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博物馆温湿度无线监控系统的研究与应用

时间:2010-8-11 19:28:26
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刘树林

    博物馆收藏的一切文物都是由不同材料构成的,而文物的自然损坏,其实就是构成文物的材料受到环境有害因素的影响出现的劣化变质。在影响藏品保存的各种环境因素中,最基本并经常起作用的因素是空气的温度和湿度。温度对于文物的影响主要体现在环境温差较大时的热胀冷缩。当温度与环境中的湿度、光、氧、虫、霉等环境因素共同作用时,对文物的损坏往往起到加速和催化的作用。在一定温度值内,温度每升高10度,反应速度加快1-3倍。同样湿度过高过低,也会对有机质文物造成严重损坏。所以,适宜的温湿度、洁净的环境是文物保护的必要条件。

    长期以来,尽管全国的博物馆工作者为保护文物做了大量工作,但文物入馆收藏后受损的情况仍然非常普遍,这种现象与博物馆的收藏环境不宜密切相关。及时了解和掌握文物所处环境的变化,防止文物劣化变质,关键在于采用何种手段进行温湿度的检测,使不适宜的环境尽快得到改善。本文在对国内外温湿度监控研究状况调研基础上,分析了传统温湿度环境监控技术的局限性,研发了博物馆温湿度无线监控系统,并对该系统在首都博物馆的具体应用进行了总结。

    一、国内外温湿度监控研究状况

    (一)国内研究发展状况

    博物馆内温湿度环境的传统监测手段,基本以人工巡检为主。也有采用数字式传感器对温湿度检测,并利用无线通讯的方式进行信号传输和信息管理。文物所处展柜内的小环境中,湿度控制主要采用被动的调湿剂调控方式。但此种方法存在控制精度低、湿度设定值调整范围窄、稳定性差、有效作用的持续时间短、对外界环境的干扰响应速度慢等博物馆温湿度无线监控系统的研究与应用刘树林缺点,而且更换调湿剂必须手动操作,无法和传感器等手段进行联动。这种调控方式不仅大大降低了时效性,增加了劳动强度及维护成本,也无法进一步实施对于小环境的控制,即检测后无法对所出现的问题进行及时的调整。因此,将数字式的监测手段、无线联网的通讯方式和电子式的控制方法完整结合,形成一种无线联网展柜湿度监控系统,实属国内空白。

    目前,国内专门研究温湿度监控系统的成果未曾见到,针对博物馆文物温湿度监测技术的相关报道中有以下内容:

    1、研究了文物保存湿度指标的确定方法和展柜的温湿度控制技术,提出了温湿度独立控制的技术方案。①

    2、对文物保存展柜微环境控制技术进行了试验研究。②

    3、设计了恒温恒湿一体机文物柜,未涉及文物保管和陈列用温湿度无线联网远程监控系统的开发。③

    4、研究的环境温湿度监测系统,可用于档案、库房和文物保存环境。④

    5、采用以太网总线实行分散监控,集中管理的方式,集温湿度数据采集、温湿度控制、数据库自动更新于一体,实现温湿度的测量监视控制以及数据的自动保存。⑤

    6、研究了由上位机、下位机和传感器三大部分组成的档案资料库温湿度控制系统。与本项目采用国际通用的无线数传频段构成的无线网络不同。⑥

    7、研究了无线传输温湿度监测系统和室内空气质量监控仪,侧重于检测,不具备网络监控功能。⑦

    8、设计一种室内空气质量监控仪,由传感器、变送器、多路智能监控仪、无线遥控发射与接收模块、机箱和电源转换插座盒所构成。⑧

    (二)国外研究发展状况

    国外博物馆温湿度环境主要是由中央空调控制,从上世纪80年代开始关注展柜内小环境的湿度控制。由于文物展柜大多制作优良,具备良好的密闭性,因此普遍采用文物专用的调湿剂使柜内湿度恒定。但采用调湿剂控制湿度,其发挥作用是一个缓慢的过程,要求展柜具有极高的气密性,因此国内生产的大多数展柜无法满足这种应用方式的要求。与此同时,采用药剂控湿,很难达到精确的控制,其使用寿命及控制效果受到众多外界因素的影响。其优点是初期投资较低,但使用效果随寿命而衰减,需要定期更换,因此维护的费用较大。其次,也有针对展柜的电子式恒湿机的使用和无线监测设备。如:东京国立博物馆2002年开始采用无线感应系统,所采用的系统也是无线搭配有线的系统。英国维多利亚与爱伯特博物馆2004年开始使用无线感测系统。但其还处于监测数据的收集和就地控制的状态,无法组成便捷的通讯网络,更无法实现集中的管理和控制。

