基于光纖熒光技術(shù)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳圓媛，甘英浩，張劍鋒，袁世博

（1.河南交通投資集團(tuán)，河南 鄭州 450000；2.廣州華立科技職業(yè)學(xué)院，廣東 云浮 527300；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引 言

溫度作為反映系統(tǒng)狀態(tài)的重要特征，是監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀況和工業(yè)生產(chǎn)情況的重要指標(biāo)[1]，但是目前常用的溫度監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中還存在著諸多問題。一是傳統(tǒng)測溫設(shè)備大多存在可靠性差、準(zhǔn)確度低的缺點(diǎn)，并難以在腐蝕、高壓、狹窄空間和強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中使用[2]。應(yīng)用最為廣泛的熱電偶、熱電阻接觸式測溫技術(shù)，通過電信號(hào)獲得溫度值，但在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中使用受限[3]；紅外測溫等非接觸式測溫技術(shù)基于紅外線在不同溫度下的折射光線強(qiáng)度不同進(jìn)行測溫，但對(duì)工作環(huán)境有較高要求[4]。二是目前常見的監(jiān)測方案存在信息滯后、通信不便的“信息孤島”問題，缺乏遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)多源監(jiān)測的手段。三是多數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用場景單一，智能化程度低。傳統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)控及運(yùn)行一般以集中式或者分布式的SCADA系統(tǒng)應(yīng)用為主，在區(qū)域廣、布線困難的區(qū)段，數(shù)據(jù)的獲取會(huì)變得困難。

針對(duì)以上關(guān)鍵問題，本文基于光纖熒光測溫技術(shù)，設(shè)計(jì)一種光纖熒光溫度傳感器，利用其耐腐蝕、強(qiáng)絕緣、免維護(hù)、抗電磁干擾和穩(wěn)定性較好等特點(diǎn)[5]，提高測溫的精度和準(zhǔn)度，并解決其惡劣環(huán)境應(yīng)用受限問題；通過無線橋接的方法，利用WiFi模塊對(duì)傳感器進(jìn)行組網(wǎng)，并基于“一套系統(tǒng)+N個(gè)場景”的智慧系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，從感知層、傳輸層和應(yīng)用層三方面進(jìn)行創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出一種使用范圍廣、集成化程度高的溫度監(jiān)測云平臺(tái)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于光纖熒光技術(shù)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的光纖熒光測溫傳感器；網(wǎng)絡(luò)層由網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、有線或無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)組成，將傳感器采集的溫度信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給應(yīng)用層；應(yīng)用層由PC端和云平臺(tái)構(gòu)成。

圖1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 感知層

基于熒光光纖測溫技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)一種小體積測溫傳感器，溫度檢測范圍為-50～150 ℃，檢測精度為±0.5 ℃。著重進(jìn)行光路和電路兩方面設(shè)計(jì)，前者包括探頭、光路耦合和光電探測器的選型和設(shè)計(jì)，后者著重對(duì)光源驅(qū)動(dòng)電路和光電轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。充分利用光信號(hào)傳輸快這一特點(diǎn)，從原理上保證傳感器的高精度、快響應(yīng)，有效地實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)距離測量[6]，滿足智慧校園快速精準(zhǔn)感知。

1.2 傳輸層

本系統(tǒng)綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)云平臺(tái)等技術(shù)，通過組網(wǎng)的方式，在范圍廣、布線困難的校園區(qū)域，結(jié)合現(xiàn)有硬件設(shè)施，更加方便地傳輸數(shù)據(jù)[7]，可靠性更高，有效地解決了傳輸過程中存在的信息滯后、通信不便等“信息孤島”問題[8]，適用于智慧校園。

1.3 應(yīng)用層

用多個(gè)溫度傳感器及其他輔助傳感器、執(zhí)行器和開關(guān)等自組網(wǎng)模擬系統(tǒng)，在Web端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化與遠(yuǎn)程控制。通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)器的數(shù)據(jù)可以通過智能手機(jī)的APP或者電腦端顯示出來；在校園中央監(jiān)控室，可以對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)按照既定算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，及早通過數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，并發(fā)送報(bào)警信息[9]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)框架

硬件系統(tǒng)包括光路部分、電路部分、數(shù)據(jù)處理模塊等，如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

2.2 光路部分

光路部分如圖3所示，首先由激勵(lì)光源產(chǎn)生一系列脈沖激勵(lì)光，經(jīng)分光器和耦合器進(jìn)入光纖。通過光纖，激勵(lì)光被傳輸?shù)教筋^照射到熒光物質(zhì)上，熒光材料被激發(fā)產(chǎn)生熒光。撤去激勵(lì)光，將熒光余暉信號(hào)通過同一根光纖傳入光電轉(zhuǎn)換模塊。

圖3 光路部分結(jié)構(gòu)

（1）光纖探頭

熒光材料產(chǎn)生的余暉的壽命隨著溫度變化而變化，其產(chǎn)生的光信號(hào)被用來測量熒光余暉的壽命。紅寶石熔點(diǎn)高、硬度大、抗氧化強(qiáng)，其熒光具有很好的溫度特性，因此選用紅寶石作為熒光材料。

（2）激勵(lì)光源

紅寶石晶體的吸收光譜峰值在410 nm和550 nm處，吸收系數(shù)在410 nm處最大。紅寶石的熒光光譜的峰值在694 nm左右，激勵(lì)光波長與熒光波長距離越遠(yuǎn)，濾除激勵(lì)光越方便。綜合吸收系數(shù)和便于濾波兩個(gè)因素，選用EPITEX 的L420R-02系列LED，其中心波長為420 nm，功率為50 mW。

