專利名稱：具有雙向可擴展性的混合式雙層光纖智能傳感網(wǎng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光纖傳感網(wǎng)技術領域，尤其涉及一種具有雙向可擴展性的融合多種、多個分立式傳感子網(wǎng)和分布式傳感子網(wǎng)的混合式雙層光纖智能傳感網(wǎng)組網(wǎng)技術。
背景技術：
光纖傳感技術依托光纖的防磁，防電，抗干擾等特性，以其獨特的優(yōu)勢，與光纖通訊技術相結(jié)合，成為光纖技術的重要研究領域。隨著社會進步和科技發(fā)展，對光纖傳感技術的要求越來越高。目前，光纖傳感技術正朝著多參量、高精度、長距離和網(wǎng)絡化方向發(fā)展。光纖傳感網(wǎng)是將光纖傳感器或光纖傳感子系統(tǒng)以一定拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)成的網(wǎng)絡。光纖傳感網(wǎng)不同于光纖通信網(wǎng)絡，光纖傳感網(wǎng)主要用于物理、生物和化學等參量的傳感和傳輸，數(shù)據(jù)量不大但卻要求實時、準確。光纖智能傳感網(wǎng)是信息科學與物理學、化學、生物學、醫(yī)學和地學等多個學科交叉的產(chǎn)物，又是檢測物理量、化學量、生物量、醫(yī)學量和地學量的重要手段，將促進多個學科的全面發(fā)展 。光纖智能傳感網(wǎng)可接入光纖通信網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡進行信息傳輸，從而實現(xiàn)災害預警與評估、基礎設施健康監(jiān)測，滿足國防軍事與國家安全等的重大需求。目前，光纖傳感技術在發(fā)展中面臨著傳感容量、傳感精度和傳感距離的挑戰(zhàn)，分立式光纖傳感技術以及單點或多點式光纖傳感系統(tǒng)將無法滿足現(xiàn)代光纖傳感技術發(fā)展的需要，光纖傳感網(wǎng)的傳感接入擴容、傳感器增敏和傳感距離延伸是當前光纖傳感科學與技術發(fā)展的主要趨勢。受光源和傳感單元帶寬占用等限制，現(xiàn)有的光纖傳感網(wǎng)接入和復用方式所能復用的傳感單元和傳感器數(shù)量和所能達到的檢測容量還是受到了較大限制。難以實現(xiàn)多參量、多類型、大容量、長距離、可擴展的光纖智能傳感，不能滿足快速、實時、可靠、智能的工程實用化要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多類型、多參量、多拓撲、大容量、具有雙向可擴展的混合式雙層光纖智能傳感網(wǎng)，解決了目前傳感網(wǎng)中傳感器類型單一、容量小、靈敏度低、接入擴容性差的缺點。本發(fā)明旨在將以新型光子晶體光纖傳感器、基于光微流體理論的生物光纖傳感器、基于光譜吸收的氣體傳感器為代表的分立式傳感器，以及以基于布里淵效應的光纖傳感網(wǎng)、基于非線性光學效應融合原理的光纖拉曼傳感網(wǎng)、基于寬光譜動態(tài)干涉效應的分布式光纖擾動及定位傳感網(wǎng)為代表的分布式傳感單元中不同類型和不同功能的傳感器和傳感單元進行混合組網(wǎng)，形成具有多種復用結(jié)構(gòu)的可自愈、高精度的可雙向擴展的傳感解調(diào)雙層網(wǎng)絡系統(tǒng)。不僅充分利用傳感系統(tǒng)的光譜資源，而且在此基礎之上采用全光波長轉(zhuǎn)換技術，使得可用光譜范圍加寬，使擴容成為可能。此外采用多種復用方式相結(jié)合的復用方式，實現(xiàn)了多類型、多參量，長距離傳感，同時融合多種拓撲結(jié)構(gòu)，將各個傳感器和傳感單元有機的組合在一起，形成了具有雙向可擴展性的混合式雙層光纖智能傳感網(wǎng)。本發(fā)明提供的具有雙向可擴展性的混合式雙層光纖智能傳感網(wǎng)如圖1所示，將整個智能傳感網(wǎng)分為終端節(jié)點層和傳感網(wǎng)絡層雙層結(jié)構(gòu)。