BG112340A - Фотонно захранвана двупосочна мултиплексирана сензорно-комуникационна мрежа по едно оптично влакно с линейна топология - Google Patents

Abstract

Фотонно захранваната двупосочна мултиплексирана сензорно-комуникационна мрежа по едно оптично влакно с линейна топология може да намери приложение в газо- и нефтопроводи, сондажи и взривоопасни минни съоръжения за комуникация на данни, мониторинг и контрол на конкретни физични и химични параметри. Сензорно-комуникационната мрежа е особено подходяща в среди, в които няма възможност за осигуряване на външно захранване на всеки измервателен терминал. На базата на предложената сензорно-комуникационна мрежа се постига едновременна двупосочна комуникация и пренос на фотонна енергия по едно влакно (5). По същото влакно е възможно да се свържат повече от едно крайни измервателни терминални устройства, с което се изгражда сензорно-комуникационна мрежа по едно общо оптично влакно. При използване на мрежата може да се измерват различни физични и химични параметри, както и да се следи количеството консумирана и натрупана енергия от всеки един терминал. Използването на едно влакно едновременно за комуникация и предаване на фотонна енергия дава възможност за намаляване на броя им, а при вече изградена оптична комуникационна мрежа - да се разшири капацитетът на мрежата и броят на терминалите.

Description

(54) ФОТОННО ЗАХРАНВАНА ДВУПОСОЧНА МУЛТИПЛЕКСИРАНА СЕНЗОРНОКОМУНИКАЦИОННА МРЕЖА ПО ЕДНО ОПТИЧНО ВЛАКНО С ЛИНЕЙНА ТОПОЛОГИЯ (57) Фотонно захранваната двупосочна мултиплексирана сензорно-комуникационна мрежа по едно оптично влакно с линейна топология може да намери приложение в газо- и нефтопроводи, сондажи и взривоопасни минни съоръжения за комуникация на данни, мониторинг и контрол на конкретни физични и химични параметри. Сензорно-комуникационната мрежа е особено подходяща в среди, в които няма възможност за осигуряване на външно захранване на всеки измервателен терминал. Па базата на предложената сензорнокомуникационна мрежа се постига едновременна двупосочна комуникация и пренос на фотонна енергия по едно влакно (5). По същото влакно е възможно да се свържат повече от едно крайни измервателни терминални устройства, с което се изгражда сензорно-комуникационна мрежа по едно общо оптично влакно. При използване на мрежата може да се измерват различни физични и химични параметри, както и да се следи количеството консумирана и натрупана енергия от всеки един терминал. Използването на едно влакно едновременно за комуникация и предаване на фотонна енергия дава възможност за намаляване на броя им, а при вече изградена оптична комуникационна мрежа - да се разшири капацитетът на мрежата и броят на терминалите.

претенция. 1 фигура

Вх................/................2016 г.

ФОТОННО ЗАХРАНВАНА ДВУПОСОЧНА МУЛТИПЛЕКСИРАНА СЕНЗОРНО-КОМУНИКАЦИОННА МРЕЖА ПО ЕДНО ОПТИЧНО ВЛАКНО С ЛИНЕЙНА ТОПОЛОГИЯ

PHOTONIC-POWERED BI-DIRECTIONAL FIBER-OPTIC SENSOR COMMUNICATION NETWORK IN A SINGLE OPTICAL FIBER WITH LINEAR TOPOLOGY

I, Област на техниката

Изобретението се отнася до създаване на фотонно захранвана двупосочна мултиплексирана сензорно-комуникационна мрежа по едно оптично влакно с линейна топология, при която централният управляващ модул (централа) чрез мощен лазерен диод предава фотонна енергия по оптично влакно за захранване на периферните сензорни модули на мрежата (терминали), където тя се преобразува в електрическа чрез фотоволтаици, куплирани към оптичното влакно. Същото влакно изпълнява и ролята на информационна шина на мрежата, към която последователно в линия са свързани терминалите й. Чрез импулсна модулация на мощния лазерния диод, централният управляващ модул предава команди за контрол и управление на оптичната мрежа, които се приемат от детектор на изхода на фотоволтаиците. По същото влакно в обратна посока на различна дължина на вълната, терминалните модули предават информация към централата, включително такава, събраната от сензори. Разделянето и събирането на оптичния информационен сигнал в оптичното влакно се реализира чрез дихронично огледало, изпълняващо ролята на оптичен филтър.