    以上资料显示,国内外文献中未见采用无线网络技术研制的博物馆文物保管和陈列用温湿度远程监控系统的报道和具体应用。

    二、常用温湿度控制方法和传统温湿度检测手段的局限性

    目前,国内外博物馆调节控制环境温湿度措施包括:装备集中式中央空调系统;局部空间使用恒温恒湿机、空调器、去湿机、加湿机和使用调湿材料等。被调节控制的温湿度环境是否达到文物保存环境的标准,需用温湿度测量仪表测定。通常使用的温湿度测量仪表有:液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计、毛发湿度计、自动记录温湿度计、微电子温湿度记录器等。温湿度测量仪表分布在文物展厅中的每个展柜中,采集温湿度监测数据的传统手段是人工巡检记录,然后进行汇总,记录存档。首都博物馆新馆开馆以后,环境监测仍然采用传统的人工巡检手抄记录方法。由于展厅数量多、面积大,工作人员完整巡检一遍需要走5公里左右。因此,利用人工抄表的方式,每日记录温湿度的次数极为有限,而且在夜间也无法巡查记录。更为重要的是,对于博物馆的“心脏”——文物库房,由于严格的人员出入管理制度,使得日常的人工抄表巡检无法进行,成为温湿度监控的盲区。一旦中央空调出现问题,需要经过很长时间才能被文物保护中心察觉到,因此存在极大的隐患。这就要求我们采用更加便捷的方法,获取更加详细的信息,适应现代化文物保护工作的需要。解决这一问题的关键首先就是使用何种手段进行温湿度的检测、记录及分析和控制文物所处的温湿度环境,确保文物始终处于一种相对的稳定环境中。

    三、适应博物馆现状的温湿度检测新手段

    为了提高首都博物馆的文物保护科技水平,实现对文物的有效保护,急需一种现代化的检测手段来满足博物馆环境的特殊需求。2006年,我们与河南郑州枫华实业有限公司开始联合研发博物馆专用的无线温湿度检测系统。本系统采用无线通讯方式,通过放置在各个陈列柜、展厅及文物库中的采集节点构成无线通讯网络,集中监控。该无线网络工作在433MHZ2.4GHZ等国际通用的数据传输频段,其通讯距离可覆盖整座建筑物。每个无线采集节点可采集多种空气环境信息,中央监控系统可实时动态显示各个采集点的位置信息及该点的空气状态信息,当某个空气环境指标超出限制值时,系统自动发出报警信息,并对历史报警信息进行存储;专业人员可浏览2-3年内由各节点采集来的所有空气状态数据;可通过该无线网络遥控博物馆内恒温恒湿机电设备等。该系统具有如下特点:

    1、采用无线通讯方式,无需繁杂的人工布线,项目实施简单快捷。可用于采集展柜、展厅及库房内温湿度信号。(见图1)


图1 无线温湿度传感器网络示意图

    2、通过放置在各个陈列柜、展厅及储藏库中的采集节点构成无线通讯网络,其通讯距离可覆盖整座建筑物。

    3、每个无线采集节点体积小巧,可放置于展柜内角落处,隐蔽性好。

    4、信号采集节点采用低功耗电路结构,电池供电,全天候工作,普通电池可使用2到5年,无需维护。

    5、每个节点所采集的空气环境信息会被实时记录在中央监控系统数据库中。该中央监控系统的主要功能包括:

    a、动态显示功能:在监控屏幕中可显示各个采集点的位置信息及该点的实时空气状态信息。

    b、报警功能:当某个空气环境指标超出限制值时,系统自动发出报警信息,并对历史报警信息进行长时间的存储,以便日后分析。

    c、趋势记录功能:可浏览2-3年内由各节点采集而来的所有空气状态数据,并作出趋势分析,专业人员可以此为依据,对现有的空调系统做出改进。

    d、报表打印功能:可通过系统自带的打印机,将所关心的数据以报表形式打印出来。其中包括报警纪录、趋势记录等。

    该系统成功应用在2008年7月份为迎接奥运会而举办的“北京文物精品展”和“长江文明展”中,随后又在文物库房的温湿度检测中使用。(见图2)经过一年多的实际应用,该系统性能稳定,操作简便,符合博物馆环境控制的检测需求。

    四、传统湿度控制手段的局限性

    当湿度的检测、记录及分析手段完善后,对于现有湿度环境的改善及控制便成为更加突出的问题。现实中有时会遇见这样的尴尬,当无线湿度检测系统探知异常并发出实时报警后,管理人员束手无策,一筹莫展。因为传统的环境湿度控制手段是采用中央空调,但由于初期设计缺陷,极易出现夏季除湿能力不足,冬季加湿效果不够的状况。更为重要的是,对于同一展厅,中央空调只能统一设定湿度,因此,差异化的湿度需求无法得到满足。例如,在同一展厅中,青铜器需要湿度低于40%RH的尽可能干燥的环境,而书画和纺织品文物则需要将湿度控制在55%RH左右,这些特殊的要求仅靠大环境控制是无法满足的。可见,中央空调对于文物湿度的控制受到诸多因素的局限,无法达到理想的状态。

