基于以太网的光纤传感信息远程监控系统设计
冯元凯，王玉宝，邹 芳
(燕山大学 信息科学与技术学院，河北 秦皇岛 066004)
摘 要：由光纤布喇格光栅(FBG)构成的光纤传感网络，在许多领域具有广泛的应用前景，日益成为国内外研究的热点。针对光纤传感信息集中处理、实时监测、远程控制等要求，提出一种基于以太网的光纤传感信息远程监控系统的设计。系统硬件设计部分采用基于DSP 的F-P 腔解调技术，软件设计主要采用VC++平台下的网络编程和数据库编程技术。关键词：光纤传感网络；以太网；远程监控
A Design of Remote Monitoring System for FBG Network based on Ethernet
FENG Yuan-kai,WANG Yu-bao,ZOU Fang
(College of Information Science and Technology, Yan Shan University, Qinhuangdao,Hebei 066004 China)
Abstract : The FBG network has become the hotspot research at home and abroad,which has broad application prospect in many areas. In order to reach such requirements for real-time monitoring, centralized processing and remote control, this paper proposes a remote monitoring system design based on Ethernet. The hardware design of the system uses F - P cavity demodulation technology based on DSP.The software system is developed based on VC ++.
Key words : Ethernet; FBG network; Remote control
1 引言
光纤布喇格光栅(FBG)是一种新型的光纤传感器，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、质量轻、传输损耗小、可在一根光纤上串联构成准分布式测量系统等优点。由F B G 构成的光纤传感网络，在电力、消防、建筑安全等领域应用广泛 [1] 。
但目前的光纤传感网络大多采用本地解调方式，无法满足很多部门对于传感信息远程多点监控和集中处理的需要。而以太网作为当今局域网的主流技术，应用广泛，技术成熟，具有很高的传输速率和良好的可靠性。故本文提出一种基于以太网的光纤传感信息远程监控系统的设计。
2 基于以太网的光纤传感信息监控系统概述
该系统分为信息处理中心子系统和现场数据采集子系统两部分，通过以太网相连，实现数据传输，从而使处理中心能够实时监测传感现场的各项物理量。系统结构如图1所示。
图1 光纤传感网络监控系统结构图
光纤传感网络内传感器数目众多，并且要求其所监测的物理量具有较高的实时性，为更好地满足数据采集和处理的需求，本设计采用高速、高性能的DSP 作为传感现场的硬件核心。
系统工作的一般流程为：信息处理中心向传感现场发送上传数据命令，DSP 核心板接收命令，对传感网络返回的数据进行采集、解调和封装等处理，通过以太网接口发送到远程监控中心，中心对数据进行监测，如有异常发生则发出报警信号，同时将
接收到的数据保存至后台数据库 [2] 。
3 系统硬件设计
系统的硬件设计主要集中在数据采集部分，结构如图2所示。该部分功能主要有两个，一是对传感光纤的布拉格波长进行解调，将波长偏移量转换
为相应的电信号，并按以太网帧结构进行封装后发送到远程的信息处理中心；二是接收和执行信息处理中心的各项命令。
图2 现场数据采集系统结构图
3.1 传感数据解调模块
FBG传感系统的核心技术，即如何高精度地检测传感光栅布拉格波长的微小偏移量，从而快速准确地解调出被测传感量。综合考虑解调系统的波长扫描范围、波长分辨率、测量速度以及价格成本等各种因素，本文采用可调谐F - P腔解调法。
解调系统主要包括以下几部分：FBG传感网络、宽带光源、光隔离器、3dB耦合器、可调谐F - P腔、高灵敏度、高增益的光电转换器以及由DSP系统（包括其外围电路）构成的信号采集部分，如图2虚线左半部分所示。
F-P腔解调技术的工作原理为，宽带光源发出的光通过光隔离器和3dB耦合器进入多个不同反射波长的传感光栅FBG，满足布拉格条件的光被反射后，再经3dB耦合器进入可调谐F-P滤波器，其腔长在DSP所产生的驱动电压的作用下不断变化,从而扫描反射光波长。滤波器的透射光被光电转换器探测到并转换为电信号，该信号经过适当处理后输入到DSP进行处理，当F-P的透射波峰与FBG 的反射波峰重合时，F-P滤波器的透射光强最大，此时F - P腔上所加电压正好对应FBG的反射中心波长，从而实现对FBG波长编码信号的解调。通过这种方式，解调系统以成百上千赫兹的频率进行扫描，从而快速测定所有光纤光栅传感器的布拉格波长 [3] 。
3.2 网络接入模块
对于光纤传感系统接入以太网的方式，本设计提供两种方案：一是解调系统的DSP核心板与现场PC机相连，一方面将现场采集的数据通过PC机传送至远程监控主机，另一方面PC机接收远程监控中TCP/IP协议栈的以太网芯片集成到DSP核心板上，用来充当光纤传感系统的网络接口。前者既能满足远程监控的需要，也能够在现场对信息进行处理（安装相应的软件后），但前期投入较高；而后者更适用于位置偏远、不便值守的采集现场（如桥梁、水库、隧道等）。
