基于新型光纤智能结构的远程监控物联网系统设计

摘要：针对现有光纤智能结构自诊断、自修复系统存在的问题，提出并设计了一种基于ARM和GPRS的液芯光纤智能结构的远程监控物联网系统，系统主要包括光源、液芯光纤智能结构、光电检测模块、A/D转换模块、ARM微控制器、GPRS无线通信模块、Internet和监控中心服务器。其中液芯光纤智能结构是由特制的液芯光纤埋入复合材料中构成，采用GPRS无线通信技术，结合以S3C2440为核心处理器的ARM嵌入式技术，同时在中心采用自主设计的监控可视化软件直接输出结果，具有直观可靠、控制简单等优点。本文还对液芯光纤智能复合材料结构进行承载实验研究，并采用BP神经网络理论对实验数据进行分析和载荷位置判定，研究结果表明该监控系统性能稳定且效果明显，对复合材料结构载荷位置能够作出准确判断，初步实现了复合材料结构的自诊断。

关键词：液芯光纤智能结构；远程监控；承载定位；物联网

中图分类号：TN247 文献标志码：A 文章编号：1005-2615（2015）03-0453-06

Design of Remote Monitoring Internet of Things System for New Optical Fiber Smart Structure

Shen Lingbin，Zhao Zhimin，Yu Xiaolei

Abstract：According to the limitations of the existing self-diagnosis and self-repairing system for optical fiber smart structure， a system of remote data communication for liquid-core optical fiber smart structure bascd on ARM andก GPRS is proposed. The system mainly consists of laser source， liquid-core optical fiber smart structure， microcontroller， GPRS communicate module， light source using for repairing， internet and monitoring center. The liquid-core fiber optic smart structure is made up of the special liquid-core fiber embedded into composites. The system uses the GPRS wireless communication technology， combining with the core processor S3C2440 ARM embedded technology. And in monitoring center，a visual surface software is designed using Microsoft VB. It has the advantages of intuitive ancl trustiness. Meanwhile， the experiment of loading is carried out. And the data of experiments are analyzed by BP network theory. The research results show that the monitoring system is stable， efficient and reliable and the position of loading can be located exactly. The composite self-diagnosis is realized preliminary.

Key words： liquid-core optical fiber smart structure； remote monitสoring； load location； internet of things

基金项目：国家自然科学基金（61475071）资助项目；江苏省自然科学基金青年基金（BK20141032）资助项目；中国博士后基金（2013M531346）资助项目；江苏省普通高校研究生科研创新计划（KYLX_ 0246）资助项目。

收稿日期：2014-01-17；修订日期：2014-12-17

智能结构是近年来新材料领域的研究热点，研究综合了电子、测试、信息、固体力学和控制技术等学科知识，它的发展非常迅速，在诸多领域受到重视并得到越来越广泛的应用。例如，采用智能结构技术来进行硬盘驱动器的振动控制从而改善伺服性能[1]，在航空领域中实现智能蒙皮、自适应机翼、振动噪声控制[2]等。通常，将光纤技术应用于先进复合材料中，并配以相应监测与控制系统就构成了光纤智能结构[3]。国内外对光纤智能结构状态监控的研究以及监控系统的设计已经取得了一些成果，完成了各种监控系统设计[4-6]等。目前在智能复合材料监测系统中应用最多是光纤光栅传感器，但是光纤光栅只能作为传感元件监测复合材料的健康状态，当材料发生损伤时，不能对材料进行及时修复，针对这一问题，本文研究一种新型液芯光纤传感器[7]，埋入复合材料结构中，构成光纤传感网络。虽然液芯光纤没有被用于光通信，但是实验中却发现了液芯的一些性质，如光谱传输效率高、机械性能好、可以传输大功率光源、非线性特性、大数值孔径等优点。同时监控系统设计大部分都是基于现场工作的，在实际的应用中还存在诸多不足之处，比如郭林峰等人[8]提出并设计了一种光纤智能结构的监控系统，采用的是实心光纤，其监控主机核心处理器采用的是DSP处理器，通过串口与监控中心连接，因此该系统在实际应用过程中，必须基于现场工作，对实际操作的区域有着很大的局限性；Ebrahim等人[6]设计了一种对大桥进行健康监控的远程监控系统，该系统通过电话线或DSL快速连接器连接信号调节器到因特网进行远程数据传输，从而达到远程监控的目的，DSL连接因特网其服务频段较窄，随着传送距离的加长，其服务质量因为干扰而急剧下降。 [3] 涂亚庆，刘兴长，光纤智能结构[M].北京：高等教育出版社，2005.

