一種用于洞窟微環境調節控制系統的控制方法
【技術領域】
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[0001]本發明涉及文物保護領域，特別是洞窟保護領域。
【背景技術】
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[0002]世界著名遺產地敦煌莫高窟地處戈壁腹地，是中國乃至世界上規模最大、內涵豐富、藝術精湛、保存良好、影響最大的石窟。對敦煌莫高窟文化瑰寶的保護一直得到我國政府的高度重視。然而陰雨天氣和沙塵天氣導致洞窟微環境突變，對洞窟壁畫的保存帶來很大的影響。在陰雨天氣，外界環境空氣處于高濕度，隨著洞窟內外的空氣交換，致使窟內濕度升高，從而導致壁畫的損壞；在沙塵天氣，沙塵進入洞窟，沉降于壁畫或塑像表面，不僅從視覺上影響壁畫的美觀，而且對壁畫造成潛在的危險。此外隨著旅游業的不斷發展，大量的游客參觀使洞窟微環境改變，已經威脅到壁畫的保存。游客參觀帶來的洞窟環境改變主要集中在溫度、濕度、CO2、微生物和氣溶膠等。CO2可造成壁畫處于一個酸性環境中，對壁畫、彩塑保護造成潛在的威脅。
[0003]CFD軟件即計算流體動力學是近代流體力學，數值數學和計算機科學結合的產物。它以電子計算機為工具，應用各種離散化的數學方法，對流體力學的各類問題進行數值實驗、計算機模擬和分析研宄，以解決各種實際問題。基于CFD技術的分析方法，對洞窟微環境引入的控制手段進行分析，確保控制方式和控制量不會對文物有任何程度的損害。
[0004]采用CFD理論和現場試驗對控制技術可能帶來的風險和危害進行風險分析。在風險分析基礎上提出洞窟微環境控制方案，研發洞窟微環境控制系統。該微環境控制系統具備環境分隔、自然通風、主動抽風等功能，使洞窟微環境保持在一種穩定的、理想的狀態。
【發明內容】
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[0005]建立洞窟微環境分析模型。根據洞窟的實際尺寸，洞窟模型的長度為260cm，寬度為230cm，高度為300cm。在CFD數值模擬中，每個控制體積都由一個網格節點來代表，網格節點的生成對CFD數值模擬很重要。模擬時洞窟頂部的梯形選擇四面體網格，其它部分選擇六面體網格，每隔2.5cm進行一次分割，邊界都設置為墻面。在洞窟的甬道上部安裝一個模擬風扇，風扇兩側的壓力差為10Pa。
[0006]在主動送風和主動抽風條件下采用CFD模擬洞窟內空氣流動情況。主動送風是指向洞窟內送入干燥、潔凈的空氣，主動抽風是指通過抽風風扇抽走洞窟內的濕度比較大的空氣，洞窟內形成負壓，外界空氣的壓力大于洞窟內的空氣壓力。外界干燥空氣在壓差的作用下進入洞窟。模擬結果表明，洞窟墻壁表面最大風速，主動抽風比主動送風要小。從保護壁畫的角度，模擬結果表明主動抽風優于主動送風。
[0007]洞窟微環境控制系統包括分隔門、無線傳感器、無線傳輸網絡等模塊。無線傳感器采集的溫度、濕度及二氧化碳濃度等環境信息通過多功能無線網關發送給安裝在分隔門上的DSP主控制器，主控制器根據洞窟內的微環境數據變化做出反應，控制分隔門上的百葉以及抽風風扇的動作，形成一個閉環控制系統。從而保證洞窟內的溫度、濕度相對恒定以及降低二氧化碳濃度。
[0008]分隔門包括主控制器⑴、抽風風扇(2)、無線多功能網關(3)、紗簾⑷、百葉(5)。自然通風狀態下，通過調整百葉(5)的旋轉角度，控制進入洞窟的風量和風速。在雨雪、大風等惡劣天氣條件下，百葉自動關閉；紗簾(4)主要起到防蟲功能。當通過自然通風不能調整洞窟內的微環境時，可以經過主動抽風的方式，向洞窟內送入干燥的空氣，對洞窟微環境的濕度和二氧化碳濃度進行主動干預和調節。
[0009]主控制器包含一個TMS320F28335DSP芯片和其它外圍的元器件，與百葉、抽風風扇、無線多功能網關等模塊相連，構成了分隔門的核心器件。
【附圖說明】
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[0010]圖1CFD模擬過程流程圖
[0011]圖2洞窟微環境控制系統的結構示意圖
[0012]圖3分隔門外形圖
[0013]圖4洞窟微環境控制流程圖
【具體實施方式】
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[0014]無線監測傳感器采集洞窟內的溫度、濕度及二氧化碳信息，傳送給無線多功能網關。無線多功能網關把微環境信息傳給門控制器的F5通信模塊。F5通信模塊為射頻-串口透明傳輸模塊，當射頻端有數據接收時，將按一定的協議通過串口轉發給門控制器。
