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系統(tǒng)體系結構設計

考古發(fā)掘現(xiàn)場（以下簡稱發(fā)掘現(xiàn)場）動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由發(fā)掘現(xiàn)場動態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和發(fā)掘現(xiàn)場無線實時監(jiān)測平臺兩部分組成。

發(fā)掘現(xiàn)場無線實時監(jiān)測平臺發(fā)掘現(xiàn)場無線實時監(jiān)測平臺的作用是為發(fā)掘現(xiàn)場監(jiān)測子系統(tǒng)提供實時的數(shù)據(jù)支持，由發(fā)掘現(xiàn)場硬件平臺和發(fā)掘現(xiàn)場軟件平臺兩個部分組成。發(fā)掘現(xiàn)場無線實時監(jiān)測硬件平臺由傳感器節(jié)點、中繼節(jié)點和網(wǎng)關三個部分組成：布置在現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集節(jié)點負責采集實時環(huán)境數(shù)據(jù)（如大氣溫濕度、光照強度、降塵和有害氣體等），按照一定的路由規(guī)則將數(shù)據(jù)發(fā)送至通信范圍內的父節(jié)點，然后通過中繼節(jié)點的相互中繼，將數(shù)據(jù)不斷轉發(fā)直至到達網(wǎng)關節(jié)點。網(wǎng)關節(jié)點通過遠程通信方式，如衛(wèi)星通信、Internet、GPRS等手段，將數(shù)據(jù)傳送至遠程客戶終端。其中各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點和中繼節(jié)點根據(jù)RSSI（接收信號強度指示）和跳數(shù)來選擇合適的中繼節(jié)點作為父節(jié)點，并以此在數(shù)據(jù)采集節(jié)點和中繼節(jié)點間建立簇內星狀網(wǎng)絡拓撲結構，中繼節(jié)點之間則根據(jù)RSSI值建立樹狀網(wǎng)絡拓撲結構。每個傳感器節(jié)點和中繼節(jié)點在上電后自動加入網(wǎng)絡，并定期將采集到的數(shù)據(jù)沿最優(yōu)路由方向傳送至網(wǎng)關。發(fā)掘現(xiàn)場實時監(jiān)測軟件平臺則由中間件、數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)采集接口三個部分組成。數(shù)據(jù)采集接口將接收到的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，中間件的作用則是將數(shù)據(jù)庫中保存的監(jiān)測數(shù)據(jù)取出，并提供給用戶和子系統(tǒng)。

發(fā)掘現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由于監(jiān)測系統(tǒng)需要對發(fā)掘現(xiàn)場的內外環(huán)境同時進行監(jiān)測，因此發(fā)掘現(xiàn)場監(jiān)測子系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)和氣象監(jiān)測子系統(tǒng)組成。環(huán)境系統(tǒng)檢測子系統(tǒng)主要是針對文物所處環(huán)境參數(shù)，如大氣溫度、大氣相對濕度、土壤溫度、土壤水分含量、文物表面溫度、文物表面濕度、大氣二氧化碳濃度、有機揮發(fā)物總量等參數(shù)進行監(jiān)測。氣象監(jiān)測子系統(tǒng)主要是針對發(fā)掘現(xiàn)場所處小環(huán)境的氣象參數(shù)，如光照度、紫外線強度、風速、風向、降雨量等參數(shù)的實時監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)的目的在于對文物所處環(huán)境的各種參數(shù)進行數(shù)據(jù)挖掘整理，精確掌握文物埋藏的環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)對出土文物在第一時間的檢測分析以及文物出土環(huán)境參數(shù)的采集，建立環(huán)境參數(shù)歷史數(shù)據(jù)庫，為文物預防性保護提供技術支撐，并為文物保護措施的制訂提供科學依據(jù)。

