光纖傳感器以及其在物聯(lián)網(wǎng)中的應用.doc

光纖傳感物聯(lián)網(wǎng)技術與應用摘要：物聯(lián)網(wǎng)作為信息時代一個新的里程碑，成為了最近通信領域研究的一大熱點，隨著物聯(lián)網(wǎng)和光纖傳感技術的發(fā)展，光纖傳感與物聯(lián)網(wǎng)的結合也是目前研究的一大課題，其在各行各業(yè)的應用亦具有很大的前景。本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)的相關技術、框架和應用狀況，簡單的描述了光纖傳感器的分類、發(fā)展和應用，分析了光纖傳感技術在物聯(lián)網(wǎng)中的應用，介紹了一個光纖傳感物聯(lián)網(wǎng)在礦井安全中的具體應用。關鍵字: 物聯(lián)網(wǎng) 光纖傳感 光纖傳感物聯(lián)網(wǎng)A Survey On The Fiber-optical IOTAbstract：The growth of the Internet of Things ( IOT ) industry has become a new mark of the communication domain. As the development of the technology of the IOT and the fiber-optical sensor, the combination of the both is a big question to be discussed, and the fiber-optical IOT also has a good development prospect. This article first introduces IOTs current status, the key technology, the theoretical frame and the applications. Then, it discusses the classification of the optical fiber sensor as well as the development and its applications situation. Lastly , it puts the optical fiber sensing technology into the IOT, and introduces a specific application which is used in the mine safety based on the fiber-optical IOT.Key words: IOT fiber-optical sensor fiber-optical IOT前言物聯(lián)網(wǎng)是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信之后的新一輪信息技術革命，正推動著信息技術在各行各業(yè)更深入應用的新一輪信息化浪潮。其是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎之上，通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡，其核心和基礎依然是互聯(lián)網(wǎng)，但是是在互聯(lián)網(wǎng)上的延伸與擴展，使得其可以與多種網(wǎng)絡進行互聯(lián)實現(xiàn)多網(wǎng)的無縫通信。光纖傳感技術，是近幾年來迅速發(fā)展起來的新型技術，已經(jīng)在能源、醫(yī)療、航天、化工、環(huán)境等領域得到普遍應用，相比傳統(tǒng)的檢測技術，光纖傳感技術具有遠程傳輸、多參數(shù)、復用能力強、易于組網(wǎng)、實時在線、抗干擾、本質(zhì)安全等優(yōu)點，便于綜合分析各方面的信息，能夠大大提高現(xiàn)有安全監(jiān)測及生產(chǎn)自動化水平。近些年來，國際上各種特殊功能的光纖、有源器件、無源器件相繼問世，并在性能上有了很大的提高，價格也相應的降低，因而大大的促進了光纖傳感器技術在信息傳輸和感測方面的廣泛應用。在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中，光纖通信網(wǎng)絡能承載更高的帶寬，適合長距離傳輸，非常適宜物聯(lián)網(wǎng)應用的拓展，在物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡層得到了應用。物聯(lián)網(wǎng)的底層要用到各種各樣大量的傳感器，來提供物聯(lián)網(wǎng)感知層的初始信息，光纖傳感器迅速崛起, 其集成了光纖技術、激光技術和光電探測等多領域所取得的巨大成就，具有諸多優(yōu)點，在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的推動下，正廣泛的應用于國民經(jīng)濟以及人們生活的各個領域。