安麗娜，翟成瑞，陳開顏，張彥軍

（1.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

0 引言

漏水監(jiān)測系統(tǒng)在地下管道或水下無人密閉環(huán)境中是至關(guān)重要的。相對于傳統(tǒng)漏水監(jiān)測傳感器，分布式光纖折射率傳感器具有響應(yīng)速度快、可線性分布、功耗低等優(yōu)點，而側(cè)邊拋磨型光纖耦合結(jié)構(gòu)相比其他耦合結(jié)構(gòu)具有更高的靈敏度和更強的可逆性，在暗場環(huán)境下光纖折射率可隨介質(zhì)變化迅速發(fā)生變化，將變化的光信號通過光電轉(zhuǎn)換為電信號進行數(shù)據(jù)處理，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至上位機用戶界面進行監(jiān)控，再加上無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在無線數(shù)據(jù)采集、無線工業(yè)控制、消費性電子設(shè)備、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫(yī)用設(shè)備控制、遠程網(wǎng)絡(luò)控制等越來越多的場合普及，減少了布線和人力，能夠滿足更多測量場合和需求。

由于實際情況下光纖的柔性形變和封裝錯位等問題會對光纖折射率產(chǎn)生影響，導(dǎo)致監(jiān)測裝置容易產(chǎn)生漏報誤報，測量準(zhǔn)確度顯著降低。針對上述問題，本文提出一種可自動標(biāo)定的高精度無線漏水監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。通過LabVIEW 可視化數(shù)據(jù)處理程序搭建地面監(jiān)控軟件，采集并處理下位機無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，建立閾值的動態(tài)跟蹤模型，最終實現(xiàn)儀器的高準(zhǔn)確度測量，有效避免漏檢、偽檢、錯檢等情況。

1 工作原理

光纖表層和外界環(huán)境構(gòu)成的衰變電場稱為倏逝場，光信號通過倏逝場時與被測溶液發(fā)生作用引起能量吸收，使接收的光功率發(fā)生顯著的變化。當(dāng)耦合區(qū)域的折射率隨介質(zhì)的變化發(fā)生變化時，光波長模式數(shù)也會發(fā)生變化，在進入耦合區(qū)域時，側(cè)邊拋磨光纖傳播的模式數(shù)會變的不同。在這種情況下，整個光纖就作為一個纖芯，而外界環(huán)境充當(dāng)新的包層。由于光纖直徑遠大于倏逝波波長且耦合區(qū)域深度也遠大于，影響較小，此時影響光功率的關(guān)鍵因素為外界介質(zhì)變化導(dǎo)致的光波散射。光波在介質(zhì)中的折射光電場表達式為：

式中： ||

t

表示透射波和入射波的實振幅比；

?

表示透射時

S

波的相位變化。在非吸收介質(zhì)中光波的振幅和相位平面重合，即

kx

=0；在吸收介質(zhì)中光波的振幅和相位平面發(fā)生分離，即(

k

sin

θ

)

x

-

k′

(

t

)

z

=0，界面任意點上的折射光與入射光都相差一個相位

?

，光波在傳播過程中發(fā)生能量遞減，其傳輸特性如圖1 所示。

圖1 光波在非吸收介質(zhì)和吸收介質(zhì)中的傳播特性

通過破壞光纖表面包層可以提高光纖耦合效率，周圍環(huán)境折射率的改變會引起光纖輸出光強的變化。該感測結(jié)構(gòu)的特征完全取決于外部介質(zhì)折射率，通過光信號在傳輸和反射模式下折射率的變化判斷是否發(fā)生漏水。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于上述工作原理，該漏水監(jiān)測系統(tǒng)的感測結(jié)構(gòu)采用直徑980 μm、折射率1.49 的氟化聚合物PMMA 包裹直徑1000 μm、折射率1.40 的高透光低折射率材料聚苯乙烯單模塑料光纖，在全自動微型數(shù)控鉆臺上用直徑500 μm 的微鉆頭對光纖進行側(cè)邊拋磨加工，形成如圖2 所示結(jié)構(gòu)，單模光纖側(cè)邊拋磨后的損耗和靈敏度會隨深度的增大而增大。

圖2 側(cè)拋光纖耦合結(jié)構(gòu)仿真結(jié)構(gòu)及實物圖

整個無線漏水監(jiān)測系統(tǒng)主要包括光纖傳感器、光電轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和PC 機，系統(tǒng)整體設(shè)計如圖3 所示。各部分功能分別為：STM32 通過RS 485 串口控制LED 燈帶閃爍感測介質(zhì)的變化，光電轉(zhuǎn)換器將光信號轉(zhuǎn)化為電流信號，數(shù)據(jù)處理模塊將弱電流信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號通過GPIO 串口輸入主控板，UART 串口控制無線通信模塊CC2530 將下位機的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到上位機，最后通過PC 機用戶界面顯示測量數(shù)據(jù)和漏水位點。

圖3 系統(tǒng)整體設(shè)計

3 硬件設(shè)計

3.1 弱光檢測與信號調(diào)理電路

由于光纖傳感器的感測變量為弱光信號，選用對數(shù)放大電路進行處理，可有效濾除噪聲的同時放大有效信號。微弱光信號通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為微弱電流信號（nA～μA 級），通過高速A/D 采集芯片AD8691（mA 級）、前級跨導(dǎo)運算放大芯片OPA375 轉(zhuǎn)換為電壓信號（mV級），再由二級放大電路的AD8666 芯片對信號放大到V 級以提高測量精度，信號調(diào)理電路如圖4 所示。此時已滿足主控板STM32 內(nèi)部集成ADC 的采樣區(qū)間。

