将光纤用于传感器网络设计中有着怎样的好处

本文着眼于将光纤用于传感器网络的挑战和优势，重点是降低数据速率。它涵盖了传感器和发射器对不同光纤技术的影响，从用于长距离网络的玻璃到塑料，用于更短，更低成本的实施，以及多路复用传感器的挑战，以及Avago，工业光纤，Everlight和霍尼韦尔的设备。

光纤越来越多地被用作传感器网络的集成部分，既可以跨多个节点聚合传感器数据，也可以作为传感器本身。这为使用光网络和可用于构建这种系统的组件开辟了新的机会。

随着人们对物联网和智能城市越来越感兴趣，将传感器数据聚合在广阔的区域（有时像城市一样大）的能力变得越来越重要。这正在转移一些光纤网络发展的重点。传感器网络使用相对较低的数据速率，并且传统上不使用高带宽光纤网络。然而，只要数据可以有效地复用到光纤上，并且在另一端精确地去复用，传感器的绝对数量现在使光纤传输成为更有效和高效的介质。这带来了额外的优势，因为光纤网络具有固有的EMC和电噪声保护，允许传感器在嘈杂的工业环境中更有效地运行。

UPNA-纳瓦拉公立大学的研究人员研究了各种光纤传感器网络，用于远程监控大型基础设施。电信工程师MontserratFernández-Vallejo开发了一个250千米大小的实验网络，并具有多路复用功能，允许同时携带多个信道。这使得新的研究线和一系列实际应用得以开辟，特别是用于监控有数百甚至数千个传感器的智能或大型基础设施。这些结构可以在数英里之外的中心站点进行监控，记录结构或环境参数的测量值，要观察的关键状态，提供正确的维护，甚至通过突出显示在问题出现之前可以修复的故障设备来预防事故。这不仅适用于城市规模，也适用于远程设备，如石油钻井平台和其他拥有数千个分布式传感器的海洋平台。

该研究解决了光传感器网络，单个网络中的多路传感器，确保网络可能发生故障时的持续服务以及允许远程监控等三大挑战。多路复用允许简化系统及其成本，共享光纤介质以及发送器和接收器。这是降低系统成本的关键方法。

所需的数据速率和使用的光纤类型可以确定光频率。玻璃纤维支持更宽的频率范围以获得更多数据和更多的多路复用信道，而塑料光纤可以通过相应的低成本接口设备来降低成本。

玻璃纤维

霍尼韦尔HODXXXX-XXX/BBA系列双波长光纤双工模块（图1）等组件允许通过单光纤链路进行全双工通信。它们也可以用于既不可能也不经济的双光纤解决方案，或者可以使用一个双工模块来使现有系统的容量加倍。

图1：霍尼韦尔（中国）双波长光纤双工模块，用于在光纤网络上复用传感器数据。

每个双工模块由一个轴上端口和一个轴外端口组成，每个端口都配置有相应的设备。这些器件通过集成透镜和双工模块体内的3 dB波长差分镜耦合到单根光纤。在这种配置中，两个双工模块可以同时并且彼此独立地在相反方向上通信。根据所使用的接收器电路，可以实现2 km ［1.24英里］或更大的链路。

HOD2236-111/BBA采用1300 nm多模激光器作为发射器，采用850 nm PIN二极管，而相关的第二单元HOD4090-111/BBA采用850 nm VCSEL（垂直腔发射表面激光器）使用1300 nm PIN二极管。关键是这些单元与另一个设备中的激光器匹配，以获得最佳的接收器灵敏度。

提供其他选项，一个双工模块中有两个LED或激光器，用于单光纤多路复用，PIN +前置放大器接收器（P + P）或任何其他首选设备。外壳选项包括SC和ST光学端口或高端外壳，用于并排安装双工模块。未来的连接器可能包括SMA，FC，LC和E2000。

为了将光纤连接添加到现有的基于以太网的传感器网络，菲尼克斯电气的光纤接口模块用于将1300 nm的单模（单模）玻璃光纤连接到Factoryline模块化管理型交换机。

它包括两个100Base-FX端口，IEEE 802.3带SC连接器，支持光纤传输速率高达100 Mbit/s，最长可达3.6 km，玻璃纤维FG 9/125 0.36 dB/km 。其他类型的光纤支持3.2 km（玻璃光纤，F-G 9/125 0.4dB/km）和2.6 km（玻璃光纤F-G 9/125 0.5 dB/km）。

图2：菲尼克斯电气的光纤接口模块。

塑料光纤

Avago的Versatile Link系列是一整套光纤链路组件，适用于需要低成本解决方案的应用，特别是塑料光纤。 HFBR-0500Z系列（图2）包括发射器，接收器，连接器和指定的电缆，易于设计。该系列元件非常适合解决电压隔离/绝缘，EMI/RFI抗扰度或数据安全性问题。逻辑兼容接收器和每个组件的完整规范简化了光链路设计。配置HFBR-0500Z系列的链路的关键光学和电气参数完全保证在0°至70°C之间，几乎适用于所有传感器环境。

各种封装配置和连接器为设计人员提供了众多机械解决方案，以满足应用要求。发射器和接收器组件设计用于大批量/低成本组装过程，如自动插入和波峰焊接。

图3：用于传感器网络中塑料光纤连接的Versatile Link单元。

变送器采用660 nm LED，接收器包括单片DC耦合数字IC接收器，带有开集极肖特基输出晶体管。内部上拉电阻可用于HFBR-25X1Z/2Z/4Z接收器，并且接收器IC中集成了屏蔽，以提供额外的局部抗噪能力。

