物聯(lián)網(wǎng)中的光纖技術(shù)

陳燃

摘? 要：在科技時(shí)代背景下，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，離不開光纖技術(shù)的支撐?；谶@種認(rèn)識(shí)，該文簡(jiǎn)要分析了物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的主要特征，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中采用的光纖傳感技術(shù)和光通信技術(shù)展開了分析，以掌握物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)要素，然后對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中關(guān)鍵光纖技術(shù)——光纖布拉格光柵的運(yùn)用進(jìn)行了探討，以便充分發(fā)揮光纖技術(shù)的作用，為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)? 光纖技術(shù)? 光纖布拉格光柵

中圖分類號(hào)：TN929.11 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）01（a）-0013-02

作為物物相連的網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)的建立依賴于物的感知，目前多采用電傳感器進(jìn)行物的信息采集。而伴隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)開始加強(qiáng)光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用，以推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的泛在化發(fā)展。因此，還應(yīng)加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)中的光纖技術(shù)研究，從而有效推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

1? 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征分析

所謂的物聯(lián)網(wǎng)，其實(shí)就是通過在互聯(lián)網(wǎng)中引入信息傳感設(shè)備實(shí)現(xiàn)物品信息交換和通信而形成的監(jiān)控管理網(wǎng)絡(luò)。從結(jié)構(gòu)上來看，物理網(wǎng)包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中，感知層用于實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別和信息采集，包含各種傳感器、監(jiān)視器和傳感網(wǎng)絡(luò)等，能夠?qū)崿F(xiàn)物品定位和跟蹤。網(wǎng)絡(luò)層類似于中樞神經(jīng)和大腦，負(fù)責(zé)進(jìn)行信息傳輸與處理，需要與感知層實(shí)現(xiàn)信息交換，包含通信網(wǎng)、管理中心等[1]。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)范智能化實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，類似人類社會(huì)分工，需要與各行業(yè)技術(shù)深度融合，使物聯(lián)網(wǎng)得到高效應(yīng)用。因此從總體上來看，物聯(lián)網(wǎng)需要通過各種感知設(shè)備與終端網(wǎng)絡(luò)收集個(gè)體與環(huán)境信息，然后將信息傳輸至骨干網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得到結(jié)果用于應(yīng)用輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)知識(shí)聚合和信息無縫鏈接處理。

2? 物聯(lián)網(wǎng)中的光纖技術(shù)分析

物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的光纖技術(shù)主要包含兩種：一種為感知層應(yīng)用的光纖傳感技術(shù);另一種則為網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用的光通信技術(shù)。相比較而言，光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用更加關(guān)鍵，是物聯(lián)網(wǎng)建立的基礎(chǔ)。

2.1 光纖傳感技術(shù)

在物聯(lián)網(wǎng)中，應(yīng)用光纖傳感技術(shù)需要完成相應(yīng)傳感系統(tǒng)的建立，主要包含調(diào)制和解調(diào)兩部分，光纖傳感器負(fù)責(zé)調(diào)制，得到的光信號(hào)需要經(jīng)過計(jì)算機(jī)的處理和發(fā)布。憑借高靈敏度和高精度的特點(diǎn)，光纖傳感器成為了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展主導(dǎo)方向，能夠?yàn)榻M網(wǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支撐。實(shí)際應(yīng)用光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息感知，主要是由于光纖擁有特殊物理特性，在外界溫度、壓力等物理特征量發(fā)生細(xì)微變化的情況下，將導(dǎo)致光纖傳播的波長、光強(qiáng)等光特性發(fā)生變化。采用特殊光信號(hào)處理技術(shù)，則能實(shí)現(xiàn)光特性變化檢測(cè)。不同于其他傳感器，光纖傳感器能夠做到“感”“傳”合一，在用光進(jìn)行信息感知的同時(shí)，利用光實(shí)現(xiàn)信息傳輸。而光纖中的光波不容易受電磁干擾，在復(fù)雜環(huán)境中依然可以得到應(yīng)用。

2.2 光通信技術(shù)

在物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層傳輸中，光通信技術(shù)能夠得到有效應(yīng)用。相較于電纜、光纖傳輸擁有更寬帶寬，同時(shí)損耗較低，不受外界電磁干擾。因此，在信息傳播媒介中，光纖材料具有較大優(yōu)勢(shì)，目前儲(chǔ)藏量巨大，價(jià)格較低，促使光通信技術(shù)取得了快速發(fā)展。應(yīng)用光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)海量信息的遠(yuǎn)距離傳輸，因此對(duì)物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)展具有重要意義。受本身特性的影響，物聯(lián)網(wǎng)需要完成各種數(shù)據(jù)信息的采集和匯總，所以需要實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)傳輸，單純依靠無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)都較難滿足物聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸需求。在物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的情況下，其對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和承載力將提出更高要求。將光纖嵌入到各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與工程中，能夠使光纜連接構(gòu)成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用光通信技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知層與網(wǎng)絡(luò)層的合二為一，在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離網(wǎng)對(duì)網(wǎng)傳輸，為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。在廣域光纖網(wǎng)絡(luò)得以建設(shè)基礎(chǔ)上，能夠加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)、無線網(wǎng)的融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)多個(gè)行業(yè)智能化升級(jí)與發(fā)展，繼而使物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展達(dá)到“智慧”狀態(tài)。