終端節(jié)點層包括計算機、調(diào)制模塊、光源模塊、波長轉(zhuǎn)換模塊包括向上波長轉(zhuǎn)換器和向下波長轉(zhuǎn)換器、波分復用模塊包括第一波分復用器和第二波分復用器、接收模塊、解碼器和解調(diào)模塊；傳感網(wǎng)絡層包括Rl、R2*"、Rn等η個波長路由器以及其所屬的η個傳感網(wǎng)絡子層fl、f2…fn，n為≥2的任意整數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡需要自行取值，每個子層中包含R11、R12···、Rlm等m個分布式傳感單元或者傳感器,或者R211、R212*“、R21m等m個分立式傳感單元或者傳感器，m為> 2的任意整數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡子層需要自行取值，不同網(wǎng)絡子層的m的取值可以相同，也可以不同。終端節(jié)點層Fl的計算機通過控制調(diào)制模塊來控制光源模塊輸出激光，輸出的激光經(jīng)過向上波長轉(zhuǎn)換器和向下波長轉(zhuǎn)換器的波長轉(zhuǎn)換后，與光源模塊本身的光譜進行波分復用，復用后光譜大大展寬，如圖2所示為擴展后的光譜圖。擴展后的光譜經(jīng)第一波分復用器波分復用后傳送到η個波長路由器Rl、R2 "、Rn，再由η個波長路由器傳送到η個傳感網(wǎng)絡子層fl、f2…fn中各個不同的m個傳感器或者傳感單元。接收模塊接受來自η個傳感網(wǎng)絡子層的傳感信號，第二波分復用器將各路傳感信號進行波分復用，并將復用后的信號傳送給解碼器，進行正交互相關解碼，經(jīng)過解碼后的信號送至解調(diào)模塊，解調(diào)出各個傳感器位置及測量信息，再傳送到計算機，實時顯示各個傳感器的位置和傳感器測量的物理量、化學量和生物量信息，可以在某一物理量、化學量和生物量信息超過某設定閾值時發(fā)出提醒或警告，以便工作人員排除隱患，防患于未然。傳感網(wǎng)絡層F2包括η個傳感網(wǎng)絡子層fl、f2…fn。在傳感網(wǎng)絡子層fl中，有R11、R12···、Rlm等m個分布式傳感單元或者傳感器，每個傳感單元包括L個傳感器和編碼器，L的取值為> 2的任意整數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡需要自行取值。傳感網(wǎng)絡子層f2中包含m個分立式傳感單元或者傳感器1 211、1 212 "、1 21111，每個傳感單元包括1^個傳感器和編碼器，1^的取值為>2的任意整數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡需要自行取值。不同傳感網(wǎng)絡子層中傳感單元的數(shù)目可以相同也可以不同，傳感單元中L的取值可以相同也可以不同。R2作為這一傳感網(wǎng)絡子層的總的波長路由器，由它將信號分發(fā)到下一級波長路由器以及收集從下級波長路由器傳回來的傳感信號，這樣一直路由到最后一級的傳感器，最后一級的傳感器包含傳感器和編碼器兩個部分，每一級的傳感器的數(shù)目為>2的任意整數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡需要自行取值。每一個傳感器可以感應不同的物理量、化學量和生物量，編碼器對每一個傳感器進行編碼并傳輸。各個傳感單元或者傳感器按照特定拓撲結(jié)構(gòu)有序的組合在一起，每一個傳感單元內(nèi)部的L個傳感器也按照一定的拓撲結(jié)構(gòu)有機組合，整個傳感網(wǎng)絡子層中的傳感器形成了靈活的拓撲結(jié)構(gòu)，能夠連接多種類型、多參量的多個傳感器，大大擴展了傳感網(wǎng)容量，增強了系統(tǒng)的自愈性和智能性，為傳感網(wǎng)的橫向擴展打下了基礎。多個處于傳感網(wǎng)末端的傳感器的測量信息以及編碼信息，通過光纖和波長路由器返回到終端節(jié)點層。