[0015]無線多功能網關把環境監測站監測的環境溫度、濕度等信息傳給門控制器。
[0016]洞窟內的相對濕度上限為60 %，當相對濕度超過60 %，并且洞窟外的環境濕度低于60%時，分隔門的百葉將打開，通過自然通風的形式使洞窟內外的空氣進行交換。
[0017]當洞窟內的相對濕度遠遠超過60 %時，借助自然通風不能調整洞窟內濕度的情況下，開啟風扇抽風，使洞窟內產生一定的負壓。
[0018]開啟百葉，由于洞窟內外的壓力差，外界的干空氣送入洞窟內，通過氣體擴散逐漸進行氣體交換。
[0019]關閉百葉，打開抽風風扇。抽風一定時間后停止抽風，開啟百葉，再進行空氣交換，循環往復，直到洞窟內的濕度低于60%。
[0020]當洞窟內的二氧化碳的濃度超過1500ppm，開啟抽風風扇，同時打開百葉，進行氣體交換，直到窟內的二氧化碳的濃度低于1500ppm。
[0021]當出現大風或降雨等惡劣天氣時，監控中心通過無線傳輸網絡下達百葉關閉和抽風風扇停止轉動的命令到無線多功能網關，網關再轉發給F5通信模塊給門控制器執行命令。同時門控制器把百葉和抽風風扇的狀態信息發送給監控中心。
[0022]以上是對本發明的軟硬件較佳實施進行了具體說明，但本發明創造并不限于所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發明精神的前提下還可以做出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或者替換均包含在本申請權利要求所限的范圍內。
【主權項】
1.一種用于洞窟微環境控制系統的控制方法，其特征在于該控制方法基于CFD數值模擬，其中CFD數值模擬包括以下步驟:建立洞窟微環境分析模型，根據洞窟的實際尺寸，洞窟模型的長度為260cm，寬度為230cm，高度為300cm ； 在CFD模擬中，每個控制體積都由一個網格節點來代表；模擬時洞窟頂部的梯形選擇四面體網格，其它部分選擇六面體網格，每隔2.5cm進行一次分割，邊界都設置為墻面； 在洞窟的甬道上部安裝一個模擬風扇，風扇兩側的壓力差為1Pa ; 在主動送風和主動抽風條件下采用CFD模擬洞窟內空氣流動情況，進而對洞窟中的空氣流動情況進行控制。
2.根據權利要求1所述的控制方法，其特征在于所述控制系統包括分隔門、無線傳感器、無線傳輸網絡。
3.根據權利要求2所述的控制方法，其中所述無線傳輸網絡由無線監測傳感器、無線多功能網關、環境監測路由器、F5通信模塊組成；無線環境監測傳感器是微環境控制系統的狀態反饋單元，用于實時將微環境信息發送給主控制器，在主控制器內計算得到控制量，驅動百葉向目標位置轉動，其中所述微環境信息包括溫度、濕度及二氧化碳含量。
4.根據權利要求2所述的控制方法，其中所述分隔門包括主控制器、紗簾、百葉、抽風風扇、無線多功能網關，通過調整百葉的旋轉角度，控制進入洞窟的風量和風速；在雨雪、大風惡劣天氣條件下，百葉自動關閉；紗簾主要起到防蟲功能；當通過自然通風不能調整洞窟內的微環境時，可以經過主動抽風的方式，向洞窟內送入干燥的空氣，對洞窟微環境的濕度和二氧化碳濃度進行主動干預和調節。
5.根據權利要求4所述的控制方法，其中所述主控制器包括一個TMS320F28335DSP芯片和其它外圍的元器件，與百葉、抽風風扇、無線多功能網關相連。
【專利摘要】一種用于洞窟微環境調節控制系統的控制方法。該控制方法基于CFD分析，對洞窟微環境引入的主動送風以及主動抽風的控制手段進行分析，分析結果發現，洞窟墻壁表面的最大風速，主動抽風比主動送風小。從保護壁畫的角度，主動抽風優于主動送風。在風險分析基礎上提出洞窟微環境控制方案。該微環境控制系統由分隔門、無線傳感器、多功能網關等模塊組成，具備環境分隔、自然通風、主動抽風等功能。分隔門主要由主控制器(1)、抽風風扇(2)、多功能網關(3)、紗簾(4)、百葉(5)組成。在自然通風狀態下，通過調整分隔門上百葉的旋轉角度，控制進入洞窟的風量和風速。當自然通風不能調整洞窟的微環境的時候，采用主動抽風的方式，向洞窟內送入干燥空氣，使洞窟微環境的濕度、CO2含量保持在一種穩定的、理想的狀態。
【IPC分類】F24F11-00, F24F13-10
【公開號】CN104676831
【申請號】CN201410820353
【發明人】張春庭, 王麟琨, 趙艷嶺, 劉敏
【申請人】機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2014年12月24日