II. Предшестващо състояние на техниката

1. Съществуват оптични сензорни мрежи с фотоволтаично захранване [1], при които по едно влакно се предава енергия от управляващ модул към един сензорен модул и по същото влакно се изгражда обратен комуникационен канал за предаване на получените данни от сензорите. В представената блокова схема на патента [1] се използва мощен оптичен лазер за генериране на оптичната енергия, която през WDM филтър се куплира в оптичното влакно. В приемното устройство тя преминава през насочен отклонител и постъпва във фотоволтаик, който я преобразува в електрическа енергия за захранване на основните блокове на устройството. Микроконтролер, обработва данните от сензорите и ги изпраща в обратна посока посредством лазерен диод (оптичен предавател), включен към третия извод на насочения отклонител. От там данните се насочват обратно по общото оптично влакно и чрез WDM филтъра се подават през фотоприемник за четене от контролера. Това е възможно като се използва спектрално мултиплексиране, където двата оптични сигнала - фотонното захранване и комуникационния сигнал, работят на различни дължини на вълната и използване на оптичен насочен отклонител (WDM филтър или насочен отклонител).

Съществува и решение, при което оптичната мощност се предава по отделно влакно, а комуникацията става по друго влакно [2], а в патент [3] е представена оптична мрежа с фотонно захранване по сноп оптични влакна (оптичен кабел), като всяка отделна линия - фотонно захранване, комуникационен канал в права посока, комуникационен канал в обратна посока, сервизна линия за състоянието на кабела, са отделени в отделни влакна на оптичния кабел.

2. При изследванията на авторите [4] с фотоволтаици (JDSU РРС-12Е и JDSU РРС-4Е), пригодени за куплиране към оптично влакно за захранване на сензорни модули се установи, че те могат да преобразуват импулсно модулираните светлинни пакети в електрически сигнали с честота, достатъчна за предаване на данни. Същевременно, докато се предават данни, също се доставя енергия на модула, но намалена с коефициента на запълване на импулсите. Изследванията с тези фотоволтаици показват, че е възможно достигане на честота на импулсите до 50 KHz с фотоволтаик РРС-12Е и до 150 KHz с фотоволтаик РРС-4Е, въпреки, че в каталозите на фотоволтаиците за оптични влакна не се споменава за честотни свойства в режим на приемане на светлинна енергия.

III. Техническа същност на изобретението

Задачата на изобретението е да се създаде фотонно захранвана двупосочна мултиплексирана сензорно-комуникационна мрежа по едно оптично влакно с линейна топология, при която терминалните устройства в мрежата се захранват чрез фотоволтаик, който получава енергия от мощен лазерен диод в централния модул по едно оптично влакно. Същото влакно играе ролята и на информационна шина, към която са свързани последователно терминалите на мрежата. По нея се предават команди или инструкции към някой от терминалите на мрежата, като се модулира импулсно светлинният поток от лазера. Това води до поява на импулси със същата честота на изхода на фотоволтаика и те могат да се разчитат в терминалните устройства. Събраните от тях данни, чрез оптичен предавател на различна дължина на вълната, се предават в обратна посока към централния модул, където се отделят и прочитат.

