本文著眼于將光纖用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)和優(yōu)勢，重點(diǎn)是降低數(shù)據(jù)速率。它涵蓋了傳感器和發(fā)射器對不同光纖技術(shù)的影響，從用于長距離網(wǎng)絡(luò)的玻璃到塑料，用于更短，更低成本的實(shí)施，以及多路復(fù)用傳感器的挑戰(zhàn)，以及Avago，工業(yè)光纖，Everlight和霍尼韋爾的設(shè)備。

光纖越來越多地被用作傳感器網(wǎng)絡(luò)的集成部分，既可以跨多個(gè)節(jié)點(diǎn)聚合傳感器數(shù)據(jù)，也可以作為傳感器本身。這為使用光網(wǎng)絡(luò)和可用于構(gòu)建這種系統(tǒng)的組件開辟了新的機(jī)會。

隨著人們對物聯(lián)網(wǎng)和智能城市越來越感興趣，將傳感器數(shù)據(jù)聚合在廣闊的區(qū)域（有時(shí)像城市一樣大）的能力變得越來越重要。這正在轉(zhuǎn)移一些光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)使用相對較低的數(shù)據(jù)速率，并且傳統(tǒng)上不使用高帶寬光纖網(wǎng)絡(luò)。然而，只要數(shù)據(jù)可以有效地復(fù)用到光纖上，并且在另一端精確地去復(fù)用，傳感器的絕對數(shù)量現(xiàn)在使光纖傳輸成為更有效和高效的介質(zhì)。這帶來了額外的優(yōu)勢，因?yàn)楣饫w網(wǎng)絡(luò)具有固有的EMC和電噪聲保護(hù)，允許傳感器在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中更有效地運(yùn)行。

UPNA-納瓦拉公立大學(xué)的研究人員研究了各種光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于遠(yuǎn)程監(jiān)控大型基礎(chǔ)設(shè)施。電信工程師MontserratFernández-Vallejo開發(fā)了一個(gè)250千米大小的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，并具有多路復(fù)用功能，允許同時(shí)攜帶多個(gè)信道。這使得新的研究線和一系列實(shí)際應(yīng)用得以開辟，特別是用于監(jiān)控有數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)傳感器的智能或大型基礎(chǔ)設(shè)施。這些結(jié)構(gòu)可以在數(shù)英里之外的中心站點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，記錄結(jié)構(gòu)或環(huán)境參數(shù)的測量值，要觀察的關(guān)鍵狀態(tài)，提供正確的維護(hù)，甚至通過突出顯示在問題出現(xiàn)之前可以修復(fù)的故障設(shè)備來預(yù)防事故。這不僅適用于城市規(guī)模，也適用于遠(yuǎn)程設(shè)備，如石油鉆井平臺和其他擁有數(shù)千個(gè)分布式傳感器的海洋平臺。

該研究解決了光傳感器網(wǎng)絡(luò)，單個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的多路傳感器，確保網(wǎng)絡(luò)可能發(fā)生故障時(shí)的持續(xù)服務(wù)以及允許遠(yuǎn)程監(jiān)控等三大挑戰(zhàn)。多路復(fù)用允許簡化系統(tǒng)及其成本，共享光纖介質(zhì)以及發(fā)送器和接收器。這是降低系統(tǒng)成本的關(guān)鍵方法。

所需的數(shù)據(jù)速率和使用的光纖類型可以確定光頻率。玻璃纖維支持更寬的頻率范圍以獲得更多數(shù)據(jù)和更多的多路復(fù)用信道，而塑料光纖可以通過相應(yīng)的低成本接口設(shè)備來降低成本。

玻璃纖維

霍尼韋爾HODXXXX-XXX/BBA系列雙波長光纖雙工模塊（圖1）等組件允許通過單光纖鏈路進(jìn)行全雙工通信。它們也可以用于既不可能也不經(jīng)濟(jì)的雙光纖解決方案，或者可以使用一個(gè)雙工模塊來使現(xiàn)有系統(tǒng)的容量加倍。

圖1：霍尼韋爾（中國）雙波長光纖雙工模塊，用于在光纖網(wǎng)絡(luò)上復(fù)用傳感器數(shù)據(jù)。

每個(gè)雙工模塊由一個(gè)軸上端口和一個(gè)軸外端口組成，每個(gè)端口都配置有相應(yīng)的設(shè)備。這些器件通過集成透鏡和雙工模塊體內(nèi)的3 dB波長差分鏡耦合到單根光纖。在這種配置中，兩個(gè)雙工模塊可以同時(shí)并且彼此獨(dú)立地在相反方向上通信。根據(jù)所使用的接收器電路，可以實(shí)現(xiàn)2 km ［1.24英里］或更大的鏈路。

HOD2236-111/BBA采用1300 nm多模激光器作為發(fā)射器，采用850 nm PIN二極管，而相關(guān)的第二單元HOD4090-111/BBA采用850 nm VCSEL（垂直腔發(fā)射表面激光器）使用1300 nm PIN二極管。關(guān)鍵是這些單元與另一個(gè)設(shè)備中的激光器匹配，以獲得最佳的接收器靈敏度。