這樣就構(gòu)成了終端節(jié)點層和傳感網(wǎng)絡層的雙層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，兩層網(wǎng)絡協(xié)同工作，共同構(gòu)成了混合式光纖智能傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)。其中，終端節(jié)點層的光源為窄線寬、寬光譜、波長快速可調(diào)諧的新型的梳狀暗調(diào)諧激光光源，能夠?qū)崿F(xiàn)寬光譜范圍內(nèi)高分辨率的較小光譜噪聲的光譜調(diào)諧。本發(fā)明利用波長轉(zhuǎn)換技術，引入向上和向下波長轉(zhuǎn)換器。全光波長轉(zhuǎn)換器可以高效、可靠、簡單的將信號光從一個波長轉(zhuǎn)化到另一個波長，再經(jīng)過波分復用器復用，從而使傳感網(wǎng)絡的可用光譜范圍大大擴展，為每一傳感網(wǎng)絡子層傳感器的數(shù)目擴展提供了條件，系統(tǒng)容量大大提高，實現(xiàn)波長的再利用，解決波長競爭問題，使網(wǎng)絡管理更為靈活、簡便和合理。傳感網(wǎng)絡層將以新型光子晶體光纖傳感器、基于光微流體理論的生物光纖傳感器、基于光譜吸收的氣體傳感器為代表的分立式傳感器，以及以基于布里淵效應的光纖傳感網(wǎng)、基于非線性光學效應融合原理的光纖拉曼傳感網(wǎng)、基于寬光譜動態(tài)干涉效應的分布式光纖擾動及定位傳感網(wǎng)為代表的分布式傳感單元中不同類型和不同功能的傳感器進行混合組網(wǎng)，形成分布式傳感單元與分立式傳感器的混合，形成大距離、多參量、高精度混合式智能傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)。所述智能傳感網(wǎng)具有雙向可擴展性；傳感網(wǎng)絡層中包含有η個傳感網(wǎng)絡子層，每個傳感網(wǎng)絡子層中又包含有不同種類的傳感器或傳感單元；在縱向上，能夠增加固定的波長路由器，擴展傳感網(wǎng)絡子層的數(shù)目；橫向上，每一個傳感網(wǎng)絡子層內(nèi)的傳感器或傳感單元的布設為星形、樹形、總線型、雪花型、蜘蛛網(wǎng)型或者這幾種拓撲結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)的二維拓撲結(jié)構(gòu)，采用三維正交碼對每個傳感器編碼，接入靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器或傳感單元數(shù)目和拓撲結(jié)構(gòu)的擴展，具有雙向可擴展性，大大提高了系統(tǒng)容量。傳感網(wǎng)絡層的各個傳感器的拓撲結(jié)構(gòu)式可以有多種形式。拓撲結(jié)構(gòu)的形狀可以是總線型圖3，星形圖4，三角形圖5，或者基于仿生學理論的蜘蛛網(wǎng)圖6和雪花-蜘蛛結(jié)構(gòu)圖7或者是幾種結(jié)構(gòu)的組合形式。因為每一個形狀既相互獨立，獨自成網(wǎng)，又可以相互嵌入，形成復合式的拓撲結(jié)構(gòu) ，可以連接更多傳感器，可接入靈活，為橫向擴展奠定了基礎。充分發(fā)揮網(wǎng)絡擴容和局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化特性，進一步增強光纖傳感網(wǎng)的大容量、自愈性、抗毀性等能力。本發(fā)明的技術特點及效果