1、 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展概述1.1 物聯(lián)網(wǎng)的定義物聯(lián)網(wǎng)的概念是在1999年提出的，物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，其英文名稱為“internet of things”。至今，物聯(lián)網(wǎng)還沒有一個統(tǒng)一的定義。一般國際通用的定義是通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡1。歐盟有關物聯(lián)網(wǎng)的定義是物聯(lián)網(wǎng)是未來互聯(lián)網(wǎng)的一部分， 能夠被定義為基于標準和交互通信協(xié)議的具有自配置能力的動態(tài)全球網(wǎng)絡設施， 在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)物理和虛擬的物件具有身份、物理屬性、擬人化等特征，它們能夠被一個綜合的信息網(wǎng)絡所連接1。我國的政府工作報告中對物聯(lián)網(wǎng)如下定義：物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。1.2 物聯(lián)網(wǎng)的體系架構在系統(tǒng)研究中，體系架構是指導具體系統(tǒng)設計的一個首要前提，體系架構是設計也將會決定物聯(lián)網(wǎng)的技術細節(jié)、應用模式和發(fā)展趨勢。目前，國內(nèi)的研究人員在描述物聯(lián)網(wǎng)的體系架構的時候，多會采用ITU-T在Y.2002建議中描述的USN高層架構作為基礎，自下而上分為傳感網(wǎng)絡、接入網(wǎng)絡、骨干網(wǎng)絡、中間件以及應用平臺五個層次。除了ITU外，其他的國際標準化組織也從不同的側面對物聯(lián)網(wǎng)的架構進行了描述和研究，如歐洲電信標準協(xié)會及其對機器技術委員會從端到端的角度提出了一個簡單的M2M架構，即通過M2M核心網(wǎng)絡構成的網(wǎng)絡域?qū)2M應用域與M2M設備域相連。這是對USN體系架構的一個簡化。圖2.1 物聯(lián)網(wǎng)的體系架構目前普遍認為的物聯(lián)網(wǎng)體系架構是將物聯(lián)網(wǎng)分為三層，感知層、網(wǎng)絡層和應用層2。如圖2.1所示。感知層由各種類型的采集和控制模塊組成，如RFID標簽和讀寫器，傳感器網(wǎng)絡，溫度、聲音、振動等傳感器，二維條碼，各種終端等。主要是要來感知底層信息，完成物聯(lián)網(wǎng)應用中的數(shù)據(jù)采集和設備控制功能。是物聯(lián)網(wǎng)應用和發(fā)展的基礎。感知層一般包括數(shù)據(jù)采集和短距離傳輸兩部分，即通過傳感設備感知來的信息和數(shù)據(jù)通過無線或者總線等短距離傳輸技術傳遞到網(wǎng)關，將信息遞交給上層。網(wǎng)絡層則是在現(xiàn)有網(wǎng)絡的基礎上建立，對現(xiàn)有的網(wǎng)絡進行融合和擴展，形成多種網(wǎng)絡有機融合的多種異構網(wǎng)絡共存的一種網(wǎng)絡，主要承當數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，能夠?qū)⒏兄獙痈兄降臄?shù)據(jù)無障礙的、高可靠性、高安全性的進行傳送，尤其是遠距離的傳送。同時感知層還包括部分對于感知數(shù)據(jù)的管理和處理技術3。應用層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的驅(qū)動力和目的。應用層的主要功能是把感知和傳輸來的信息進行分析和處理，做出正確的控制和決策，實現(xiàn)智能化的管理、應用和服務。這一層解決的是信息處理和人機界面的問題。 具體講就是把網(wǎng)絡層傳來的數(shù)據(jù)通過各類信息系統(tǒng)進行處理，并且通過各種設備來與人進行交互。通?？梢詣澐譃閮蓚€子層：應用程序?qū)雍徒K端設備層。1.3 物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術物聯(lián)網(wǎng)中的技術是信息、通信、傳感器以及自動控制等多種技術的綜合體，我們可以將技術分為應用層、網(wǎng)絡層以及感知層三個層次。在感知層中，關鍵技術主要涉及到傳感器技術、RFID技術、近距離的無線通信、自組織網(wǎng)、中間件以及嵌入式系統(tǒng)等。在網(wǎng)絡層，則主要包括異構網(wǎng)絡融合、M2M、認知無線電技術以及網(wǎng)絡環(huán)境感知等技術。在應用層，根據(jù)體系結構，我們可以知道主要要考慮到的技術有海量數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)挖掘、云計算、資源虛擬化、軟件體系結構等4。圖2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術體系架構在感知層中，感知層的技術主要包括數(shù)據(jù)采集技術和短距離通信以及協(xié)同信息處理技術兩部分5。