提供其他選項(xiàng)，一個(gè)雙工模塊中有兩個(gè)LED或激光器，用于單光纖多路復(fù)用，PIN +前置放大器接收器（P + P）或任何其他首選設(shè)備。外殼選項(xiàng)包括SC和ST光學(xué)端口或高端外殼，用于并排安裝雙工模塊。未來的連接器可能包括SMA，F(xiàn)C，LC和E2000。

為了將光纖連接添加到現(xiàn)有的基于以太網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，菲尼克斯電氣的光纖接口模塊用于將1300 nm的單模（單模）玻璃光纖連接到Factoryline模塊化管理型交換機(jī)。

它包括兩個(gè)100Base-FX端口，IEEE 802.3帶SC連接器，支持光纖傳輸速率高達(dá)100 Mbit/s，最長可達(dá)3.6 km，玻璃纖維FG 9/125 0.36 dB/km 。其他類型的光纖支持3.2 km（玻璃光纖，F(xiàn)-G 9/125 0.4dB/km）和2.6 km（玻璃光纖F-G 9/125 0.5 dB/km）。

圖2：菲尼克斯電氣的光纖接口模塊。

塑料光纖

Avago的Versatile Link系列是一整套光纖鏈路組件，適用于需要低成本解決方案的應(yīng)用，特別是塑料光纖。 HFBR-0500Z系列（圖2）包括發(fā)射器，接收器，連接器和指定的電纜，易于設(shè)計(jì)。該系列元件非常適合解決電壓隔離/絕緣，EMI/RFI抗擾度或數(shù)據(jù)安全性問題。邏輯兼容接收器和每個(gè)組件的完整規(guī)范簡化了光鏈路設(shè)計(jì)。配置HFBR-0500Z系列的鏈路的關(guān)鍵光學(xué)和電氣參數(shù)完全保證在0°至70°C之間，幾乎適用于所有傳感器環(huán)境。

各種封裝配置和連接器為設(shè)計(jì)人員提供了眾多機(jī)械解決方案，以滿足應(yīng)用要求。發(fā)射器和接收器組件設(shè)計(jì)用于大批量/低成本組裝過程，如自動(dòng)插入和波峰焊接。

圖3：用于傳感器網(wǎng)絡(luò)中塑料光纖連接的Versatile Link單元。

變送器采用660 nm LED，接收器包括單片DC耦合數(shù)字IC接收器，帶有開集極肖特基輸出晶體管。內(nèi)部上拉電阻可用于HFBR-25X1Z/2Z/4Z接收器，并且接收器IC中集成了屏蔽，以提供額外的局部抗噪能力。

內(nèi)部光學(xué)元件已針對1 mm直徑塑料光纖進(jìn)行了優(yōu)化，規(guī)格包含所有連接器接口損耗，以簡化鏈路預(yù)算的計(jì)算。工業(yè)光纖的IF-D95T和IF-D95OC是高靈敏度光邏輯探測器，采用“無連接器”式塑料光纖封裝。探測器包含一個(gè)帶光電二極管，線性放大器和施密特觸發(fā)器邏輯電路的IC。

IF-D95T具有TTL/CMOS兼容的圖騰柱輸出，而IF-D95OC具有集電極開路輸出。這些器件可在4.5至16伏的電源電壓范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)多達(dá)5個(gè)TTL負(fù)載。光學(xué)響應(yīng)從400 nm擴(kuò)展到1100 nm，使其與各種可見光和近紅外LED和激光二極管光源兼容。探測器套件具有內(nèi)部微透鏡和精密模制的PBT外殼，可確保與標(biāo)準(zhǔn)1000μm芯塑料光纖電纜的高效光學(xué)耦合。

IF-D95T和IF-D95OC適用于速率高達(dá)125 kbps的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路。施密特觸發(fā)器提高了抗噪性，TTL/CMOS邏輯兼容性極大地簡化了與現(xiàn)有數(shù)字電路的接口。 IF-D95的集成設(shè)計(jì)為各種數(shù)字應(yīng)用提供了經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵是不需要光學(xué)設(shè)計(jì)，低成本堅(jiān)固的塑料連接器外殼包括一個(gè)內(nèi)部微透鏡，可實(shí)現(xiàn)高效的光耦合，從而創(chuàng)建無連接器的光纖終端。這對于允許傳感器網(wǎng)絡(luò)輕松連接到廣域網(wǎng)至關(guān)重要。

通過定制的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可能需要構(gòu)建專用的光學(xué)接收器。 Everlight PRL135/T是一款光接收器，采用定制光纖數(shù)據(jù)鏈接接口，集成在專有的CMOS PDIC工藝上。該單元的功能是通過2.4~5.5 V電源將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，信號輸出接口兼容TTL，具有低功耗的高性能。這使得它對電池支持的系統(tǒng)非常有用，可以將傳感器集成到更多區(qū)域。

