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作者:張琳、楊哲彰、賴宏仁、徐業良(2009-07-02);推薦:徐業良(2009-07-07)
附註:本文發表於「博物館與文化機構科技應用研討會」,86,台北,台灣。

故宮文物借展遠距監測環境系統之建置

摘要

文物展示環境的溫濕度是預防性文物保存重要的一環,因文物展示空間的局限性與分散性,環境監測工作往往耗費人力、時間,資料零散不易分析,且無法即時針對異常狀況即時應變;特別是故宮文物外展,更難以遠距掌控其狀況。本文例舉200810月於嘉義縣表演藝術中心「探索亞洲-故宮南院首部曲」特展中,結合元智大學老人福祉科技研究中心及資策會網路多媒體研究所先進環境感測與辨識技術中心之研究團隊,針對文物展示環境研發應用無線感知網路(Wireless Sensor Network, WSN)建置溫濕度即時監測系統,提高文物所在環境的溫濕度的監測效率與資料完整性,確實掌握文物保存狀況。文中將針對兩套系統架構與設計理念、系統功能與特性,就應用層面比較其功能性。期待未來能應用簡便的監測模式,隨著故宮文物國內、外借展,做到無遠弗屆的監測。

關鍵字:無線感知網路、環境監測、文物保存

1.     緒論

國立故宮博物院肩負保存國寶之重責大任,65餘萬件文物中,材質脆弱的千年古物眾多,保存維護工作不容輕忽小覷。造成文物劣化的因子很多,如溫濕度、有害氣體、有害生物、人為疏失等,預防性保存(preventive conservation)工作即是防範文物受各種劣化因素危害,其中溫濕度直接影響文物劣化的速度;因此,維持穩定的溫濕度是預防性文物保存工作重要的一環。過去以溫濕度計/紀錄圖表(hygrothermometers/hygrothermographs)及溫濕度記錄器(data loggers)監測文物所在環境之溫濕度往往耗費人力、時間,且資料零散不易分析,一旦異常狀況發生時,往往無法即時因應,可能造成文物劣化的風險高。且故宮文物多為世界之稀寶,借展機會頻仍,一旦文物走出故宮,更難以掌握其所在環境之狀況。

有鑑於此,自2005年開始即開始研究藉由網路傳輸技術提高溫濕度監測的效能。初期與元智大學機械工程研究所合作,試用分散式資料伺服器(Distributed Data Server, DDS)監測裱畫室、電腦機房及門禁管控森嚴的文物庫房之溫濕度;是年更隨故宮文物走出故宮,實際應用於嘉義縣表演藝術中心及台中國立台灣美術館[4]2006年與資策會合作研發故宮展示環境的溫濕度無線感知系統,應用無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)試驗不同溫濕度設定範圍的感測器(sensors)精確度、具防爆玻璃之金屬陳列櫃影響無線傳輸距離及參觀人群的干擾程度。

無線感測網路包括無線通訊技術、感測節點、無線閘道器(gateway)或協調器(coordinator)以及資料中心節點上配有類比或數位感知器(analog/digital sensor)具有感知、資料蒐集、處理及無線傳輸能力,廣泛應用於工業自動化控制、工安/公安、國防軍事、環保、醫療照護、農業環境監測及家庭自動化等[1, 3, 5];過去感測通訊技術大多無共通標準,易造成整合性不高,維護不易的困擾。2003ZigBee Alliance根據IEEE 802.15.4的通訊技術標準,訂定Zigbee網路通訊標準,使得無線感知網路的應用在各領域接續出現。以ZigBee為基礎之無線感測網路節點因具有體積小、低耗電、低成本及高擴充性等特性,非常適合應用於低資料量、短距離傳輸的博物館環境監測工作。除了可以大量佈點監測溫度、濕度、照度及紫外線量等,更透過資料蒐集、處理分析後,即時對劇烈的變化發出警訊,以便管理人員做及時的反應;甚至於可以監測振動、淹水、碎裂音等,避免文物因各種意外而造成的傷害 [2, 6-10]。對於無法鑽孔佈線的密閉陳列櫃或古蹟而言,具有極大的便利性[11]。藉由選擇高效率的感測點之天線、增加感測節點以降低傳輸所需電力增加電池續電力,改變感測節點端程式設計,以降低發射功率及縮短資料傳輸時間,都可以達到省電的目的,如此將可縮小感測器的體積,大大提高文物陳列櫃的應用性[7, 8]