1、發(fā)明了基于終端結(jié)點層和傳感網(wǎng)絡層的雙層結(jié)構(gòu)的光纖智能傳感網(wǎng)，層次清晰，分工明確，層與層之間以及層內(nèi)部各部分協(xié)調(diào)工作，保證了傳感網(wǎng)的完整性和智能性，為研究傳感網(wǎng)的復雜結(jié)構(gòu)及工作過程提供了一種方法。2、本發(fā)明將分布式和分立式傳感單元混合組網(wǎng)，避免了單一類型傳感單元組網(wǎng)的缺點，各取所長，充分發(fā)揮了分立式傳感系統(tǒng)和分布式傳感系統(tǒng)各自的優(yōu)勢，優(yōu)化了網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，提聞了網(wǎng)絡的性能。3、發(fā)明了基于波分復用與光碼分多址技術相結(jié)合的復用方式，實現(xiàn)了傳感網(wǎng)的雙向可擴展性。波分復用技術實現(xiàn)了在同一根光纖中傳輸多個波長，光碼分多址技術通過三維編解碼系統(tǒng)，實現(xiàn)對某一個波長的定位和恢復，兩者的結(jié)合，不僅大大提高了混合式光纖傳感網(wǎng)的復用能力和傳感容量，實現(xiàn)了網(wǎng)絡縱向和橫向上的可擴展性，而且由于碼序列的正交性，解碼的準確性和靈活，避免了光纖傳感網(wǎng)中各傳感器間的相互影響、避免多種外部參量對多種光纖傳感器的交叉影響，使光纖傳感網(wǎng)中各傳感單元能可靠協(xié)調(diào)地工作。


圖1為具有雙向可擴展性的混合式雙層光纖智能傳感網(wǎng)原理圖。圖中，F(xiàn)l為終端節(jié)點層，I是計算機終端，2是調(diào)制模塊，3是光源模塊，4是向上波長轉(zhuǎn)換器，5是向下波長轉(zhuǎn)換器，6是第一波分復用器，7是接收模塊，8是第二波分復用器，9是解碼器，10是解調(diào)模塊。F2為傳感網(wǎng)絡層，由η個波長路由器Rl、R2、…Rn以及其所在的η個傳感網(wǎng)絡子層fl、f2…fn構(gòu)成，η為>2的任意整數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡需要自行取值。傳感網(wǎng)絡子層f I中，有Rl1、R12…、Rlm等m個傳感單元或者傳感器，m為> 2的任意整數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡需要自行取值，其中每一個傳感單元都有L個傳感器和編碼器，1為> 2的任意整數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡需要自行取值。每一個傳感網(wǎng)絡子層中每一級傳感器的代號由本層的路由器代號和數(shù)字進行標識，不同級數(shù)用不同位數(shù)的數(shù)字標識，即路由器字母代號+第一級數(shù)字+第二級數(shù)字...如此遞進。各個傳感單元或傳感器按照總線型圖3，星形圖4，三角形圖5，蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖6，雪花-蜘蛛網(wǎng)型圖7或者這幾種拓撲結(jié)構(gòu)的組合的一種或者幾種拓撲結(jié)構(gòu)有序的組合在一起，每一個傳感單元內(nèi)部的L個傳感器也按照上述拓撲結(jié)構(gòu)有機組合。傳感網(wǎng)絡子層f2中，R2作為這個傳感子層的總的波長路由器，這樣一直路由到最后一級的傳感器R211、R212 "、R21m等m個傳感單元或者傳感器，m為>2的任意整數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡需要自行取值，其中每一個傳感單元都有L個傳感器和編碼器，LSS 2的任意整數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡需要自行取值。各個傳感器也是按照總線型圖3，星形圖4，三角形圖5，蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖6，雪花-蜘蛛網(wǎng)型圖7或者這幾種拓撲結(jié)構(gòu)的組合中的一種或者幾種拓撲結(jié)構(gòu)有序的組合在一起。