白伟丽, 陈 健

(广东工业大学 机电工程学院，广东 广州，510006)



线型光纤感温火灾探测监控系统的研究与设计

白伟丽, 陈 健

(广东工业大学 机电工程学院，广东 广州，510006)

设计了一款基于分布式光纤的上位机监控软件，能够观察到光缆的敷设平面图温度情况，并根据温度实现实时报警.介绍了分布式光纤传感系统的基本原理、结构及硬件系统信号采集模块的优化设计，重点研究了上位机监控软件结构和功能，并用Qt编写上位机软件.系统能够准确地监控和显示待测光纤的空间温度分布状况，且界面友好，实时性强.

分布式光纤； 后向拉曼散射； Qt； 火灾探测； MySQL数据库

随着社会的不断发展，很多大型建筑以及地下建筑像大型超市、地铁隧道、地下停车场等的数量快速增长.地下建筑火势蔓延快、产生的烟雾毒性大，人员的疏散和火灾的控制难度都很大[1]，万一发生火灾往往会带来巨大的财产损失与人员伤亡,所以火灾的早期发现和前期预警对消防救灾来说尤为重要[2].

分布式光纤感温技术是近几十年来发展起来的一种实时、在线、多点的温度传感技术.此技术在1981年由英国南安普顿大学提出, 目前国外已研制出了该领域的产品[3].国内在这一领域的研究起步较晚，而在实验室和理论研究基于拉曼散射的DTS技术已趋于成熟，各项主要技术指标已达到国际先进水平，目前能够实现温度测量的范围为30 km[4].分布式光纤传感系统具有传感信号和传输信号的能力，能够探测几千米至几十千米内光纤位置被测表面的物理参数[5].然而分布式光纤温度传感器所探测到的含有温度信息的Raman后向散射光非常微弱，甚至完全淹没在噪声中[6]，且要求较高的采集速度.本文提出了基于高速ADC、大规模FPGA和高性能DSP的高速数据采集系统方案，同时通过LM382放大器芯片对输入信号进行放大，设计了一款基于Qt编程的分布式光纤感温火灾探测监控系统，通过RS232/RS485进行上位机与下位机的通信，温测主机实时传递温度数据并在上位机上显示出来，可实现火灾的实时监测、火灾预警和报警等，大大提高了火灾监测效率和系统操作的安全性.

1 系统原理和结构

1.1 基本技术原理

系统所依据原理为光纤的光时域反射原理(OTDR)和后向拉曼(Raman)散射温度效应[7].

1.1.1 OTDR定位技术

将一束窄的激光脉冲经过双向耦合器发射至铺设的感温光纤上，光纤中产生的背向散射光也由此双向耦合器耦合到光电探测器内[8]，如图1所示.散射光从激光器发出到返回激光器的时间T与光脉冲通过探测光纤的长度L满足等式

(1)

式中，c是光速，为3×108m/s，n是光折射率.时间间隔T对应于光纤距离L，因此伴随L的变化，探测器能测量沿光纤分布的待测空间分布.

图1 光时域反射结构原理图

1.1.2 拉曼散射原理

当温测主机往探测光纤中发送一定能量与宽度的脉冲时，激光照射到光粒子上，光脉冲与光纤分子发生作用，产生散射，散射光有很多种，如图2所示.其中，光纤分子的热振动引起了拉曼散射，光纤分子的振动又产生了斯托克斯光(Stokes)和一反斯托克斯光(Anti-Stokes)[9].通过测量反斯托克斯光强与斯托克斯光强的比值大小便可测得它的温度高低，即

(2)

由式(2)可知，比值R(T)只和温度相关，于是能够通过测反斯托克斯光强和斯托克斯光强的比值，获得沿线探测光纤的温度值，再由光时域反射技术(OTDR)获得空间温度场的分布状态[10]，进而实现分布式感温火灾的探测与预警.

1.2 系统组成结构

探测系统基本结构如图3所示，系统主要由驱动电路、激光发射器、波分复用器、感温光纤、放大电路、信号采集与处理及计算机系统等组成.

