基于GSM和光纖光柵傳感器的危險(xiǎn)環(huán)境狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)研究

史振江　 李志全

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院1）　 河北石家莊　050041　 燕山大學(xué)2）　 河北秦皇島　066004)

基于GSM和光纖光柵傳感器的危險(xiǎn)環(huán)境狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)研究

史振江1）李志全2）

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院1）河北石家莊050041 燕山大學(xué)2）河北秦皇島066004)

針對危險(xiǎn)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測的特殊性問題，提出利用光纖光柵傳感器對環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，利用光纖F-P濾波器完成光纖光柵反射波信號解調(diào)，利用單片機(jī)控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸。利用VB開發(fā)了上位機(jī)圖形界面，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測溫度、構(gòu)建數(shù)據(jù)檔案、智能分析處理等功能。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)可以對環(huán)境溫度進(jìn)行及時(shí)預(yù)警進(jìn)而在一定程度上避免危險(xiǎn)發(fā)生。

光纖光柵 信號解調(diào) 無線傳輸 狀態(tài)監(jiān)測 F-P濾波器

近年來，隨著工業(yè)化和市場經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，由于安全監(jiān)測技術(shù)落后，危險(xiǎn)品的倉儲運(yùn)輸以及危險(xiǎn)環(huán)境中的工業(yè)生產(chǎn)時(shí)有重大安全事故發(fā)生[1-2]。利用傳統(tǒng)的電類傳感器進(jìn)行安全狀態(tài)監(jiān)測，在安全性和耐腐蝕性方面很難滿足現(xiàn)場監(jiān)測的需求。

光纖光柵傳感器由于結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化、易于集成和埋覆測量，對傳感信息采用本征性波長編碼，免受電磁噪聲和光強(qiáng)波動的干擾，并且便于利用復(fù)用（波分、時(shí)分、空分）技術(shù)實(shí)現(xiàn)對多種傳感量[3]（應(yīng)力、溫度、強(qiáng)磁場等）的分布式多點(diǎn)測量，在民用工程、航空、船舶、電力和石油等領(lǐng)域的安全監(jiān)測方面有著廣闊的應(yīng)用前景，已成為危險(xiǎn)環(huán)境下微弱信號檢測的重要研究方向。

全球移動通信系統(tǒng)（GSM）是我國覆蓋面最廣的一種數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)。基于GSM的短信息服務(wù)，是一種在移動網(wǎng)絡(luò)上傳送簡短信息的無線應(yīng)用，是一種信息在移動網(wǎng)絡(luò)上儲存和轉(zhuǎn)寄的過程，具有成本低廉、覆蓋范圍廣、可靠性高、系統(tǒng)架構(gòu)靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用[4-8]。

本文利用光纖光柵傳感器對危險(xiǎn)環(huán)境的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過GSM模塊將溫度數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送到遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與顯示。

1　光纖光柵傳感器測溫原理

光纖光柵測量溫度就是從被溫度調(diào)制的光波中提取外界溫度數(shù)據(jù)。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過FBG時(shí),由模式耦合理論可知，只有波長滿足Bragg條件

的光波才能被FBG反射回來，其余波長的光被透射。其中，λB是FBG中心反射波長；neff為纖芯有效折射率；Λ為光柵柵距。當(dāng)外界的溫度發(fā)生變化時(shí)，由（1）式的微分可得知Bragg波長的變化量為

從而實(shí)現(xiàn)了溫度對反射信號光的波長編碼調(diào)制。因此，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測Bragg中心反射波長變化量ΔλB，再根據(jù)Δneff、ΔΛ與溫度之間的線性關(guān)系即可獲得溫度的變化，這個(gè)過程也稱為光纖光柵解調(diào)技術(shù)。光纖光柵解調(diào)方法有很多，如邊緣濾波法[9]、匹配光柵濾波法[10]、可調(diào)光纖F-P濾波器[11]、非平衡M-Z光纖干涉儀解調(diào)[12]等。光纖光柵解調(diào)關(guān)鍵就是要有效地測量其Bragg波長變化量ΔλB。然而直接測量ΔλB很不方便，人們往往將其轉(zhuǎn)換為其它參數(shù)進(jìn)行檢測再作逆推計(jì)算間接得到ΔλB。

本文設(shè)計(jì)的解調(diào)系統(tǒng)利用光纖F-P濾波器透射波長與施加于自身鋸齒波電壓之間的對應(yīng)關(guān)系，通過檢測鋸齒波電壓間接計(jì)算出光纖光柵的反射波長變化量，從而實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感信號的解調(diào)。本文利用單片機(jī)和可調(diào)光纖F-P濾波器設(shè)計(jì)了光纖光柵的解調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2　GSM模塊收發(fā)短信消息的控制示意圖

