基于光栅光纤探测技术的森林防灾监测系统

　　世界变“平”了、变“小”了，而且变得更加“智慧”了。当前的全球气候变化、能源危机，迫使我们审视过去，以一种更加“智慧”的方式去重新思考如何通过技术的手段使社会和生活运转得更加“智慧”。对于这些问题，人们在进行认真思考，认为只有把实体世界和数据世界融合在一起，才能把世界变得更加智慧。尤其是随着地球气候恶化，天然灾害所带来的损害也快速加大，给生命与财产带来巨大伤害，使得我们人类倍感威胁。如何应对大自然天然灾害带来消防安全隐患的挑战, 这是业界关心和急需解决之事。为此可应用以下新技术作为应对和解决方案不失为是一种有效途径。

　　一方面，是应用智慧化特色的物联网来监控安全环境是目前最有效的方式，也将成为未来最具代表性的环境监控安全架构，使得人类对大自然环境有更一步的了解与掌握。透过联网无线感知技术的应用，不仅为智慧环境安全监控的发展带来突破，更弥补过去单点监测功能的不足，这同时也为环境监控架起了一道新的防线。另一方面，应用先进的光栅光纤探测技术的消防安全是一种新型而实用的有效的方法。

　　为此本文将对应用联网智慧防灾与光栅光纤探测技术及其云计算服务相关理念作研讨，并以无线网关实现林火早期监测系统应用与光栅光纤探测技术的火灾联动报警系统为例作重点分析。

　　新型光栅光纤探测技术

　　值此仅以光栅温度传感器基本结构与光栅温度传感应用于隧道为例的布局等二个问题作说明。

　　光纤光栅传感器的基本结构

　　它利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内，从而在光纤上形成周期性的光栅，故称为光纤光栅。图1所示是其光纤光栅传感器的典型结构。在图1所示的光纤光栅传感器结构中，光源为宽谱光源且有足够大的功率，以保证光栅反射信号良好的信噪比。一般选用侧面发光二极管LED的原因是其耦合进单模光纤的光功率至少为50-100μW。而当被测温度或压力加在光纤光栅上时，由光纤光栅反射回的光信号可通过3dB光纤定向耦合器送到波长鉴别器或波长分析器，然后通过光探测器进行光电转换，最后由计算机进行分析、储存，并按用户规定的格式在计算机上显示出被测量的大小。光纤光栅除了具备光纤传感器的全部优点外，还具有在一根光纤内集成多个传感器复用的特点，并可实现多点测量功能。

　　光栅光纤探测系统

　　采用光纤光栅作为温度敏感元件，对波长信号进行数字式测量，具有极高的灵敏度。光纤光栅传感器利用光纤芯层材料的光敏特性，通过紫外准分子激光器采用掩模曝光的方法，使一段约8mm光纤纤芯的折射率发生永久性改变，形成布拉格光栅结构，见下图2光栅光纤探测系统所示。

　　该系统使用波分复用与全光

　　纤光栅混合复用方法解决了隧道火灾报警的难题，使单根光纤上光纤光栅传感探头的复用数成数量级增加，大大增加了系统的测量距离和测量点数，非常适合于长距离的隧道工程中的应用，满足了该工程中前端采集设备的需要。

　　光纤光栅信号处理器是感温光栅测温系统的重要组成部分，其主要功能是检测现场传感器反射回的光波长的漂移量，通过采用可调法布里—珀罗腔技术能检测出0.1摄氏度的温度变化。当信号处理器检测到光纤光栅的反射波长出现异常，它会发送报警信号给火灾报警控制器，火灾报警控制器再发出告警信号。

　　火灾监测数据处理的方法主要有：阈值比较方法、类比判断方法以及分布智能方法。类比判断方法是在阈值比较方法基础上发展起来的，它应用了计算机软件方法，主要分析信号的变化趋势，平滑过滤干扰信号，增加了一个“预报警”过程，目的是提高火灾探测报警的可靠性和平稳性，降低误报率。类比判断法足以火灾发展过程中火灾信号的规定特征为对象的较理想的判断方法，也是设计所使用的信号处理方法。

　　温度传感的布局及与报警主机的应用

　    在此以应用于隧道为例作说明。采用分区监测的方式对火情(如应用于隧道)进行监控。例如，每个分区长25米，共布置5个光纤光栅探头，探头间距为5米，一根光纤光栅传感器有50个感温点，可覆盖10个分区，监测范围250米。对于此类隧道现场监控设备可在在隧道两地的设备室分别各设一台区域火灾报警控制器，同时在隧道两地的设备室内也再配数十个20台信号处理器，所有的光纤光栅传感器均用传输光缆就近连接至隧道设备室的仪表柜，分别与对应的信号处理器连接。