В съответствие с изобретението, тази задача се решава като се изгражда мрежа, състояща се от централен управляващ модул, който управлява мрежата и събира данните от определен брой терминални модули. Връзката между тях се осъществява по оптична линия с едно влакно. Централният модул се състои от централен микроконтролер, който предава данни през импулсен модулатор, като включва и модулира мощен лазерен диод. Последният подава фотонната енергия на първи извод на дихроично огледало, изпълняващо ролята на оптичен филтър, като тя излиза от него през втори извод и по оптична линия с едно влакно се пренася към терминалните модули на мрежата. В обратна посока светлинните импулси, идващи с информация по оптичното влакно от терминалните модули, постъпва на втория извод на дихроичното огледало, отделя се през негов трети извод и през фотоприемник постъпват за четене в централния микроконтролер. Централният модул се захранва от захранващ блок и може да има интерфейс към по-горно йерархично ниво.

На другия си край оптичното влакно постъпва във входа на първия терминал. Той има оптичен превключвател стри оптични извода и електронно-управляван вход. Първият извод е общ, куплиран с оптичната линия и се превключва към един от другите два. Вторият извод е свързан в първи извод на терминално дихроично огледло, вторият извод на което води до фотоволтаик. Третият извод на оптичния превключвател е куплиран към продължението на оптичната линия, което води към първия общ извод на идентичен 3 оптичен превключвател на следващия терминал. Последният терминал на мрежата няма оптичен превключвател и оптичната линия влиза директно в първия извод на дихроичното му огледало.

Изходът на фотоволтаика е свързан с входа на детектор и входа на блок за зареждане, от който се зарежда акумулатор (или суперкондензатор), осигуряващ непрекъснато захранване на електронните блокове. Изходът на детектора постъпва във вход за данни на терминален микроконтролер, към който са свързани сензорите на терминала и има управляващ изход за превключване на оптичния превключвател чрез електронно-управлявания му вход. Микроконтролерът има и изход за данни, свързан с предавателен лазерен диод, който е куплиран с трети извод на дихроичното огледало. От него светлинният поток излиза на първия му извод, който е свързан с втория извод на оптичния превключвател и оттам през оптичната линия достига до централния модул.

Предимствата на изобретението са, че мрежата се управлява, поддържа енергийния си баланс и предава двупосочно данни по едно влакно. Управлението на мрежата е автономно и не зависи от външни фактори. По едно единствено влакно се осъществява едновременно пренос на фотонна енергия за захранване на отдалечени крайни устройства и изграждане на двупосочен мултиплексиран комуникационен канал.

Използването на оптичен филтър, базиран на дихорично огледало, разделя поефективно спектрално избраните оптични сигнали спрямо стандартните насочени отклонители, използвани в подобни влакнесто-оптични системи.

IV. Описание на приложената Фигура (фиг.1)

1- Централен микроконтролер

2- Импулсен модулатор

3- Мощен лазерен диод

4- Дихроично огледало

5- Оптична линия

6- Фотоприемник

7- Захранващ блок

8- Оптичен превключвател

9- Терминално дихроично огледало

- Фотоволтаик

11-Детектор

- Блок за зареждане 13-Акумулатор

14-Терминален микроконтролер

- Блок сензори

- Предавателен лазерен диод

V. Пример за изпълнение на изобретението е показан на схемата на фиг. 1.

В съответствие с изобретението е изградена фотонно захранвана двупосочна мултиплексирана сензорно-комуникационна мрежа по едно оптично влакно с линейна топология, състояща са от централен управляващ модул (централа), който управлява мрежата и събира данните от определен брой терминални модули (терминали), захранвани с оптична енергия. Подаването на оптична енергия от централата към термионалите на мрежата и връзката между модулите на мрежата се осъществява по оптична линия с едно влакно. Централният модул се управлява от централен микроконтролер 1, който през импулсен модулатор 2 включва и модулира мощен лазерен диод 3. Последният подава фотонната енергия от първи към втори извод на дихроично огледало 4, изпълняващо ролята на оптичен филтър. Вторият извод е куплиран към оптична линия 5 с едно влакно, която води към терминалните устройства (модули) на мрежата. В обратна посока светлинните импулси, предаващи информация по оптичното влакно 5 от терминалните модули, се отделят от втори към трети извод от дихроичното огледало 4 и през фотоприемник 6 постъпват за четене в централния микроконтролер 1. Централният модул се захранва от захранващ блок 7 и при необходимост може да има интерфейс за комуникация с по-горно йерархично ниво, както и собствена клавиатура и дисплей.

