高灵敏度自动标定无线漏水监测系统设计

安丽娜，翟成瑞，陈开颜，张彦军

（1.中北大学 仪器与电子学院，山西 太原 030051；2.北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

0 引言

漏水监测系统在地下管道或水下无人密闭环境中是至关重要的。相对于传统漏水监测传感器，分布式光纤折射率传感器具有响应速度快、可线性分布、功耗低等优点，而侧边抛磨型光纤耦合结构相比其他耦合结构具有更高的灵敏度和更强的可逆性，在暗场环境下光纤折射率可随介质变化迅速发生变化，将变化的光信号通过光电转换为电信号进行数据处理，通过无线传感网络将数据传输至上位机用户界面进行监控，再加上无线传感网络技术在无线数据采集、无线工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制、远程网络控制等越来越多的场合普及，减少了布线和人力，能够满足更多测量场合和需求。

由于实际情况下光纤的柔性形变和封装错位等问题会对光纤折射率产生影响，导致监测装置容易产生漏报误报，测量准确度显著降低。针对上述问题，本文提出一种可自动标定的高精度无线漏水监测系统设计。通过LabVIEW 可视化数据处理程序搭建地面监控软件，采集并处理下位机无线传输的数据，建立阈值的动态跟踪模型，最终实现仪器的高准确度测量，有效避免漏检、伪检、错检等情况。

1 工作原理

光纤表层和外界环境构成的衰变电场称为倏逝场，光信号通过倏逝场时与被测溶液发生作用引起能量吸收，使接收的光功率发生显著的变化。当耦合区域的折射率随介质的变化发生变化时，光波长模式数也会发生变化，在进入耦合区域时，侧边抛磨光纤传播的模式数会变的不同。在这种情况下，整个光纤就作为一个纤芯，而外界环境充当新的包层。由于光纤直径远大于倏逝波波长且耦合区域深度也远大于，影响较小，此时影响光功率的关键因素为外界介质变化导致的光波散射。光波在介质中的折射光电场表达式为：

式中： ||

t

表示透射波和入射波的实振幅比；

ϕ

表示透射时

S

波的相位变化。在非吸收介质中光波的振幅和相位平面重合，即

kx

=0；在吸收介质中光波的振幅和相位平面发生分离，即(

k

sin

θ

)

x

-

k′

(

t

)

z

=0，界面任意点上的折射光与入射光都相差一个相位

ϕ

，光波在传播过程中发生能量递减，其传输特性如图1 所示。

图1 光波在非吸收介质和吸收介质中的传播特性

通过破坏光纤表面包层可以提高光纤耦合效率，周围环境折射率的改变会引起光纤输出光强的变化。该感测结构的特征完全取决于外部介质折射率，通过光信号在传输和反射模式下折射率的变化判断是否发生漏水。

2 系统整体结构设计

基于上述工作原理，该漏水监测系统的感测结构采用直径980 μm、折射率1.49 的氟化聚合物PMMA 包裹直径1000 μm、折射率1.40 的高透光低折射率材料聚苯乙烯单模塑料光纤，在全自动微型数控钻台上用直径500 μm 的微钻头对光纤进行侧边抛磨加工，形成如图2 所示结构，单模光纤侧边抛磨后的损耗和灵敏度会随深度的增大而增大。

图2 侧抛光纤耦合结构仿真结构及实物图

整个无线漏水监测系统主要包括光纤传感器、光电转换器、数据处理模块、无线通信模块和PC 机，系统整体设计如图3 所示。各部分功能分别为：STM32 通过RS 485 串口控制LED 灯带闪烁感测介质的变化，光电转换器将光信号转化为电流信号，数据处理模块将弱电流信号转化为数字信号通过GPIO 串口输入主控板，UART 串口控制无线通信模块CC2530 将下位机的数据打包发送到上位机，最后通过PC 机用户界面显示测量数据和漏水位点。

图3 系统整体设计

3 硬件设计

3.1 弱光检测与信号调理电路

由于光纤传感器的感测变量为弱光信号，选用对数放大电路进行处理，可有效滤除噪声的同时放大有效信号。微弱光信号通过光电转换器转换为微弱电流信号（nA～μA 级），通过高速A/D 采集芯片AD8691（mA 级）、前级跨导运算放大芯片OPA375 转换为电压信号（mV级），再由二级放大电路的AD8666 芯片对信号放大到V 级以提高测量精度，信号调理电路如图4 所示。此时已满足主控板STM32 内部集成ADC 的采样区间。

