胡　威，李英娜，彭慶軍，梁仕彬，張少泉，李　川

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，云南 昆明 650217)

B/S模式的FBG信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

胡威1,2，李英娜1，彭慶軍2，梁仕彬2，張少泉2，李川1

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，云南 昆明 650217)

摘要:采用B/S結(jié)構(gòu)作為監(jiān)控系統(tǒng)的基本架構(gòu)，開發(fā)了光纖Bragg光柵(FBG)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過訪問Web網(wǎng)絡(luò)可以在瀏覽器界面查看FBG解調(diào)系統(tǒng)檢測(cè)的FBG傳感器數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明:通過查詢2014年11月28日～2014年12月27日期間應(yīng)變樁FBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變變化的時(shí)序曲線圖與邊坡上表面FBG位移傳感器位移變化的時(shí)序曲線圖，能夠及時(shí)了解到不同監(jiān)測(cè)對(duì)象的物理變化量。通過遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀察傳感器數(shù)據(jù)信息，為工程的安全監(jiān)測(cè)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控；B/S結(jié)構(gòu)；光柵解調(diào)系統(tǒng)；光纖Bragg光柵傳感器

0引言

在以往的監(jiān)測(cè)中，光纖Bragg光柵(FBG)傳感系統(tǒng)[1～3]只有在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作才能保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐久性，而監(jiān)控人員不可能長(zhǎng)期在現(xiàn)場(chǎng)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[4]。為了提高監(jiān)測(cè)的高效性，必須將FBG傳感系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)高速地傳輸給遠(yuǎn)方監(jiān)控人員。隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及[5]，利用FBG傳感器采集數(shù)據(jù)，并利用互聯(lián)網(wǎng)上豐富的軟硬件資源，可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能化，人性化。2006年,武漢理工大學(xué)的李斯丹利用光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁索力的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，利用公用電信網(wǎng)PSTN通過Internet實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)光纖傳感器采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸[6]。2010年,黑龍江大學(xué)李彬利用了GPRS模塊，通過配置模塊的傳輸接口和通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了將遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件，提高了監(jiān)測(cè)效率。

本文基于B/S基本架構(gòu)，設(shè)計(jì)了FBG遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。

1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

FBG遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由光纖傳感數(shù)據(jù)采集單元、監(jiān)控終端和Web服務(wù)器單元以及網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控終端單元幾部分構(gòu)成。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參見圖1所示。16個(gè)通道的不同中心波長(zhǎng)的FBG傳感器分別連接到FBG解調(diào)系統(tǒng)[7,8]的16個(gè)光通道。

圖1　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 1　Structure diagram of monitoring system

結(jié)合系統(tǒng)開發(fā)目標(biāo)，本系統(tǒng)可劃分為后臺(tái)管理、監(jiān)測(cè)界面、時(shí)序曲線、報(bào)表管理、報(bào)警管理五個(gè)功能模塊，以及其分別包含的子功能模塊。FBG遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能框圖，參見圖2所示。

圖2　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能框圖Fig 2　Functional block diagram of monitoring system

2主要結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)

2.1數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，本文數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)選擇的是微軟SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)。計(jì)算結(jié)果表是用來(lái)存儲(chǔ)FBG傳感器監(jiān)測(cè)的歷史信息，表中包含通道編號(hào)、傳感器編號(hào)、測(cè)量波長(zhǎng)、計(jì)算結(jié)果等，按等間隔時(shí)間將相應(yīng)的數(shù)據(jù)存入表中。實(shí)時(shí)波長(zhǎng)表，用來(lái)存儲(chǔ)FBG解調(diào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)解調(diào)的FBG傳感器中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，表中包含通道編號(hào)、傳感器編號(hào)、傳感器波長(zhǎng)等，中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)按等間隔時(shí)間自動(dòng)更新和存入數(shù)據(jù)庫(kù)。波長(zhǎng)映射表包含通道編號(hào)、傳感器編號(hào)、波長(zhǎng)映射等，能根據(jù)不同類型傳感器的數(shù)學(xué)公式將FBG傳感器中心波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變、位移、壓力等物理量。以計(jì)算結(jié)果表為例,參見表1所示。

