1引 言
可应用于传感网络中的传感器种类繁多，光纤传感器与其他传感器相比已经显示出诸多优点，如体积小、响应速度快、灵敏度高、抗电磁干扰等。传统的分布式光纤传感网络采用全光纤式，其缺点是需要昂贵的光源和复杂的解调设备，在多点测量时，增减监测节点不方便，大面积铺设传感网络难度大，这些缺点限制了光纤传感网络的推广和应用[1]。简化组网系统，降低传感网络成本成为广泛关注的问题。
近年来，物联网产业飞速发展，尤其是无线局域网组网技术的发展使之越来越广泛地用于传感网络中，丰富了传感器的组网手段。各类无线传感网络被越来越多地用于环境监测、结构健康监测和工业现场实时测量等方面，采集和统计各种环境信息，如温度、应力、湿度、pH、振动、压力等[2]。无线局域网的兴起和发展给光纤传感器的组网技术带来了新的活力。
ZigBee是基于 IEEE 802.15.4工作组制定的低功耗个域网标准协议，是一种低功耗的双向通信技术。
其特点是低复杂度、低功耗、自组织、低成本、低数据速率。基于ZigBee的无线网络中有且只有一个协调器，整个网络由协调器组织，最多可以包含 65535个网络节点。ZigBee采用了载波监听多路访问/冲突防止方式，有效避免了信道竞争和冲突，以保证数据传输的可靠性。
在传统的分布式光纤传感网络方面已经有大量研究[3-6]，其信号传输采用光纤，但是有布线繁琐、组网复杂、故障检测不方便的缺点。将光纤传感器与基于ZigBee技术的无线组网技术结合，信号传输采用2.4 GHz无线信号，其优势在于可以方便实现自组网，实现添加、移除和替换传感节点，可以包含海量的传感节点，发生故障时可根据协议栈中数据的源地址快速定位故障节点，并且可以实现不同类型光纤传感器的组网。针对当前光纤传感网络和无线局域网的研究现状及发展趋势，本文提出了一种基于长周期光纤光栅(LPFG)和ZigBee组网技术的无线折射率传感网络，实现了实时的、多点的溶液折射率监测。
2 无线溶液折射率传感网络设计
无线溶液折射率传感网络系统结构如图1所示，系统主要由传感节点、路由节点、协调器和中心计算机几部分组成。
2.1 长周期光纤光栅测量溶液折射率原理
长周期光纤光栅是一种具有周期性扰动特性的传感器，一般周期为数百微米。长周期光纤光栅可以将入射光耦合到光纤包层中，形成前向传输的包层模。同向传输的纤芯模与包层模相互耦合作用，使一部分光能损耗消失，最后在透射光谱图中出现谐振损耗峰。由于其性能主要表现在透射谱中，因而将长周期光纤光栅划分为透射型光栅。其结构示意图如图2所示。
纤芯模和前向传输的包层模之间耦合的相位匹配条件为[7]
式中neff,co( λ)和 nveff,cl ( λ)分别为纤芯和包层的有效折射率，λ为透射光的峰值波长。相位匹配条件将受周围环境的影响发生改变。图3为用Matlab仿真周期为490 μm 的长周期光纤光栅在空气中的透射谱。
当应力和周围环境折射率一定时，温度的改变将对纤芯和包层的有效折射率产生影响，从而改变相位匹配条件，最终导致透射谱的偏移。根据以往研究，这种透射谱的偏移与温度在一定范围内近似呈线性关系[8-10]。当应力和温度一定时，环境折射率发生变化，纤芯模的有效折射率几乎不变，而包层模的折射率将发生变化，并且可以通过三层光纤模型的特征方程求解。研究表明，长周期光纤光栅在不同的环境折射率范围内具有不同的折射率灵敏度，其透射谱的偏移与环境折射率为1.333~1.400之间近似为线性关系[11-13]。
2.2 传感节点的设计
文献[14]中设计了一种基于强度调制的长周期光纤光栅应力传感器。光源为一个中心波长为1317 nm的激光二极管(LD)。通过实时探测透射光功率，来实现对应力的测量。当LPFG周期为168 μm 时可获得最大应力系数，损耗峰中心波长约为1257 nm，透射强度和应力具有良好的线性关系。由于透射谱的损耗峰两侧近似为线性，因此，选择的LD的中心波长为损耗峰一侧大约一半处的位置，当应力变化时，透射谱发生偏移，在一定范围内，透射的光功率与应力呈线性关系。这种传感方案的解调系统只需要一个光电探测管(PD)，用PD探测到的光功率近似代替LD中心波长对应的光经长周期光纤光栅后的透射强度，从而实现强度信号的解调。
与传统的基于波长调制的解调方案相比，该方案大大简化了解调设备、降低了整套系统的成本。基于强度调制的LPFG折射率传感器和传感器驱动板已设计完成。驱动板用于提供光源和解调设备。当应力一定时，一定范围内，透射光功率将与溶液温度和外界溶液折射率呈线性关系，所以为了消除温度的交叉敏感[15]，引入参考光纤光栅用来测量温度。传感节点的结构示意图如图4所示，图中IO为输入输出接口，MCU为微控制单元。
CC2530控制LD输出激光，经耦合器分两路进入LPFG1和LPFG2，LPFG输出端接PD，CC2530利用模数转换器(AD)采集PD电压，计算光功率，并折算成折射率，然后通过射频(RF)收发模块发射出去。
利用双光纤光栅测量溶液折射率的原理如下：温度、折射率、透射光功率三者有(2)、(3)式的近似关系:
式中Y1和Y2是两根长周期光纤光栅在光源为驱动板LD时的透射光功率，T为溶液温度，R是溶液折射率，kt1和 kt2是温度系数，kR1和kR2是折射率系数，δ1 和 δ2 是常数。能够找到一个常数kp使得：
