC以下,而濕度在±2%以下。以市售Hanwell監測系統為例,其溫度量測精確度在±0.5oC,濕度精確度在±2%

現階段安裝於裱畫室的溫濕度感測器分別為National Semiconductor公司的溫度感測器LM35(圖3(a),精確度±0.25oC)以及Sencera公司所生產的濕度感測器808H5V5(圖3(b),精確度±4%)。就精確度而言,LM35已可符合故宮的設計要求,但濕度感測器有待尋找可合乎要求之高精密度感測器。

3. 電壓輸出型溫度(a)與濕度(b)感測器

2.2 軟體設計

4為目前使用於故宮博物館的客製化VB介面。只要使用者輸入IP位置就可讓使用者閱讀即時資訊如溫、濕度、電池電量、MMC的狀態,或其他應用中使用的感測器資料,並可獲取DDSMMC的所有資料,計算出一天的平均溫、濕度等,程式設計員也可根據不同的應用情境而設計不同的客製介面。圖4VB介面功能詳述如下。

(1)   即時資訊

此為使用者索取所有資料所需要的第一步驟,此區塊內設計可監測四組分散於不同地點之DDS,使用者輸入IP位置,點選「即時連線」鈕後,即可與相對應IPDDS連線。連線成功後,出現「連線中」的字樣,並呈現即時的資料。

(2)   一般資訊

需先按下「即時連線」鈕並點選日期,在按下「下載資料」鈕後,就可下載該天一天資料量的資訊,並可計算該天的平均溫、濕度。

(3)   資料日期

需按下「下載資料」鈕並點選所需觀測之感測器,按下「繪圖」鈕後,就可以在VB介面上看到感測器趨勢變化狀況。

(4)   系統維護

此功能設計的目的是讓使用者不需近端的時間調整功能,也可以在遠端藉由網際網路作時間更正與重置的動作。

4. 故宮博物館溫濕度監測VB介面

3.     顧客反應及未來規劃

目前架設於裱畫室之分散式資料伺服器,可輔助故宮館藏環境的監測與管理,館方管理人員現已可隨時以內部區域網路連線至伺服器,查詢即時或歷時資料。在實際測試數週後,故宮博物館所提出之實際應用上的需求與反應整理如下。

(1)   軟體週線、月線、年線的顯示

在下載環境監測資料後,希望能增加查詢一週、一月、甚至一年之溫濕度變化趨勢圖。

(2)   溫濕度數值增加顯示位數

目前溫濕度數字均顯示至整數,希望能增加一位有效數字

(3)   濕度感測器精確度問題

目前記錄濕度數值變化劇烈,懷疑和濕度感測器精確度有關。希望提升濕度感測器精度,目前裝置於裱畫室之感測器精確度為±4%,故宮需求精確度為±2%

針對這些顧客的反應,並評估系統負荷及本身技術能力後,目前提出後續修改設計如下。

(1)   軟體週線、月線、年線的顯示

目前正變更VB介面程式,方便閱讀溫濕度週、月變化趨勢,唯年溫濕度變化趨勢涉及太多資料的下載,可能造成網路連線的問題與過多資料之運算,造成伺服器過重的負荷,因此年趨勢問題暫不考慮在內。目前也在規劃能將下載之資料轉儲存成Excel檔案,如此使用者可自行作後續之資料處理。

(2)   溫濕度數值增加顯示位數

如圖5(a)所示,S1S2…S11DDSMMC卡儲存之監測數值欄位,在本系統中原先僅使用S1S2來表示溫、濕度數值。為了增加溫濕度數值顯示位數,我們使用S11S10用來表示溫、濕度小數點下一位數字,如圖5(b)所示,程式運算時,只要S1+0.1×S11即可表示溫度、S2+0.1×S10

5(a). DDSMMC卡儲存之監測數值欄位

5(b). 使用S11S10用來表示溫、濕度小數點下一位數字

(3)   濕度感測器精確度問題

濕度讀數變化過於劇烈主要原因在於濕度解析度較小,感測器每次取樣擷取電壓數值有些微跳動時,便有數值上的差異。先前取樣頻率是每秒40次,未做平均值的計算,目前則改為每40次取樣之後作平均,讀數變化的現象已有明顯的改善。此外目前已購買高精準度之濕度感測器,希望在實驗校正後,可達到故宮之±2%精準度要求。