2.2觸發(fā)器與存儲(chǔ)過程設(shè)計(jì)

觸發(fā)器是特殊的存儲(chǔ)過程，與表事件有關(guān)，由表事件觸發(fā)。該遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的觸發(fā)器能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)處理。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)波長(zhǎng)表中有數(shù)據(jù)進(jìn)入時(shí)，通過映射表的傳感器波長(zhǎng)映射關(guān)系，能對(duì)傳感器的編號(hào)、測(cè)量時(shí)間、傳感器測(cè)量波長(zhǎng)進(jìn)行解析，再通過觸發(fā)器根據(jù)傳感器編號(hào)與匹配的傳感器計(jì)算公式進(jìn)行結(jié)果的計(jì)算，最后將計(jì)算得到的結(jié)果存入計(jì)算結(jié)果表中。同時(shí)，該遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也定義了

表1　計(jì)算結(jié)果表

兩條存儲(chǔ)過程，分別存儲(chǔ)每小時(shí)、每天FBG傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值，為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)報(bào)表功能和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)序曲線趨勢(shì)分析提供數(shù)據(jù)保證。

2.3解調(diào)系統(tǒng)與監(jiān)控終端的串口通信

FBG解調(diào)系統(tǒng)中的解調(diào)模塊和光開關(guān)模塊與監(jiān)控終端FBG解調(diào)系統(tǒng)上位機(jī)軟件之間的通信是基于RS—232串口協(xié)議。解調(diào)系統(tǒng)上位機(jī)軟件利用串口通信控件MSCOMM建立與FBG解調(diào)系統(tǒng)之間的通信。實(shí)現(xiàn)將FBG解調(diào)系統(tǒng)采集的FBG傳感器中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)存入到Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。串口數(shù)據(jù)采集的流程，參見圖3所示。

圖3　串口數(shù)據(jù)采集流程Fig 3　Process of serial data collection

2.4遠(yuǎn)程監(jiān)控終端與Web服務(wù)器的通信

基于B/S模式的遠(yuǎn)程監(jiān)控終端通過瀏覽器與Web服務(wù)器之間的信息傳輸遵循HTTP和TCP/IP協(xié)議[9,10]。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信過程，參見圖4所示。利用JDBC建立與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接時(shí)，為了與特定的數(shù)據(jù)源進(jìn)行連接，必須加載相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，采用Class.for Name方法加載驅(qū)動(dòng)，用Driver Manager類的get Connection方法建立與數(shù)據(jù)源的連接，同時(shí)在執(zhí)行SQL查詢語(yǔ)句前要先建立一個(gè)Statement對(duì)象。

圖4　遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信過程Fig 4　Communication process of remote data

2.5實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能，能夠給用戶提供無(wú)延遲或延遲較小的最直觀的監(jiān)測(cè)界面。按照面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，選擇交互圖中的順序圖來(lái)描述完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能的一組對(duì)象之間按照時(shí)間順序所發(fā)生的交互情況。順序圖中，水平方向表示各個(gè)參與交互的對(duì)象，垂直方向表示時(shí)間，整個(gè)圖顯示各個(gè)對(duì)象之間進(jìn)行交互的時(shí)間及空間關(guān)系。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能的順序圖，參見圖5所示。

圖5　實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)順序圖Fig 5　Sequence diagram of real-time monitoring

由圖5可知，當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端用戶通過Internet向Web服務(wù)器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)請(qǐng)求時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)查看傳感器的傳感通道和傳感器信息，則可在數(shù)據(jù)管理器中得到原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和通過映射關(guān)系利用公式得到計(jì)算結(jié)果，數(shù)據(jù)處理器向遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)返回監(jiān)測(cè)結(jié)果，最終遠(yuǎn)程監(jiān)控終端用戶可以在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上查看監(jiān)測(cè)結(jié)果信息。

