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系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)（以下簡(jiǎn)稱發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)）動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)兩部分組成。

發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的作用是為發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支持，由發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)硬件平臺(tái)和發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)軟件平臺(tái)兩個(gè)部分組成。發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)硬件平臺(tái)由傳感器節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)三個(gè)部分組成：布置在現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)（如大氣溫濕度、光照強(qiáng)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(nèi)的父節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)的相互中繼，將數(shù)據(jù)不斷轉(zhuǎn)發(fā)直至到達(dá)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)遠(yuǎn)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(yuǎn)程客戶終端。其中各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指示）和跳數(shù)來(lái)選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)，并以此在數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)間建立簇內(nèi)星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，中繼節(jié)點(diǎn)之間則根據(jù)RSSI值建立樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)在上電后自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，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(guān)。發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)則由中間件、數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)采集接口三個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)采集接口將接收到的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，中間件的作用則是將數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)取出，并提供給用戶和子系統(tǒng)。

發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要對(duì)發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)的內(nèi)外環(huán)境同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和氣象監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)組成。環(huán)境系統(tǒng)檢測(cè)子系統(tǒng)主要是針對(duì)文物所處環(huán)境參數(shù)，如大氣溫度、大氣相對(duì)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(jī)揮發(fā)物總量等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。氣象監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要是針對(duì)發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)所處小環(huán)境的氣象參數(shù)，如光照度、紫外線強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的在于對(duì)文物所處環(huán)境的各種參數(shù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)出土文物在第一時(shí)間的檢測(cè)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(kù)，為文物預(yù)防性保護(hù)提供技術(shù)支撐，并為文物保護(hù)措施的制訂提供科學(xué)依據(jù)。