图2 散射光强-波长分布图

图3 分布式光纤感温火灾探测系统硬件框图

电源驱动激光器发送激光脉冲, 而后通过波分复用器(WDM)耦合到多模数据光纤, 同时驱动数据采集卡实现同步信号采集[11].感温光纤铺设于待测场所中,进行温度的采集，激发脉冲与光纤内部形成一些分布不均的颗粒之间发生相互反应, 产生散射现象, 散射光沿着光纤反方向传播[12],再一次进入波分复用器后分成两路进到光学滤波器里,把反斯托克斯光和斯托克斯光分别提取出来,并抑制其他的散射光,再经过耦合器件进入到雪崩光电二极管APD, 把光信号变换成电信号,经后续放大后,把采集的温度数据通过DSP进行数字信号处理再送往计算机显示[13]，在时间上，根据光纤中光波的传输速率与背向光回波的时间差，结合OTDR技术对所测温度点准确定位，再通过配套软件显示各点温度值及变化趋势.

2 上位机监控软件设计

本系统上位机部分是在PC机Windows操作系统下基于Qt的安全监控软件，内嵌MySQL数据库.

2.1 软件需求分析

为了实时显示待测光纤的分布状况并根据温度情况实现火灾预警和报警，监控软件具有以下功能.

(1) 信息化功能：报警分机用RS232/RS485端口与上位机通信，互相传递实时温度值和控制信息等.报警分机提供以太网接口，与远程计算机进行通信.

(2) 精确检测功能：在界面上能够清晰地显示铺设光纤的具体地理位置与代号，进行实时在线的温度监控和火灾预警，并可获得精确的位置信息.

(3) 电子地图导向功能：电子地图包括了感温光纤的实际铺设方向，它能够显示整体结构也能够分区显示光纤的长度和温度；提供了各个分区间的环境温度实时数据；在计算机上实时显示报警信息、检测分区的分布概况、所测温度数据信息、火灾蔓延的方向等.

(4) 报警设置功能：系统软件有自动报警功能，可设置一级预警、二级预警、火灾报警、光纤故障、系统故障、升温报警等任意报警级别.

(5) 历史记录功能：① 温度记录——可以显示在数据库中保存的温度值，如温度的最大值、温度分布曲线等. ② 报警记录——能对已发生过的温度报警进行查询.用户只要给出查询条件，如时间、报警类别、连接号、电缆段等，系统软件便自动生成报表信息.

2.2 软件设计思想

系统采用RS232/RS485作为上位机与下位机的通信，温测主机测量探测光纤沿线的温度并把温度数据存入数据库中，而后在PC机屏幕上显示出来.

监控软件基于Qt编程，Qt是1991年由奇趣科技开发的一个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架[14].只需一次性开发应用程序，无需重新编写源代码，便能够跨不同桌面和嵌入式操作系统部署这些应用程序[15].

2.3 软件整体结构设计

为了达成预定的监控目标，将监控软件分为下列几个功能模块.

2.3.1 用户登录模块

如图4所示,用户要启动软件，先要登录，输入用户名和密码，不同的用户级别对软件的操作权限也不一样.

2.3.2 温度曲线模块

在此显示区域，用户可以查看到整条敷设光纤的温度在某一时间点随距离分布的曲线.图5为温度随距离分布的曲线图，在约5 m处温度值达到80 ℃，温度出现异常，可能出现火灾，应及时进行处理.

图4 用户登录界面

图5 温度随距离变化曲线图

2.3.3 电子地图模块

电子地图包含分布光纤的实际铺设方向，它可以显示整体结构也可以分区显示光纤的长度与温度，提供了各个分区之间的实时温度数据，并在计算机上实时显示警告信息、检测分区的分布概况、所测温度数据信息、火灾蔓延的方向等.电子地图的设计包括组、段和曲线，这些统称为报警对象，如图6所示.

