一种基于光电融合的光纤网络气体传感系统技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种基于光电融合的光纤网络气
体传感系统。
背景技术
气体传感器广泛应用在气体探测的各种场景中，包括各类探测原理的结
构；光学、电学等较为常见。
在复杂气体环境下，现有光学传感技术存在着一定局限，技术成熟性不
高，应用相对复杂，检测气体覆盖面较窄，而且不同气体需要携带不同的光
源，或者功率较大的宽带光源与光谱过滤装置，且光学设备的灵敏度有限，
这些都会极大的增加了设备运行的成本和功耗；而传统的电学，半导体和催
化热学式传感器虽然有着成熟的商用背景和技术，但有着以单点式探测为主，
气体之间交叉干扰强，以及传感组网范围小，成本高等缺点。
发明内容
本发明提供一种基于光电融合的光纤网络气体传感系统，解决现有技
术中气体检测精度低，相互干扰、可靠性低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光电融合的光纤网络气
体传感系统，包括：传感节点单元、中心节点单元以及网络节点；所述传
感节点单元通过所述网络节点与所述中心节点单元通信；
所述传感节点单元包括：
气体传感器阵列，直接探测各类气体及其组分，获得初级组分信息；
数据处理单元，与所述气体传感器阵列相连，接收所述初步组分信息
并输出校验后的组分信息；
其中，所述数据处理单元采用神经网络算法结构，接收所述气体传感
器阵列输出的初级组分信息输入向量，通过BP神经网络运算得到精确的
定量气体组分信息。
进一步地，所述神经网络算法结构为BP神经网络算法。
进一步地，所述系统还包括：传感器扫描电路；
所述传感器扫描电路与所述气体传感器阵列相连，将所述气体传感器
阵列输出的初级组分信息收集并发送给所述输出处理单元。
进一步地，所述系统还包括：模拟信息流收集处理电路；
所述模拟信息流收集处理电路连接在所述传感器扫描电路与所述数据
处理单元之间；实现模拟信号向数字信号的转换。
进一步地，所述系统还包括：电光转换模块；
所述电光转换模块连接在所述数据处理单元与所述网络节点之间；将
数据处理单元输出的校验后的组分信息，转换成光信号输出。
进一步地，所述电光转换模块采用串口光猫。
进一步地，所述系统还包括：报警显示模块；
所述报警显示模块与所述数据处理单元相连，显示校验后的组分信息；
并进行报警。
进一步地，所述网络节点包括：光开关或者光复用器；
所述光开关或者光复用器为光信号多路复用型。
进一步地，中心节点包括：光电转换模块；
所述监控端光电转换模块与所述光开关或者所述光复用器相连，将其
输出的转换成电信号。
进一步地，所述系统还包括：供电网络；
所述供电网络包括：终端供电源；
所述终端供电源通过电缆与所述网络节点以及所述传感节点单元相
连，采用有线供电。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果
或优点：
1、本申请实施例中提供的基于光电融合的光纤网络气体传感系统，采
用基于光电融合的光纤网络气体传感构架，利用电化学式或者红外传感头进
行气体环境检测，得到初步的组分信息；利用网络分析算法解决气体传感器
阵列探测过程中交叉干扰问题，获得校验后的组分信息，大大提升数据的可
靠性和精确性；采用电光转化模块信号光纤化的传输结构，极大程度的降低
网络化信号传输干扰，实现极低成本，可靠实用，检测精确的实时气体检测
网络系统。
2、本申请实施例中提供的基于光电融合的光纤网络气体传感系统，采
用光纤和电光转化模块的形式，进行光电融合，实现光信号流的处理方式，
实现数据可靠，长距离网络化传输；避免在长距离的网络化传输中受到来自
复杂环境下的电磁干扰；进一步提升探测的可靠性。
3、本申请实施例中提供的基于光电融合的光纤网络气体传感系统，采
用电缆有线供能的方式，实现长时间的稳定化的能量供应；也有利于扩大探
测范围，实现大面积的高精度，持续性探测。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于光电融合的光纤网络气体传感系统的
结构示意图；
图2为本发明实施例提供的传感节点单元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的系统流程图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种基于光电融合的光纤网络气体传感系统，
解决现有技术中气体检测精度低，相互干扰、可靠性低的技术问题；达到
了提升探测可靠性，扩大探测面积、降低气体间相互干扰和传输信号间干