本文將以200810月於嘉義縣表演藝術中心「探索亞洲-故宮南院首部曲」特展為例,探討元智大學及資策會研究團隊研發應用無線感知網路(Wireless Sensor Network, WSN)建置溫濕度即時監測系統,做為未來開發無線監測系統參考。

2.     研究方法

2.1 展前規劃

「探索亞洲-故宮南院首部曲」於200810月移師嘉義縣表演藝術中心展出三個月餘。展出期間依約除非特殊狀況借展單位得會同故宮人員開啟陳列櫃,否則一旦文物佈展完成,封櫃後就不能隨意開啟;此即意謂當溫濕度感測器隨著文物佈展完成,就無法隨意取出,因此感測器的電池續航力需維持至少三個半月以上。傳輸效果也必須於封櫃前測試無誤,尤其是須事先模擬玻璃封上的狀況。而溫濕度監測最重要的前提為準確度,故設定溫濕度感測器的準確度需為±0.5與±3.0%RH或更高等級(10~40範圍)。

2.2 系統設計(A)元智大學建置之溫溼度監測系統

本監測系統硬體包含無線監測器以及分散式資料伺服器兩部分。兩裝置分別具備ZigBee無線模組,無線監測器可將溫濕度數據以無線方式傳輸至分散式資料伺服器(圖1)。

1. 元智大學研發之環境監測系統架構圖

(1)   無線監測器

無線監測器內部如圖2所示,外觀尺寸為120×70×25(mm)。監測器電路主要由溫濕度感測器、單晶片處理器、ZigBee無線模組等構成。可接受DC4.5-7.5V電源輸入。採用微型數位式溫濕度感測器(SHT75, Sensirion AG),尺寸僅3.7×3.1×13.5(mm),此感測器可同時擷取溫度與濕度,於常溫常濕狀況下具備14bit(溫度)與12bit(濕度)解析度,以及±0.3oC與±1.8%RH之量測準確度。ZigBee無線模組(XBee Series 2, Digi International)相容於IEEE 802.15.4通訊協定,使用2.4GHz ISM無線通訊頻帶,最大資料傳輸率為250kbps,並具備室內40m、室外120m之最大傳輸距離(point-to-point)。本裝置每20秒發送一次溫溼度數據至分散式資料伺服器。

2. 無線監測器內部與外觀(右下圖)

(2)   分散式資料伺服器

分散式資料伺服器(圖3)其核心主要由單晶片處理器(PIC18LF6722, Microchip)與乙太網路控制器(RTL8019AS, ReaTtek)構成。分散式資料伺服器具備感測器/外部裝置訊號擷取、訊號處理、ZigBee無線通訊、資料儲存與乙太網路通訊等五項主要功能。外部感測器或裝置可由類比或數位通道輸入,亦或透過序列式通訊(SPI, I2C, RS-232)介面與分散式資料伺服器連結;ZigBee無線通訊同樣採用XBee Series 2無線模組,作為無線感測器網路中的協同器(coordinator)。溫溼度數據的紀錄間隔時間為10分鐘,監測資料儲存於記憶卡內(MMC)。分散式資料伺服器具備實體網路位址(static IP),遠端使用者可使用電腦網頁瀏覽器(如IE)或特定應用軟體,透過網際網路存取分散式資料伺服器內的資料。