案例研究

鳳棲原文物保存環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析鳳棲原張安世墓葬遺址屬于西漢宣帝時期的重臣、被封富平侯的大司馬將軍張安世。張安世在西漢的地位舉足輕重，其墓葬的出土文物進一步證實了這一點，出土的很多隨葬品都屬于西漢皇帝御賜物件。根據(jù)發(fā)掘現(xiàn)場實際狀況及需要，目前已部署七個監(jiān)測點，監(jiān)測時段大約在八個月左右，監(jiān)測點部署圖如下（圖4）。數(shù)據(jù)記錄及分析3月份期間，鳳棲原張安世墓葬遺址氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)存在較大波動（圖5）。其中3月19日-3月21日期間，環(huán)境溫度基本保持在4℃左右，環(huán)境濕度基本保持在100%，波動均不大，光照變化范圍也縮減至0-2000lx之間。結合當時的天氣變化，3月天氣剛剛由寒轉暖，氣候變化較頻繁，3月19日-3月21日是降雨天氣，持續(xù)陰天，光照度較低，導致空氣中水分蒸發(fā)較少。3月22日停止降水后，光照開始恢復，環(huán)境濕度逐漸下降，氣溫也逐漸回升（因水分揮發(fā)緩慢，恢復的較為遲緩）。總體來看，3月份氣象站的大氣溫度變化為0℃到23℃之間，大氣濕度在16%到75%之間，每天的照度變化最大范圍0lx到8500lx內，氣象站數(shù)據(jù)與環(huán)境數(shù)值較一致，溫度、濕度、光照度也保持合理的變化趨勢。環(huán)境變化正常，期間出現(xiàn)的特殊變化，多是天氣變化引起的。查看這一段時間82號監(jiān)測點的土壤溫度和含水量的變化，遺址坑內的土壤溫度和土壤水分含量變化波動較大（圖6），其中3月19日-3月21日土壤水分含量逐漸升高（由4.34%上升至4.65%），土壤溫度也隨之逐漸降低（由10.5℃下降至5℃）。結合氣象站的監(jiān)測結果看，3月天氣變化頻繁，3月19日-3月21日為降雨天氣，室內土壤雖然不直接受到降雨給監(jiān)測數(shù)據(jù)帶來的驟然變化，但由于受到外界土壤水分的滲透作用，土壤溫度和水分含量也隨之以相同的趨勢逐漸變化。3月22日停止降水后，土壤水分含量逐漸下降，土壤溫度也逐漸回升?？傮w來看，土壤溫度在5.2℃到13℃范圍之間、土壤含水在4.3%到4.65%范圍之間保持著較為穩(wěn)定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。期間出現(xiàn)的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數(shù)據(jù)變化）。查看這一段時間90號監(jiān)測點的大氣溫濕度變化，3月期間遺址環(huán)境的大氣溫濕度波動較大（圖7）。其中3月19日-3月21日，大氣溫度由10℃驟降至1℃，大氣濕度由41%驟升至98%，變圖4監(jiān)測點部署圖化顯著。結合氣象站的監(jiān)測結果看，3月19日-3月21日為降雨天氣，大氣溫濕度受到直接影響帶來的突然變化。3月22日停止降水后，大氣溫度逐漸回升，大氣濕度也逐漸回落，監(jiān)測點數(shù)據(jù)準確反映了監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境變化。總體來看，大氣環(huán)境溫度在1℃到22℃范圍內、大氣環(huán)境濕度在20%-98%范圍內保持著穩(wěn)定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。期間出現(xiàn)的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數(shù)據(jù)變化）。查看這一段時間92號監(jiān)測點的大氣溫濕度變化，3月期間遺址環(huán)境的大氣溫濕度波動較大（圖8）。其中3月19日-3月21日，大氣溫度由10℃驟降至0℃，大氣濕度由50%驟升至100%，變化顯著。結合氣象站的監(jiān)測結果看，3月19日-3月21日為降雨天氣，大氣溫濕度受到直接影響導致突然變化。3月22日停止降水后，大氣溫度逐漸回升，大氣濕度也逐漸回落，監(jiān)測點數(shù)據(jù)準確反映了監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境變化。總體來看，大氣環(huán)境溫度在0℃到22.5℃范圍內、大氣環(huán)境濕度在20%-100%范圍內保持著穩(wěn)定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。期間出現(xiàn)的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數(shù)據(jù)變化）。總結對比4個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)變化，監(jiān)測點的傳感量數(shù)據(jù)變化和環(huán)境變化保持一致，并且與當時的天氣環(huán)境較一致，說明數(shù)據(jù)正確反映了監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境變化。

