基于光纤传感技术的智能监测与控制系统设计

Ｓｃｉｅｎｃｅ＆１’ｃｃｈｎｏｌｏｇ３　Ｖｉｓｉｏｎ　科技视界　科技・探索・争鸣　基于无线传感技术的农业大棚智能控制系统设计　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｓ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　毛潭张勇杰李功一周帮平　吕垒平　（北方工业大学，中国北京１００１４４）　【摘要】介绍了一种基于无线传感技术的数据采集和控制系统方案．实现农业大棚的自动化控制．对大棚环境中的各种信息进行采集设　计了基于ＡＲＭ的主控模块、信号处理模块、电源模块、Ｉ．ＣＤ模块、无线通信模块等硬件平台　开发了节．董设备程序、嵌入式系统应用软件和上　位机组态软件　系统通过模拟测试，结果验证了方案设计的可靠性和实时性．可满足农业信息化建设要求　【关键词】无线传感；ＡＲＭ处理器；组态监控软件；农业大棚；嵌入式系统　【Ａｈｓｔｒａｃｔ】Ａ　ｄａｌａ（，（ｄｉｅｔ・ｌｉｏｎ　ａｌｌ（Ｉ【｜ｏｎｔｒｏｌ　ｓ、．ｓｔｅ！ｌｌ　ｓｏｌｕｌｉｏｎｓ　ｂａｓｅｄ　ｌ１ｌ１　ｗｉ｜．ｅｌｅｓｓ　ｓＰｌｌｓＯｌ　ｌｅ‘・ｈｎｏｈ）ｇ？，ｗ　ｐｒ（１Ｉ，ｏｓｅ（Ｉ，ｌ（，　ｌ‘・ｈｉｃｙｔ・ａｕｌ【ＩＩ／ＩＩＩＩｉｔ・（．１ｌｌ“Ｉ＇０Ｉ　ＩＩｆ　ａｇｒｉｃｕｌＩ　Ｌｌｒａ］ｇｔ’ｅｅｌｉＩｌＯｔｌｓｅｓ　ａｎｄ　ａ　ｖａｒｉｔ・ｔｖ　ｔ）ｌ‘ｊｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｇａｔｈｅｌ’ｉｎｇ　ｇｒｅｅｔｌｈｏｌｌｓｔ＇ｅｌｌ＇＊ｉｒＯｌｌｌｌｌ（￣］ｌ［．Ｔｈｅ　ｈａｌ‘ｌｌｗａｌ　ｐｌａｆｆｏｒ￣ｌ】ｏｌ　ｔｔ！ｒｌＩｌｉｎａｌ　ＵＯ（Ｉ［１０Ｉ　ＳＶＳ［Ｐ『ｌｌ　ｗａｓ　ｌｌｅｓｉｇｔ　【Ｉ　ｉｎ（・ｌｕｄｉｎｇ（：ｅｎｌｉ＇ａｌ　ＣＯｌ（｜ｒｏｌ　ｕｎｉｔ．ｓｉ　ｌａｌ　Ｉｎｏｃｅｓｓｉｎｇ（１ｉｔｌｌＩｕｌｅ．　ｌ　ｒｒ¨ｌｏ（ｈ！ｌｅｓ．１　ＣＤ　ｉｎｏｄｌｌｌｅｓ　￣１１１（１　ｗｆｒｅｌｅｓｓ¨）ｌｌｌｌｌｌｔｌｌｌｉ・・Ｉｌｌｉｏｎ　ｎＨ）ｄｕｈ，，　ｌＩ‘ＨｌＰ　ｔ　、　Ｐ．　ｅｍ１）ｔ　ｄ（１ｅ￣Ｉ　ｓＶＳｔ（　Ｉｌｌ　ａｐ１）ｌｉ（・ａｔｉｍｉ　ｓｔ）ｆｔｗａｒｅ　ａｌ训ＰＣ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｓｏｆ｜ｗａ！