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3. 分散式資料伺服器

2.3 系統設計(B)資策會建置之溫溼度監測系統

本系統由連接溫濕度感測器之無線感測節點(sensor node)ZigBee無線感測網路與後端伺服器(Server)三個部分所組成(圖4)。

4. 資策會研發之環境感測系統架構圖

(1)   無線感測節點

無線感測節點可透過數位輸入輸出連接埠連接不同樣式的感測元件(sensor),以滿足不同的環境感測需求(圖5)。感測節點採2AAA電池供電,以達到易於佈建於陳列櫃內的需求。本次展出系統所使用的感測器為瑞士Sensirion SHT71數位式溫濕度感測器,尺寸僅3.7×3.1×13.5(mm),此感測器可同時擷取溫度與濕度,於常溫常濕狀況下具備14bit(溫度)與12bit(濕度)解析度,以及±0.4oC與±3.0%RH之量測準確度。

5. 無線感測節點外觀(左圖)及內部構造(右圖)

無線感測節點為達降低電力使用以延長使用時間的目的,設計了感測節點的休眠及動態的傳輸機制來獲取最長的電力使用;動態傳輸部分是指感測節點的運作可分為一般與異常兩種運作模式;一般運作模式,感測節點以固定頻率來擷取環境中溫濕度資料,當資料累積達一封包的最大容量時才將資料一次送出,以節省感測節點在無線收送的電力耗費;但若感測到的溫濕度超過節點中所設定之範圍值時,節點會以異常運作模式將所偵測到的溫濕度資料立即發送出去,以達到即時反應異常狀況之目的。後端伺服器也可在短時間之內反應環境的異常狀況。

(2)   ZigBee無線網路

ZigBee網路在無線環境感知系統中的功能是將感測裝置所偵測到的環境資訊透過無線方式傳遞回後端伺服器。協調器(Coordinator)與路由器(Router)ZigBee網路所定義的角色,分別負責個人區域網路(Personal Area Network, PAN)的形成與訊號中繼的工作,本系統中以相同的硬體裝置(如圖6左圖)搭配不同的韌體程式來定義這兩個不同的裝置。ZigBee協調器亦是所有感測資料的匯集處,資料匯集至協調器後,則需透過一個轉接器(Converter)將原本以無線通訊的資料轉由乙太網路回至後端伺服器上,通常我們將此協調器及轉接器的組合稱作閘道器(Gateway)。圖6右圖為本系統所使用的轉接器。ZigBee網路一旦可透過閘道器連接至乙太網路上,便代表可透過乙太網路的連接將環境中佈建於不同區域的個人區域網路串連起來以形成更廣大的無線感測網路群組,圖8即是此概念的示意圖。

6. 無線感測網路之路由器(Router)(左圖)及閘道器(Gateway)(右圖)

ZigBee網路的通訊設計,在考量提高資料抵達率的目的下,不僅在資料重送的機制上考量了減少感測節點的工作時間以達節電目的,亦在ZigBee網路通訊的機制上加上資料抵達的確保功能,以利所有感測到的環境資訊都可以順利回送至系統進行儲存與分析。另外就減輕環境變動對無線傳輸干擾的部分,由於本身ZigBee網路即具備Mesh路由的功能,故當環境變動造成傳輸困難時,網路上的Router會自動選擇最佳的路徑將資料回傳,這部分的功能對於像博物館展示區人員走動頻繁的變動環境便可展現其自動繞徑的網路彈性。

7. 多個PAN串連的ZigBee network

(3)   後端伺服器

伺服器主要功能為接收來自ZigBee網路的資料封包,並將這些原始資料進行處理後,儲存於資料庫以供後續使用。伺服器上大致可分成資料處理程式、Windows SQL Server資料庫與使用者界面三部分,伺服器內部架構如圖8所示。資料處理程式則分Message Passing ServerData Collecting Server兩個模組,分別用來處理資料的轉譯及蒐集工作,並將所得資料存入資料庫。使用者界面為一Web應用程式,主要將收集到的資料以即時或歷史資料的方式呈現於圖形化的界面上,以利使用者可透過瀏覽器由遠端登入查看。