高陵張棟家族墓文物保存環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析2011年陜西考古研究院專家在高陵縣涇河工業(yè)園發(fā)現(xiàn)一處罕見的完整明代家族墓園。據(jù)墓志記載，墓主人張棟生前為秦藩王府知印。這一發(fā)現(xiàn)對研究明代墓葬制度、風俗文化具有重要作用。根據(jù)發(fā)掘現(xiàn)場實際狀況及需要，目前已部署十一個監(jiān)測點，監(jiān)測點部署圖如下（圖9）。說明：100號監(jiān)測點:自動氣象站--監(jiān)測外界環(huán)境。52、53、54、55號監(jiān)測點：大氣溫濕度傳感器--其中53號監(jiān)測點監(jiān)測墓室底部到地表中間部位的環(huán)境，其他監(jiān)測點監(jiān)測墓室中的環(huán)境。61、62、63、64、65號監(jiān)測點：土壤溫度、土壤水分含量傳感器--其中65號監(jiān)測點監(jiān)測墓室底部到地表中間部位的環(huán)境，其他監(jiān)測點監(jiān)測墓室中的環(huán)境。71號監(jiān)測點：二氧化碳傳感器--監(jiān)測墓室中二氧化碳含量。數(shù)據(jù)記錄及圖形分析查看這一段時間52號監(jiān)測點的大氣溫濕度變化，5月期間遺址環(huán)境的大氣溫濕度波動較大（圖10）。其中5月1日-5月3日期間，濕度維持在82%-93%之間，溫度在17.5℃-22.5℃之間，基本保持在高濕、低溫的水平，晝夜溫差和濕度差較小；5月11日-5月12日溫度濕度和光照度驟變，濕度由62%升至88%，溫度由25℃降至最低17℃。結合氣象站的監(jiān)測結果看，5月為春季末尾，氣溫總體呈緩慢上升趨勢，并偶爾伴隨降雨。5月1日-5月3日、5月11日-5月12日是降雨天氣，濕度很大，氣溫較低。無降水期間，光照逐漸充裕，環(huán)境濕度逐漸下降，氣溫也逐漸回升并呈上升趨勢?？傮w來看，當月大氣環(huán)境溫度在16℃到35℃范圍內、大氣環(huán)境濕度在20%到98%范圍內保持著穩(wěn)定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。監(jiān)測點數(shù)據(jù)準確反映了監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境變化。期間出現(xiàn)的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數(shù)據(jù)進行對比）。查看這一段時間71號監(jiān)測點的二氧化碳含量變化，5月期間遺址環(huán)境的二氧化碳含量波動較大（圖11）。以5月9日為分界，5月1-9日二氧化碳含量在200-450ppm之間波動較大且均值偏高，5月9-20日二氧化碳含量在200-330ppm之間波動較小且均值偏低。經調查，5月1-9日，71號監(jiān)測點放置于M4考古發(fā)掘現(xiàn)場，現(xiàn)場白天有大量工作人員活動，白天由人體排放的二氧化碳使得空氣中二氧化碳濃度較高，夜晚則恢復至正常水平；5月9日之后，為防止因挖掘工作破壞監(jiān)測設備，工作人員將其挪至無人活動的M5內，并以不透氣薄膜覆蓋，給71號監(jiān)測設備營造出密閉的微環(huán)境，故而二氧化碳含量偏低且波動較小。其中5月1日-5月3日期間，二氧化碳含量在300-430ppm之間變化幅度相對較小，基本保持在高濕、低溫、高濃度二氧化碳的水平。經分析，因期間有降雨，空氣流通不暢，故而空氣中二氧化碳含量一直保持在較高水平且波動較小。結合氣象站的監(jiān)測結果看，監(jiān)測點數(shù)據(jù)準確反映了監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境變化，并且三者保持相符的變化趨勢。期間出現(xiàn)的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數(shù)據(jù)變化進行對比）。查看這一段時間53號監(jiān)測點的大氣溫濕度變化，5月期間遺址環(huán)境的大氣溫濕度波動較大（圖12）。其中5月1日-5月3日期間，濕度維持在60%-100%之間，溫度在16-28℃之間，基本保持在高濕、低溫的水平，晝夜溫差和濕度差相對較??