基于GSM和光纤光栅传感器的危险环境状态远程监测技术研究

史振江　 李志全

（石家庄铁路职业技术学院1）　 河北石家庄　050041　 燕山大学2）　 河北秦皇岛　066004)

基于GSM和光纤光栅传感器的危险环境状态远程监测技术研究

史振江1）李志全2）

（石家庄铁路职业技术学院1）河北石家庄050041 燕山大学2）河北秦皇岛066004)

针对危险环境状态监测的特殊性问题，提出利用光纤光栅传感器对环境温度进行实时检测，利用光纤F-P滤波器完成光纤光栅反射波信号解调，利用单片机控制GSM模块实现温度数据的远程无线传输。利用VB开发了上位机图形界面，实现了实时在线监测温度、构建数据档案、智能分析处理等功能。实验证明，系统可以对环境温度进行及时预警进而在一定程度上避免危险发生。

光纤光栅 信号解调 无线传输 状态监测 F-P滤波器

近年来，随着工业化和市场经济快速发展，由于安全监测技术落后，危险品的仓储运输以及危险环境中的工业生产时有重大安全事故发生[1-2]。利用传统的电类传感器进行安全状态监测，在安全性和耐腐蚀性方面很难满足现场监测的需求。

光纤光栅传感器由于结构可实现结构化、易于集成和埋覆测量，对传感信息采用本征性波长编码，免受电磁噪声和光强波动的干扰，并且便于利用复用（波分、时分、空分）技术实现对多种传感量[3]（应力、温度、强磁场等）的分布式多点测量，在民用工程、航空、船舶、电力和石油等领域的安全监测方面有着广阔的应用前景，已成为危险环境下微弱信号检测的重要研究方向。

全球移动通信系统（GSM）是我国覆盖面最广的一种数字移动通信网络。基于GSM的短信息服务，是一种在移动网络上传送简短信息的无线应用，是一种信息在移动网络上储存和转寄的过程，具有成本低廉、覆盖范围广、可靠性高、系统架构灵活等优点，因此得到了广泛的应用[4-8]。

本文利用光纤光栅传感器对危险环境的温度进行实时监测，并通过GSM模块将温度数据以短信形式发送到远程上位机进行数据存储与显示。

1　光纤光栅传感器测温原理

光纤光栅测量温度就是从被温度调制的光波中提取外界温度数据。宽带光源发出的光经过FBG时,由模式耦合理论可知，只有波长满足Bragg条件

的光波才能被FBG反射回来，其余波长的光被透射。其中，λB是FBG中心反射波长；neff为纤芯有效折射率；Λ为光栅栅距。当外界的温度发生变化时，由（1）式的微分可得知Bragg波长的变化量为

从而实现了温度对反射信号光的波长编码调制。因此，通过实时监测Bragg中心反射波长变化量ΔλB，再根据Δneff、ΔΛ与温度之间的线性关系即可获得温度的变化，这个过程也称为光纤光栅解调技术。光纤光栅解调方法有很多，如边缘滤波法[9]、匹配光栅滤波法[10]、可调光纤F-P滤波器[11]、非平衡M-Z光纤干涉仪解调[12]等。光纤光栅解调关键就是要有效地测量其Bragg波长变化量ΔλB。然而直接测量ΔλB很不方便，人们往往将其转换为其它参数进行检测再作逆推计算间接得到ΔλB。

本文设计的解调系统利用光纤F-P滤波器透射波长与施加于自身锯齿波电压之间的对应关系，通过检测锯齿波电压间接计算出光纤光栅的反射波长变化量，从而实现光纤光栅传感信号的解调。本文利用单片机和可调光纤F-P滤波器设计了光纤光栅的解调系统，系统结构框图如图1所示。

