基于分布式FBG的智能家居環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)研究

張雅博，李博，任孝鋒，王佳，馬鴿

(鄭州成功財(cái)經(jīng)學(xué)院，河南鄭州，451200)

基于分布式FBG的智能家居環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)研究

張雅博，李博，任孝鋒，王佳，馬鴿

(鄭州成功財(cái)經(jīng)學(xué)院，河南鄭州，451200)

基于分布式光纖布拉格光柵（FBG）的分布式測(cè)量以及FBG的測(cè)量精度高、體積小、不易腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究。系統(tǒng)中采用可調(diào)諧F-P（Fabry-Perot）濾波法解調(diào)原理，利用可編程邏輯器件FPGA設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、解調(diào)速度快、可實(shí)時(shí)測(cè)量的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居環(huán)境的實(shí)時(shí)測(cè)量，并進(jìn)行安全報(bào)警、溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)等操作。仿真實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)測(cè)量精度和靈敏度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有一定的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

分布式；光纖Bragg光柵（FBG）；智能家居；測(cè)控系統(tǒng)

0 引言

生活的家居環(huán)境對(duì)人們舒適、健康、安全的生活質(zhì)量有著直接影響，其中家居溫度、空氣濕度以及煤氣濃度等指標(biāo)至關(guān)重要，直接影響到人們?cè)谑覂?nèi)的生活，尤其是煤氣成分更是直接關(guān)系到人們的健康和生命安全，家居環(huán)境的優(yōu)良是保證人們好的生活質(zhì)量的重要前提。分布式光線布拉格光柵（FBG）傳感器由于其各個(gè)節(jié)點(diǎn)分布式測(cè)量以及測(cè)量精度高、不易腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在不同場(chǎng)合的環(huán)境測(cè)量中廣泛應(yīng)用。

1 光纖Bragg光柵傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

1.1 光纖陣列分布設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以空間大小為100cm*30cm*30cm尺寸的構(gòu)造環(huán)境為例。根據(jù)已有的MFC的尺寸以及實(shí)驗(yàn)室FBG的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了3組FBG傳感陣列，每個(gè)傳感光纖上有3個(gè)FBG，光纖陣列在環(huán)境內(nèi)的分布示意圖如圖1所示。

1.2 空分復(fù)用-波分復(fù)用（SDM-WDM）混合FBG網(wǎng)絡(luò)

SDM-WDM的混合FBG網(wǎng)絡(luò)既有SDM中各FBG不會(huì)因?yàn)橐馔馐鹿试斐杀O(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障而相互獨(dú)立的特點(diǎn)，又有SDM可同時(shí)測(cè)量N個(gè)不同部位傳感信息的特點(diǎn)，共同作用實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感陣列的同時(shí)測(cè)量。由寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)耦合器后進(jìn)入光纖光柵，滿足特定波長(zhǎng)條件的光將分別被各個(gè)光線光柵反射并沿著原路返回，經(jīng)過(guò)1х4的光路開關(guān)選擇，其中第1-3路為傳感通道，用來(lái)檢測(cè)外界的溫度變化，第4路則為參考通道，設(shè)置兩個(gè)參考光柵，對(duì)所設(shè)置的參考光柵進(jìn)行恒溫控制使其中心波長(zhǎng)不變，每次都對(duì)傳感光柵和參考光柵進(jìn)行周期性的掃描，獲得相應(yīng)的傳感光柵和參考光柵的電壓值，用參考光柵電壓值把傳感光柵的驅(qū)動(dòng)電壓值標(biāo)定為對(duì)應(yīng)的測(cè)量波長(zhǎng)。

圖1 MFC陽(yáng)極室內(nèi)傳感陣列示意圖

2 光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 可調(diào)諧Fabry-Perot濾波器解調(diào)原理