在數(shù)據(jù)采集技術中，傳感器技術，能感受到被測的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。，RFID技術主要是利用射頻信號通過空間電磁耦合實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息實現(xiàn)物體識別。RFID技術既可以看做是設備標識技術，也可以看成是短距離通信技術中的一種。在短距離通信技術中，常見的有zigbee技術，是一種短距離低功耗的無線傳輸技術，適合用于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務。在網(wǎng)絡層中，我們主要考慮的是網(wǎng)絡與通信技術。網(wǎng)絡是物聯(lián)網(wǎng)信息傳遞和服務支撐的基礎設施，通過泛在的互聯(lián)功能，實現(xiàn)感知信息高可靠性、高安全性傳送。除了考慮傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術，我們主要考慮的是異構網(wǎng)絡融合技術，將多種無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡進行有機的融合形成一個信息互通的統(tǒng)一網(wǎng)絡，摒除信息孤島，形成全球信息一體化。在應用層中，與普通網(wǎng)絡不一樣的是，海量感知信息的甲酸與處理計算，成為物聯(lián)網(wǎng)應用大規(guī)模發(fā)展之后需要考慮的主要問題，實現(xiàn)海量信息的數(shù)據(jù)融合、高效存儲、語義分析、并行處理以及數(shù)據(jù)挖掘等功能具有十分重要的功能6。此外，物聯(lián)網(wǎng)的公共管理和支撐技術也是物聯(lián)網(wǎng)建設需要考慮的首要問題，由于物聯(lián)網(wǎng)具有開放性、包容性以及自治性，所以我們要研究新的物聯(lián)網(wǎng)管理模型與關鍵技術以及更加優(yōu)化的安全保障技術來保證物聯(lián)網(wǎng)的正常發(fā)展。1.4 物聯(lián)網(wǎng)的應用物聯(lián)網(wǎng)作為一個新興的先進的網(wǎng)絡技術，在生產(chǎn)生活的各個領域都得到了廣泛的應用，尤其是智能電網(wǎng)，智能交通，智能物流，安全監(jiān)控，智能家居等方面均有了相應的研究7。尤其在生態(tài)監(jiān)視中，利用傳感器或者RFID進行全面感知，通過異構網(wǎng)絡進行可靠傳輸以及信息處理，最后通過對信息的虛擬現(xiàn)實、生態(tài)分析、云計算等實現(xiàn)智能監(jiān)控。利用物聯(lián)網(wǎng)技術，可是實時的進行數(shù)據(jù)監(jiān)控，為各行各業(yè)帶去了便利。而在我們未來的生活中，物聯(lián)網(wǎng)必將會無處不在，使得人們的生活更加的智能化，物聯(lián)網(wǎng)技術將會成為我國發(fā)展現(xiàn)代服務業(yè)的重要組成部分，為人類生活帶來顛覆性的變革和巨大的商機。2、 光纖傳感技術的發(fā)展與應用2.1 光纖傳感器的特點以及分類光纖傳感器不僅具有傳統(tǒng)傳感器所具有的技術基礎，而且具有很多獨特的優(yōu)點。光纖傳感器技術光纖傳感器技術利用光波通過光纖傳輸時相位、偏振態(tài)、波長等參量隨外界因素的變化來感測相應的外界物理量的變化, 實現(xiàn)傳與感的測量。光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質(zhì)（如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)8。光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，其具有許多優(yōu)點，其采用廣播傳遞信息，不受電磁干擾，耐腐蝕耐高壓；采用相位相干技術，靈敏度高，同時重量輕、體積小，適用性強；并且其頻帶寬，動態(tài)測量范圍廣，提高了測量的可靠性和準確性，此外，光纖傳感器還可以對各種物理量進行檢測，是傳感器范圍內(nèi)研究的一大突破。光纖傳感器可以按傳感原理分為兩類，一類稱為功能型傳感器，它的光纖對被測信號兼有敏感和傳輸?shù)淖饔?，即它具有傳與感合一的特點。另一類稱為非功能型傳感器，它的光纖僅起傳輸?shù)淖饔?，而對被測信號的感覺則是利用其他光學敏感元件來完成的。光纖傳感器還可以按光波在光纖中被調(diào)制的原理分為：光強調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型等幾種形式5。2.2 光纖傳感器的發(fā)展概況自光纖傳感器發(fā)展以來，它就在一些發(fā)達國家受到了重視，這些國家集中了人力物力財力，開展了大量的研究，取得了顯著的成績，今年來，國際上關于光纖傳感器的研究十分的活躍，投資經(jīng)費逐年增加， 并且其應用市場也逐漸增加。美國的光纖傳感器研究住喲啊用于研究光纖核輻射控制以及數(shù)字光纖控制系統(tǒng)，而日本的光纖傳感器則進入到了很多國家的市場。