・ｅ　ＷＬＩＳ　ｄｅｖｅｈ）））ｅｄ．＿ｒｈｒｏｕｇｈ　１ｈｅ　ｓｉｍｕｌａ！ＩＩＩＪ１　ｌｅｓＩ　ｍｓｕｌ１：４　Ｖｅｌ・ｉｆｉｅｔｌ　Ｉ｝ｌＰ　ｒｅａｌ—ｌｉｉｉｌｅ　ｐｅｒｆｉ）ｚ‘ｌｌｌａｌｌ（・Ｐ　ａｌｌ（Ｉ　ｒｅｌｉａｔ）ｉｌｉｔｖ　ｏｌ　ｔｈｅ　ｓｖｓｌｅｌｌｌ　ｄｅｓｉｇｎ．ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｎａｔｉｓｆｖ　ｌｈｔ　ｒｅｑ　Ｌｌｉｒｅｍｅｒ】ｌ　ｏｌ　ｔｈｅ　ｒ‘）ＩＩＳＩＩ・ＬＩ（・ｌｉｏｎ　ｔ，ｆ．ａ　ｒｉｌ・ｕｈｕｌⅥｌ　ｉｎｆｉｕ・ｍａｔｉｏｎ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］Ｗｉｌ’ｅｌｅｓｓ　ｓｅｌｌｓｏｒ；ＡＲＭ　ｐｌ＇ｏｃ（　ＳＳＯＩ’：ｃ・ｍｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ａ【ｌＩｉ　ｍｏｎｉｈ）ｒｉｎｇ　ｓ¨ｎ　ＨＩ＇ｅｌ　Ａｇｒｉ（・ｕｈｕｒａｌ　ｇｒｅ－ｔ｜ＩＩ［ＩＯＵＳｅＳ：Ｅｍ１）ｅ（ｈｌｅｄ　ｓｖｓｔｅｎｌｓ　０引言　我　各地的经济发展水平　环境条件罄蚌较人．仔在农业机触信　息化　Ｊ　：能力ｉ．ｆ＝；＝后　Ｊ：地利川程度不尚等办‘而的　题，　敛农业发　水　落后同ｌＩ１ｆ　我同铀业生态环境状况逐步扩大恶化｛Ｉ包　、资源　置　合理　鉴于　农业　卜产过程ｒｆ１严重浪费资源和破坏生怎环境的观　象．人仃Ｊ越束越ｌ炎注农业发展的模式随着ｌ｛Ｉｆ代发腱．农￣ｌｋ：ｆ：ｔ－技技术　断创新．充分利川理论和科　技术．是缓解农业与资源及生态环境矛　的有效途径建立无线网络监控　台．刘哝业监测点进行全而监符　和精　渊控．ｒ・ｒ以组缱农业的规范化和网络化管　模式．形成农、　物　联网的综合信息管理系统…健进农业发展　‘　的转变．不ｆｌ』可改淳尘　志环境．而且辛｝类农业｛｝＝ｆ源　以得到有效利川Ｊ．实脱可持续发展¨　小史主要根据Ｊ『ｊ！ＥＩ建没的要求．没讣一种结合嵌入式　片机相　ｌ怠监　控软件胁种１：　裟备技术的　台．刈农业大伽影响的几个　素进＂精　准竹　手Ｉ】统汁　１系统硬件结构　系统硬ｆ＇ｔ：组成如　ｌ所示．主要包括一个主控模块、信号处理模　从、【乜　模块、Ｉ，ＣＤ模块、尤线通信擞从等　图１　核心板功能的硬件功能图　１．