图1　光纤光栅解调系统结构框图

图2　GSM模块收发短信消息的控制示意图

光源所发出的光耦合到传感光栅中，传感光栅将符合布拉格波长的光反射到可调光纤F-P滤波器中，单片机控制16位加法计数器给D/A转换电路提供数字量使其输出锯齿波，利用锯齿波的电压变化调节粘贴在光纤F-P滤波器上面的压电陶瓷（逆压电效应）的长度，即间接调节光纤F-P腔的腔长，进而使不同中心波长值的光信号通过光纤F-P滤波器时出现最大透射光强，这就是光纤F-P滤波器的滤波特性，利用光纤F-P滤波器的滤波特性对传感光栅的反射光进行窄带扫瞄滤波，在每个扫瞄周期内都会得到被待测量调制的传感光栅的反射谱，然后利用光电转换电路将接收到的光栅反射谱的光强信号转换成表征光强的电流信号，再经过放大和整形电路将电流信号转换成对应的矩形脉冲电压信号，利用中断触发电路将脉冲信号的上升沿和下降沿处理后去触发单片机的中断引脚，单片机在中断处理程序中分别锁定上升沿和下降沿时刻16位加法计数器的计数值，即驱动压电陶瓷的锯齿波的电压值，将两次计数值送入数据存储单元并计算它们的平均值，此平均值即是和传感光纤光栅反射波中心波长对应的压电陶瓷的驱动电压值，通过和预先定标的光纤F-P滤波器的电压与透过光波长的对应关系比较，就可以得到传感光栅反射波的中心波长值和相应的波长变化量ΔBλ，通过和预先测定的应变值与传感光栅中心波长变化量的对应关系比较，便可得到作用于传感光栅的温度值。

2　GSM模块收发短消息的控制

本文利用宏晶公司的8位双串口单片机STC12C5A60S2控制西门子的 TC35型GSM模块进而实现危险环境温度数据的远程传输。GSM模块与单片机之间通过串口进行通信。GSM模块收发短消息的控制示意图如图 2 所示。在危险环境现场，单片机对光纤光栅传感器测得的温度数据进行处理，并通过RS232串口控制GSM模块将温度数据发送出去。在远程监控室，单片机通过串口2控制GSM模块接收，然后通过串口1将温度数据送给上位机进行显示。

单片机与GSM模块之间的串口通信格式为波特率9600bps、没有校验位、8位数据位和1位停止位。单片机能通过程序控制GSM模块实现收发短信，其实是单片机通过串口收发与GSM短信息功能有关的AT指令来完成的。AT指令集通俗地说就是一种操作控制GSM模块的软件协议的集合，每条命令均以字母“AT”开头而得名。AT指令控制短消息发送有2种常用模式，即TEXT模式、PDU 模式。PDU模式可以采用unicode编码发送英文、汉字。但合成PDU码比较复杂，而TEXT模式只能发送英文，但无须编码。本系统发送的数据都是基于数字的命令字，因此采用TEXT模式。其发送数据的过程包括启动GSM及初始化；设置短信模式：AT+CMFG=1 回车；发送接收的手机号码：AT+CMGS=“13833169018”回车（目的地址）；发送温度数据。

3　上位机温度显示与预警界面开发

利用可视化编程语言VB6.0开发图形界面，实现实时在线监测温度、构建数据档案、智能分析处理和及时预警等功能。温度显示与预警界面如图3所示。

图3　上位机温度显示与预警界面

4　 结语

针对危险环境状态监测中的特殊要求，提出利用光纤光栅传感器实现温度检测，并利用GSM模块将温度数据无线传输到远程上位机。通过测试实验，系统运行稳定，可以对环境温度进行及时预警进而在一定程度上避免危险发生。由于系统只监测环境温度，参数单一，可以考虑增加光纤气体传感器，对气体成分进行分析，进而更准确地判断环境危险程度。

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[2]王淑云,路荣斌,郝秀菊.关于提高我国危险品运输品质的思考[J].公 路 交 通 科 技,2015,32（11):153-158.

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Research on Remote Monitoring Technique in Dangerous Environment Based on GSM and Fiber Grating Sensor

SHI Zhen-jiang1）LI Zhi-quan2）
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology1)ShijiazhuangHebei050041 Yanshan University2）QinhuangdaoHebei066004China)

This paper proposes a method to resolve the special problem of monitoring in dangerous environment. Fiber bragg grating (FBG) sensor is used to measure the environmental temperature in real-time, and fiber Fabry-Perot (F-P) filter is used to demodulate the FBG reflecting signal, and single chip microcomputer is used to control GSM module to realize remote wireless data transmission. Visual Basic is used to develop graphical interface of the host computer to accomplish the function of monitoring temperature on a real-time and on-line bases, building data files and carrying out intelligent analysis and processing. Experimental results show that the system can timely warn about environmental temperature and then to a certain extent, avoid danger.

fiber bragg grating signal demodulation wireless transmission condition monitoring Fabry-Perot (F-P) filter

文献标识码：A文章编号：1673-1816(2016)03-0065-04

2016-06-18

史振江（1979-），男，汉，河北唐山人，硕士，讲师，研究方向为智能检测与控制技术。