在中國，光纖傳感器技術的研究和開發(fā)是在70年代開始起步的，目前，我國的光纖傳感器的研究主要集中在高等院校和研究所等單位進行，部分企業(yè)也正在積極的和高效進行合作研究，從國家整體的范圍來看，目前光纖傳感器的涉及領域在不斷的擴大，已經(jīng)有部分技術產(chǎn)品投入到了市場，其中，比較成熟的技術包括：清華大學光纖傳感中心與總后合作研制開發(fā)的光纖油罐液位與溫度測量系統(tǒng)，已經(jīng)安裝運行數(shù)年；北京航空航天大學與總裝合作研制的光纖陀螺系統(tǒng)，目前指標為0.2/hr ； 中國計量學院研制的分布式光纖傳感系統(tǒng)，已有產(chǎn)品報道；華中理工大學與廣東某公司聯(lián)合研制的強電壓、大電流傳感系統(tǒng)。此外，在廣東、深圳等地，還建立了許多光纖無源器件生產(chǎn)廠家。由于光纖傳感器未能跨越產(chǎn)品化的門檻，并未像光纖通信產(chǎn)業(yè)那樣成指數(shù)型增長，許多與我們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P的傳感器產(chǎn)品（如交通管理、警報裝置等）和大量的測試儀器依然依賴于進口，亟待發(fā)展的空間非常廣闊6。2.3 光纖傳感器的應用以及發(fā)展動向光纖傳感器的應用于對磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流和應變等物理量的測量7。其應用范圍很廣，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1、城市建設中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應用。光纖傳感器可預埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復合材料中，用于測試應力松弛、施工應力和動荷載應力，從而評估橋梁短期施工階段和長期營運狀態(tài)的結構性能。2、在電力系統(tǒng)，需要測定溫度、電流等參數(shù)，如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉子內(nèi)的溫度檢測等，由于電類傳感器易受電磁場的干擾，無法在這類場合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的高新技術。3、易燃易爆物的生產(chǎn)過程與設備的溫度測量。光纖傳感器在本質(zhì)上是防火防爆器件，它不需要采用隔爆措施，十分安全可靠。與電學傳感器相比，既能降低成本又能提高靈敏度8。此外，其還可以在鐵路監(jiān)控、火箭推進系統(tǒng)以及油井檢測等等方面應用，光纖傳感器的應用多種多樣，可以運用到我國的各行各業(yè)，相信光纖傳感技術具有很大的市場潛力。3、 光纖傳感技術在物聯(lián)網(wǎng)中的應用探討3.1 光纖傳感技術在感知層的應用在物聯(lián)網(wǎng)中要用到各種各樣的大量的傳感器，光纖傳感器以其不同于傳統(tǒng)傳感器的優(yōu)勢，在物聯(lián)網(wǎng)中的應用將會是無可比擬的。其在物聯(lián)網(wǎng)感知層的應用，一方面可以應用于各種各樣環(huán)境的檢測，給物聯(lián)網(wǎng)帶來更為及時的檢測信息，并且不受檢測環(huán)境的影響，另一方面其可以給整個網(wǎng)絡的信息帶來更高的檢測靈敏度，保證了網(wǎng)絡中信息的準確性和可靠性，并且，其傳感合一的特性適宜形成分布式的傳感系統(tǒng)，在長距離線路上進行連續(xù)傳感檢測和傳輸，這在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡中是非常必要的，適宜物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構的搭建9。3.2 應用案例分析在礦井光纖物聯(lián)網(wǎng)云連接平臺技術的研究中，我們針對礦井安全檢測問題，提出了一種通用的光纖傳感器物聯(lián)網(wǎng)的接口，搭建了一個光纖傳感物聯(lián)網(wǎng)10。其中，系統(tǒng)由用戶、互聯(lián)網(wǎng)、云連接平臺和光纖傳感器幾部分構成，其中光纖傳感器是采集獲取信息的主要途徑，用于監(jiān)測礦井內(nèi)瓦斯?jié)舛?、溫度、水位、振動、濕度、粉塵濃度、有害氣體等等；云連接平臺，用于將各式各樣的、不同參數(shù)的光纖傳感器獲取的信息收集起來，并通過信號變換，最終統(tǒng)一傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)格式上傳至井上監(jiān)控室或者互聯(lián)網(wǎng)，同時也會獲取對某一終端的控制指令，將指令轉換為終端設備可以辨識的指令格式，發(fā)送給設備控制端實現(xiàn)設備控制；互聯(lián)網(wǎng)功能就是信息的傳遞。此系統(tǒng)對我國煤礦安全提供一個更加有效的解決方案，大大提升煤礦安全檢測的能力和水平10。4、 總結文章針對物聯(lián)網(wǎng)的框架技術以