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

陳圓媛，甘英浩，張劍鋒，袁世博

（1.河南交通投資集團，河南 鄭州 450000；2.廣州華立科技職業(yè)學院，廣東 云浮 527300；3.哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程及自動化學院，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)運行狀況和工業(yè)生產(chǎn)情況的重要指標[1]，但是目前常用的溫度監(jiān)測系統(tǒng)在實際應(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、準確度低的缺點，并難以在腐蝕、高壓、狹窄空間和強電磁干擾的環(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)，通過電信號獲得溫度值，但在強電磁干擾環(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度不同進行測溫，但對工作環(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，缺乏遠距離實時多源監(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)的獲取會變得困難。

針對以上關(guān)鍵問題，本文基于光纖熒光測溫技術(shù)，設(shè)計一種光纖熒光溫度傳感器，利用其耐腐蝕、強絕緣、免維護、抗電磁干擾和穩(wěn)定性較好等特點[5]，提高測溫的精度和準度，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模塊對傳感器進行組網(wǎng)，并基于“一套系統(tǒng)+N個場景”的智慧系統(tǒng)設(shè)計框架，從感知層、傳輸層和應(yīng)用層三方面進行創(chuàng)新，設(shè)計出一種使用范圍廣、集成化程度高的溫度監(jiān)測云平臺系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

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 ℃。著重進行光路和電路兩方面設(shè)計，前者包括探頭、光路耦合和光電探測器的選型和設(shè)計，后者著重對光源驅(qū)動電路和光電轉(zhuǎn)換電路進行設(shè)計。充分利用光信號傳輸快這一特點，從原理上保證傳感器的高精度、快響應(yīng)，有效地實現(xiàn)溫度的實時、遠距離測量[6]，滿足智慧校園快速精準感知。

1.2 傳輸層

本系統(tǒng)綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)云平臺等技術(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端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化與遠程控制。通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)器的數(shù)據(jù)可以通過智能手機的APP或者電腦端顯示出來；在校園中央監(jiān)控室，可以對存儲的數(shù)據(jù)按照既定算法進行數(shù)據(jù)分析，及早通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，并發(fā)送報警信息[9]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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，首先由激勵光源產(chǎn)生一系列脈沖激勵光，經(jīng)分光器和耦合器進入光纖。通過光纖，激勵光被傳輸?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。撤去激勵光，將熒光余暉信號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)生的光信號被用來測量熒光余暉的壽命。紅寶石熔點高、硬度大、抗氧化強，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，激勵光波長與熒光波長距離越遠，濾除激勵光越方便。綜合吸收系數(shù)和便于濾波兩個因素，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)動電路

驅(qū)動電路中驅(qū)動光源的強度直接影響熒光余暉的強度。光強過強超出電路調(diào)節(jié)范圍時，采樣數(shù)據(jù)嚴重失真；光強過弱則影響電路中解調(diào)部分的精度。針對電信號受各因素影響產(chǎn)生的抖動問題，在驅(qū)動電路中設(shè)計反饋控制結(jié)構(gòu)?；陔娐方庹{(diào)后的信號，給電路一個負相關(guān)的修正信號，使解調(diào)后的信號相對穩(wěn)定。圖6為光源驅(qū)動電路。

圖6 光源驅(qū)動電路

（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轉(zhuǎn)換為微弱電信號，隨后通過差分放大電路進行放大。放大后的信號再通過A/D轉(zhuǎn)換模塊進行轉(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2 MHz，滿足對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)處理部分著重針對電信號受環(huán)境因素影響產(chǎn)生的抖動問題，引入最小二乘法，并用組合濾波方法進行數(shù)據(jù)處理，以改進溫度數(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)換模塊將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，對采集到的電壓進行處理可以得到熒光壽命。熒光壽命的數(shù)學模型為指數(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；然后進行組合濾波處理，得到準確的數(shù)據(jù)。

3 物聯(lián)網(wǎng)云平臺設(shè)計

溫度傳感器測得的溫度值需要在系統(tǒng)服務(wù)終端進行顯示，其中各個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行組網(wǎng)。組網(wǎng)方式采用無線橋接的方法，子路由器進行信息傳輸，各個子路由再與主路由進行數(shù)據(jù)傳輸，最終實現(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，模塊支持標準的完整TCP/IP協(xié)議棧，簡單配置后便可以非常便利地實現(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，流程如圖10所示。

圖10 云平臺軟件流程

4 系統(tǒng)測試與分析

溫度監(jiān)測系統(tǒng)的實物如圖11所示。

圖11 溫度監(jiān)測系統(tǒng)實物

云平臺軟件界面如圖12所示，目前顯示傳感器組網(wǎng)成功。

圖12 云平臺軟件界面

當云平臺接收到傳感器測得異常數(shù)據(jù)信息時，云平臺發(fā)生報警，并通過手機短信提醒相關(guān)工作人員進行維修，如圖13所示。

圖13 手機報警短信

針對不同用戶的需求，該云平臺可實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)可視化顯示和報警；本系統(tǒng)還可進行應(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)計測溫傳感器，利用其耐腐蝕、強絕緣、免維護、抗電磁干擾、穩(wěn)定性較好等特點，提高測溫傳感器的精度和準確性，并解決其惡劣環(huán)境應(yīng)用受限問題；結(jié)合STM32設(shè)計出實時溫度采集系統(tǒng)，并基于“一套系統(tǒng)+N個場景”的智慧系統(tǒng)設(shè)計框架，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和云平臺，設(shè)計出一種使用范圍廣、高集成化的溫度監(jiān)測云平臺系統(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。