CN110595520A - 一种基于云端通信的光纤光栅传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于云端通信的光纤光栅传感系统，包括光源、光纤环形器、光栅阵列、FP滤波器、光电探测器、FPGA控制系统、高速模数转换模块、WiFi模块、云平台、Android端上位机；通过无线传输和云端通信的方式实现数据发送和接收功能，配合上位机软件的实现数据的采集处理与观测控制。本发明采用了无线传输的通信方式将光纤光栅传感数据发送给云平台，通过云端通信可以在移动设备上远程实时监测被测对象的温度、压力等信息。
Description
技术领域
本发明涉及传感系统技术领域，具体涉及一种基于云端通信的光纤光栅传感系统。
背景技术
光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)凭借全光纤制作和波长调制的特性，在传感领域占据了重要的地位。尤其在国防科工、电力系统、土木工程项目的健康监测等领域，光纤布拉格光栅更是不可或缺的一部分。考虑到传感参量对光纤布拉格光栅的中心波长调制的唯一特性，使得解调传感光栅的方法具有通用性。本发明选择可调谐光纤FP滤波器(Fiber Fabry-Perot Tunable Filter,FP-滤波器)作为波长解调器件，并结合双参考光栅动态校准FP滤波器的特性参数，通过WiFi传输数据到云平台、云平台利用API地址连接移动终端的方式，开发了一套基于云端通信的光纤光栅传感系统。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种基于云端通信的光纤光栅传感系统，采用云端通信的方式实现与Android端的上位机软件间的数据传输，可以在移动设备上观察采集信息，提高了此光纤光栅传感系统的实用性。
本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种基于云端通信的光纤光栅传感系统，包括光源、光纤环形器、光栅阵列、FP滤波器、光电探测器、FPGA控制系统、高速模数转换模块、WiFi模块、云平台、Android端上位机；
所述光源输出连续光谱，经过光纤环形器的一个端口打入光栅阵列中；不同光栅对满足其布拉格条件的波长有选择性地反射，反射光谱再由光纤环形器的另一个端口传输至FP滤波器接受解调；FP滤波器的输出接入到光电探测器中，将光功率等比例转换为电压幅值传输到高速模数转换模块后模拟信号转化为数字信号；所述FPGA控制系统接收数字信号进行采样后经过WiFi模块传输到所述云平台，所述Android端上位机通过设备的API地址和APIKey与所述云平台连接。
优选的，所述FP滤波器的解调工作，需要加载信号发生器产生的周期性三角波信号协助完成。
优选的，还包括高速数模转换模块和驱动信号放大电路，所述高速数模转换模块将FPGA控制系统传输过来的数字信号转化为模拟信号用来驱动所述FP滤波器。
优选的，所述光栅阵列由两个无温漂的参考光栅和一个传感光栅组成。
优选的，所述WiFi模块采用了EDP协议的数据传输方式实现与云平台通信，生成OneNET云端通信虚拟设备。
与现有技术相比，本发明的优点是：本发明采用云端通信的方式实现与Android端的上位机软件间的数据传输，可以在移动设备上观察采集信息，提高了此光纤光栅传感系统的实用性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的系统图；
图2是本发明WiFi模块和Android端上位机的连接图
基于上述原理和解调系统的功能需求，下面对图2模块的功能划分作几点说明：
(1)外置WiFi无线连接模块通过EDP协议连接OneNET云平台端，云平台通过API地址将数据发送给移动终端的上位机软件，再通过上位机的应用程序将信息显示在Android上位机端；
(2)Android端上位机界面操作也可以向WiFi模块发送指令；
(3)WiFi模块采用2.4GHz频段传输技术，并对频段进行编码加密，防止传输中数据的丢失和干扰；
(4)通过串口将数据传送给无线模块。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
一种基于云端通信的光纤光栅传感系统，包括光源、光纤环形器、光栅阵列、FP滤波器、光电探测器、FPGA控制系统、高速模数转换模块、WiFi模块、云平台、Android端上位机；
所述光源输出连续光谱，经过光纤环形器的一个端口打入光栅阵列中；不同光栅对满足其布拉格条件的波长有选择性地反射，反射光谱再由光纤环形器的另一个端口传输至FP滤波器接受解调；FP滤波器的输出接入到光电探测器中，将光功率等比例转换为电压幅值传输到高速模数转换模块后模拟信号转化为数字信号；所述FPGA控制系统接收数字信号进行采样后经过WiFi模块传输到所述云平台，所述Android端上位机通过设备的API地址和APIKey与所述云平台连接。