光電二極管靈敏度針對紅光進(jìn)行了優(yōu)化，接收靈敏度高達(dá)-27 dBm（16 Mbps鏈路最低）和-21 dBm（25 Mbps鏈路最低）。內(nèi)置閾值控制可提高噪聲容限，使鏈路更可靠。

圖4：Everlight PRL135/T將電氣轉(zhuǎn)換與光學(xué)接口集成在一起，用于電池供電的傳感器。

使用網(wǎng)絡(luò)作為傳感器

光纖網(wǎng)絡(luò)甚至可以用作傳感器本身。由英國研究機(jī)構(gòu)Qinetic開發(fā)的OptaSense系統(tǒng)使用現(xiàn)有的光纖電纜作為安全監(jiān)控傳感器。可以使用保護(hù)不同區(qū)域的不同警報(bào)設(shè)置來設(shè)置智能區(qū)域。每個(gè)區(qū)域都是完全靈活的，允許用戶選擇系統(tǒng)應(yīng)該為給定區(qū)域發(fā)出警報(bào)的活動(dòng)類型。

該系統(tǒng)使用與用于表征光纖的傳統(tǒng)光學(xué)延時(shí)反射計(jì)（OTDR）相同的原理。 OTDR將一系列光脈沖注入被測光纖并監(jiān)視返回脈沖。使用OptaSense時(shí)，光纖埋在地下，當(dāng)周圍發(fā)生振動(dòng)時(shí)，這種振動(dòng)會輕微地使光纖移位。經(jīng)調(diào)節(jié)的脈沖檢測由振動(dòng)引起的應(yīng)變，并且最后的信號處理確定振動(dòng)是否是威脅。

需要三個(gè)元件，一個(gè)用作傳感元件的標(biāo)準(zhǔn)單模電信光纖，一個(gè)包含光學(xué)技術(shù)的“詢問單元”，以及一個(gè)允許客戶與之交互的圖形用戶界面和處理功能。系統(tǒng)。這些光纖可用于已經(jīng)在地面的任何光纖，最好是支持1550 nm傳輸?shù)墓饫w，工作距離可達(dá)40 km，分辨率約為10 m。

至關(guān)重要的是，從光纖的每個(gè)10米部分提取的信號不受光纖任何其他部分（包括緊鄰光纖）振動(dòng)的影響。多個(gè)同時(shí)發(fā)生的干擾不會降低系統(tǒng)檢測沿光纖的其他活動(dòng)的能力。

該系統(tǒng)足夠靈敏，可以檢測到距離埋地纖維5-10米的人，距離光纖50米的車輛以及距離300到500米之間的挖掘機(jī)/其他大型機(jī)械。

OptaSense還可以檢測設(shè)備和機(jī)器的基本聲學(xué)特征的變化。因此，它可用于監(jiān)控遠(yuǎn)程位置（如截止閥站）的先前未受監(jiān)控的設(shè)備。它目前可以根據(jù)該聲學(xué)特征對車輛和人進(jìn)行分類，并且簽名庫正在增加。

它還考慮了一天中的時(shí)間。白天在道路上的交通可能沒有問題，但是深夜到達(dá)，停車和卸載幾個(gè)人的車輛是完全不同的。不同區(qū)域的時(shí)間設(shè)置可最大限度地減少誤報(bào)警，并提供有效的靈敏度。

圖5：OptaSense光纖傳感器的探測器區(qū)域。

基于Qinetiq幾十年的軍事聲納處理專業(yè)知識，OptaSense不僅可以挑選出事件的聲學(xué)指紋，還可以在短時(shí)間內(nèi)監(jiān)控其活動(dòng)，從而準(zhǔn)確了解事件的真實(shí)情況。通過這種方式，可以最大限度地減少誤報(bào)警。

圖6：OptaSense系統(tǒng)可以使用的安全性存在時(shí)間依賴性。

OptaSense可以更加確定地檢測導(dǎo)致重大事件的完整事件序列。上面的氣泡圖顯示了系統(tǒng)如何連續(xù)三天檢測到相同類型的活動(dòng)。白天這類活動(dòng)可能沒有什么異常，但是，警報(bào)分布的晝夜情節(jié)表明這項(xiàng)活動(dòng)是在凌晨3點(diǎn)進(jìn)行的。有了這些信息，就可以采取措施確保防止所有潛在的事故發(fā)生。在其他安全系統(tǒng)檢測到任何內(nèi)容之前，提供此級別的態(tài)勢感知。

結(jié)論

光纖可以多種方式用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)條件下多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)以公里而不是米為單位進(jìn)行跨距離測量，可以更好地監(jiān)控智能城市和海上設(shè)備。同時(shí)，支持塑料纖維的部件降低了網(wǎng)絡(luò)成本和安裝成本。更有趣的是使用光纖本身作為監(jiān)測活動(dòng)的傳感器。像OptaSense這樣的系統(tǒng)為利用光纖本身監(jiān)控設(shè)備開辟了新的機(jī)會。結(jié)果