3監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)試

將FBG遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于某變電站邊坡監(jiān)測(cè)中，觀察對(duì)不同監(jiān)測(cè)對(duì)象的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。登錄進(jìn)入FBG遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面后，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能菜單中的選擇監(jiān)測(cè)界面，即可看到不同監(jiān)測(cè)對(duì)象的圖標(biāo)，點(diǎn)擊圖標(biāo)即可顯示不同監(jiān)測(cè)對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。邊坡應(yīng)變樁FBG應(yīng)變傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、邊坡FBG位移傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別參見表2與表3。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程時(shí)，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)每天傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值，當(dāng)需要查詢時(shí)序曲線時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)查詢時(shí)間段內(nèi)指定監(jiān)測(cè)對(duì)象每天傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值來(lái)繪制時(shí)序曲線圖。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能菜單中選擇時(shí)序曲線，

表2　邊坡應(yīng)變樁FBG應(yīng)變傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表3　邊坡FBG位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(mm)

分別查詢2014年11月28日～2014年12月27日，應(yīng)變樁FBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變變化的時(shí)序曲線圖，參見圖6所示。邊坡FBG位移傳感器位移變化的時(shí)序曲線圖，參見圖7所示。

圖6　應(yīng)變樁FBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變變化時(shí)序曲線Fig 6　Timing sequence curve of strain change of FBG strain sensor in strain pile on slope

圖7　邊坡FBG位移傳感器位移變化時(shí)序曲線Fig 7　Time sequence curve of displacement change of FBG displacement sensor on slope

4結(jié)論

本文采用B/S結(jié)構(gòu)作為監(jiān)控系統(tǒng)的基本架構(gòu)，開發(fā)了FBG遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)在變電站邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，分別查詢2014年11月28日～2014年12月27日期間應(yīng)變樁FBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變變化的時(shí)序曲線圖和邊坡上表面FBG位移傳感器位移變化的時(shí)序曲線圖，及時(shí)了解到不同監(jiān)測(cè)對(duì)象的物理變化量，為工程的安全監(jiān)測(cè)提供了保障。

參考文獻(xiàn):

[1]尚麗平,張淑清,史錦珊.光纖光柵傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào),2001(2):139-143.

[2]王濤,李川,倪建明,等.基于FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦巷道在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(5):115-117.

[3]Kersey A D.A review of recent developments in fiber optic sensor technology[J].Optical Fiber Technology,1996(2):291-317.

[4]李彬.光纖光柵遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究[D].哈爾濱:黑龍江大學(xué),2010.

[5]杜銳.基于光纖光柵傳感的結(jié)構(gòu)損傷遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2007.

[6]李斯丹.基于光纖傳感技術(shù)的橋梁索力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2006.

[7]李川,張以謨,趙永貴,等.光纖光柵:原理、技術(shù)與傳感應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[8]喬文,李剛.一種新型光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)[J].光電子·激光,2007,18(10):1188-1190.

[9]李國(guó)富,聶鋼,王瑞.基于B/S模式的遠(yuǎn)程串行通訊系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].機(jī)床與液壓,2003(5):39-41.

[10] 周云科,楊林靖,張恩迪.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(5):102-105.

Design of remote monitoring system for FBG signal based on B/S mode*

HU Wei1,2,LI Ying-na1,PENG Qing-jun2,LIANG Shi-bin2,ZHANG Shao-quan2,LI Chuan1

(1.School of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China;2.Yunnan Electric Power Research Institute, Kunming 650217,China )

Abstract:Use B/S structure as basic architecture of monitoring system and develop remote monitoring system with fiber Bragg grating(FBG),FBG sensor data detected by FBG demodulation system can be viewed on browser interface by accessing Web network.Research results show that physical change quantity of different monitoring objects can be obtained timely by inquiring time sequence curve of strain change of FBG strain sensor in strain pile and time sequence curve of displacement change of FBG displacement sensor on upper surface of slope from November 28,2014 to December 27,2014.Provide basis for security monitoring of projects through remote real-time observing data of sensor.

Key words:remote real-time monitoring;B/S structure;grating demodulation system;fiber Bragg grating(FBG)sensor

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0084—03

收稿日期：2015—09—10

*基金項(xiàng)目：云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013FZ021)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(KKGD201203004)

中圖分類號(hào)：TP 23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)05—0084—03

作者簡(jiǎn)介:

胡威(1987-)，男，河南商丘人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器、光纖光柵傳感器等。