8. 伺服器端架構

3.     研究結果

3.1 展場無線網路監測系統佈建

溫溼度監測點之設置原則係針對一些對於溫濕度變化較為敏感的文物,如金銅佛及書畫、織品等有機材質之文物為主。每一陳列櫃至少一組溫濕度感測器,平放展示之文物,感測器即置於文物陳列櫃內不影響觀瞻及易於接收之位置;立體展示之文物如織品者,則以垂直面之中點高度為佈設高度;佈置在展場者,則兼顧保全及挑高展場之溫濕度均值,故佈設高度設定為170公分,並避開展場出入口及出風口(圖9)。

9(a). 31組無線溫濕度監測器現場分布圖(藍點為元智系統,紅點為資策會系統)

9(b). 兩套溫濕度網路監測系統實地佈建圖

3.2 系統佈建與軟體介面

(1)   元智大學建置之溫濕度監測系統

該系統硬體包含一部分散式資料伺服器,以及13個無線監測器,其中4個無線監測器用以偵測環境溫濕度;其餘9個則分別置於特定展櫃內底面,用以監測展櫃內的溫濕度。由於此次該系統未及作省電設計,改以電源線經由展櫃製作時即預留之孔洞延伸至展櫃後連接交流電插座。分散式資料伺服器則安置於展場牆面內靠近網路線路的隱密處。

本監測系統可供遠端電腦透過網際網路顯示即時或歷史溫溼度資料紀錄。軟體開發分為Internet Explorer網頁瀏覽器(圖10),以及VB程式兩部分。使用者若欲瀏覽即時數據,僅需開啟網頁瀏覽器(如IE等)連結至分散式資料伺服器後,即可動態顯示目前所有監測器的即時數據,動態網頁每10秒更新即時數據;對於瀏覽歷史資料或繪圖等進階功能,使用者需要透過VB程式執行。開啟溫濕度監測系統之VB程式介面,並與分散式資料伺服器連線成功後,具備瀏覽即時監測數據、記錄資料下載(圖11)及原始記錄資料匯出(圖12)。

10. 以網頁瀏覽器連結至DDS後,動態顯示目前所有監測器的即時數據。

11. 溫濕度監測系統VB程式介面主畫面(上)及下載當日資料連續監測圖(下)

12. 原始數據表單(左圖)與匯入Excel後資料格式(右圖)

(2)   資策會建置之溫濕度監測系統

無線感測器在正常狀況下,每3分鐘偵測一次、12次為一發送批次的省電設計,僅需兩個4號電池即可維持四個月以上的續航力。由於初期於故宮院內測試所遭遇的無線傳送部分易受環境干擾(如人潮)的問題在嘉義展場較少發生,故借展期間系統的運作及資料感測部分穩定。

後端的伺服器主機包含資料庫以及以Java開發的資料收集程式及使用者界面,可於網頁上提供即時及歷史資料的檢視及分析。圖13Web即時感測資料頁面,其上可檢視各感測節點佈建位置及其即時溫濕度狀況,系統並可自動判斷目前所偵測之溫濕度是否超過所設定的範圍值,以及目前感測節點的電池電力狀態,並透過圖形化的方式呈現於網頁上。此外,對於溫濕度歷史資料之查詢,則可是以表列的方式來呈現各溫濕度感測節點每日的溫濕度變化曲線,並可透過點選來放大並查詢各感測節點更詳細的資料(圖14)。