    五、适应博物馆无线湿度控制新手段

    为了弥补中央空调的局限性,新的手段必须满足如下要求:首先,设备体积小巧,能安装于展柜内部,为不同的展柜提供独立的湿度控制;其次,该设备应同时具备加湿与除湿功能,以满足全年各种气候的变化;另外,该设备必须能够稳定而且高精度的持续运行;与此同时,当设备台数较多时,应具备集中监控的功能,便于管理。

    利用陈列柜将文物有效的隔绝在一个单独小环境内,再对这个小环境实施精确的控制。通过在密闭的展柜内形成独立的、可循环的气流组织,控制湿度。采用半导体制冷的原理,将经过充分加湿的空气进行减湿处理,以精确控制柜体内的湿度值,兼具加湿与除湿的功能,低噪音,体积小巧,控制精确。采用电子式恒湿机,能够通过调节空气的循环量来克服展柜的泄露,各种展柜经改造便能实施控制,因此更能适应国内展柜的现状。电子式恒湿机内置各种智能控制程序,能够针对外界各种影响迅速、自动的做出调整,因此其控制效果更精确、更稳定,人为干预的因素较少。

    与中央空调相比,小环境控制显得更为有效:其特点是:(1)每个展柜内的控制目标都可以是不同的,能够满足不同种类文物对于湿度的差异化需求;(2)由于在较小的空间内实施控制,精度要大大提高,能够达到±1.5%;(3)小环境控制柔性较高,不仅噪音低,而且体积小巧,能与展陈有机的融为一体。


图2 无线温湿度检测系统在“北京文物精品展”的应用

    当展柜湿度控制设备分布较分散且数量较多时,集中监控能极大方便使用者的管理。与此同时为了展厅内有可能不断变化的展陈布局,灵活的无线通讯方式能更好的满足博物馆的需求。

    2008年底,我馆文物保护修复中心与郑州枫华实业有限公司着手联合开发展柜专用的无线湿度控制系统,该系统特点如下:

    1、主机体积小,可以安装在展柜的底部。

    2、根据不同种类的文物,湿度设定值从30%RH到70%RH可调。

    3、可通过无线网络进行远程控制,集中管理。(见图3)

    4、湿度准确控制在设定值的±1.5%范围内。

    5、每台恒湿机的运行状态会被实时记录在中央监控系统数据库中。该中央监控系统的主要功能包括动态显示功能、报警功能、趋势记录功能、报表打印功能。

    2009年初我们将该套控制系统运用在书法绘画展厅和建国60周年“千古探密—考古与发现”展览中。经过一年多的使用,运行稳定,效果显著,并逐步在各个展厅中配置该设备,为博物馆承办多项重要展览保驾护航。

    六、结语

    历经两年多的探索与实践,我们研制了博物馆温湿度无线监控系统,该系统的关键技术获得了多项专利和科技成果奖。该系统在首都博物馆的应用,逐步建立并完善了博物馆无线温湿度监测和湿度控制系统。在这套系统的基础上,实现了对文物保存环境温湿度的监测与控制,满足了不同种类文物对保存和展陈环境的需求,从而实现了对文物的有效保护。研究和应用结果表明,该系统具有广阔的推广应用空间。


图3 展柜无线湿度控制系统网络结构图

    ①侯华波:《文物保存湿度指示的确定方法及展柜温湿度控制技术研究》,“中南大学2007年硕士论文”,65页。

    ②孙翠莲:《文物保存展柜微环境控制技术实验研究》,北京工业大学,“2005年硕士论文”,72页。

    ③刘旭:《恒温恒湿一体机文物柜CN2885029》,“专利论文”2007年4月4日。

    ④蔡利民:《基于Web的档案库房温湿度监测系统的实现》,《江汉大学学报:自然科学版》2007年第35卷第1期,71—73页。

    ⑤方桂娟、饶连周:《基于以太网的温湿度监控系统的设计》,《武汉工业学院学报》2006年第25卷第3期,64—67页。

    ⑥张新华、魏佩敏:《档案资料库温湿度控制系统》,《工业仪表与自动化装置》2002年第1期,36—38页。

    ⑦《全数字式无线传输温湿度监测系统》,中国科学技术大学科技实业总公司。

    ⑧任纯泽:《室内空气质量监控仪》,“专利论文”2005年10月5日。

 (作者为首都博物馆文物保护修复中心副研究馆员)

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