圖2為光源模塊產(chǎn)生的光譜，經(jīng)由向上和向下波長轉(zhuǎn)換器將光譜進行波長轉(zhuǎn)換，通過波分復用器的復用后，光譜被拓寬，經(jīng)由光纖傳送給每一個傳感單元或傳感器。圖3為總線型的拓撲結(jié)構(gòu)，每一個傳感單元或者傳感器都與總線相連接，而總線直接與終端節(jié)點層相連·，每個S代表傳感單元或者傳感器。圖4為星形拓撲結(jié)構(gòu)，波長路由器直接與中間的傳感單元或者傳感器相連，中間的傳感單元或者傳感器再與相鄰的其他星形的傳感單元或者傳感器相連，組成星形結(jié)構(gòu)，每個S代表傳感單元或者傳感器。圖5為三角形結(jié)構(gòu)，他有很多個三角形組成，每一三角形的邊上都有一個傳感單元或者傳感器，使得拓撲結(jié)構(gòu)具有更好的自愈性，容納更多數(shù)量的傳感器，大大擴大了系統(tǒng)容量。圖6為仿生蜘蛛網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。假如某處出現(xiàn)故障點，可以自動啟用主路徑的光開關選擇路徑，以免丟失傳感單元或者傳感器，或者選用備用路徑的光開關選擇路徑，多方位保障傳感單元或者傳感器的信息不丟失，具有很好抗毀性和自愈性。圖7為雪花-蜘蛛網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。同時在雪花結(jié)構(gòu)的傳感節(jié)點處嵌入了蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這樣不僅是傳感器數(shù)量增加，可獲取的信息量增大，而且結(jié)合了雪花網(wǎng)和蜘蛛網(wǎng)的優(yōu)點，具有更好的抗毀性和自愈性能。最佳實施方式實施例1如圖1所示，智能傳感網(wǎng)分為終端節(jié)點層Fl和傳感網(wǎng)絡層F2雙層結(jié)構(gòu)。終端節(jié)點層Fl包括計算機1、調(diào)制模塊2、光源模塊3、波長轉(zhuǎn)換模塊包括向上波長轉(zhuǎn)換器4和向下波長轉(zhuǎn)換器5、波分復用模塊包括第一波分復用器6和第二波分復用器8、接收模塊7、解碼器9和解調(diào)模塊10。終端節(jié)點層Fl中的計算機I通過控制調(diào)制模塊2來控制光源模塊3輸出激光，輸出的激光經(jīng)過向上波長轉(zhuǎn)換器4和向下波長轉(zhuǎn)換器5的波長轉(zhuǎn)換后，與光源模塊3本身的光譜進行波分復用，復用后光譜大大展寬，如圖2所示為擴展后的光譜圖。擴展后的光譜經(jīng)波分復用器8波分復用后傳送到η個波長路由器R1、R2、…Rn，η為> 2的任意整數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡需要自行取值，再由η個波長路由器Rl、R2、…Rn傳送到η個傳感網(wǎng)絡子層fl、f2…fn中m個傳感器或者傳感單元，m為> 2的任意整數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡需要自行取值。需要對傳感網(wǎng)進行縱向擴展時，只需要增加波長路由器就可以簡單實現(xiàn)。不僅將光譜資源分配給不同的傳感單元或者傳感器，同時保證整個光譜范圍內(nèi)的光既能得到充分的利用也不重疊。接收模塊7接受來自η個傳感子層H、f2…fn的傳感信號，波分復用器8將各路傳感信號進行波分復用，并將復用后的信號傳送給解碼器9，進行正交互相關解碼，經(jīng)過解碼后的信號送至解調(diào)模塊10，解調(diào)出各個傳感器位置及測量信息，再傳送到計算機1，實時顯示各個傳感器的位置和傳感器測量的物理量、化學量和生物量信息，可以在某一物理量、化學量和生物量信息超過某設定閾值時發(fā)出提醒或警告，傳送到其他設備終端，實現(xiàn)聯(lián)動報警。