式中k1和k2是传感器的两个传感系数。k1，k2和 δ 能够通过标定实验确定。随着Y1和Y2被实时测得，溶液折射率将被实时监测。
使用的长周期光纤光栅周期为 580 μm ，其透射谱如图 5所示，光源采用超连续光源 NKT PhotonicsEXTREM-EXB-4(波谱范围为 420~2400 nm)，光谱仪采用 AQ6375。传感器使用的损耗峰的波长范围从1542.6~1558.8 nm。为了保护长周期光纤光栅，并且使施加的应力几乎不变，设计了一种特殊的封装，材料采用有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)，全长为10 cm，如图6所示。这种封装上下打有一排直径为1 mm的通孔，侧面有3×1 mm的长方形通孔，液体可以通过，大颗粒物无法通过，从而起到保护光栅又能使光栅与待测溶液接触的作用。两侧用胶固定，内部光纤光栅处于悬空状态。根据所查阅的文献，当前研究的光纤光栅传感器封装设计主要针对温度及应力应变型传感器，没有找到特别针对溶液环境下长周期光纤光栅折射率传感器的封装设计，因此，需采用这种封装进行实用化尝试。
传感器驱动板包括了一个LD、两个PD和相关电路。LD的功率为1 mW，中心波长约为1550 nm，其输出谱宽约为0.6 nm，输出光谱如图7所示。PD响应光的波长范围为850~1650 nm，能够探测1 mW以下的光功率。由于传感器是基于强度调制的，所以光源的稳定性尤为重要，在驱动板上设计了自动功率控制电路。驱动板及CC2530无线组网平台如图8所示。CC2530的MCU控制LD的输出，并且通过片上两路AD采集PD1和PD2光电转换后的电压信号，由此计算光功率Y1和 Y2。最终装配成的传感节点如图9所示。
2.3 传感器的标定
传感器使用质量分数为1%和5%的NaCl溶液做标定，因为NaCl溶液折射率与浓度(即指质量分数，下同)呈线性关系，NaCl溶液折射率由CRC Handbook of Chemistry and Physics[16]给出。首先将传感器放入质量分数为1%的NaCl溶液中，即折射率为1.3347，(10)式可表示为
将传感器放入溶液之后，随着环境折射率变化，可以得到 Y1和 Y2的线性关系，即确定了 k2/k1、δ 与 k1的关系。再将传感器放入质量分数为5%的NaCl溶液中，此时溶液折射率为1.3418，再次测得Y1和Y2的线性关系，可得到 δ 与k2的关系，从而计算得到k1、k2和 δ ，多次测量并取平均值。表1为封装的三个传感器的标定结果，表中RIU为折射率单位。
2.4 Zigbee网络的组网实现
整个传感网络包括了传感节点、路由节点、协调器和中心计算机几个部分。网络结构如图1所示。一个Zigbee网络中可以有若干个传感节点和路由节点，但有且只有一个协调器。协调器为整个网络的核心，发起网络的建立。Zigbee网络通讯有点播、组播和广播三种方式。本网络组网方案采用点播通信构成树形网络，即在传感节点协议栈中点播的目标节点都为协调器。传感节点直接或者通过路由节点间接地将传感信息传输给协调器。Zigbee网络的硬件平台采用TI的CC2530，传感节点、路由节点和协调器的硬件平台完全相同，只有软件层不同，Zigbee协议栈采用 TI的 Z- stack。Zigbee协议栈的数据链路层(MAC)和物理层(PHY)层采用 IEEE 802.15.4标准，通信信号为 2.4 GHz，图 1中虚线代表无线传输信号。传感节点中，Z-stack中设置点播对象地址为0×0000，此地址为协调器地址。每隔1 min发送一次测量数据给协调器。
传感节点的CC2530主要完成组网通讯，定时发送传感信息数据包和采集两路AD计算转换为光功率。
路由节点负责转发数据包给协调器。协调器统筹整个网络的通讯，接收和解析收到的数据包，并且通过串口发送给上位机。上位机为普通电脑，电脑端用VS2013开发了一个应用软件以实现人机交互。运行时界面如图10所示。
3 传感网络性能测试与分析
实验使用不同浓度的NaCl溶液测试传感网络。分别将标定完的三个传感器放入质量分数为2%，3%，4%的NaCl溶液中进行测量。NaCl溶液的折射率由CRC Handbook of Chemistry and Physics [16]给出,标准折射率为1.3365，1.3383，1.3400。测量结果如图11所示。根据测量数据可得，最大误差为0.0004，平均误差为0.00015。改变氯化钠浓度，使溶液折射率改变0.0001，实验测得传感器功率发生了微小变化，即能够分辨，得到传感器的分辨率为0.0001。网络能够每隔1 min收到来自传感节点的折射率信息(RI)，并且成功显示于上位机界面。
4 结论
除了溶液折射率传感器外，测量温度、应力等的长周期光纤光栅传感器，测量温度、应力等，也可以被设计并加入网络，从而实现多点多参量的测量。并且Zigbee大大简化了组网的过程，其自组网功能使增删传感节点十分方便。这种基于Zigbee和光纤传感器的传感网络同时具备了Zigbee和光纤传感器的优点，并且相比传统全光纤式传感网络，成本低，系统更加简化，可以轻松实现多种环境信息的监测。