На входа на всеки терминал има оптичен превключвател 8 с по три извода, изпълняващ ролята на демултиплексор/мултиплексор, съответно с два изхода/входа. Първият (общ) извод е куплиран с оптичната линия и се превключва към един от другите два извода. През втория му извод светлинният поток преминава през терминално дихроично огледло 9 (съответно от първи към втори извод ) и постъпва във фотоволтаик 10, изпълняващ ролята и на фотоприемник за терминала. През третия извод на превключвателя 8 се осъществява продължението на оптичната линия 5 към следващия терминал, където се свързва с първия извод на идентичен оптичен превключвател 8.

При активиране (първоначално включване) на мрежата оптичните превключватели 8 винаги трябва да са включени към вторите си изводи, т.е. в посока към собствения си терминал. Така, при включване на мрежата, фотонната енергия, постъпваща в най-близкия терминал, преминава през терминалното дихроично огледало 9 и се подава на входа на фотоволтаика 10. Преобразуваната от него електрическа енергия през блок за зареждане 11 дозарежда акумулатор 12 (или суперкондензатор), който захранва електронните блокове на терминала. Освен това изходното напрежение на фотоволтаика 10 постъпва и в детектор 13, който има предназначение да приема и детектира импулсно модулираните сигнали от централата и да ги предаде за четене от терминален микроконтролер 14. Последният управлява и приема данните от блок сензори 15, модулира предавателен лазерен диод 16 и управлява оптичния превключвател 8 на входа на терминала чрез съответните изходи. Натрупаната в акумулатора 12 енергия се следи от микроконтролера 14 и винаги след предаването на данните от сензорите 15 се изпраща информация до централата за енергийния запас на терминала.

Светлинно-модулираните данни в предавателния лазерен диод 16 постъпват в обратна посока през трети извод в терминалното дихрочино огледало 9. Там се насочват към първия му извод и преминават към втори извод на превключения към него оптичен превключвател 8. От първия му (общ) извод оптичният информационен сигнал постъпва в оптичната линия 5 на мрежата. В другия й край импулсите постъпват във втория извод на дихроичното огледало 4 на централния модул и се отклоняват през третия му извод към фотоприемника 6, свързан с вход за четене на данни на централния микроконтролер 1.

Когато, съгласно програмата, съответният терминал е предал информацията към централата, заредил е достатъчно акумулатора си 12, изчислил е и предал данни за енергийния си баланс, той получава от централата инструкциите за управление. Те са команда за изключване и след колко време може да се включи.

След това терминалният микроконтролер 14 превключва оптичния си превключвател 8, с което светлинната енергия се насочва към следващия терминал в мрежата и го активира за начало на неговата сесия. В края на процеса всички оптични превключватели 8 са в положение включени към следващия терминал. Така всеки терминал, когато му дойде времето за включване, има достъп до мрежата. Последният терминал не управлява оптичен ключ. Той получава време за комуникация, когато останалите терминали са се изключили, което се планира в централния модул и изпълнява от предпоследния (N-1-ви) терминал.

Микроконтролерите 14 и сензорите 15 работят в автономен режим като събират и обработват информация или преминават в изчакващ, енергоикономичен режим. Когато са изключени от оптичната мрежа, те черпят енергия от собствения си акумулатор.

При идентична програма и консумация (еднакви терминали и измервани величини), алгоритъмът за управление е равномерно и последователно разпределение на времето между всички терминали. С това може да започне всяка мрежа, след което да се адаптира според конкретните си параметри.

При екстремна ситуация централата може да изпраща приоритетна команда до включения терминал да се изключи. Така последователно централата може бързо да промени алгоритъма и да достъгне до терминала, към който иска да се включи.