Ｉ主控馍块　嵌入式控：制系统选用的主　芯片为１６　ＡＲＭ　Ｃ　・ｌｅｘ－Ｍ３处理　ｓ　ＦＭ３２Ｆｌ０３ＲＥ　Ｆ６引Ｉ珐９　６４位、内存容挝５１２ＫＢ，Ｈ装类｝　为　１　ＱＦＰ．１　竹　温Ｊ霆达至ｌＪ一４５　～８０％　１．２　处　模块　传感器输　４ｎ　Ａ一２０ｎ　Ａ电流信号．Ｉ／Ｖ转换过程采川精密电流环　接收方』℃．选川ＲＣＶ４２０芯片．转换成Ｏ一５ｖ电压输ｊ｝｜信号Ｄ／Ａ数模　午々换芯　选Ｉ｝ｊ＆Ｉ）４２１．实现ｌ６位的数字输入信号转换成模拟４ｌｌｌＡ～　２（ｈｎＡ的电流输　信Ｌ：－电磁　¨１于址线圈｝［Ｉ成．　通地斤过稚巾产，Ｉ！感　应电Ｊ　驯　止断电后对电路构成冲击破坏。增加一个反Ｊ　ｉｊ－＂．扳管　ｌＮ４００１．中句成叫蹄．防止埘电路ｌ乜压Ｊ　生ｆ：扰．提高系统的稳定件　温　大｝棚　ｌ　的蔬装．需毁一定强慢的光照促进光合作川．提ｒ　产　艟在火棚『ｆｌ遁、　增　光照能促进ｊ（：ｑ－长根据选川、光照灯的型　和　ｌ　要求．设汁最火电流为Ｉ　Ａ的ＰｗＭ控制电路选ｊＨ具彳Ｔ　ＰｗＭ脉　宽凋＿）匕功能的ＳＤ４２５ｌｌ芯片．没汁最大输　ｌＡ　Ｖ＇Ｊ＇－ｔＩ＜．动电ｉｊ｝ｃ电蹄电　路原理　如　２所示：　ｉｌ　图２　ＰＷＭ控制电路　１０电源模块　Ｍ３２处理器内部具　多路Ａ／Ｉ）模数转换扩腱功能，其输入电　转换　范¨爿为０～３　３ｖ．使川１２ｖ锂电池供电电源，要实现埘它的电　监　．需要果ｊｌｌｆ．１接方式．他川ｔ　｛！Ｉｌｆ度的电阻串联分ｆＫｈ　法选』Ｈ　ＭＣ３４（）６３芯，｛‘采用开炎反　电路提供一１２ｖ电压给ＲＣＶ４２０选Ｊｆ】封　为ｓ【）’ｒ＿２２３的Ｉ　ＭＩｌｌ７系列　片．转换ｉ　到５Ｖ　ｆ１Ｉ　３．３、　压放　芯片的输　；端拦一个１０　・Ｆ　ｎｑ钽电　．政泞电路『ｆＪ的瞬态响应和稳定　旁路ｔ　曾ｊＪ【】０．１ｕ｝’的瓷片ｌ　容．太柏消弱ｌ乜路Ｅ－刺Ｉ乜蹄暇３：ｑ！ｌ￣ｌ如　Ｉ冬１　３　Ｉ皇１　４所，ｌ：．　图３　ＭＣ３４０６３电压转换　ｊ　图４　ＬＭ１１１７电压转换　１．４　Ｉ，ＣＩ）模块　ＬＣ１）　示采用１６０２　示输　数据．采川基于ｔｔＤｄ４７８０字符｝　液　ｆ　片电路　理　如陶５所示：　※基金项目：２０１５年北京市优秀人才培养骨干计划。２０１４年山西省水利科学技术资助项目（ＪＳＫＹ２０１４０７）。　作者简介：毛潭（Ｉｔ　），男．汉族．山东东营人，北方５－．，１１￣大学机械与材料工挂学院，讲师，硕士，研究方向为机械设计自动化及实验技术研究　Ｈ　＆　・ＩｌＪｌｆｌ　Ｖ　）ｌｌ科技视界ｌ　５１