参考文献
1 W Lin, C Zhang, L Li, et al.. Review on development and applications of fiber-optic sensors[C]. IEEE SOPO, 2012. 1-4.
2 J W Hui, D E Culler. Extending IP to low-power, wireless personal area networks[J]. IEEE Internet Computing, 2008,12(4): 37-45.
3 Han Ping, Xie Yongquan, Liu Yang. Research of all-fiber micro-vibration[J]. Chinese J Lasers, 2014, 41(3): 0305004.
韩 屏, 谢涌泉, 刘 阳. 分布式全光纤微振动传感器研究[J]. 中国激光, 2014, 41(3): 0305004.
4 Zhang Yanjun, Xie Xiaopeng, Bi Weihong. High- speed high- multiplexing distributed temperature sensor network based on weak-reflection fiber grating[J]. Chinese J Lasers, 2013, 40(4): 0405006.
张燕君, 谢晓鹏, 毕卫红. 基于弱光栅的高速高复用分布式温度传感网络[J].中国激光, 2013, 40(4): 0405006.
5 Feng Xin, Zeng Zhoumo, Feng Hao, et al.. A method for evaluating the disturbance in distributed vibration sensor based on wavelet information entropy[J]. Acta Optica Sinica, 2013, 33(11): 1106005.
冯 欣, 曽周末, 封 皓, 等. 基于小波信息熵的分布式振动传感系统的扰动评价方法[J]. 光学学报, 2013, 33(11): 1106005.
6 Chen Haiyun, Gu Zhengtian, Gao Kan, et al.. Multi- parameter photochemical sensing technology of long- period fiber grating and wavelength division multiplexing[J]. Chinese J Lasers, 2014, 41(2): 0205003.
陈海云, 顾铮先 , 高 侃, 等. 基于波分复用的长周期光纤光栅光化学多参量传感技术研究[J]. 中国激光, 2014, 41(2):0205003.
7 F Bilodeau, K O Hill, B Malo, et al.. Efficient, narrowband LP01 LP02 mode convertors fabricated in photosensitive fiber:Spectral response[J]. Electronics Letters, 1991, 27(8): 682-684.
8 C C Ye, S W James, R P Tatam. Simultaneous temperature and bend sensing with longperiod fiber gratings[J]. OptLett, 2000, 25(14): 1007-1009.
9 Y G Han, S B Lee. Simultaneous measurement of temperature and strain using dual long period fiber gratings with controlled temperature and strain sensitivities[J]. Opt Express, 2003, 11(5): 476-481.
10 Y Huang, Z Zhou, Y Zhang, et al.. A temperature selfcompensated LPFG sensor for large strain measurements
at high temperature[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2010, 59(11): 2997-3004.
11 J N Wang. A microfluidic long period fiber grating sensor platform for chloride ion concentration measurement[J].Sensors, 2011, 11: 8550-8568.
12 Z Gu, Y Xu, C Deng, et al.. Dual peak resonance and transmission spectrum characteristics in a coated long- period fiber grating[J]. Journals of Optics A: Pure Appl Opt, 2009, 11(8): 1-8.
13 T Zhu, Y J Rao, J L Wang, et al.. A highly sensitive fiber-optic refractive index sensor based on an edge-written long-period fiber grating[J]. IEEE Photon Technol Lett, 2007, 19(24): 1946-1948.
14 V Bhatia, A M Vengsarkar. Optical fiber long-period grating sensors[J]. Opt Lett, 1996, 21(9): 692-694.
15 Liu Mingsheng, Liang Lili, Li Yan, et al.. Performance analysis of long period fiber grating temperature sensing[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2014, 51(1): 010501.
刘明生, 梁丽丽, 李 燕, 等. 长周期光纤光栅温度传感性能分析[J]. 激光与光电子学进展, 2014, 51(1): 010501.
16 W M Haynes. CRC Handbook of Chemistry and Physics[M]. London: CRC Press, 2011. 5-142.