案例研究

鳳棲原文物保存環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析鳳棲原張安世墓葬遺址屬于西漢宣帝時(shí)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(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)，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(chǎng)實(shí)際狀況及需要，目前已部署七個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)時(shí)段大約在八個(gè)月左右，監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)數(shù)據(jù)存在較大波動(dòng)（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(dòng)均不大，光照變化范圍也縮減至0-2000lx之間。結(jié)合當(dāng)時(shí)的天氣變化，3月天氣剛剛由寒轉(zhuǎn)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(dǎo)致空氣中水分蒸發(fā)較少。3月22日停止降水后，光照開(kāi)始恢復(fù)，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(fù)的較為遲緩）?？傮w來(lái)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(nèi)，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(shì)。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(shí)間82號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤溫度和含水量的變化，遺址坑內(nèi)的土壤溫度和土壤水分含量變化波動(dòng)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(jié)合氣象站的監(jiān)測(cè)結(jié)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(nèi)土壤雖然不直接受到降雨給監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)帶來(lái)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(shì)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(lái)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(shì)。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(shí)間90號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(dòng)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(cè)點(diǎn)部署圖化顯著。結(jié)合氣象站的監(jiān)測(cè)結(jié)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(lái)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(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反映了監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境變化。總體來(lái)看，大氣環(huán)境溫度在1℃到22℃范圍內(nèi)、大氣環(huán)境濕度在20%-98%范圍內(nèi)保持著穩(wěn)定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢(shì)。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(shí)間92號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(dòng)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(jié)合氣象站的監(jiān)測(cè)結(jié)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(dǎo)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(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反映了監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境變化?？傮w來(lái)看，大氣環(huán)境溫度在0℃到22.5℃范圍內(nèi)、大氣環(huán)境濕度在20%-100%范圍內(nèi)保持著穩(wěn)定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢(shì)。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）?？偨Y(jié)對(duì)比4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳感量數(shù)據(jù)變化和環(huán)境變化保持一致，并且與當(dāng)時(shí)的天氣環(huán)境較一致，說(shuō)明數(shù)據(jù)正確反映了監(jiān)測(cè)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(cè)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(jiàn)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(duì)研究明代墓葬制度、風(fēng)俗文化具有重要作用。根據(jù)發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況及需要，目前已部署十一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)部署圖如下（圖9）。說(shuō)明：100號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn):自動(dòng)氣象站--監(jiān)測(cè)外界環(huán)境。52、53、54、55號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)：大氣溫濕度傳感器--其中53號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)墓室底部到地表中間部位的環(huán)境，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)墓室中的環(huán)境。61、62、63、64、65號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)：土壤溫度、土壤水分含量傳感器--其中65號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)墓室底部到地表中間部位的環(huán)境，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)墓室中的環(huán)境。71號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)：二氧化碳傳感器--監(jiān)測(cè)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(shí)間52號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(dòng)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??；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(jié)合氣象站的監(jiān)測(cè)結(jié)果看，5月為春季末尾，氣溫總體呈緩慢上升趨勢(shì)，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(wú)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(shì)。總體來(lái)看，當(dāng)月大氣環(huán)境溫度在16℃到35℃范圍內(nèi)、大氣環(huán)境濕度在20%到98%范圍內(nèi)保持著穩(wěn)定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢(shì)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反映了監(jiān)測(cè)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(jìn)行對(duì)比）。查看這一段時(shí)間71號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)較小且均值偏低。經(jīng)調(diào)查，5月1-9日，71號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)放置于M4考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)白天有大量工作人員活動(dòng)，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(fù)至正常水平；5月9日之后，為防止因挖掘工作破壞監(jiān)測(cè)設(shè)備，工作人員將其挪至無(wú)人活動(dòng)的M5內(nèi)，并以不透氣薄膜覆蓋，給71號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備營(yíng)造出密閉的微環(huán)境，故而二氧化碳含量偏低且波動(dòng)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(duì)較小，基本保持在高濕、低溫、高濃度二氧化碳的水平。經(jīng)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(dòng)較小。結(jié)合氣象站的監(jiān)測(cè)結(jié)果看，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反映了監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境變化，并且三者保持相符的變化趨勢(shì)。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(jìn)行對(duì)比）。查看這一段時(shí)間53號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(dòng)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(duì)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(nèi)，濕度的最高值均能達(dá)到100%。結(jié)合氣象站的監(jiān)測(cè)結(jié)果看，5月為春季末尾，氣溫總體呈緩慢上升趨勢(shì)，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(wú)降水期間，氣溫呈緩慢上升趨勢(shì)。結(jié)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)位置（53號(hào)節(jié)點(diǎn)布設(shè)在墓底部和地表中間位置），且通風(fēng)不暢導(dǎo)致濕度在降雨之后的3天內(nèi)并沒(méi)有立即回落，而是逐漸降低且較其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)高。總體來(lái)看，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反映了監(jiān)測(cè)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(shí)間65號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤溫度和含水量的變化，坑內(nèi)的土壤溫度和土壤水分含量變化波動(dòng)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(fù)至平均水平。經(jīng)調(diào)查，5月1-11日監(jiān)測(cè)設(shè)備放置于墓室內(nèi)，故而受外界降雨等影響較小且緩慢，5月12日之后設(shè)備被挪至墓室外環(huán)境，由于當(dāng)日有降雨，室外濕度較大，所以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)突增?？傮w來(lái)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(shì)。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(nèi)氣象站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在較大波動(dòng)（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小；5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(jié)合當(dāng)時(shí)的天氣變化，5月為春季末尾，氣溫總體呈緩慢上升趨勢(shì)，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(wú)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(shì)?？傮w來(lái)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(shì)。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?？偨Y(jié)對(duì)比4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳感量數(shù)據(jù)變化和環(huán)境變化保持一致，并且與當(dāng)時(shí)的氣候環(huán)境較一致，說(shuō)明數(shù)據(jù)正確反映了監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境變化。

結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)目前考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境狀況，采用高集成度的傳感器節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集源，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)以及優(yōu)勢(shì)，將傳統(tǒng)文物保護(hù)與現(xiàn)代傳感器技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)向文物保護(hù)工作者提供相關(guān)的采集數(shù)據(jù)，為其研究文物發(fā)掘及文物保護(hù)技術(shù)提供了重要依據(jù)。

作者：祁浩鄧宏余珊珊?jiǎn)挝唬何鞅惫I(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院西安元智系統(tǒng)技術(shù)有限責(zé)任公司