光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器通信監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了提高現(xiàn)有光纖布拉格光柵（fibber Bragg gratting，F(xiàn)BG）應(yīng)變傳感器的遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析效率，設(shè)計(jì)了一種面向大數(shù)據(jù)的FBG應(yīng)變傳感器通信監(jiān)測系統(tǒng)。首先，云數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構(gòu)建需涵蓋即時(shí)應(yīng)力變化數(shù)據(jù)、異常狀況數(shù)據(jù)以及應(yīng)力極限數(shù)據(jù)，以確保數(shù)據(jù)的完整性和有效性；其次，采用基于微軟基礎(chǔ)類庫（Microsoft foundation classes，MFC）應(yīng)力探測 ActiveX數(shù)據(jù)對象（ActiveX data object，ADO）的方法，實(shí)現(xiàn)對云數(shù)據(jù)庫的多線程存取操作；最后，依據(jù)已構(gòu)建的云數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建立樣本存儲(chǔ)函數(shù)，保證樣本參數(shù)儲(chǔ)存的準(zhǔn)確性。采用云數(shù)據(jù)庫技術(shù)在云端完成可視化處理，發(fā)現(xiàn)光纖在1 360～1 550 m之間存在應(yīng)力異常的現(xiàn)象，最大應(yīng)變值可以達(dá)到860 με。該設(shè)計(jì)能夠有效提高FBG應(yīng)變傳感器的通信監(jiān)測能力，其設(shè)計(jì)思路也可拓展至其他傳感器的設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：應(yīng)變遠(yuǎn)程；檢測系統(tǒng)；大數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

現(xiàn)階段，光纖布拉格光柵（fibber Bragg gratting，F(xiàn)BG）應(yīng)力傳感器的測量一般是通過 PC機(jī)完成的。但是，傳感器獲取的信息數(shù)據(jù)量很大，上位機(jī)的運(yùn)算能力和存儲(chǔ)能力面臨挑戰(zhàn)[1]，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)變監(jiān)測能力下降。截至2025年，尚未出現(xiàn)能夠同時(shí)滿足樣本參數(shù)采集、展示、計(jì)算、異常特征報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢等功能的處理方案[2]。因此，有必要開發(fā)一種基于云端數(shù)據(jù)處理的集成處理方案，以建立云端樣本高效監(jiān)測系統(tǒng)[3]。

傳感器通信監(jiān)測系統(tǒng)方面的研究吸引了很多學(xué)者，他們?nèi)〉昧艘欢ǖ难芯砍晒Ｇ乩诘萚4]設(shè)計(jì)了一種適用于大規(guī)模分布式傳感數(shù)據(jù)的拉曼分布式光纖溫度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其能在遠(yuǎn)程控制中心實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場監(jiān)測指令的雙向遙控結(jié)果，從而大幅提升監(jiān)測控制智能化水平與傳感監(jiān)測效率。劉斌等[5]提出了一種基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過優(yōu)化傳感器的任務(wù)調(diào)度來實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的連續(xù)監(jiān)測，有效滿足了溫室環(huán)境監(jiān)測管理使用的需求。劉強(qiáng)等[6]設(shè)計(jì)了可在X—Z軸工作的對稱圓形柔性鉸鏈?zhǔn)秸駝?dòng)傳感器，基于邊緣濾波器的光纖光柵的解調(diào)器法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)解調(diào)，完成對低頻振動(dòng)信號的高靈敏檢測。

根據(jù)以上分析，本文提出了一種基于微軟基礎(chǔ)類庫（Microsoft foundation classes，MFC）應(yīng)力探測 ActiveX數(shù)據(jù)對象（ActiveX data object，ADO）的方法，以實(shí)現(xiàn)對云數(shù)據(jù)庫的多線程存取，從而提高數(shù)據(jù)的傳遞速度。通過優(yōu)化云數(shù)據(jù)庫，云計(jì)算數(shù)據(jù)能夠達(dá)到實(shí)時(shí)處理的效果，并有效完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

1 大數(shù)據(jù)采集

1.1 初始參數(shù)提取

用于信號傳輸?shù)墓鈱?dǎo)纖維一般鋪設(shè)于地底管道的內(nèi)部區(qū)域[6]。當(dāng)?shù)叵鹿艿朗艿酵獠枯d荷作用而出現(xiàn)彎曲或裂痕時(shí)，光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器會(huì)檢測到不同的應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)布里淵反射信號會(huì)出現(xiàn)不同頻率的偏移現(xiàn)象。在完成大數(shù)據(jù)采集與處理工作后，利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行初步計(jì)算，從而提取出相應(yīng)的應(yīng)變參數(shù)并通過圖形化界面反饋出來。

1.2 大數(shù)據(jù)采集與傳輸

微軟所開發(fā)的ADO云數(shù)據(jù)庫技術(shù)是基于ActiveX構(gòu)建而成的，該技術(shù)為開發(fā)者提供了便捷的云數(shù)據(jù)庫編程接口，能夠與常規(guī)模型實(shí)現(xiàn)兼容[7]。ADO數(shù)據(jù)傳輸流程如圖1所示。首先，在進(jìn)行ADO界面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先將ADO類庫輸入到MFC中；其次，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)指標(biāo)。在界面的設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中構(gòu)建云數(shù)據(jù)庫間的連通信道，并通過控制指令進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理。最后，設(shè)置合適的對象鏈接與嵌入（object linking and embedding，OLE）接口與云數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)器相連接，利用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)（remote data service，RDS）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離交換。

