光纤传感器以及其在物联网中的应用

光纤传感物联网技术与应用

摘要：物联网作为信息时代一个新的里程碑，成为了最近通信领域研究的一大

热点，随着物联网和光纤传感技术的发展，光纤传感与物联网的结合也是目前研究的一大课题，其在各行各业的应用亦具有很大的前景。本文介绍了物联网的相关技术、框架和应用状况，简单的描述了光纤传感器的分类、发展和应用，分析了光纤传感技术在物联网中的应用，介绍了一个光纤传感物联网在矿井安全中的具体应用。

关键字: 物联网 光纤传感 光纤传感物联网

A Survey On The Fiber-optical IOT

Abstract：The growth of the Internet of Things ( IOT ) industry has become a new

mark of the communication domain. As the development of the technology of the IOT and the fiber-optical sensor, the combination of the both is a big question to be discussed, and the fiber-optical IOT also has a good development prospect. This article first introduces IOT’s current status, the key technology, the theoretical frame and the applications. Then, it discusses the classification of the optical fiber sensor as well as the development and its application’s situation. Lastly , it puts the optical fiber sensing technology into the IOT, and introduces a specific application which is used in the mine safety based on the fiber-optical IOT. Key words: IOT fiber-optical sensor fiber-optical IOT

前言

物联网是我国战略性新兴产业的重要组成部分，是继计算机、互联网和移动通信之后的新一轮信息技术革命，正推动着信息技术在各行各业更深入应用的新

一轮信息化浪潮。其是在计算机互联网的基础之上，通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，其核心和基础依然是互联网，但是是在互联网上的延伸与扩展，使得其可以与多种网络进行互联实现多网的无缝通信。

光纤传感技术，是近几年来迅速发展起来的新型技术，已经在能源、医疗、航天、化工、环境等领域得到普遍应用，相比传统的检测技术，光纤传感技术具有远程传输、多参数、复用能力强、易于组网、实时在线、抗干扰、本质安全等优点，便于综合分析各方面的信息，能够大大提高现有安全监测及生产自动化水平。近些年来，国际上各种特殊功能的光纤、有源器件、无源器件相继问世，并在性能上有了很大的提高，价格也相应的降低，因而大大的促进了光纤传感器技术在信息传输和感测方面的广泛应用。

在物联网的发展中，光纤通信网络能承载更高的带宽，适合长距离传输，非常适宜物联网应用的拓展，在物联网的网络层得到了应用。物联网的底层要用到各种各样大量的传感器，来提供物联网感知层的初始信息，光纤传感器迅速崛起, 其集成了光纤技术、激光技术和光电探测等多领域所取得的巨大成就，具有诸多优点，在物联网发展的推动下，正广泛的应用于国民经济以及人们生活的各个领域。

1、 物联网发展概述

1.1 物联网的定义

物联网的概念是在1999年提出的，物联网就是“物物相连的互联网”，其英文名称为“internet of things”。至今，物联网还没有一个统一的定义。

一般国际通用的定义是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1]。

欧盟有关物联网的定义是物联网是未来互联网的一部分， 能够被定义为基于标准和交互通信协议的具有自配置能力的动态全球网络设施， 在物联网内物理和虚拟的\物件\具有身份、物理属性、拟人化等特征，它们能够被一个综合的信息网络所连接[1]。

我国的政府工作报告中对物联网如下定义：物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

1.2 物联网的体系架构

在系统研究中，体系架构是指导具体系统设计的一个首要前提，体系架构是设计也将会决定物联网的技术细节、应用模式和发展趋势。目前，国内的研究人员在描述物联网的体系架构的时候，多会采用ITU-T在Y.2002建议中描述的USN高层架构作为基础，自下而上分为传感网络、接入网络、骨干网络、中间件以及应用平台五个层次。除了ITU外，其他的国际标准化组织也从不同的侧面对物联网的架构进行了描述和研究，如欧洲电信标准协会及其对机器技术委员会从端到端的角度提出了一个简单的M2M架构，即通过M2M核心网络构成的网络域将M2M应用域与M2M设备域相连。这是对USN体系架构的一个简化。

