基于分布式FBG的智能家居環(huán)境測控系統(tǒng)研究

張雅博，李博，任孝鋒，王佳，馬鴿

(鄭州成功財經(jīng)學院，河南鄭州，451200)

基于分布式FBG的智能家居環(huán)境測控系統(tǒng)研究

張雅博，李博，任孝鋒，王佳，馬鴿

(鄭州成功財經(jīng)學院，河南鄭州，451200)

基于分布式光纖布拉格光柵（FBG）的分布式測量以及FBG的測量精度高、體積小、不易腐蝕等優(yōu)點，將其應(yīng)用于智能家居環(huán)境監(jiān)測進行研究。系統(tǒng)中采用可調(diào)諧F-P（Fabry-Perot）濾波法解調(diào)原理，利用可編程邏輯器件FPGA設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、解調(diào)速度快、可實時測量的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，實現(xiàn)了對家居環(huán)境的實時測量，并進行安全報警、溫度自動調(diào)節(jié)等操作。仿真實驗表明，系統(tǒng)測量精度和靈敏度高，運行穩(wěn)定可靠，具有一定的實用價值和應(yīng)用前景。

分布式；光纖Bragg光柵（FBG）；智能家居；測控系統(tǒng)

0 引言

生活的家居環(huán)境對人們舒適、健康、安全的生活質(zhì)量有著直接影響，其中家居溫度、空氣濕度以及煤氣濃度等指標至關(guān)重要，直接影響到人們在室內(nèi)的生活，尤其是煤氣成分更是直接關(guān)系到人們的健康和生命安全，家居環(huán)境的優(yōu)良是保證人們好的生活質(zhì)量的重要前提。分布式光線布拉格光柵（FBG）傳感器由于其各個節(jié)點分布式測量以及測量精度高、不易腐蝕等優(yōu)點，在不同場合的環(huán)境測量中廣泛應(yīng)用。

1 光纖Bragg光柵傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

1.1 光纖陣列分布設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計以空間大小為100cm*30cm*30cm尺寸的構(gòu)造環(huán)境為例。根據(jù)已有的MFC的尺寸以及實驗室FBG的實際情況，設(shè)計了3組FBG傳感陣列，每個傳感光纖上有3個FBG，光纖陣列在環(huán)境內(nèi)的分布示意圖如圖1所示。

1.2 空分復(fù)用-波分復(fù)用（SDM-WDM）混合FBG網(wǎng)絡(luò)

SDM-WDM的混合FBG網(wǎng)絡(luò)既有SDM中各FBG不會因為意外事故造成監(jiān)測系統(tǒng)故障而相互獨立的特點，又有SDM可同時測量N個不同部位傳感信息的特點，共同作用實現(xiàn)對傳感陣列的同時測量。由寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器后進入光纖光柵，滿足特定波長條件的光將分別被各個光線光柵反射并沿著原路返回，經(jīng)過1х4的光路開關(guān)選擇，其中第1-3路為傳感通道，用來檢測外界的溫度變化，第4路則為參考通道，設(shè)置兩個參考光柵，對所設(shè)置的參考光柵進行恒溫控制使其中心波長不變，每次都對傳感光柵和參考光柵進行周期性的掃描，獲得相應(yīng)的傳感光柵和參考光柵的電壓值，用參考光柵電壓值把傳感光柵的驅(qū)動電壓值標定為對應(yīng)的測量波長。

圖1 MFC陽極室內(nèi)傳感陣列示意圖

2 光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 可調(diào)諧Fabry-Perot濾波器解調(diào)原理

對于每一根光纖上分布的每一個FBG傳感節(jié)點都會反射回一個中心波長不同的窄帶光波，外界溫度的變化作用于傳感FBG上，都會導(dǎo)致對應(yīng)節(jié)點中心波長的平移。通過F-P腔后形成窄帶光源，由FPGA發(fā)出的鋸齒波信號控制F-P腔的驅(qū)動電壓大小來調(diào)節(jié)其腔長。此時光電探測器不停的掃描分析Bragg波長，當通過F-P腔的透射波長與某一FBG反射中心波長相匹配時，濾波器的投射光強最大。所以，可由此時的F-P濾波器上的電壓-波長關(guān)系測得光柵反射譜峰值的位置。

經(jīng)過分布式光柵反射回來的光到達F-P濾波器時，在一個鋸齒波信號周期內(nèi)，光電探測器的輸出與壓電元件上的驅(qū)動電壓關(guān)系如圖2，記錄此時投射波峰所對應(yīng)的驅(qū)動電壓結(jié)果，然后由壓電元件的電壓-波長調(diào)諧關(guān)系即可獲得傳感光柵的中心波長。

圖2 解調(diào)原理示意圖

2.2 家居環(huán)境測控系統(tǒng)的組成

在F-P腔解調(diào)技術(shù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)將FPGA處理器作為控制核心來實現(xiàn)光纖光柵傳感的信號處理。光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)主要由光路部分和硬件部分組成。光路部分又分為光源部分、光路傳輸部分、傳感部分；硬件部分主要包括光電轉(zhuǎn)換部分、光信號采集通信部分、電源和解調(diào)驅(qū)動部分。系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖3所示。

圖3 光纖光柵波長解調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計圖

3 軟件系統(tǒng)及仿真測試

家居環(huán)境測控系統(tǒng)采用的軟件系統(tǒng)分為4個部分：初始化設(shè)置、光譜解調(diào)模塊、數(shù)據(jù)處理傳輸以及操作執(zhí)行部分。其中為了降低噪聲的影響，對采集到的反射光譜信號先進行濾波平滑、信號閥值分峰等預(yù)處理操作；數(shù)據(jù)處理傳輸部分將采集到的參數(shù)信號與預(yù)設(shè)閥值進行比較，如果超出預(yù)設(shè)范圍則通過操作執(zhí)行部分進行自動控制，并進行報警提示，處理的結(jié)果傳輸給計算機進行存取顯示。

4 結(jié)論

本文基于分布式光纖布拉格光柵傳感技術(shù)，在可調(diào)諧F-P濾波法解調(diào)原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，測量參數(shù)實時動態(tài)顯示，有效地實現(xiàn)了對家居安全多點實時動態(tài)檢測，具有自動調(diào)節(jié)、發(fā)送報警等控制功能。

[1]王凱明. 智能家居系統(tǒng)的研究[D].西安科技大學, 2005.

[2]袁源, 王紫婷, 劉洋帆. 基于FPGA和ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)[J].信息通信, 2011(6):42-43.

Research on smart home environment measurement and control system based on distributed FBG

Zhang Yabo,Li Bo,Ren Xiaofeng,Wang Jia,Ma Ge
( Chenggong College Of Henan University Of Economics And Law，Zhengzhou Henan, 451200)

Distributed optical fiber grating (FBG) is applyedon smart home environment monitoring because of its advantages such as high precision, small size, easy to corrosion, which is based on distributed fiber Prague grating. The system is based on a tunable F-P filter demodulation (Fabry-Perot) principle, designed a simple structure , high speed andreal-time measurement of fiber grating demodulation systemby using the programmable logic device FPGA realized the real-time measurement of the Home Furnishing environment, safety alarm, automatic temperature control and other operations. The simulation result shows that the system has highly accuracy and sensitivity, stable operating, certain practical value and application prospect.

Distributed;Fiber Bragg grating(FBG);smarthome; control system

國家自然科學基金：光致發(fā)熱光纖表面生物膜光生化轉(zhuǎn)化過程實時測控及強化研究（No.51406020）。