内部光学元件已针对1 mm直径塑料光纤进行了优化，规格包含所有连接器接口损耗，以简化链路预算的计算。工业光纤的IF-D95T和IF-D95OC是高灵敏度光逻辑探测器，采用“无连接器”式塑料光纤封装。探测器包含一个带光电二极管，线性放大器和施密特触发器逻辑电路的IC。

IF-D95T具有TTL/CMOS兼容的图腾柱输出，而IF-D95OC具有集电极开路输出。这些器件可在4.5至16伏的电源电压范围内驱动多达5个TTL负载。光学响应从400 nm扩展到1100 nm，使其与各种可见光和近红外LED和激光二极管光源兼容。探测器套件具有内部微透镜和精密模制的PBT外壳，可确保与标准1000μm芯塑料光纤电缆的高效光学耦合。

IF-D95T和IF-D95OC适用于速率高达125 kbps的数字数据链路。施密特触发器提高了抗噪性，TTL/CMOS逻辑兼容性极大地简化了与现有数字电路的接口。 IF-D95的集成设计为各种数字应用提供了经济高效的解决方案。

传感器网络的关键是不需要光学设计，低成本坚固的塑料连接器外壳包括一个内部微透镜，可实现高效的光耦合，从而创建无连接器的光纤终端。这对于允许传感器网络轻松连接到广域网至关重要。

通过定制的传感器网络，可能需要构建专用的光学接收器。 Everlight PRL135/T是一款光接收器，采用定制光纤数据链接接口，集成在专有的CMOS PDIC工艺上。该单元的功能是通过2.4~5.5 V电源将光信号转换为电信号，信号输出接口兼容TTL，具有低功耗的高性能。这使得它对电池支持的系统非常有用，可以将传感器集成到更多区域。

光电二极管灵敏度针对红光进行了优化，接收灵敏度高达-27 dBm（16 Mbps链路最低）和-21 dBm（25 Mbps链路最低）。内置阈值控制可提高噪声容限，使链路更可靠。

图4：Everlight PRL135/T将电气转换与光学接口集成在一起，用于电池供电的传感器。

使用网络作为传感器

光纤网络甚至可以用作传感器本身。由英国研究机构Qinetic开发的OptaSense系统使用现有的光纤电缆作为安全监控传感器。可以使用保护不同区域的不同警报设置来设置智能区域。每个区域都是完全灵活的，允许用户选择系统应该为给定区域发出警报的活动类型。

该系统使用与用于表征光纤的传统光学延时反射计（OTDR）相同的原理。 OTDR将一系列光脉冲注入被测光纤并监视返回脉冲。使用OptaSense时，光纤埋在地下，当周围发生振动时，这种振动会轻微地使光纤移位。经调节的脉冲检测由振动引起的应变，并且最后的信号处理确定振动是否是威胁。

需要三个元件，一个用作传感元件的标准单模电信光纤，一个包含光学技术的“询问单元”，以及一个允许客户与之交互的图形用户界面和处理功能。系统。这些光纤可用于已经在地面的任何光纤，最好是支持1550 nm传输的光纤，工作距离可达40 km，分辨率约为10 m。

至关重要的是，从光纤的每个10米部分提取的信号不受光纤任何其他部分（包括紧邻光纤）振动的影响。多个同时发生的干扰不会降低系统检测沿光纤的其他活动的能力。

该系统足够灵敏，可以检测到距离埋地纤维5-10米的人，距离光纤50米的车辆以及距离300到500米之间的挖掘机/其他大型机械。

OptaSense还可以检测设备和机器的基本声学特征的变化。因此，它可用于监控远程位置（如截止阀站）的先前未受监控的设备。它目前可以根据该声学特征对车辆和人进行分类，并且签名库正在增加。

它还考虑了一天中的时间。白天在道路上的交通可能没有问题，但是深夜到达，停车和卸载几个人的车辆是完全不同的。不同区域的时间设置可最大限度地减少误报警，并提供有效的灵敏度。

图5：OptaSense光纤传感器的探测器区域。

基于Qinetiq几十年的军事声纳处理专业知识，OptaSense不仅可以挑选出事件的声学指纹，还可以在短时间内监控其活动，从而准确了解事件的真实情况。通过这种方式，可以最大限度地减少误报警。

图6：OptaSense系统可以使用的安全性存在时间依赖性。

OptaSense可以更加确定地检测导致重大事件的完整事件序列。上面的气泡图显示了系统如何连续三天检测到相同类型的活动。白天这类活动可能没有什么异常，但是，警报分布的昼夜情节表明这项活动是在凌晨3点进行的。有了这些信息，就可以采取措施确保防止所有潜在的事故发生。在其他安全系统检测到任何内容之前，提供此级别的态势感知。

结论

光纤可以多种方式用于传感器网络。工业条件下多个传感器的数据以公里而不是米为单位进行跨距离测量，可以更好地监控智能城市和海上设备。同时，支持塑料纤维的部件降低了网络成本和安装成本。更有趣的是使用光纤本身作为监测活动的传感器。像OptaSense这样的系统为利用光纤本身监控设备开辟了新的机会。结果