图2.1 物联网的体系架构

目前普遍认为的物联网体系架构是将物联网分为三层，感知层、网络层和应用层[2]。如图2.1所示。

感知层由各种类型的采集和控制模块组成，如RFID标签和读写器，传感器网络，温度、声音、振动等传感器，二维条码，各种终端等。主要是要来感知底层信息，完成物联网应用中的数据采集和设备控制功能。是物联网应用和发展的基础。感知层一般包括数据采集和短距离传输两部分，即通过传感设备感知来的信息和数据通过无线或者总线等短距离传输技术传递到网关，将信息递交给上层。

网络层则是在现有网络的基础上建立，对现有的网络进行融合和扩展，形成多种网络有机融合的多种异构网络共存的一种网络，主要承当数据传输的功能，能够将感知层感知到的数据无障碍的、高可靠性、高安全性的进行传送，尤其是

远距离的传送。同时感知层还包括部分对于感知数据的管理和处理技术[3]。

应用层是物联网发展的驱动力和目的。应用层的主要功能是把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务。这一层解决的是信息处理和人机界面的问题。 具体讲就是把网络层传来的数据通过各类信息系统进行处理，并且通过各种设备来与人进行交互。通常可以划分为两个子层：应用程序层和终端设备层。

1.3 物联网的关键技术

物联网中的技术是信息、通信、传感器以及自动控制等多种技术的综合体，我们可以将技术分为应用层、网络层以及感知层三个层次。在感知层中，关键技术主要涉及到传感器技术、RFID技术、近距离的无线通信、自组织网、中间件以及嵌入式系统等。在网络层，则主要包括异构网络融合、M2M、认知无线电技术以及网络环境感知等技术。在应用层，根据体系结构，我们可以知道主要要考虑到的技术有海量数据存储、数据共享、数据挖掘、云计算、资源虚拟化、软件体系结构等[4]。

图2.2 物联网技术体系架构

在感知层中，感知层的技术主要包括数据采集技术和短距离通信以及协同信息处理技术两部分[5]。在数据采集技术中，传感器技术，能感受到被测的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。，RFID技术主

要是利用射频信号通过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息实现物体识别。RFID技术既可以看做是设备标识技术，也可以看成是短距离通信技术中的一种。在短距离通信技术中，常见的有zigbee技术，是一种短距离低功耗的无线传输技术，适合用于承载数据流量较小的业务。

在网络层中，我们主要考虑的是网络与通信技术。网络是物联网信息传递和服务支撑的基础设施，通过泛在的互联功能，实现感知信息高可靠性、高安全性传送。除了考虑传统的移动通信网、互联网等技术，我们主要考虑的是异构网络融合技术，将多种无线网络和有线网络进行有机的融合形成一个信息互通的统一网络，摒除信息孤岛，形成全球信息一体化。

在应用层中，与普通网络不一样的是，海量感知信息的甲酸与处理计算，成为物联网应用大规模发展之后需要考虑的主要问题，实现海量信息的数据融合、高效存储、语义分析、并行处理以及数据挖掘等功能具有十分重要的功能[6]。

此外，物联网的公共管理和支撑技术也是物联网建设需要考虑的首要问题，由于物联网具有开放性、包容性以及自治性，所以我们要研究新的物联网管理模型与关键技术以及更加优化的安全保障技术来保证物联网的正常发展。

1.4 物联网的应用

物联网作为一个新兴的先进的网络技术，在生产生活的各个领域都得到了广泛的应用，尤其是智能电网，智能交通，智能物流，安全监控，智能家居等方面均有了相应的研究[7]。尤其在生态监视中，利用传感器或者RFID进行全面感知，通过异构网络进行可靠传输以及信息处理，最后通过对信息的虚拟现实、生态分析、云计算等实现智能监控。利用物联网技术，可是实时的进行数据监控，为各行各业带去了便利。而在我们未来的生活中，物联网必将会无处不在，使得人们的生活更加的智能化，物联网技术将会成为我国发展现代服务业的重要组成部分，为人类生活带来颠覆性的变革和巨大的商机。

2、 光纤传感技术的发展与应用

2.1 光纤传感器的特点以及分类

光纤传感器不仅具有传统传感器所具有的技术基础，而且具有很多独特的优点。光纤传感器技术光纤传感器技术利用光波通过光纤传输时相位、偏振态、波长等参量随外界因素的变化来感测相应的外界物理量的变化, 实现传与感的测量。光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频

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