（3）光路耦合

為提高光路耦合效率，在熒光余暉通過透鏡1和濾波片后，添加透鏡2，使余暉經(jīng)過透鏡2耦合到光電探測器上。選擇625 nm長波通濾光片，濾波效果如圖4所示。

圖4 濾波效果

2.3 電路部分

電路部分由驅(qū)動(dòng)電路和光電轉(zhuǎn)換電路組成，如圖5所示。

圖5 電路部分結(jié)構(gòu)

（1）驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路中驅(qū)動(dòng)光源的強(qiáng)度直接影響熒光余暉的強(qiáng)度。光強(qiáng)過強(qiáng)超出電路調(diào)節(jié)范圍時(shí)，采樣數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真；光強(qiáng)過弱則影響電路中解調(diào)部分的精度。針對(duì)電信號(hào)受各因素影響產(chǎn)生的抖動(dòng)問題，在驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)計(jì)反饋控制結(jié)構(gòu)?；陔娐方庹{(diào)后的信號(hào)，給電路一個(gè)負(fù)相關(guān)的修正信號(hào)，使解調(diào)后的信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定。圖6為光源驅(qū)動(dòng)電路。

圖6 光源驅(qū)動(dòng)電路

（2）光電轉(zhuǎn)換電路

光電探測部分將接收到的熒光余暉信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱電信號(hào)，隨后通過差分放大電路進(jìn)行放大。放大后的信號(hào)再通過A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。測溫范圍內(nèi)的熒光壽命大概在2～3 ms之間，STM32片內(nèi)12位ADC最高采樣速率可達(dá)2 MHz，滿足對(duì)ADC采樣頻率的要求，可以作為主控芯片。光電轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。

圖7 光電轉(zhuǎn)換電路

2.4 數(shù)據(jù)處理部分

數(shù)據(jù)處理部分著重針對(duì)電信號(hào)受環(huán)境因素影響產(chǎn)生的抖動(dòng)問題，引入最小二乘法，并用組合濾波方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以改進(jìn)溫度數(shù)據(jù)在惡劣環(huán)境下的傳輸精度[10]。其流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)處理流程

為了更好地還原出熒光強(qiáng)度衰減曲線，采樣頻率選擇1 MHz，分辨率為12位。傳感器通過光電轉(zhuǎn)換模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，對(duì)采集到的電壓進(jìn)行處理可以得到熒光壽命。熒光壽命的數(shù)學(xué)模型為指數(shù)函數(shù)模型，通過最小二乘擬合，找到一條與被測熒光余暉測量數(shù)據(jù)方差最小的曲線來代表熒光余暉測量數(shù)據(jù)，并用這條指數(shù)曲線的特性來代表熒光余暉的壽命；然后進(jìn)行組合濾波處理，得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)設(shè)計(jì)

溫度傳感器測得的溫度值需要在系統(tǒng)服務(wù)終端進(jìn)行顯示，其中各個(gè)傳感器無線傳輸模塊的傳輸需要組網(wǎng)，結(jié)合校園內(nèi)的硬件設(shè)施，在此系統(tǒng)中采用通信模塊和路由器進(jìn)行組網(wǎng)。組網(wǎng)方式采用無線橋接的方法，子路由器進(jìn)行信息傳輸，各個(gè)子路由再與主路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最終實(shí)現(xiàn)將傳感器的溫度值傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)終端?？傮w的組網(wǎng)如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)組網(wǎng)形式示意圖

WiFi模塊選用ESP8266MOD，模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的完整TCP/IP協(xié)議棧，簡單配置后便可以非常便利地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)訪問功能。將程序燒錄至STM32開發(fā)板，將WiFi模塊插入通信底板，以JSON形式將溫度數(shù)據(jù)上傳至云端數(shù)據(jù)平臺(tái)，流程如圖10所示。

圖10 云平臺(tái)軟件流程

4 系統(tǒng)測試與分析

溫度監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)物如圖11所示。

圖11 溫度監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)物

云平臺(tái)軟件界面如圖12所示，目前顯示傳感器組網(wǎng)成功。

圖12 云平臺(tái)軟件界面

當(dāng)云平臺(tái)接收到傳感器測得異常數(shù)據(jù)信息時(shí)，云平臺(tái)發(fā)生報(bào)警，并通過手機(jī)短信提醒相關(guān)工作人員進(jìn)行維修，如圖13所示。

圖13 手機(jī)報(bào)警短信

針對(duì)不同用戶的需求，該云平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)可視化顯示和報(bào)警；本系統(tǒng)還可進(jìn)行應(yīng)用拓展，將濕度傳感器、煙霧傳感器、火焰檢測傳感器接入本系統(tǒng)，可應(yīng)用于智能環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

5 結(jié) 語

本文基于光纖熒光測溫技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)測溫傳感器，利用其耐腐蝕、強(qiáng)絕緣、免維護(hù)、抗電磁干擾、穩(wěn)定性較好等特點(diǎn)，提高測溫傳感器的精度和準(zhǔn)確性，并解決其惡劣環(huán)境應(yīng)用受限問題；結(jié)合STM32設(shè)計(jì)出實(shí)時(shí)溫度采集系統(tǒng)，并基于“一套系統(tǒng)+N個(gè)場景”的智慧系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)，設(shè)計(jì)出一種使用范圍廣、高集成化的溫度監(jiān)測云平臺(tái)系統(tǒng)，拓展其在智慧消防、管網(wǎng)監(jiān)測、電氣火災(zāi)防范等智慧校園場景下的應(yīng)用。