　　隧道设备室内的信号处理器将光纤光栅传感器的信号转换为温度信号和报警信号，传输给各自的区域火灾报警控制器。二台区域火灾报警控制器通过通信光缆连接，并与总控室的火灾报警控制器组成环网，通过标准通讯端口和消防计算机连接，实现信息共享。需要说明的具有此类新型光栅光纤探测技术系统己逐步问世，如武汉理工光科股份有限公司产的TGW系统就是一典例。

　　无线网关技术与产品的选用

　　有关无线网状网络技术理念

　　图3中Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗、低成本、低复杂度的近程无线网状网络技术。而Zigbee的主攻市场为：建筑自动化、居家控制/安全、工业自动化及物流与传感器网络等。

　　XBee适配器为连接传感器和控制器及其它远程监控设备提供了方便的ZigBee/802.15.4无线连接。所有的XBee适配器都可以用于和ConnectPort X网关一起构建嵌入式网络。XBee适配器使用ZigBee(网状网)或802.15.4(点对多点)无线技术，使已有的设备实现个人区域网连接。它有多种接口产品型号可供选择，这种适配器实现了ZigBee/802.15.4网络嵌入式解决方案所带来的所有好处：如立即使用、无需部署时间。ZigBee/802.15.4技术使对传感器和控制器及其它商用设备通过低功耗无线网络以实现安全低成本的监测和控制成为了可能。作为嵌入式网络产品的XBee适配器可以用于连接ConnectPortX网关，来实现端对端的设备网络连接而无须构建有线网络。

　　网关与无线射频模块选用

　　值此以Digi公司的ConnectPortTMX网关与ZB ZigBee® PRO无线射频模块为例作明。

        ConnectPortTMX网关

　　ConnectPort X网关为无线XBee网络上的终端设备提供IP网络连接。网关采集终端节点数据、处理和通过无线蜂窝、Wi-Fi和以太网连接发送到上级应用，可选多种配置，支持不同应用。ConnectPort X网关适用于地理上分散的数据采集和通讯应用。ConnectPortTMX网关主要功能：WPAN连接使用XBee®网络;IP连接使用无线蜂窝、Wi-Fi;提供多种配置选择以迎合不同种类的应用;易于使用Python®开发环境;可选GPS或大容量存储。ConnectPortTMX网关集中ZigBee与802.15.4点对多点区域网络流量，网络以基于安全的无线蜂窝、WiFi或者以太网提供IP接入功能。

　　ZB ZigBee® PRO无线射频模块

　　它是ZigBee®网络终端设备的无线连接，主要功能：与其它厂商符合ZigBee PRO协议的产品实现互操作性;无须额外射频通讯配置;与一系列XBee射频模块结构相同;其可编程的XBee Pro ZB模块可供选择。作为嵌入式网络(Drop—in Networking)的重要组成部分，而XBee和Xbee PRO ZB嵌入式无线射频模块使用ZigBee PRO协议实现了低成本和低功耗无线终端连接。

　　无线网关实现林火早期监测系统应用

　　新的挑战与应对

　　当涉及火灾所威胁到的财产和生命时，你不能退而求其次。选择无线网关实现林火早期监测系统方案，是因为该系统很容易部署且高度可靠。为了防止野外区域和偏远的森林免受火灾侵袭。系统检测并向当地政府和当地居民报告森林火灾以保护家园，财产和人员。该方案应用无线模块嵌入到火灾探测传感器以传递信息给网关。这个网关通过蜂窝网或卫星传输信息给云计算，在那里信息可以被实时访问，并可以根据预先定义的事件进行编程实现告警和通知。

　　林火早期监测系统是部署在那些有线数据通讯无法实现的远程区域。图3为无线网关实现林火早期监测系统应用框图。

　　以前往往是采用卫星技术连接他们的林火早期监测系统。可是达不到速度要求。这可能需要一个小时才能将警报传达到当地政府。而在消防行动中，早期发现是很关键性的。另外卫星信号覆盖也在许多区域存在盲点。从2009年起，转向采用新型网关(见图3中Digi公司的ConnectPort® X4型)和无线模块(如XBee® ZB型)实现系统的连接。其无线模块将火灾监测传感器与网关连接起来。网关再通过蜂窝网或卫星将传感器信息实时地广播发送到网络上。这样报警信号告可以尽早地发送到指定的当局及其土地业主和其他使用该平台的单位和个人。该平台是一个可将信息与公司后端系统方便地集成的云计算服务。当地政府当局现在可以在几秒钟内获得火灾警告。