傳感網(wǎng)絡層F2包括Rl、R2···、Rn等η個波長路由器以及其所屬的η個傳感網(wǎng)絡子層fl、f2…fn，η取值為>2的任意整數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡需要自行取值。每個子層中有R11、R12…、Rlm等m個分布式傳感單元或者傳感器，或者R211、R212 "、R21m等m個分立式傳感單元或者傳感器，m為> 2的任意整數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡子層需要自行取值，不同網(wǎng)絡子層的m的取值可以相同，也可以不同。在傳感網(wǎng)絡子層f I中，有Rll、R12···、Rlm等m個分布式傳感單元或者傳感器，每個傳感單元包括L個傳感器和編碼器，1為> 2的任意整數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡子層需要自行取值，每一個傳感器感應物理量、化學量或者生物量并對其進行編碼并傳輸。各個傳感單元按照特定拓撲結(jié)構(gòu)有序的組合在一起，每一個傳感單元內(nèi)部的L個傳感器也按照一定的拓撲結(jié)構(gòu)有機組合，整個傳感網(wǎng)絡子層fl中的傳感器形成了靈活的拓撲結(jié)構(gòu)，大大擴展了傳感網(wǎng)容量，增強了系統(tǒng)的自愈性和智能性。拓撲結(jié)構(gòu)可以選擇總線型圖3，星形圖4，三角形圖5，蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖6，雪花-蜘蛛網(wǎng)型圖7或者這幾種拓撲結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)的二維拓撲結(jié)構(gòu)，也可以是層狀，球狀等立體結(jié)構(gòu)。這些拓撲結(jié)構(gòu)不僅能連接多種類型、多參量的多個傳感器，而且還具有高度的靈活 性，為傳感網(wǎng)的橫向擴展打下了基礎。傳感網(wǎng)絡子層f2中包含m個分立式傳感單元或者 傳感器R211、R212 "、R21m，每個傳感單元包括L個傳感器和編碼器，L為> 2的任意整數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡子層需要自行取值，R2作為這一傳感網(wǎng)絡子層的總的路由器，由它將信號分發(fā)到下一級路由器R21和R22以及收集從下級路由器傳回來的傳感信號，這樣一直路由到最后一級R211、R212 "R221、R222…等m個傳感器，每一級傳感單元或者傳感器的數(shù)目可以是>2的任意整數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡子層需要自行取值，最后一級的傳感器包含傳感器和編碼器兩個部分，也具有一定的拓撲結(jié)構(gòu)，與傳感網(wǎng)絡子層fl中的各傳感器拓撲結(jié)構(gòu)類似。多個處于傳感網(wǎng)末端的傳感器的測量信息以及編碼信息，通過光纖和波長路由器返回到終端節(jié)點層F1。這樣就構(gòu)成了終端節(jié)點層Fl和傳感網(wǎng)絡層F2的雙層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，兩層網(wǎng)絡協(xié)同工作，共同構(gòu)成了形成了具有雙向可擴展性的混合式雙層光纖智傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)不僅充分利用了光源的光譜，實現(xiàn)了大容量，而且提高了系統(tǒng)的自愈性，抗損毀性，實現(xiàn)了快速解調(diào)。光源為窄線寬、寬光譜、波長快速可調(diào)諧的新型的梳狀暗調(diào)諧激光光源，能夠?qū)崿F(xiàn)寬光譜范圍內(nèi)高分辨率的較小光譜噪聲的光譜調(diào)諧。