對(duì)于每一根光纖上分布的每一個(gè)FBG傳感節(jié)點(diǎn)都會(huì)反射回一個(gè)中心波長(zhǎng)不同的窄帶光波，外界溫度的變化作用于傳感FBG上，都會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)中心波長(zhǎng)的平移。通過(guò)F-P腔后形成窄帶光源，由FPGA發(fā)出的鋸齒波信號(hào)控制F-P腔的驅(qū)動(dòng)電壓大小來(lái)調(diào)節(jié)其腔長(zhǎng)。此時(shí)光電探測(cè)器不停的掃描分析Bragg波長(zhǎng)，當(dāng)通過(guò)F-P腔的透射波長(zhǎng)與某一FBG反射中心波長(zhǎng)相匹配時(shí)，濾波器的投射光強(qiáng)最大。所以，可由此時(shí)的F-P濾波器上的電壓-波長(zhǎng)關(guān)系測(cè)得光柵反射譜峰值的位置。

經(jīng)過(guò)分布式光柵反射回來(lái)的光到達(dá)F-P濾波器時(shí)，在一個(gè)鋸齒波信號(hào)周期內(nèi)，光電探測(cè)器的輸出與壓電元件上的驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系如圖2，記錄此時(shí)投射波峰所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓結(jié)果，然后由壓電元件的電壓-波長(zhǎng)調(diào)諧關(guān)系即可獲得傳感光柵的中心波長(zhǎng)。

圖2 解調(diào)原理示意圖

2.2 家居環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)的組成

在F-P腔解調(diào)技術(shù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)將FPGA處理器作為控制核心來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感的信號(hào)處理。光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)主要由光路部分和硬件部分組成。光路部分又分為光源部分、光路傳輸部分、傳感部分；硬件部分主要包括光電轉(zhuǎn)換部分、光信號(hào)采集通信部分、電源和解調(diào)驅(qū)動(dòng)部分。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

3 軟件系統(tǒng)及仿真測(cè)試

家居環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)采用的軟件系統(tǒng)分為4個(gè)部分：初始化設(shè)置、光譜解調(diào)模塊、數(shù)據(jù)處理傳輸以及操作執(zhí)行部分。其中為了降低噪聲的影響，對(duì)采集到的反射光譜信號(hào)先進(jìn)行濾波平滑、信號(hào)閥值分峰等預(yù)處理操作；數(shù)據(jù)處理傳輸部分將采集到的參數(shù)信號(hào)與預(yù)設(shè)閥值進(jìn)行比較，如果超出預(yù)設(shè)范圍則通過(guò)操作執(zhí)行部分進(jìn)行自動(dòng)控制，并進(jìn)行報(bào)警提示，處理的結(jié)果傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行存取顯示。

4 結(jié)論

本文基于分布式光纖布拉格光柵傳感技術(shù)，在可調(diào)諧F-P濾波法解調(diào)原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)量參數(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居安全多點(diǎn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，具有自動(dòng)調(diào)節(jié)、發(fā)送報(bào)警等控制功能。

[1]王凱明. 智能家居系統(tǒng)的研究[D].西安科技大學(xué), 2005.

[2]袁源, 王紫婷, 劉洋帆. 基于FPGA和ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)[J].信息通信, 2011(6):42-43.

Research on smart home environment measurement and control system based on distributed FBG

Zhang Yabo,Li Bo,Ren Xiaofeng,Wang Jia,Ma Ge
( Chenggong College Of Henan University Of Economics And Law，Zhengzhou Henan, 451200)

Distributed optical fiber grating (FBG) is applyedon smart home environment monitoring because of its advantages such as high precision, small size, easy to corrosion, which is based on distributed fiber Prague grating. The system is based on a tunable F-P filter demodulation (Fabry-Perot) principle, designed a simple structure , high speed andreal-time measurement of fiber grating demodulation systemby using the programmable logic device FPGA realized the real-time measurement of the Home Furnishing environment, safety alarm, automatic temperature control and other operations. The simulation result shows that the system has highly accuracy and sensitivity, stable operating, certain practical value and application prospect.

Distributed;Fiber Bragg grating(FBG);smarthome; control system

國(guó)家自然科學(xué)基金：光致發(fā)熱光纖表面生物膜光生化轉(zhuǎn)化過(guò)程實(shí)時(shí)測(cè)控及強(qiáng)化研究（No.51406020）。