3? 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵光纖技術(shù)運(yùn)用

3.1 光纖布拉格光柵

光纖布拉格光柵具有體積小、抗電磁干擾、多參數(shù)分布式測(cè)量、質(zhì)量輕和復(fù)用能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，在各種溫度傳感器和應(yīng)力傳感器中得到了應(yīng)用，促使傳感網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，為物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)提供技術(shù)支撐。從結(jié)構(gòu)上來看，光纖布拉格光柵傳感網(wǎng)由光源、調(diào)解器、耦合器、連接光纖及不同波長光纖布拉格光柵傳感器構(gòu)成，可以將溫度、電壓、振動(dòng)信號(hào)燈物理量轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL信號(hào)，經(jīng)過耦合、解調(diào)后實(shí)現(xiàn)相應(yīng)信號(hào)輸出。從原理上來看，在寬譜光入射至光纖光柵位置后，將與光柵發(fā)生耦合，使?jié)M足光柵反射條件的波長光沿著原光路反射回去，其他光透過光柵繼續(xù)傳播。在光柵所處環(huán)境物理量改變時(shí)，將引起纖芯熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)，使光柵受壓或產(chǎn)生應(yīng)變，引發(fā)光柵周期和彈光效應(yīng)變化，造成光柵中心發(fā)射波長漂移，實(shí)現(xiàn)波長調(diào)制[2]。由于光柵發(fā)射中心波長與特定物理量呈線性關(guān)系，因此能夠通過解調(diào)完成光譜中心波長測(cè)量，并以此完成物理量變化的推算。

3.2 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建分析

實(shí)際進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，主要包含光纖傳感系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理服務(wù)器兩部分。在傳感系統(tǒng)建立時(shí)，需要采用光纖布拉格光柵實(shí)現(xiàn)溫度等信號(hào)采集，利用DFB-FL實(shí)現(xiàn)震動(dòng)信號(hào)采集。在采集現(xiàn)場(chǎng)端，需要完成數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的配置，負(fù)責(zé)將傳感端采集到的數(shù)據(jù)借助互聯(lián)網(wǎng)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)調(diào)取要求。以溫度信號(hào)傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，由布拉格光柵、AES寬譜光源、波長解調(diào)模塊和3dB耦合器構(gòu)成。采用AES寬譜光源，能夠產(chǎn)生C波段寬譜光，容易與光纖器件耦合。利用3dB耦合器，可以實(shí)現(xiàn)光纖與光纖的精密連接，滿足光器件的信號(hào)傳輸需求。波長解調(diào)模塊采用FBGA波長解調(diào)分析儀，對(duì)探測(cè)器列陣、衍生光柵技術(shù)等技術(shù)進(jìn)行了集成，功耗較小，能夠在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)信息快速采集，并通過RS232和USB等電路接口與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取。而解調(diào)模塊有效范圍在1525～1565nm之間，與光源配套。通過VC++編程，能夠?qū)崿F(xiàn)函數(shù)調(diào)用，通過ADO技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫中，為應(yīng)用層Web服務(wù)端數(shù)據(jù)讀取提供支持。在振動(dòng)信號(hào)采集上，采用的DFB-FL傳感系統(tǒng)由光纖傳感頭、MZI解調(diào)光路和電信號(hào)處理模塊構(gòu)成，能夠發(fā)出攜帶待測(cè)信號(hào)的窄帶光，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和差分放大得到解調(diào)，以串口形式將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)指現(xiàn)場(chǎng)端服務(wù)器中，以便滿足當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用需求[3]。

4? 結(jié)語

綜上所述，在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的過程中，光纖技術(shù)將起到重要作用，能夠用于提高感知層和網(wǎng)絡(luò)層的建設(shè)水平，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的泛在化和智能化發(fā)展。因此，在新時(shí)期，不僅需要對(duì)光纖技術(shù)加以重視，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中關(guān)鍵光纖技術(shù)的分析與學(xué)習(xí)，對(duì)該技術(shù)進(jìn)行深入的了解和探究，以便實(shí)現(xiàn)技術(shù)的科學(xué)運(yùn)用，從根本上提升利用率，為物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳靜，林雅婷，周清旭，等.基于峰值匹配分布式估計(jì)算法的光纖布拉格光柵傳感網(wǎng)絡(luò)重疊光譜的波長解調(diào)[J].光子學(xué)報(bào)，2019，48（4）：85-92.

[2] 殷愛菡，陳偉.一種高可靠性多環(huán)型布拉格光柵傳感網(wǎng)絡(luò)[J].光通信研究，2018（5）：14-17，32.

[3] 由麗，王飛，張艷艷.物聯(lián)網(wǎng)中的光纖技術(shù)[J].光通信技術(shù)，2015，39（5）：26-28.