為了達到系統(tǒng)大容量的要求，我們引入了波長轉(zhuǎn)換器，將原來的光譜分別向上和向下轉(zhuǎn)換到λ"和λ’的位置，經(jīng)過波分復用器后，同一根光纖中傳輸?shù)墓庾V范圍擴展為原來的三倍，大大提高了可用光譜范圍，系統(tǒng)的容量也有大幅度提升。傳感網(wǎng)具有雙向可擴展性。在縱向上，能夠通過增加波長路由器的數(shù)目，以擴展傳感網(wǎng)絡子層的數(shù)目，實現(xiàn)傳感網(wǎng)縱向上的擴展；橫向上，每一個傳感網(wǎng)絡子層內(nèi)的傳感器或傳感單元的布設為星形、樹形、總線型、雪花型、蜘蛛網(wǎng)型或者這幾種拓撲結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)的二維拓撲結(jié)構(gòu)，采用三維正交碼對每個傳感器編碼，接入靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器或傳感單元數(shù)目和拓撲結(jié)構(gòu)的擴展，實現(xiàn)傳感網(wǎng)橫向上的擴展，從而具有雙向可擴展性，大大提高了系統(tǒng)容量，實現(xiàn)了傳感網(wǎng)系統(tǒng)的靈活性和雙向可擴展性。傳感網(wǎng)絡層的各個傳感器的拓撲結(jié)構(gòu)式可以有多種形式。拓撲結(jié)構(gòu)的形狀可以是總線型圖3，星形圖4，三角形圖5，或者基于仿生學理論的蜘蛛網(wǎng)圖6和雪花-蜘蛛結(jié)構(gòu)圖7或者是幾種結(jié)構(gòu)的組合形式。因為每一個形狀既相互獨立，獨自成網(wǎng)，又可以相互嵌入，形成復合式的拓撲結(jié)構(gòu)，克服了單一拓撲結(jié)構(gòu)的缺點，各種結(jié)構(gòu)各取其優(yōu)點，形成更具智能性的結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮網(wǎng)絡擴容和局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化特性，進一步增強光纖傳感網(wǎng)的大容量、自愈性、抗毀性等能力。

本發(fā)明將分立式傳感器和分布式傳感單元各取其優(yōu)點混合組網(wǎng)，有效的避免了單一種類傳感網(wǎng)的缺點，與多種拓撲結(jié)構(gòu)相結(jié)合，不僅增加系統(tǒng)容量，還優(yōu)化了網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，提高了網(wǎng)絡的性能,提高了系統(tǒng)的智能性和自愈性。
權利要求
1.具有雙向可擴展性的混合式雙層光纖智能傳感網(wǎng)，其特征在于將整個智能傳感網(wǎng)分為終端節(jié)點層和傳感網(wǎng)絡層雙層結(jié)構(gòu)； 終端節(jié)點層包括計算機、調(diào)制模塊、光源模塊、波長轉(zhuǎn)換模塊包括向上波長轉(zhuǎn)換器和向下波長轉(zhuǎn)換器、波分復用模塊包括兩個波分復用器、接收模塊、解碼器模塊和解調(diào)模塊；主要作用是產(chǎn)生調(diào)制信號，生成光譜信號，將光譜信號進行波長轉(zhuǎn)換，經(jīng)由波分復用將光譜拓寬，對光碼分多址信號進行解碼，解調(diào)信號并實時顯示；傳感網(wǎng)絡層包含η個傳感網(wǎng)絡子層，η為> 2的任意整數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡需要自行取值，每一個傳感網(wǎng)絡子層都有一個固定的波長路由器，接收終端節(jié)點層傳送來的波長信號，并傳送給所在傳感網(wǎng)絡子層的傳感單元或者傳感器； 所述的傳感單元是指分布式傳感單元，分布式傳感單元中包括單一的傳感器，也包括下一級分布式傳感單元，如此遞進； 傳感網(wǎng)絡層的主要作用是感應物理量，化學量和生物量，進行光碼分多址的編碼并回傳給波長路由器，再由波長路由器傳輸給終端節(jié)點層的接收模塊； 每一個傳感網(wǎng)絡子層中每一級傳感單元或者傳感器的代號由本層的波長路由器代號和數(shù)字進行標識，不同級數(shù)用不同位數(shù)的數(shù)字標識，即波長路由器字母代號+第一級數(shù)字+第二級數(shù)字...