Tu Yaqing， Liu Xจingchang. Fiber optic smart structure[M]. Beijing：Higher Education Press， 2005.[4] Nishiyama M， Sasaki H， Watanabe K. A deformation sensitive pad-structure embedded with heterocore optic fiber sensors[J]. Sensors and ActuatorsA， 2007，136（1）：205-211.

[5] 卢吉云，梁大开，潘晓文.基于准分布式光纤光栅传感器的机翼盒段载荷临测[J].南京航空航天大学学报，2009，41（2）：217-221.

Lu Jiyun， Liang Dakai， Pan Xiaowen. Load measurement of wing box based on distributed fiber bragg grating sensors[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， 2009，41（2）：217-221.

[6] Ebrahim M， Ashraf A， Amir A. Evaluation of fiber optic sensors for remote health monitoring of bridge structures[J]. Materials and Structures， 2009， 42（2）：183-199.

[7] 马军艳，赵志敏，郭林峰，等.特种液芯光纤微弯性能实验研究[J].应用激光，2006，26（4）：265-266.

Ma Junyan，Zhao Zhimin， Guo Linfeng，et al. Experimental study on microbend performance of special liquid-core optical fiber[J]. Applied Laser， 2006，26（4）：265-266.

[8] 郭林峰，赵志敏，李伟，等.一种光纤智能结构的监控系统设计[J].传感器与微系统，2008，27（2）：118-120.

Guo Linfeng， Zhao Zhimin，Li Wei， et al. Design of monitoring system with certain optical fiber intelligent structure[J]. Transducer and Microsyster Technogies， 2008，27（2）：118-120.

[9] 沈连丰，宋铁成，叶芝慧.嵌入式系统及其开发应用[M].北京：电子工业出版社，2005.

Shen Lianfeng， Song Tiecheng， Ye Zhihui. The embedded system and its development and application[M]. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2005.

[10] 李平江，周伦彬，张宝峰，基于ARM和GPRS的路灯远程监控系统[J].中国测试，2009，35（2）：53-56.

Li Pingjiang， Zhou Lunbin， Zhang Baofeng. Remote monitor and control system for street lamps based on ARM and GPRS[J]. China Measurement & Test，2009，35（2）：53-56.

[11] 李自刚，聂明新.基于ARM和GPRS的光纤直放站监控系统的设计与实现[J].通信技术，2010，43（4）：127-129.

Li Zigang， Nie Mingxin. Design and implementation of fiber-optic repeater monitorinบg system based on ARM and GPRS[J]. Communication Technology，2010，43（4）：127-129.

[12] 朱剑英.智能系统非经典数学方法[M].武汉：华中科技大学出版社，2001：184-216.

Zhu Jianying. Non-classical mathematics for intelligent systems[M]. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology Press， 2001：184-216.

[13] 张华荣，赵志敏，基于人工神经网络的光纤智能结构变形信息的分析与处理[J].理化检验――物理分册，2011，47（3）：137-140.

Zhang Huarong， Zhao Zhimin. Analysis and processing of deformศation information of optical fiber smart structure based on artificial netural networks[J].Parta： Phys Test， 2011，47（3）：137-140.