VI. Използване на изобретението

Описаната по-горе фотонно захранвана двупосочна мултиплексирана сензорнокомуникационна мрежа по едно оптично влакно с линейна топология, съгласно изобретението, е особено полезна при специфични случаи на употреба, като периметрична сензорна мрежа за мониторинг и измерване в агресивна и опасна среда измерване на температура, налягане в газо-(нефто-)проводни системи и сондажи, въгледобивни мини или други леснозапалими/взривопасни среди. Освен това, благодарение на фотонното захранване и оптичната комуникация, терминалните устройства не се влияят от големи електро-магнитни смущения и могат да работят без проблеми в такава среда.

Подобна сензорно-комуникационна мрежа е подходяща за измерване и мониторинг в среди с невъзможност за осигуряване на външно захранване на крайните терминални устройства. Например за следене на физически или химични параметри под и по земната повърхност - в сондажни дейности, минни съоръжения и др.

Използвана литература:

[1] Патент: US 7,696,901 В2 от 13.04.2010, Methods And Apparatus For Photonic Power Conversion Downhole.

[2] Патент: US2009/0016715 Al от 15.01.2009, Power Over Optical Fiber System.

[3] Патент: US 8,358,893 Bl от 22.01.2013, Photonic-powered Cable Assembly.

[4] Арнаудов P., T. Ефтимов, Пл. Балжиев, Й. Шикоски. Резултати от изследвания на честотните свойства на фотоволтаици РРС-12Е и РРС-4Е ( Приложение 1).

Claims (16)

1. Фотонно захранвана двупосочна мултиплексирана сензорно-комуникационна мрежа по едно оптично влакно с линейна топология, осъществена с помощта на централен управляващ модул, изграден от централен микроконтролер 1, свързан с мощен лазерен диод 3, чиято фотонна енергия през първи и втори изводи на оптичен филтър, реализиран с дихроично огледало 4 постъпва в оптична линия 5 с едно влакно, водеща към терминалните модули на мрежата, а обратно постъпващите от тях оптични импулси през трети извод на оптичния филтър 4 постъпват през фотоприемник 6 във вход за четене на данни на централния микроконтролер 1, като тези модули се захранват от захранващ блок 7, а в другия край на оптичната линия 5 фотонната енергия постъпва във фотоволтаик 10, който захранва терминален микроконтролер 14 и свързания към него блок сензори 15 и входа на оптичен предавател 16, характеризираща се с това, че централният микроконтролер (1) е свързан с мощния лазерен диод (3) през импулсен модулатор (2), а оптичната линия (5) в другия си край е включена към първия терминал на мрежата чрез общия извод на оптичен превключвател (8), чрез втория извод на който, през изпълняващо ролята на оптичен филтър терминално дихроично огледло (9), се подава фотонната енергия във фотоволтаика (10), чийто изход е свързан с вход на блок за зареждане (11) на акумулатор (12), захранващ електронните блокове на терминала, като изходът на фотоволтаика (10) през детектор (13) е свързан и с вход за четене на данни на терминалния микроконтролер (14), а изходът на оптичен предавател (16) е свързан с третия извод на дихроичното огледало (9), а освен това третият извод на оптичния превключвател (8) е свързан с продължението на оптичната линия (5), което води към първия, общ извод на идентичен оптичен превключвател (8) на следващия терминал, който е единтичен с описания по-горе терминал, но в последния терминал в мрежата липсва оптичен превключвател (8) и затова последният сектор на оптичната линия (5) постъпва в първия извод на дихроичното му огледало.

   Вх

   2016 г.

   ЛЕГЕНДА:

   1 - Централен микроконтролер
2. 2 - Импулсен модулатор
3. 3 - Мощен лазерен диод
4. 4- Дихроично огледало
5. 5- Оптична линия
6. 6- Фотоприемник
7. 7- Захранващ блок
8. 8- Оптичен превключвател
9. 9- Терминално дихроично огледало
10. 10-Фото волта ик
11. 11-Детектор
12. 12 - Блок за зареждане
13. 13 - Акумулатор
14. 14-Терминален микроконтролер
15. 15 - Блок сензори
16. 16 - Предавателен лазерен диод