本文著眼于將光纖用于傳感器網絡的挑戰和優勢，重點是降低數據速率。它涵蓋了傳感器和發射器對不同光纖技術的影響，從用于長距離網絡的玻璃到塑料，用于更短，更低成本的實施，以及多路復用傳感器的挑戰，以及Avago，工業光纖，Everlight和霍尼韋爾的設備。

光纖越來越多地被用作傳感器網絡的集成部分，既可以跨多個節點聚合傳感器數據，也可以作為傳感器本身。這為使用光網絡和可用于構建這種系統的組件開辟了新的機會。

隨著人們對物聯網和智能城市越來越感興趣，將傳感器數據聚合在廣闊的區域（有時像城市一樣大）的能力變得越來越重要。這正在轉移一些光纖網絡發展的重點。傳感器網絡使用相對較低的數據速率，并且傳統上不使用高帶寬光纖網絡。然而，只要數據可以有效地復用到光纖上，并且在另一端精確地去復用，傳感器的絕對數量現在使光纖傳輸成為更有效和高效的介質。這帶來了額外的優勢，因為光纖網絡具有固有的EMC和電噪聲保護，允許傳感器在嘈雜的工業環境中更有效地運行。

UPNA-納瓦拉公立大學的研究人員研究了各種光纖傳感器網絡，用于遠程監控大型基礎設施。電信工程師MontserratFernández-Vallejo開發了一個250千米大小的實驗網絡，并具有多路復用功能，允許同時攜帶多個信道。這使得新的研究線和一系列實際應用得以開辟，特別是用于監控有數百甚至數千個傳感器的智能或大型基礎設施。這些結構可以在數英里之外的中心站點進行監控，記錄結構或環境參數的測量值，要觀察的關鍵狀態，提供正確的維護，甚至通過突出顯示在問題出現之前可以修復的故障設備來預防事故。這不僅適用于城市規模，也適用于遠程設備，如石油鉆井平臺和其他擁有數千個分布式傳感器的海洋平臺。

該研究解決了光傳感器網絡，單個網絡中的多路傳感器，確保網絡可能發生故障時的持續服務以及允許遠程監控等三大挑戰。多路復用允許簡化系統及其成本，共享光纖介質以及發送器和接收器。這是降低系統成本的關鍵方法。

所需的數據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據和更多的多路復用信道，而塑料光纖可以通過相應的低成本接口設備來降低成本。

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行全雙工通信。它們也可以用于既不可能也不經濟的雙光纖解決方案，或者可以使用一個雙工模塊來使現有系統的容量加倍。

圖1：霍尼韋爾（中國）雙波長光纖雙工模塊，用于在光纖網絡上復用傳感器數據。

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

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

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

為了將光纖連接添加到現有的基于以太網的傳感器網絡，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。

它包括兩個100Base-FX端口，IEEE 802.3帶SC連接器，支持光纖傳輸速率高達100 Mbit/s，最長可達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-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用，特別是塑料光纖。 HFBR-0500Z系列（圖2）包括發射器，接收器，連接器和指定的電纜，易于設計。該系列元件非常適合解決電壓隔離/絕緣，EMI/RFI抗擾度或數據安全性問題。邏輯兼容接收器和每個組件的完整規范簡化了光鏈路設計。配置HFBR-0500Z系列的鏈路的關鍵光學和電氣參數完全保證在0°至70°C之間，幾乎適用于所有傳感器環境。

各種封裝配置和連接器為設計人員提供了眾多機械解決方案，以滿足應用要求。發射器和接收器組件設計用于大批量/低成本組裝過程，如自動插入和波峰焊接。

圖3：用于傳感器網絡中塑料光纖連接的Versatile Link單元。

變送器采用660 nm LED，接收器包括單片DC耦合數字IC接收器，帶有開集極肖特基輸出晶體管。內部上拉電阻可用于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。

內部光學元件已針對1 mm直徑塑料光纖進行了優化，規格包含所有連接器接口損耗，以簡化鏈路預算的計算。工業光纖的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。探測器包含一個帶光電二極管，線性放大器和施密特觸發器邏輯電路的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驅動多達5個TTL負載。光學響應從400 nm擴展到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。探測器套件具有內部微透鏡和精密模制的PBT外殼，可確保與標準1000μm芯塑料光纖電纜的高效光學耦合。

IF-D95T和IF-D95OC適用于速率高達125 kbps的數字數據鏈路。施密特觸發器提高了抗噪性，TTL/CMOS邏輯兼容性極大地簡化了與現有數字電路的接口。 IF-D95的集成設計為各種數字應用提供了經濟高效的解決方案。

傳感器網絡的關鍵是不需要光學設計，低成本堅固的塑料連接器外殼包括一個內部微透鏡，可實現高效的光耦合，從而創建無連接器的光纖終端。這對于允許傳感器網絡輕松連接到廣域網至關重要。

通過定制的傳感器網絡，可能需要構建專用的光學接收器。 Everlight PRL135/T是一款光接收器，采用定制光纖數據鏈接接口，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非常有用，可以將傳感器集成到更多區域。

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

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

使用網絡作為傳感器

光纖網絡甚至可以用作傳感器本身。由英國研究機構Qinetic開發的OptaSense系統使用現有的光纖電纜作為安全監控傳感器。可以使用保護不同區域的不同警報設置來設置智能區域。每個區域都是完全靈活的，允許用戶選擇系統應該為給定區域發出警報的活動類型。

該系統使用與用于表征光纖的傳統光學延時反射計（OTDR）相同的原理。 OTDR將一系列光脈沖注入被測光纖并監視返回脈沖。使用OptaSense時，光纖埋在地下，當周圍發生振動時，這種振動會輕微地使光纖移位。經調節的脈沖檢測由振動引起的應變，并且最后的信號處理確定振動是否是威脅。

需要三個元件，一個用作傳感元件的標準單模電信光纖，一個包含光學技術的“詢問單元”，以及一個允許客戶與之交互的圖形用戶界面和處理功能。系統。這些光纖可用于已經在地面的任何光纖，最好是支持1550 nm傳輸的光纖，工作距離可達40 km，分辨率約為10 m。

至關重要的是，從光纖的每個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）振動的影響。多個同時發生的干擾不會降低系統檢測沿光纖的其他活動的能力。

該系統足夠靈敏，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/其他大型機械。

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

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

圖5：OptaSense光纖傳感器的探測器區域。

基于Qinetiq幾十年的軍事聲納處理專業知識，OptaSense不僅可以挑選出事件的聲學指紋，還可以在短時間內監控其活動，從而準確了解事件的真實情況。通過這種方式，可以最大限度地減少誤報警。

圖6：OptaSense系統可以使用的安全性存在時間依賴性。

OptaSense可以更加確定地檢測導致重大事件的完整事件序列。上面的氣泡圖顯示了系統如何連續三天檢測到相同類型的活動。白天這類活動可能沒有什么異常，但是，警報分布的晝夜情節表明這項活動是在凌晨3點進行的。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生。在其他安全系統檢測到任何內容之前，提供此級別的態勢感知。

結論

光纖可以多種方式用于傳感器網絡。工業條件下多個傳感器的數據以公里而不是米為單位進行跨距離測量，可以更好地監控智能城市和海上設備。同時，支持塑料纖維的部件降低了網絡成本和安裝成本。更有趣的是使用光纖本身作為監測活動的傳感器。像OptaSense這樣的系統為利用光纖本身監控設備開辟了新的機會。結果