第２５卷第１０期　２０１５年１Ｏ月　长春大学学报　Ｊ０ＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＣＨＡＮＧＣＨＵＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｖ０１．２５　Ｎｏ．１０　０ｃｔ．２０１５　

基于分布式光纤传感技术的智能管道系统设计　

宋继红　，李诗春　

（１．长春大学电子信息工程学院，长春１３００２２；２．长春高祥特种管道有限公司，长春１３００１２）　

摘要：布里渊时域分析技术（ＢＯＴＤＡ）是近年来研发成功的一种分布式光纤传感技术，已广泛应用于各种结构体　和工业设备等的温度、应变检测。开发分布式、实时在线的检测传感系统是管道安全检测的重要目标，文中介绍了　

分布式传感技术在管道泄漏检测中的具体应用，系统集成方法，通过工程实例研究光纤传感技术的优缺点，总结该　传感技术的特点和进一步研究发展的方向，光纤传感技术在管道测漏传感方面具有巨大的优势和广泛的应用　

前景。　关键词：布里渊时域分析；分布式光纤传感；智能管道系统　中图分类号：ＴＥ８３２．３＋４２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００９—３９０７（２ｏ１５）１０—０００９一ｏ４　

０　引言　

保证输油、输气管道的安全是管道作业关键问题之一，目前国内外应用于管线工程监测的技术和方法主　

要是传统的电测式传感器，受到布点数量的限制，无法全面反映管道的结构和功能情况。本文介绍一种采用　

塑料复合管道内部集成功能光纤的分布式温度和应力传感技术，在管道生产过程直接集成，在光纤端口采用　

ＦＰＧＡ系统实时采集管道运行参数，解决了目前国内外光纤传感和管道分别集成，工程施工难度较大且可靠　

性差的问题。这种分布式光纤传感器具有抗电磁干扰、防水、抗腐蚀和耐久性长等特点，管道端口的数据采　

集和处理系统单元可以准确测出光纤沿线任一点上的应力、温度等信息，克服了传统点式监测漏检的弊端，　

提高了监测成功率　ｊ。测温和测压系统采用基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析技术（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　

Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｉｍｅ－Ｄｏｍａｉｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ，简称ＢＯＴＤＡ），布里渊频移对压力敏感，但同时也对温度敏感，利用上述不同　

检测监测技术 高铁运行十年电气化技术创新发展论文集

DOI：10.19587/ki.1007-936x.2019z.015

基于分布式光纤传感技术智能监测系统在高铁接触网中的应用

苑方丞

摘 要：本文提出一种基于分布式光纤传感技术智能监测系统，分析系统构成及各部分功能。该系统可应用于

高速铁路接触网运行时雷击、覆冰及振动相关数据的采集、传输、分析及报警，为高铁系统监测网搭建、数据

的采集、分析平台建设及高速铁路智能运营与建设提供支撑和保障。 关键词：接触网；光纤传感；智能监测

Abstract: The paper presents a distributed optical fiber sensing technology based intelligent monitoring system,

analyzes its structural composition and functions of its main parts. The system is able to be applied for collection,

transmission, analysis and alarm for lightning, icing and vibration-related data during OCS operation of high speed

railway, providing supports and guarantees for establishing of high speed railway monitoring network, data collection,

analyzing platform construction and intelligent operation and construction.

Key words: OCS; optical fiber sensor; intelligent monitoring 中图分类号：U226.8 文献标识码：A 文章编号：1007-936X(2019)z-0058-03

管道泄漏监测系统

技术方案1.综述

1.1.光纤传感简介

激光光纤传感法的监测原理为管道泄漏引起附近的光纤温度变化，最终通过

激光技术来探测引起光纤感温的部位，采用软件分析激光的变化特性从而确定管

道泄漏的部位。

传感器为光纤，目前的一般探测长度可达到30km--60km。当光纤传感器受

到温度变化、物体运动(比如径向或轴向压缩、拉伸和弯曲等)或声信号(如应变

波或声发射波)的扰动时，传感器的响应将是扰动引起光纤敏化部分的函数。目

前光纤传感器的响应频率范围为0.1Hz～100kHz。

基于分布式光纤测温原理的泄漏检测系统利用通信干线光缆中的2芯作为基

于分布式光纤测温原理的泄漏检测系统的传感兼通信光纤，和管线同沟埋地敷设，

与管道间距≤500mm；探测专用线具有耐高温的特点，可以用于高温环境下的通

信和温度监测。

管道泄漏监测系统可以监测输油管道、天燃气管道的泄漏，并提出预警，使

工作人员可以及时采取措施，防止危险行动进一步发生。

管道泄漏监测系统的传感器是光学器件，不受电磁干扰，因此该系统测试灵

敏度较高，同时可使用现有直埋通信系统光缆进行监测，大大降低工程费用。

1.2.管道泄漏监测系统技术介绍

光纤具备造价低廉、耐腐蚀、长距离敷设无须现场供电等优点，监测原理

采用基于分布式光纤传感技术。利用基于分布式光纤测温原理的泄漏检测系统可

连续监测沿光缆方向管道的温度变化情况确定发生泄漏的部位。

基于分布式光纤测温原理的泄漏检测系统利用光纤的布里渊散射原理，针对

各种事件引起的土壤温度不同的特点，通过对各种事件引起的土壤温度变化的捕捉分析来判断和报告各种事件的发生，及时提醒工作人员到现场了解情况，从而

阻止事件的进一步发展。

管道泄漏监测系统，利用通讯光缆作为探测工具，由光纤测温主机（光纤线

型感温探测器AP658-03B、管道泄漏监测系统、服务器、机柜）和探测专用线（铠

装光缆）等部分组成，可实时的不间断的监测天然气管道泄漏危害现象，并能准

确无误的指出泄漏或发生故障的地段，确保传输的安全。目前该系统已被许多国