进一步的，所述FP滤波器的解调工作，需要加载信号发生器产生的周期性三角波信号协助完成。
进一步的，还包括高速数模转换模块和驱动信号放大电路，所述高速数模转换模块将FPGA控制系统传输过来的数字信号转化为模拟信号用来驱动所述FP滤波器。
进一步的，所述光栅阵列由两个无温漂的参考光栅和一个传感光栅组成。
进一步的，所述WiFi模块采用了EDP协议的数据传输方式实现与云平台通信，生成OneNET云端通信虚拟设备；无需网关便可与互联网实现通信；移动终端设备与WiFi的配置连接，不但实现了广域网远程显示光纤光栅传感获取的信号，还可以在局域网下高效地观察被测物理量的实时变化。
本发明的具体原理：光源输出连续光谱，经过光纤环形器1-2端口打入光栅阵列中，不同光栅对满足其布拉格条件的波长有选择性地反射，反射光谱再由光纤环形器2-3端口传输至FP滤波器接受解调。FP滤波器的解调工作，需要加载信号发生器产生的周期性三角波信号协助完成。
调节信号发生器的频率和幅值，将信号加载至FP滤波器上，驱动其对光栅阵列的反射光谱P(λ)不间断地周期性扫描，从而获得光栅阵列反射光谱的时域分布P(t)。FP滤波器的输出接入到光电探测器中，将光功率等比例转换为电压幅值，因此根据F-滤波器的特性关系，考察单周期内峰值位置就可以求解出对应的波长值。
对于光电信号的采样及处理是由FPGA结合高速ADC模块完成的。需要说明的是，对FP滤波器的驱动和ADC采样动作需作同步处理，以此来保证波长计算的准确性，而同步处理是在解调系统主控FPGA内部完成的。
为了实现人机交互，采用了ESP8266WiFi模块传输数据到OneNET云平台，开发了Android端的上位机软件，上位机软件通过API地址连接云端数据，从而实时显示温度波形等各种数据。
创建云端设备步骤：1.注册用户。登录OneNET官方网站，点击“注册”按钮，注册账号。2.创建产品，并选择自己需要的接入协议。登录账号后，打开开发者中心，点击“创建产品”，本文中我选择的是EDP协议，输入产品名称、产品类别等产品信息后创建产品结束。3.创建设备，并记录设备的ID等信息。通过在网页上点击添加设备，需输入设备的名称和设备编号(即设备的鉴权信息)，并且记录下新建的设备的编号，在软件开发时可用到。4.创建数据流。点开产品开发界面，进入数据流模板，添加数据流模板，输入数据流名称、单位名称和单位符号后便可添加完成。
将硬件设备的数据传入云端数据流后，平台还会在数据流内根据时间先后顺序生成折线图。在开发板代码中修改对应的设备ID和APIKey、数据流名称，确保ESP8266可以将数据发送到该虚拟设备的数据流上。将代码烧录进开发板，调试无误后启动。启动后WiFi设备很快就显示ESP8266已连接上WiFi。打开OneNET云端设备，显示ESP8266已经连接上云端设备“ESP”，该设备显示在线状态。
最后用Android Studio安装该运用到手机上，点击运用到进入到用户登录界面，输入设置好的密码后跳转到数据显示界面，数据显示为时间倒序，ListView上每个item上都显示有数值和时间。点击“Chat”后跳转至图形化界面。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于云端通信的光纤光栅传感系统，其特征在于：包括光源、光纤环形器、光栅阵列、FP滤波器、光电探测器、FPGA控制系统、高速模数转换模块、WiFi模块、云平台、Android端上位机；
所述光源输出连续光谱，经过光纤环形器的一个端口打入光栅阵列中；不同光栅对满足其布拉格条件的波长有选择性地反射，反射光谱再由光纤环形器的另一个端口传输至FP滤波器接受解调；FP滤波器的输出接入到光电探测器中，将光功率等比例转换为电压幅值传输到高速模数转换模块后模拟信号转化为数字信号；所述FPGA控制系统接收数字信号进行采样后经过WiFi模块传输到所述云平台，所述Android端上位机通过设备的API地址和APIKey与所述云平台连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于云端通信的光纤光栅传感系统，其特征在于：所述FP滤波器的解调工作，需要加载信号发生器产生的周期性三角波信号协助完成。
3.根据权利要求1所述的一种基于云端通信的光纤光栅传感系统，其特征在于：还包括高速数模转换模块和驱动信号放大电路，所述高速数模转换模块将FPGA控制系统传输过来的数字信号转化为模拟信号用来驱动所述FP滤波器。
4.根据权利要求1所述的一种基于云端通信的光纤光栅传感系统，其特征在于：所述光栅阵列由两个无温漂的参考光栅和一个传感光栅组成。
5.根据权利要求1所述的一种基于云端通信的光纤光栅传感系统，其特征在于：所述WiFi模块采用了EDP协议的数据传输方式实现与云平台通信，生成OneNET云端通信虚拟设备。
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