图6 电子地图设计界面

2.3.4 MySQL数据库连接模块

采集的数据通过MySQL数据库存储，MySQL是一个轻量级、小型关系型数据库[16].MySQL数据库的连接方式主要有两种方式，一种是通过ODBC方式建立连接，需要配置ODBC，另一种方式是通过调用MySQL的API函数建立连接，本文选择用第二种方式.

通过调用MySQL的API函数方式建立数据库连接.首先需要将MySQL的数据库驱动库libmysql.dll放到当前目录下.

1) 启用数据库驱动.

QSqlDatabase db =

QSqlDatabase::addDatabase("QMYSQL",sName);

第二个参数为数据库连接名.

db.setHostName("localhost");//或127.0.0.1 本主机

db.setPort(3306);

db.setDatabaseName("example"); //对数据库example进行操作

db.setUserName("root"); //root是一个对example数据库有操作权限的账户

db.setPassword("1234");

2) 打开数据库.

调用db.open()打开数据库连接.返回true表示连接成功，返回false表示连接失败.

3) 数据库相关API函数.

(1) seek(intn) ：query 指向结果集的第n条记录;(2) first() ：query 指向结果集的第一条记录;(3) last() ：query 指向结果集的最后一条记录;(4) next() ：query 指向下一条记录，每执行一次该函数，便指向相邻的下一条记录;(5) previous() ：query 指向上一条记录;(6) record() ：获得现在指向的记录;(7) value(int n) ：获得属性的值;(8) transaction():开始一个事务操作;(9) commit() :提交事务的所有操作;(10) rollback() :表示回滚，在事务运行的过程中如果发生故障，事务不能继续进行，系统将对数据库的所有已完成的操作全部撤销，回滚到事务开始时的状态.

3 硬件系统优化设计

根据分布式光纤的各项参数指标(测量精度、空间分辨率、测量时间、距离等)的相互关系，结合火灾探测领域的特殊要求，系统需要有强大的、实时的数据采集和处理能力.

高速数据采集系统选用高速AD9814、大规模FPGA和高性能DSP,满足数据处理的各项功能,采集模块实物图如图7所示.数字信号处理单元采用TMS320VC5416，该处理器提供了一个高程度的并行运算逻辑单元，应用程序特定的硬件逻辑，片上存储器和额外的片上外设.该数字信号处理器的运行灵活性和速度基于一个高度专业化的指令集.

4 结语

本文通过高速数据采集模块的设计,充分利用DSP 适合于进行数字运算的特点和FPGA高集成度, 实现了对分布式光纤感温探测系统高速信号的实时采样.通过软件界面显示监控信息，显示直观明了，监控方式灵活，不仅可以整体监视光纤上的温度，还可分段监视光纤的详细分布状况.该系统监测范围广，测量距离长，温度检测范围为 -30～120 ℃，测量距离长达几千米甚至上万米；温度测量精度高，可达±1 ℃，且定位精度高，可达1 m，可随时显示任何一点的温度状态.软件在Windows操作系统中工作，适合现代操作系统的发展趋势.

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Investigation and Design of a Linear Optical Fiber Sensing and Monitoring System

Bai Wei-li, Chen Jian

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

A monitoring software of the host computer based on distributed optical fiber fire detection is designed, which can observe real-time temperature laying optical cable, and realize real-time alarming according to the temperature. The basic principles of distributed fiber optic sensing system, structure and optimization design of signal acquisition module of the distributed optical fiber sensing system are introduced, focusing on the PC monitoring software structure and function, and writing PC software with Qt. This system can monitor and accurately display the spatial temperature distribution of the fiber optic fiber, and has the characteristics of friendly interface, strong real-time and so on.

distributed fiber; Raman-scattering; Qt; fire detection； MySQL databases

2015- 11- 05

广东省科技计划项目(2014A010103027)

白伟丽(1990-)，女，硕士研究生，主要研究方向为机电控制技术.

陈健(1964-)，男，教授，博士，主要研究方向为机电液控制技术. E-mail：chenjian7681@163.com

10.3969/j.issn.1007- 7162.2016.06.007

TP311.1

A

1007-7162(2016)06- 0044- 05