4 系统软件设计
系统软件设计主要采用VC++平台下的网络编程和数据库编程技术。
4.1 通信协议
基于以太网的传输层协议包括TCP协议和UDP 协议，其中TCP协议提供了数据确认和数据重传等机制，保证了发送数据一定能达到通信目的地。鉴于光纤传感网络多用在对重要场所的温度、压力、应变等信息的监测中，故在系统设计中采用TCP协议以保证数据传输的可靠性。
4.2 数据查询方式
在本文的设计方案中，系统内的每个传感器都具有惟一的编号，由其所处传感网络的编号与其在该网络中的地址编号共同组成。如某传感器编号为01001,则其位于1号光纤传感网络中，并且在该传感网络中地址编号为1。
处理中心采用自动定时轮询和手动随机查询相结合的数据查询方式。前者按提前设定的时间或时间间隔自动地向所有传感网络同时发送命令，后者则不受时间限制，可以随时对单个或多个传感网络进行数据查询 [4] 。
4.3 数据包结构
系统中只存在两种类型的数据包，一种是由中心向现场发送，带有各种命令参数；另一种用于将现场采集数据返回中心。前者以首字节作为命令类型，用以区分采集、上传、传感现场参数设定等不同命令；后者是将传感器编号、数据采集时间、采集数据等封装于同一以太网帧后传输 [5]。
4.4 网络编程与数据库编程
服务器端软件分为两大部分，均在Visual C++6.0平台上实现: 一部分为基于WinSock的网络通信程序；另一部分是基于Microsoft Access的数据库管理软件。
系统采用C/S通信模式，即以传感现场作为服务
器端，以信息处理中心作为客户端，通信过程中总是由中心访问现场。由于中心要对多个传感现场进行监控，所以软件编程中采用了多线程技术。传感现场初始化完成后即进入监听模式等待处理中心的连接，一旦连接即启动接收线程，同时主程序返回监听模式等待新的连接请求；处理中心执行自动定时轮询时，对传感网络地址列表中的每一项依次发出连接请求，并为每个成功连接建立一个新的接收线程，通信完毕后关闭套接字，结束线程。
服务器端的主要开发步骤如下：
(1)加载套接字库；
(2)创建监听套接字；
(3)绑定套接字到本地IP地址和端口；
(4)进入监听模式,等待服务器端的连接；
(5)接受客户端连接后返回会话套接字，创建并启动接收线程，同时主线程返回监听模式；
(6)通信完毕后关闭会话套接字并结束线程。
实现代码可以简单描述为：
AfxSocketInit();
sockSrv=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
bind (sockSrv，(SOCKADDR*)&addrSrv，sizeof(addrSrv));
listen(sockSrv,5);
while(true)
{ sockConn=accept(socksrv(SOCKADDR*)&addr client,
sizeof(SOCKADDR));
if(SockRecv==INVALID_SOCKET)
break;
else
pThread = AfxBeginThread(RecvThread,this);
}
客户端程序的开发步骤主要包括：
(1)加载套接字库。
(2)创建客户端套接字数组。
(3)请求连接服务器端，若成功则启用新线程。
(4)使用新线程与服务器端进行通信。
(5)关闭套接字，结束线程。
实现代码可简单描述为：
AfxSocketInit();
W h i l e(!c o n n e c t(s o c k C l i e n t[i]，(SOCKADDR*)&addrSrv，sizeof(SOCKADDR))) {pThread=AfxBeginThread(NewThread,this);
//若连接成功则创建新线程
i++;addrSrv.sin_addr.s_addr=inet_addr(addrlist[i]);
//指向下一个地址
}
处理中心结束一次数据轮询（或数据查询）后，将采集到的数据保存到后台数据库。数据表中的一条记录依次包括四个字段：传感器编号、采集日期、采集时间、采集数据。关键实现代码语句为：
strSQL.Format("insert into FORM values(strNu m,strDate,strTime,strData)");
m_database.ExecuteSQL(strSQL);
信息处理中心的界面如图3所示。
图3 信息处理中心界面
5 结语
本文完成了基于以太网的光纤传感信息远程监控系统的设计，实现了将采集到的光纤传感信号通过以太网传输到远程监控中心，能对接收数据实时显示和监测，并对异常数据发出报警，最后将采集数据保存至数据库，以便于今后的统计和分析。
参考文献：
[1] 赵勇.光纤光栅及其传感技术.北京：国防工业出版社，2007:24-28.
[2] 赵立民,王 鑫,刁春暖.基于光纤F - P滤波器的FBG 传感解调系统[J].仪表技术与传感器,2008,(2):77-79.
[3] 黄俊斌,尹 进,姜德生,等.基于可调光纤F-P滤波器解调的分布式光纤光栅传感系统[J].海军工程大学学报,2003,5(15):5-8.
[4] 徐彬.基于公用电话网的微机监控系统[硕士学位论文].大连海事大学,2001.
[5] 刘中华,黄宴委,王 惠.基于以太网的桥梁健康监测系统的软件设计[J].现代电子技术, 2009,(17):133-136.
作者简介：王玉宝(1969-)，男，博士，副教授，研究方向为光通信与光传感；冯元凯(1987-)，男，硕士研究生，研究方向为光通信与光传感；邹 芳(1981-)，女，硕士研究生，研究方向为光通信与光传感。
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