无线传感器网络在考古发掘现场动态环境监测的应用研究

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1、无线传感器网络在考古发掘现场动态环境监测的应用研究老苗汤http://cc.jiaju.sina.com.cn/news/2013-01-06/13573310591.htmlkxgdy　　内容摘要：结合考古发掘现场动态环境监测需求及应用研究背景，提出了基于无线传感器网络的考古发掘现场动态环境监测系统的设计方案，并详细叙述了各个模块的组成结构和功能特点，收集到的数据不仅能够为研究文物最佳保存环境提供支持，也能够对遗址类文物的加固提供基础数据。目前系统已经在凤栖原遗址和高陵张栋家族墓考古发掘现场等项目中应用，收到了良好的效果。　　关

2、键词：无线传感器网络；考古发掘现场；环境监测　　　　引言　　我国是文化遗产大国，地下文物数量巨大，分布广泛，埋藏环境复杂，文物保存环境差异明显，保护难度大。尽管近30年来随着我国经济的不断发展，科技水平有了很大的提高，但是文物发掘保护手段的发展依然滞后于社会经济发展和学科需求[1]。　　文物经过处于地下一段时间后，埋藏环境渐趋于稳定，文物也处于相对的动态平衡之中。随着考古发掘工作的进行，文物已形成的固有平衡被破坏，所处环境的温湿度、光辐射、氧气等因素突变，极易导致文物的毁坏，加之出土后文物所处环境条件的反复波动，加快了破坏反应的进

3、程。同时文物内部也存在肉眼看不见的细微变化，缓慢地影响着文物的保存状况，如遗址土壤内部的温湿度、含水率等。全面而准确地了解文物实时变化，有利于对文物实施精确的保护措施。除此之外，大型不可移动文物，如壁画等，在发掘及存放过程中也会出现空鼓、起甲等现象，而这类病害的发展过程缓慢，无法使用人工进行长时间连续监测。全面了解文物存放环境的长期变化状态也有助于采取相应的调控措施，将文物的损害发展过程延长至极限。因此对考古发掘现场动态环境进行实时监测，以制订相应的出土文物保护策略是考古发掘的重要工作之一。通过环境监测精确掌握文物埋藏环境参数，为

4、后期文物保护环境的控制提供最佳保存环境的参数依据。　　目前考古发掘现场缺乏实时性强的在线监测系统。如果使用有线方式将多个传感器连接起来，通过有线网络将数据传送至终端进行环境状态监测，则布线工作复杂、工作量大。尤其当发掘工作深入开展，场地发生变化时，需要重新部署网络，人力物力投入量大，很大程度上增加了考古发掘现场文物保护的难度和成本。　　相比有线网络，无线传感器网络[2，3]能够避免有线网络的上述缺点，且传感器节点具有价格低廉、部署方便、实时性好、集成化程度高、具有自组织等特性。而且根据传感器种类的不同还能够针对考古发掘现场的各类参

5、数进行实时监测。通常使用的传感器除针对温度、湿度、光照、降尘和有害气体进行实时监测的温湿度、光照紫外线及二氧化碳、二氧化硫传感器，还有实时监测土遗址裂隙发展状况的裂隙监测传感器、倾角传感器等（图1）。　　通过对考古发掘现场综合环境动态监测并建立相应的参数数据库，不仅能够从大量的数据中揭示其变化规律，为后期文物保护环境的控制提供最佳保存环境的参数依据，能够对发掘现场环境进行实时监控，还可为遗址类文物的保护加固提供基础数据，必要时能够起到及时的预警作用。通过对实时数据库的综合采集、挖掘和分析估计，最终实现对考古发掘现场的有效控制，达到

6、提高效率、降低成本、减少损害、节省资源的目的。　　一无线传感器节点结构设计　　1.1节点硬件结构设计　　如图2所示，无线传感器节点的硬件设计采用模块化设计思想，支持多种不同总线传感器的分立式结构，不仅可方便支持多种不同总线传感器，更可避免传统的一体化设计中传感器驱动电路在传感节点睡眠状态下的漏电流问题，从而降低了睡眠状态下的功耗，大大延长了无线传感网络中传感节点的寿命。节点主要由三个模块构成：电源模块、传感器模块、处理及传输模块。　　电源模块采用2块3.6V的锂电池供电。　　传感器模块采用多种类型传感器，如温湿度传感器、土壤温度传

7、感器、土壤含水量传感器、二氧化碳传感器、光照传感器等。以温湿度传感器为例，节点采用数字温湿度传感器SHT15[4]通过无线网络对监测区域内温度和湿度进行数据采集，具有极高的安全性、可靠性和稳定性。与同系列的温湿度传感器SHT11相比，SHT15具有更优越的性能，其供电电压为2.4-5.5V，测湿精确度为±2.0%RH，在温度为25℃时测量精度为±0.3℃，封装形式采用了SMD（LCC）贴片封装。　　处理及传输模块由TI公司的CC430F5137单片机[5]组成，用于处理及传输传感器采集到的数据。CC430F517是TI公司MSP4

8、30F5xx系列的MCU与低功耗RF收发器相结合的产品，可以实现极低电池供电的无线网络应用，具有很强的稳定性和可靠性。CC430F5137为16位超低功耗MCU，具有16KB闪存、AES-128位加密、2KBRAM和CC1101射频收发器，其工作电