光源所發(fā)出的光耦合到傳感光柵中，傳感光柵將符合布拉格波長的光反射到可調(diào)光纖F-P濾波器中，單片機(jī)控制16位加法計(jì)數(shù)器給D/A轉(zhuǎn)換電路提供數(shù)字量使其輸出鋸齒波，利用鋸齒波的電壓變化調(diào)節(jié)粘貼在光纖F-P濾波器上面的壓電陶瓷（逆壓電效應(yīng)）的長度，即間接調(diào)節(jié)光纖F-P腔的腔長，進(jìn)而使不同中心波長值的光信號通過光纖F-P濾波器時(shí)出現(xiàn)最大透射光強(qiáng)，這就是光纖F-P濾波器的濾波特性，利用光纖F-P濾波器的濾波特性對傳感光柵的反射光進(jìn)行窄帶掃瞄濾波，在每個(gè)掃瞄周期內(nèi)都會得到被待測量調(diào)制的傳感光柵的反射譜，然后利用光電轉(zhuǎn)換電路將接收到的光柵反射譜的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換成表征光強(qiáng)的電流信號，再經(jīng)過放大和整形電路將電流信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的矩形脈沖電壓信號，利用中斷觸發(fā)電路將脈沖信號的上升沿和下降沿處理后去觸發(fā)單片機(jī)的中斷引腳，單片機(jī)在中斷處理程序中分別鎖定上升沿和下降沿時(shí)刻16位加法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，即驅(qū)動壓電陶瓷的鋸齒波的電壓值，將兩次計(jì)數(shù)值送入數(shù)據(jù)存儲單元并計(jì)算它們的平均值，此平均值即是和傳感光纖光柵反射波中心波長對應(yīng)的壓電陶瓷的驅(qū)動電壓值，通過和預(yù)先定標(biāo)的光纖F-P濾波器的電壓與透過光波長的對應(yīng)關(guān)系比較，就可以得到傳感光柵反射波的中心波長值和相應(yīng)的波長變化量ΔBλ，通過和預(yù)先測定的應(yīng)變值與傳感光柵中心波長變化量的對應(yīng)關(guān)系比較，便可得到作用于傳感光柵的溫度值。

2　GSM模塊收發(fā)短消息的控制

本文利用宏晶公司的8位雙串口單片機(jī)STC12C5A60S2控制西門子的 TC35型GSM模塊進(jìn)而實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。GSM模塊與單片機(jī)之間通過串口進(jìn)行通信。GSM模塊收發(fā)短消息的控制示意圖如圖 2 所示。在危險(xiǎn)環(huán)境現(xiàn)場，單片機(jī)對光纖光柵傳感器測得的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過RS232串口控制GSM模塊將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送出去。在遠(yuǎn)程監(jiān)控室，單片機(jī)通過串口2控制GSM模塊接收，然后通過串口1將溫度數(shù)據(jù)送給上位機(jī)進(jìn)行顯示。

單片機(jī)與GSM模塊之間的串口通信格式為波特率9600bps、沒有校驗(yàn)位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。單片機(jī)能通過程序控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)收發(fā)短信，其實(shí)是單片機(jī)通過串口收發(fā)與GSM短信息功能有關(guān)的AT指令來完成的。AT指令集通俗地說就是一種操作控制GSM模塊的軟件協(xié)議的集合，每條命令均以字母“AT”開頭而得名。AT指令控制短消息發(fā)送有2種常用模式，即TEXT模式、PDU 模式。PDU模式可以采用unicode編碼發(fā)送英文、漢字。但合成PDU碼比較復(fù)雜，而TEXT模式只能發(fā)送英文，但無須編碼。本系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)都是基于數(shù)字的命令字，因此采用TEXT模式。其發(fā)送數(shù)據(jù)的過程包括啟動GSM及初始化；設(shè)置短信模式：AT+CMFG=1 回車；發(fā)送接收的手機(jī)號碼：AT+CMGS=“13833169018”回車（目的地址）；發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。

3　上位機(jī)溫度顯示與預(yù)警界面開發(fā)

利用可視化編程語言VB6.0開發(fā)圖形界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測溫度、構(gòu)建數(shù)據(jù)檔案、智能分析處理和及時(shí)預(yù)警等功能。溫度顯示與預(yù)警界面如圖3所示。

圖3　上位機(jī)溫度顯示與預(yù)警界面

4　 結(jié)語

針對危險(xiǎn)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測中的特殊要求，提出利用光纖光柵傳感器實(shí)現(xiàn)溫度檢測，并利用GSM模塊將溫度數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程上位機(jī)。通過測試實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以對環(huán)境溫度進(jìn)行及時(shí)預(yù)警進(jìn)而在一定程度上避免危險(xiǎn)發(fā)生。由于系統(tǒng)只監(jiān)測環(huán)境溫度，參數(shù)單一，可以考慮增加光纖氣體傳感器，對氣體成分進(jìn)行分析，進(jìn)而更準(zhǔn)確地判斷環(huán)境危險(xiǎn)程度。

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Research on Remote Monitoring Technique in Dangerous Environment Based on GSM and Fiber Grating Sensor

SHI Zhen-jiang1）LI Zhi-quan2）
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology1)ShijiazhuangHebei050041 Yanshan University2）QinhuangdaoHebei066004China)

This paper proposes a method to resolve the special problem of monitoring in dangerous environment. Fiber bragg grating (FBG) sensor is used to measure the environmental temperature in real-time, and fiber Fabry-Perot (F-P) filter is used to demodulate the FBG reflecting signal, and single chip microcomputer is used to control GSM module to realize remote wireless data transmission. Visual Basic is used to develop graphical interface of the host computer to accomplish the function of monitoring temperature on a real-time and on-line bases, building data files and carrying out intelligent analysis and processing. Experimental results show that the system can timely warn about environmental temperature and then to a certain extent, avoid danger.

fiber bragg grating signal demodulation wireless transmission condition monitoring Fabry-Perot (F-P) filter

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1673-1816(2016)03-0065-04

2016-06-18

史振江（1979-），男，漢，河北唐山人，碩士，講師，研究方向?yàn)橹悄軝z測與控制技術(shù)。