如此遞進； 所述終端節(jié)點層中的計算機通過控制調(diào)制模塊來控制光源模塊輸出激光，輸出的激光經(jīng)過向上波長轉(zhuǎn)換器和向下波長轉(zhuǎn)換器的波長轉(zhuǎn)換后，與光源模塊本身的光譜經(jīng)第一波分復用器進行波分復用，復用后光譜大大展寬，波分復用后的光譜傳送到傳感網(wǎng)絡層中的η個波長路由器，再由η個波長路由器分別傳送到η個傳感網(wǎng)絡子層中各個不同的傳感器或傳感單元，然后再由接收模塊接受來自傳感網(wǎng)絡層中的η個傳感網(wǎng)絡子層的傳感信號，第二波分復用器將各路傳感信號進行波分復用，并將復用后的信號傳送給解碼器，進行正交互相關解碼，經(jīng)過解碼后的信號送至解調(diào)模塊，解調(diào)出各個傳感單元或者傳感器的位置及測量信息，再傳送到計算機，實時顯示各個傳感單元或傳感器的位置和測量的物理量、化學量和生物量信息，在某一測量信息超過設定閾值時發(fā)出提醒或警告，并且通過網(wǎng)絡連接到其他終端設備，以便工作人員排除隱患，防患于未然。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有雙向可擴展性的混合式雙層光纖智能傳感網(wǎng)，其特征在于所述傳感網(wǎng)具有雙向可擴展性；傳感網(wǎng)絡層中包含有η個傳感網(wǎng)絡子層，每個傳感網(wǎng)絡子層中又包含有不同種類的傳感器或者傳感單元。在縱向上，能夠增加固定的波長路由器，擴展傳感網(wǎng)絡子層的數(shù)目；橫向上，每一個傳感網(wǎng)絡子層內(nèi)的傳感器或者傳感單元的布設可以選擇星形、樹形、總線型、雪花型、蜘蛛網(wǎng)型或者這幾種拓撲結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)的二維拓撲結(jié)構(gòu)，采用三維正交碼對每個傳感器編碼，接入靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器或者傳感單元數(shù)目和拓撲結(jié)構(gòu)的擴展，具有雙向可擴展性，大大提高了系統(tǒng)容量。
全文摘要
具有雙向可擴展性的混合式雙層光纖智能傳感網(wǎng)，該傳感網(wǎng)分為終端節(jié)點層和傳感網(wǎng)絡層雙層結(jié)構(gòu)。終端節(jié)點層產(chǎn)生調(diào)制信號，生成光譜，將光譜進行波長轉(zhuǎn)換并拓寬，對光碼分多址信號進行解碼，解調(diào)并實時顯示。傳感網(wǎng)絡層包含n個傳感網(wǎng)絡子層，進行光碼分多址編碼并回傳給波長路由器，再傳給接收器。子層中分立式和分布式傳感單元或傳感器混合組網(wǎng)?？v向上，增加波長路由器，擴展子層數(shù)目；橫向上，子層中傳感單元或傳感器選擇多種拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)傳感單元或傳感器數(shù)目擴展，具有雙向擴展性?；旌鲜诫p層網(wǎng)絡協(xié)同工作，在計算機上實時顯示解調(diào)信息。設置某一閾值，解調(diào)值達到閾值就會報警，并可連接到其它終端設備，提醒工作人員排除隱患，防患于未然。
文檔編號H04L29/08GK103067086SQ201210580588
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權日2012年12月27日
發(fā)明者劉鐵根, 劉琨, 孟云霞, 江俊峰, 俞琳, 丁振揚, 汪冉冉, 王立恒 申請人:天津大學