2 云數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

云數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)涵蓋3個(gè)方面，分別是云采集數(shù)據(jù)并構(gòu)建的云數(shù)據(jù)庫、云數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)處理功能。

2.1 采集數(shù)據(jù)并構(gòu)建云數(shù)據(jù)庫

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)僅針對基礎(chǔ)參數(shù)關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析，為了獲得更快的處理速度，引入了層次化分析策略，并采用逐步細(xì)分的方法構(gòu)建數(shù)據(jù)采集流程，使采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)能夠形成清晰的邏輯路徑并高效完成邏輯轉(zhuǎn)換，同時(shí)也為數(shù)據(jù)的后續(xù)處理和樣本存儲(chǔ)提供了指導(dǎo)。云數(shù)據(jù)庫采集流程如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)需特別注意即時(shí)應(yīng)力變化數(shù)據(jù)、異常狀況數(shù)據(jù)，以及應(yīng)力極限數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)單元進(jìn)行深入研究，判斷它們的特征屬性，并明確它們相互間的聯(lián)系，從而構(gòu)建云數(shù)據(jù)庫概念系統(tǒng)[8]。

2.2 云數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)云數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建立樣本存儲(chǔ)函數(shù)，從而保證樣本參數(shù)儲(chǔ)存的效果。圖3為云數(shù)據(jù)庫的實(shí)體結(jié)構(gòu)，涵蓋了歷史應(yīng)變信息、實(shí)時(shí)應(yīng)變信息和數(shù)據(jù)篩選等。利用云數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)模型能夠設(shè)計(jì)完善云數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，從而解決數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問題。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完成云數(shù)據(jù)庫的搭建和上位機(jī)客戶端的部署，最終設(shè)計(jì)出一種基于云數(shù)據(jù)庫處理數(shù)據(jù)的光纖應(yīng)變遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。

2.3 云數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)處理

在利用云數(shù)據(jù)庫處理數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵功能主要取決于觸發(fā)器、樣本參數(shù)存儲(chǔ)和交易過程的控制。關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示，在數(shù)據(jù)處理過程中，包含了3個(gè)主要存儲(chǔ)連接方式，分別為數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)傳輸和序列重置。

整合云數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)功能可以對樣本參數(shù)中特定的大數(shù)據(jù)字段進(jìn)行實(shí)時(shí)合并，從而生成一條新的記錄。以上過程通過觸發(fā)器自主激活，該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制能夠提供高達(dá)4 GB的存儲(chǔ)空間，從而實(shí)現(xiàn)對大量樣本的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與高效計(jì)算[9]。在進(jìn)行異常數(shù)據(jù)記錄時(shí)，需要先進(jìn)行參數(shù)聲明，然后在目標(biāo)數(shù)據(jù)表中創(chuàng)建一個(gè)空記錄，并對此變量進(jìn)行讀寫操作。在進(jìn)行批量參數(shù)分配時(shí)，需要先采集源數(shù)據(jù)表的參數(shù)，并將此變量中的字符串?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕?biāo)數(shù)據(jù)表的相應(yīng)字段。完成上述步驟后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合并設(shè)置序列，再將整合后的數(shù)據(jù)插入目標(biāo)數(shù)據(jù)表中。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與仿真實(shí)驗(yàn)

本文構(gòu)建了一套可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕⒔Ｓ脙?nèi)部網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)客戶端與云數(shù)據(jù)庫的參數(shù)交換。在上位機(jī)中配備了特定的云數(shù)據(jù)庫連接通道，并通過MFC框架開發(fā)了云數(shù)據(jù)庫訪問接口，由此完成代碼的封裝過程。針對云服務(wù)器端[10]，先對云數(shù)據(jù)庫環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，隨后對IP地址實(shí)施分配，為其設(shè)置單一用戶的訪問終端，由此成功構(gòu)建云數(shù)據(jù)庫并完成上位機(jī)客戶端的部署[11]。

以長度為2.2 km的光纖作為研究對象，開展基于云數(shù)據(jù)庫的拉伸—變形測試，測試過程中形成了10 GHz的頻移。在上述條件下，利用本征振子對光纖進(jìn)行測量，設(shè)定掃描周期為2 MHz，測量光纖上布里淵位移的參數(shù)，進(jìn)而確定相應(yīng)的應(yīng)力分

布[12]。采用云數(shù)據(jù)庫技術(shù)在云數(shù)據(jù)庫變量中完成可視化處理，得到光纖的應(yīng)力分布結(jié)果。云數(shù)據(jù)庫應(yīng)變數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。測試數(shù)據(jù)顯示，該光纖在1 360～1 550 m之間存在應(yīng)力異常的現(xiàn)象，其最大應(yīng)變值可以達(dá)到860 με。

通過多次的工程應(yīng)用檢驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的云數(shù)據(jù)庫應(yīng)變數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地進(jìn)行長達(dá)1 h的監(jiān)測工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測能力較強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種面向大數(shù)據(jù)的FBG應(yīng)變傳感器通信監(jiān)測系統(tǒng)。一方面，設(shè)計(jì)了云數(shù)據(jù)庫，涵蓋云采集數(shù)據(jù)后構(gòu)建的云數(shù)據(jù)庫、云數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理功能；另一方面，采用云數(shù)據(jù)庫技術(shù)在云端完成可視化處理，結(jié)果表明，1 360～1 550 m之間存在異常應(yīng)力，最大應(yīng)變值可以達(dá)到860 με。這證明了該設(shè)計(jì)能夠有效提高FBG應(yīng)變傳感器的通信監(jiān)測能力，其設(shè)計(jì)思路也可應(yīng)用于其他類型的傳感器。

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