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(diǎn)，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(qiáng)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(hào)通過光電轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)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(jī)用戶界面進(jìn)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(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、家庭和樓宇自動(dòng)化、醫(yī)用設(shè)備控制、遠(yuǎn)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(shí)際情況下光纖的柔性形變和封裝錯(cuò)位等問題會(huì)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(bào)誤報(bào)，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(dòng)標(biāo)定的高精度無線漏水監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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(jī)無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，建立閾值的動(dòng)態(tài)跟蹤模型，最終實(shí)現(xiàn)儀器的高準(zhǔn)確度測量，有效避免漏檢、偽檢、錯(cuò)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(hào)通過倏逝場時(shí)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(shí)，光波長模式數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，在進(jìn)入耦合區(qū)域時(shí)，側(cè)邊拋磨光纖傳播的模式數(shù)會(huì)變的不同。在這種情況下，整個(gè)光纖就作為一個(gè)纖芯，而外界環(huán)境充當(dāng)新的包層。由于光纖直徑遠(yuǎn)大于倏逝波波長且耦合區(qū)域深度也遠(yuǎn)大于，影響較小，此時(shí)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(dá)式為：

式中： ||

t

表示透射波和入射波的實(shí)振幅比；

?

表示透射時(shí)

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(diǎn)上的折射光與入射光都相差一個(gè)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(huì)引起光纖輸出光強(qiáng)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(hào)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(jì)

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(dòng)微型數(shù)控鉆臺(tái)上用直徑500 μm 的微鉆頭對光纖進(jìn)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(huì)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(shí)物圖

整個(gè)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(jī)，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，數(shù)據(jù)處理模塊將弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)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(jī)的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到上位機(jī)，最后通過PC 機(jī)用戶界面顯示測量數(shù)據(jù)和漏水位點(diǎn)。

圖3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 弱光檢測與信號(hào)調(diào)理電路

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

圖4 信號(hào)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(diǎn)，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，覆蓋面積大的同時(shí)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(chǔ)器，同時(shí)支持強(qiáng)大的功能和I/O 接口，具有高接收器靈敏度、強(qiáng)抗干擾性和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。CC2530 有兩種工作模式，配置后可作為傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸，作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸紐帶的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)時(shí)，負(fù)責(zé)傳輸上位機(jī)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(jī)制，因此協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過USB 串口與上位機(jī)之間采用FIFO 編碼方式進(jìn)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(jì)

4.1 整體系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件功能級(jí)路徑規(guī)劃如圖6 所示，主要包括下位機(jī)的主程序以及上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理和用戶界面軟件程序設(shè)計(jì)。下位機(jī)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(diǎn)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(diǎn)。確定了父節(jié)點(diǎn)再判斷有沒有來自父節(jié)點(diǎn)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(diǎn)就無需工作，保持一種接近休眠的狀態(tài)，每隔一段時(shí)間再次詢查上層是否傳來請求，在上層發(fā)送請求時(shí)恢復(fù)工作，根據(jù)上層的命令完成要求指示。下位機(jī)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(jī)主程序流程

4.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用LabVIEW 圖形化編程語言搭建上位機(jī)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(dòng)脈沖一般只持續(xù)一個(gè)周期，存在抖動(dòng)脈沖的數(shù)組中會(huì)存在一個(gè)值明顯區(qū)別于其他值，去除抖動(dòng)脈沖產(chǎn)生值，可消除儀器抖動(dòng)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(gè)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(gè)感測位點(diǎn)，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(bào)，在LabVIEW 用戶界面實(shí)時(shí)顯示漏水位點(diǎn)。自動(dòng)標(biāo)定程序流程如圖8 所示，上位機(jī)程序框圖如圖9 所示。

圖8 自動(dòng)標(biāo)定程序流程

圖9 上位機(jī)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(tái)如圖10 所示。對標(biāo)定后的系統(tǒng)進(jìn)行整體性能驗(yàn)證和誤差分析，系統(tǒng)測試后將每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)打包發(fā)送到終端節(jié)點(diǎn)，再通過USB 串口發(fā)送到上位機(jī)，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(tái)及用戶界面

圖11 串口助手?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)提出的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)壓力傳感器全自動(dòng)、高精度的標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)閾值自動(dòng)標(biāo)定及漏水事件的判斷，警報(bào)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(dòng)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(jìn)行交互，使區(qū)域漏水監(jiān)測更加快速準(zhǔn)確。通過實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求的靈敏度和準(zhǔn)確率，運(yùn)行效果良好，整個(gè)系統(tǒng)可在無人值守下進(jìn)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。