图4 信号调理电路图

3.2 无线通信电路

该系统搭建的无线传感网络基于ZigBee 协议，该协议的物理层为IEEE 802.15.4，具有省电、简单、成本低的优点，基于2.4 GHz 的ISM 频段，传输宽带在20～250 KB/s 范围，适合传感器数据采集和控制数据传输。系统采用MESH 网络拓扑结构组建大规模网络，覆盖面积大的同时保证了数据传输的有效性。

无线通信模块采用TI 公司的CC2530 芯片，CC2530工作于2.4 GHz 的ISM 频段内，支持IEEE 80215.4 标准/ZigBee 2007/ZigBeeRF4CE 协议栈，内部集成了射频收发装置和微处理芯片，有8 KB 的RAM 和256 KB 的FLASH 存储器，同时支持强大的功能和I/O 接口，具有高接收器灵敏度、强抗干扰性和低功耗等优点。CC2530 有两种工作模式，配置后可作为传感器节点和协调器节点进行点对点数据传输，作为整个网络数据传输纽带的协调器节点时，负责传输上位机的漏水状态参数数据和基础网络状态数据。由于无线通信模块采用异步串行通信且没有数据缓存机制，因此协调器节点通过USB 串口与上位机之间采用FIFO 编码方式进行数据传输，保证了数据的有效性。CC2530 的接口方式及其外围电路如图5 所示。

图5 无线通信电路图

4 软件设计

4.1 整体系统程序设计

系统软件功能级路径规划如图6 所示，主要包括下位机的主程序以及上位机的数据处理和用户界面软件程序设计。下位机上电复位后，先对硬件和软件做初步的检查，恢复原始状态设置。然后查看有没有处于自己所在频段范围的网络协调器，如果有协调器已经处于该网络频段，传感器节点就可以加入网络中，但是要遵循最佳路径原则，选取最合适自己的协调器作为父节点。确定了父节点再判断有没有来自父节点或者其他上层的数据流要求是传给自己的，如果没有，那该传感器节点就无需工作，保持一种接近休眠的状态，每隔一段时间再次询查上层是否传来请求，在上层发送请求时恢复工作，根据上层的命令完成要求指示。下位机的主程序流程如图7所示。

图6 软件功能及路径规划

图7 下位机主程序流程

4.2 上位机程序设计

该系统采用LabVIEW 图形化编程语言搭建上位机用户监控界面。上电复位后，用VISA 配置串口资源采集数据，由于抖动脉冲一般只持续一个周期，存在抖动脉冲的数组中会存在一个值明显区别于其他值，去除抖动脉冲产生值，可消除仪器抖动带来的测量误差，降低误检率。从串口缓冲区读取数据，将采集值每隔5 个分为1 组得到5 组数据，分别对应一条灯带上的5 个感测位点，分别取平均值

a

，加权后得到初始阈值±

A

；当采集值不在初始阈值范围内，则判断为发生漏水事件，发出警报，在LabVIEW 用户界面实时显示漏水位点。自动标定程序流程如图8 所示，上位机程序框图如图9 所示。

图8 自动标定程序流程

图9 上位机程序框图

5 测试结果分析

将传感器和电路固定在板上搭建的测试平台如图10 所示。对标定后的系统进行整体性能验证和误差分析，系统测试后将每个传感器节点的测试数据打包发送到终端节点，再通过USB 串口发送到上位机，串口调助手试终端显示接收的数据如图11 所示。

图10 测试平台及用户界面

图11 串口助手数据结果

根据提出的实验验证方案，分析标定前后测量准确度改善情况，如图12 所示。本文标定系统能够很好地实现压力传感器全自动、高精度的标定。实验结果表明：该系统能够很好地实现阈值自动标定及漏水事件的判断，警报准确率从原来的70%提高到了96%。

图12 标定前后的结果与误差柱状图

6 结 语

本文基于侧边抛磨型光纤耦合技术和定位巡检技术阐述了基于无线传感网络的高灵敏度自动标定漏水监测系统应用研究，该系统通过地面监控软件、ZigBee无线传感网络、分布式光纤折射率传感器三位一体进行交互，使区域漏水监测更加快速准确。通过实验测试，该系统能够达到设计要求的灵敏度和准确率，运行效果良好，整个系统可在无人值守下进行长期监测，为区域漏水监测提供了有效技术支持。