；5月11日-5月12日溫度濕度和光照度驟變，濕度由62%升至100%，溫度由25℃降至最低17℃，之后的3天內，濕度的最高值均能達到100%。結合氣象站的監(jiān)測結果看，5月為春季末尾，氣溫總體呈緩慢上升趨勢，并伴隨偶爾降雨。5月1日-5月3日、5月11日-5月12日是降雨天氣，濕度很大，氣溫較低。無降水期間，氣溫呈緩慢上升趨勢。結合監(jiān)測點的布設位置（53號節(jié)點布設在墓底部和地表中間位置），且通風不暢導致濕度在降雨之后的3天內并沒有立即回落，而是逐漸降低且較其他監(jiān)測點數(shù)據(jù)高?？傮w來看，監(jiān)測點數(shù)據(jù)準確反映了監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境變化，環(huán)境變化正常。期間出現(xiàn)的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數(shù)據(jù)變化）。查看這一段時間65號監(jiān)測點的土壤溫度和含水量的變化，坑內的土壤溫度和土壤水分含量變化波動較大（圖13），5月1-11日土壤水分含量保持在20-43%之間，土壤溫度變化范圍維持在18-21℃之間；5月12日土壤水分含量由15%突升至42%，土壤溫度峰值也由29℃大幅降至23.5℃，之后逐漸恢復至平均水平。經調查，5月1-11日監(jiān)測設備放置于墓室內，故而受外界降雨等影響較小且緩慢，5月12日之后設備被挪至墓室外環(huán)境，由于當日有降雨，室外濕度較大，所以監(jiān)測數(shù)據(jù)突增?？傮w來看，土壤溫度在19.5℃到29.5℃之間、土壤含水率在15%到43%之間保持著較為穩(wěn)定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。期間出現(xiàn)的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數(shù)據(jù)變化）。5月份期間，高陵張棟家族墓遺址內氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)存在較大波動（圖14）。其中5月1日-5月3日期間，濕度維持在82-100%之間，溫度在15-23℃之間，照度在0-5000lx之間，基本保持在高濕、低溫、弱光照的水平，晝夜溫差和濕度差較?。?月11日-5月12日溫度濕度和光照度驟變，濕度由60%升至100%，溫度由22℃降至最低12℃，光照度變化范圍也縮減至0-4200lx。結合當時的天氣變化，5月為春季末尾，氣溫總體呈緩慢上升趨勢，并偶爾伴隨降雨。5月1日-5月3日、5月11日-5月12日是降雨天氣，持續(xù)陰天，光照度較低，氣溫降低。無降水期間，光照逐漸充裕，環(huán)境濕度逐漸下降，氣溫也逐漸回升并呈上升趨勢?？傮w來看，氣象站的大氣溫度在12-32.5℃之間，大氣濕度在18%-100%之間，照度變化最大范圍為0-9000lx，氣象站數(shù)據(jù)與環(huán)境數(shù)值較一致，溫度、濕度、光照度也保持合理的變化趨勢。環(huán)境變化正常，期間出現(xiàn)的特殊變化，多是天氣變化引起的。總結對比4個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)變化，監(jiān)測點的傳感量數(shù)據(jù)變化和環(huán)境變化保持一致，并且與當時的氣候環(huán)境較一致，說明數(shù)據(jù)正確反映了監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境變化。

結語

本文針對目前考古發(fā)掘現(xiàn)場的環(huán)境狀況，采用高集成度的傳感器節(jié)點作為數(shù)據(jù)采集源，利用無線傳感器網(wǎng)絡的特點以及優(yōu)勢，將傳統(tǒng)文物保護與現(xiàn)代傳感器技術相結合，設計了考古發(fā)掘現(xiàn)場動態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)向文物保護工作者提供相關的采集數(shù)據(jù)，為其研究文物發(fā)掘及文物保護技術提供了重要依據(jù)。

作者：祁浩鄧宏余珊珊單位：西北工業(yè)大學電子信息學院西安元智系統(tǒng)技術有限責任公司