13. 資策會建置的溫溼度監測系統之即時感測資料瀏覽介面

14. 資策會建置的溫溼度監測系統之感測資料歷史監控報表

4.     結論與討論

早期研發的DDS連結網際網路需要同等數量的IP或架設無線基地台,且需拉接電源線是使用於密閉櫃體的最大障礙;若是為特展搭建的木製櫃體或可預留孔洞或臨時鑽洞因應之;然,應用於國立故宮博物院具防爆玻璃的金屬陳列櫃而言是幾乎不可行的。又,DDS雖具有獨立IP,不需特殊作業系統即可快速連結上網,同樣具備接收感測訊號、運算處理資料、儲存網路通訊等功能;惟DDS儲存資料容量與運算管理能力比較有限,故研發以WSN之高運算性正可彌補DDS使用單晶片處理器之嵌入式系統(embedded system)資料運算與處理能力的不足。

此次借展應用元智大學與資策會研發之溫濕度網路監測系統,溫濕度感測器皆採用符合文物保存性能要求的瑞士製高準確度之數位式感測元件,且都採用ZigBee WSN技術,達成遠距監測的目的,較傳統溫濕度記錄器或有線的溫濕度監控系統更經濟實惠,並提高文物展示環境溫濕度監測的可靠性、資料傳輸效率與完整性,更能確實掌握文物保存狀況。兩系統主要差異如表1所示。

1. 元智大學與資策會研發之溫濕度網路監測系統比較

主要差異點

系統A(元智大學)

系統B(資策會)

感測元件

SHT75, Sensirion

SHT71, Sensirion

無線模組

XBee Series 2, Digi

JN5139, Jennic

電源

DC5V外部電源輸入

AAA電池*2(DC3V)

WSN topology

Mesh (auto-route)

Mesh

取樣週期

20

3分鐘(可調整)

無線資料傳輸週期

20秒(每次取樣後立即發送)

36分鐘(為達省電目的)

即時數據更新週期

<20

定時更新/異常立即更新

資料儲存位置

分散式資料伺服器(DDS)

伺服器主機電腦(Server)

應用軟體/瀏覽器

網頁瀏覽器、VB程式

網頁瀏覽器(如IE等)

在裝置設計上,元智大學之感測系統採外部供電,可將裝置性能最大化,較無傳輸距離限制、資料傳輸遺漏等問題,適合建置於展場。未來將朝向微小化及更低功耗的目標發展與改進,提高陳列櫃的使用可能性,也可運用無線感測器網路技術於相關遠距監測應用,以確實顯示文物所在環境之即時溫濕度數據、歷史監測記錄檢視等功能。而資策會之感測系統採用電池供電的小體積感測器,以符合密閉式陳列櫃之需求,並為求省電而設計降低系統時脈(clock)、延長待機時間(idle/sleep mode)、增加外部WSN router的數量,以延長資料傳送周期、縮短資料傳送時間、及降低發射功率的目的(傳輸距離)之目的。

在資料儲存、讀取及系統、資料維護上,元智大學的系統為分散式資料伺服器系統架構簡單,能即時資料收集與查詢,使用嵌入式系統,網路安全性較高;但若欲進行完整資料管理,則在client端需安裝專屬的VB程式做資料處理與分析。而資策會的無線感知系統為一近商業化的環境資料監測解決方案。無論在前端網路的功能設計上或是後端系統的資料庫搭配及使用者Web界面等,都是可立即運用在各種不同場域中達到環境感測資料蒐集目的的完整解決方案。為因應不同的感測需求,感測節點上的數位輸入輸出埠可連接各式類比/數位感測裝置來達到目的,為一具備彈性化的系統。

如此應用不同的WSN技術,針對各種借展的環境條件進行系統整合,達到遠距環境監測的目的,不僅較傳統溫濕度記錄器經濟實惠,更是一項值得信賴的選擇。未來將研發簡便的環境監測模式,隨著故宮文物國內、外借展,做到無遠弗屆的監測。

Reference

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http://www.austmus.gov.au/materials_conservation/news/environ_mon/index.htm

[11]   Wireless environmental monitoring preserving our heritage. (2007). Retrieved from the worldwide web: http://www.nvsi.com.au.