　　采用了林火早期监测系统平台以后，林火早期监测系统可以很方便地根据每个用户的特殊需求进行配置。例如：一旦警报被触发，系统现在可以直接用电话和寻呼机向消防员或志愿人员发送警告。也可以编程向负责处理突发事件的消防员、城市官员和当地居民发送实时通告。一旦发生火灾，林火早期监测系统可以实时将警报连同火场地图和可视化数据发送给第一响应者所在的指挥中心，车载计算机和PDA上。这使得消防员可以在风向不利的情况下避开危险区域。透过系统制造厂商的云计算，告警传达到监测人员我们，而我们再将告警进行分发。采用云计算，各种户设备被安全地托管在系统网络上，使得监测人员可以方便地监视设备而不必维护服务器。林火早期监测系统应用了云计算增强了系统功能，据此有必要对云计算作说明。 

　　采用云计算服务增强了系统功能

　　何谓云计算

　　云计算是一种新型的计算模式: 把IT资源、数据、应用作为服务通过互联网提供给用户。它是网格计算、分布式计算、并行计算、效用计算网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物。因此云计算是一种基于因特网的超级计算模式，在远程的数据中心里，将成千上万台电脑和服务器连接成一片电脑云。故云计算甚至可以让你体验每秒10万亿次的运算能力，拥有这么强大的计算能力可以模拟核爆炸、预测气候变化和市场发展趋势。其软件可以包括各种操作系统、中间件、数据库及应用等，形成统一资源池，为企部用户、外部中小企业及公众用户提供云计算服务。如今不少著名厂商的云计算解决方案对企业现有的IT资源进行了整合(硬件可以包括x86或Power的机器、存储服务器、交换机和路由器等网络设备)。

　　云计算旨在通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的完美系统，并借助SaaS、PaaS、IaaS、MSP等先进的商业模式把这强大的计算能力分布到终端用户手中。而用户则可以通过电脑、笔记本、手机等方式接入数据中心，按自己的需求进行运算。为此云计算帮助您有效地管理云环境，使您能够经济有效地向您的所有客户交付高质量的服务。如IBM服务管理和云计算可以帮助用户：迅速实现新的协作方式;获得可伸缩的计算能力;访问更智能的网络;减少人力的需要，保持或减少物理空间需求和能源需求。

　　云计算应用方案

　　应该说云计算模式的革命性的意义，就像从古老的单台发电机模式转向电厂集中供电的模式一样。这意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水电一样，取用方便，费用低廉。只不过，它是通过互联网进行传输的。

　　为此对例举未来之城预防方案作一介绍：核心系统方案层——宜居乐业的氛围——综合环境监控(见图4所示)。该城市的云将会与物联网挂钩，产生更多的机会。城市级的云计算中心将成为物联网的处理核心，将物联网从各个感应终端获取的数据进行集中处理。该环境监控预防案在功能上支持大容量，统一的数据管理，并行数据计算和处理;在先进性上采用了先进的“云计算”方式，整合公司实验的并行计算和空间环境数据集成能力，并为政府灾害预防提供有力的数据支持。从图4可知以云计算为先进性的综合环境监控未来之城方案解决了：复杂的、紧迫的全球的环境问题和缺乏集中系统来整合分析环境数据(如水火灾情、水，空气，土，噪声等)及缺乏综合的、实时的环境数据等难题。

　　从观察物联网的架构组成角度出发，该图3所示林火早期监测系统是由下至上可分为感知、网络、应用三个层面，其产品定位在感知层，即利用火灾检测传感器等随时随地获取物体的信息;其次是网络层，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去;第三个层面是涉及服务及应用的管理层，也就是利用云端计算等各种智能计算技术，对海量的信息进行分析和处理，对物体实施智能。特要指出的是，这感知、网络、应用三个层面也涵盖了“人与人”、“对象与对象”及”人与物件”三大范畴。

　　结束语

　　从过去单点监测到现在多点监测与中央控制系统的整合，环境监控已从过去的“监而不控”进化成现在全面智慧化的物联网应用，单纯的数据撷取功能已不敷现在日益恶化的环境需求，监控系统必须具备智能化，才能减少因巨大天灾和能源无用消耗所带来的损害，而物联网系统除后端的中央系统，需具备数据建置与判断能力外，也让前端的设备同时具备数据采撷与实时控制能力，并可适时调整本身状况。

　　利用光栅光纤探测技术可在现埸获得故障的很多信息，而不必再回到办公室搬运笨重的存储示波器到工作地点。尤其近年来，随着光栅光纤探测技术的日趋成熟，其此类光纤光栅的传感技术得到了充分的发展和应用。由于其拥有独特的自身优势，也必将在传感领域中呈现出非常重要的地位。

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