圖4 信號調(diào)理電路圖

3.2 無線通信電路

該系統(tǒng)搭建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)基于ZigBee 協(xié)議，該協(xié)議的物理層為IEEE 802.15.4，具有省電、簡單、成本低的優(yōu)點，基于2.4 GHz 的ISM 頻段，傳輸寬帶在20～250 KB/s 范圍，適合傳感器數(shù)據(jù)采集和控制數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)采用MESH 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)組建大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，覆蓋面積大的同時保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>

無線通信模塊采用TI 公司的CC2530 芯片，CC2530工作于2.4 GHz 的ISM 頻段內(nèi)，支持IEEE 80215.4 標(biāo)準(zhǔn)/ZigBee 2007/ZigBeeRF4CE 協(xié)議棧，內(nèi)部集成了射頻收發(fā)裝置和微處理芯片，有8 KB 的RAM 和256 KB 的FLASH 存儲器，同時支持強大的功能和I/O 接口，具有高接收器靈敏度、強抗干擾性和低功耗等優(yōu)點。CC2530 有兩種工作模式，配置后可作為傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點進行點對點數(shù)據(jù)傳輸，作為整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸紐帶的協(xié)調(diào)器節(jié)點時，負責(zé)傳輸上位機的漏水狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)。由于無線通信模塊采用異步串行通信且沒有數(shù)據(jù)緩存機制，因此協(xié)調(diào)器節(jié)點通過USB 串口與上位機之間采用FIFO 編碼方式進行數(shù)據(jù)傳輸，保證了數(shù)據(jù)的有效性。CC2530 的接口方式及其外圍電路如圖5 所示。

圖5 無線通信電路圖

4 軟件設(shè)計

4.1 整體系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件功能級路徑規(guī)劃如圖6 所示，主要包括下位機的主程序以及上位機的數(shù)據(jù)處理和用戶界面軟件程序設(shè)計。下位機上電復(fù)位后，先對硬件和軟件做初步的檢查，恢復(fù)原始狀態(tài)設(shè)置。然后查看有沒有處于自己所在頻段范圍的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，如果有協(xié)調(diào)器已經(jīng)處于該網(wǎng)絡(luò)頻段，傳感器節(jié)點就可以加入網(wǎng)絡(luò)中，但是要遵循最佳路徑原則，選取最合適自己的協(xié)調(diào)器作為父節(jié)點。確定了父節(jié)點再判斷有沒有來自父節(jié)點或者其他上層的數(shù)據(jù)流要求是傳給自己的，如果沒有，那該傳感器節(jié)點就無需工作，保持一種接近休眠的狀態(tài)，每隔一段時間再次詢查上層是否傳來請求，在上層發(fā)送請求時恢復(fù)工作，根據(jù)上層的命令完成要求指示。下位機的主程序流程如圖7所示。

圖6 軟件功能及路徑規(guī)劃

圖7 下位機主程序流程

4.2 上位機程序設(shè)計

該系統(tǒng)采用LabVIEW 圖形化編程語言搭建上位機用戶監(jiān)控界面。上電復(fù)位后，用VISA 配置串口資源采集數(shù)據(jù)，由于抖動脈沖一般只持續(xù)一個周期，存在抖動脈沖的數(shù)組中會存在一個值明顯區(qū)別于其他值，去除抖動脈沖產(chǎn)生值，可消除儀器抖動帶來的測量誤差，降低誤檢率。從串口緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，將采集值每隔5 個分為1 組得到5 組數(shù)據(jù)，分別對應(yīng)一條燈帶上的5 個感測位點，分別取平均值

a

，加權(quán)后得到初始閾值±

A

；當(dāng)采集值不在初始閾值范圍內(nèi)，則判斷為發(fā)生漏水事件，發(fā)出警報，在LabVIEW 用戶界面實時顯示漏水位點。自動標(biāo)定程序流程如圖8 所示，上位機程序框圖如圖9 所示。

圖8 自動標(biāo)定程序流程

圖9 上位機程序框圖

5 測試結(jié)果分析

將傳感器和電路固定在板上搭建的測試平臺如圖10 所示。對標(biāo)定后的系統(tǒng)進行整體性能驗證和誤差分析，系統(tǒng)測試后將每個傳感器節(jié)點的測試數(shù)據(jù)打包發(fā)送到終端節(jié)點，再通過USB 串口發(fā)送到上位機，串口調(diào)助手試終端顯示接收的數(shù)據(jù)如圖11 所示。

圖10 測試平臺及用戶界面

圖11 串口助手數(shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)提出的實驗驗證方案，分析標(biāo)定前后測量準(zhǔn)確度改善情況，如圖12 所示。本文標(biāo)定系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)壓力傳感器全自動、高精度的標(biāo)定。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)閾值自動標(biāo)定及漏水事件的判斷，警報準(zhǔn)確率從原來的70%提高到了96%。

圖12 標(biāo)定前后的結(jié)果與誤差柱狀圖

6 結(jié) 語

本文基于側(cè)邊拋磨型光纖耦合技術(shù)和定位巡檢技術(shù)闡述了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的高靈敏度自動標(biāo)定漏水監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究，該系統(tǒng)通過地面監(jiān)控軟件、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、分布式光纖折射率傳感器三位一體進行交互，使區(qū)域漏水監(jiān)測更加快速準(zhǔn)確。通過實驗測試，該系統(tǒng)能夠達到設(shè)計要求的靈敏度和準(zhǔn)確率，運行效果良好，整個系統(tǒng)可在無人值守下進行長期監(jiān)測，為區(qū)域漏水監(jiān)測提供了有效技術(shù)支持。