扰的技术效果。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供技术方案的总体思路如下：
一种基于光电融合的光纤网络气体传感系统，包括：传感节点单元、
中心节点单元以及网络节点；所述传感节点单元通过所述网络节点与所述
中心节点单元通信；
所述传感节点单元包括：
气体传感器阵列，直接探测各类气体及其组分，获得初级组分信息；
数据处理单元，与所述气体传感器阵列相连，接收所述初步组分信息
并输出校验后的组分信息；
其中，所述数据处理单元采用神经网络算法结构，接收所述气体传感
器阵列输出的初级组分信息输入向量，通过BP神经网络运算得到精确的
定量气体组分信息；可选择BP神经网络。
通过上述内容可以看出，广泛通过气体传感器阵列实时监控复杂气体
环境中的各类气体以及其组分信息；过程中受到气体间的相互干扰导致气
体组分可能不够精确，鉴于此，通过数据处理单元的BP神经网络算法，
自适应的修正校验，达到更为精确的组分比例，从而克服复杂混合气体环
境中的相互干扰；通过光纤和光电或者电光转换模块的配合使用实现光电
信号的融合使用，克服传输干扰，进一步优化探测系统，提升探测精度和
可靠性；光电或者电光转换模块可选择串口光猫。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实
施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例
中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方
案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可
以相互组合。
参见图1和图2，本发明实施例提供的一种基于光电融合的光纤网络
气体传感系统，包括：传感节点单元、中心节点单元以及网络节点；所述
传感节点单元通过所述网络节点与所述中心节点单元通信；
所述传感节点单元包括：
气体传感器阵列，直接探测各类气体及其组分，获得初级组分信息；
数据处理单元，与所述气体传感器阵列相连，接收所述初步组分信息
并输出校验后的组分信息；
其中，所述数据处理单元采用BP神经网络算法结构，接收所述气体
传感器阵列输出的初级组分信息输入向量，通过BP神经网络运算得到精
确的定量气体组分信息。
所述气体传感器阵列采用电化学传感器；具体的，针对甲烷、二氧化
碳、硫化氢的等常规气体，或者更进一步的，采用根据具体的使用环境，
增设必要的针对性的，可选择电化学式的气体传感器，实现针对性的探测，
使得探测范围更广。
系统还包括：传感器扫描电路；传感器扫描电路与气体传感器阵列相
连，将气体传感器阵列输出的初级组分信息收集并发送给所述输出处理单
元。采用常规的数据采集电路、芯片或者装置，以适应实际容量或者信号
属性的需求；优化系统的信号传输结构，提升效率和抗干扰能力。
所述系统还包括：模拟信息流收集处理电路；所述模拟信息流收集处
理电路连接在所述传感器扫描电路与所述数据处理单元之间；实现模拟信
号向数字信号的转换。可采用模数转换电路或者成型的模数转换器件
系统的信号传输采用光电融合模式，包括光电转换模块和电光转换模
块分别应对广电和电光转换过程；具体可以采用串口光猫和光纤传输结合
的形式；所述串口光猫连接在所述数据处理单元与所述网络节点之间；将
数据处理单元输出的校验后的组分信息，转换成光信号输出。
鉴于实际需要，本实施例还提供报警显示模块；所述报警显示模块与
所述数据处理单元相连，显示校验后的组分信息；当检测到危险气体或者
位线浓度可进行报警；根据实际的应用环境自行设计报警的标识和阈值。
所述网络节点作为末端探测的传感节点单元与终端监控的通信网络，
包括：光开关或者光复用器；光开关或者光复用器为多路复用型；实现大
面积的末端传感节点的设置，大大提升了监控面积；相对于现有技术中的
单点布控，或者针对性布控，具备更高的适应性和应用前景。
中心节点为终端监控中心，实现信息的汇总；包括：监控端串口光猫；
所述监控端串口光猫与所述光开关或者所述光复用器相连，将其输出的带
有气体组分的光信号转换成电信号；从而完成光电融合的传输的循环。
为了增强系统的持续工作能力和扩大铺设范围，系统还包括：供电网
络；所述供电网络包括：终端供电源；所述终端供电源通过电缆与所述网
络节点以及所述传感节点单元相连，实现有线供电。具体通过电能接收转
化模块从终端供电源获取并转化得到可用的直流电源，在一定程度上也可
以在中心节点处通过电能中断进行控制，实现进一步的安全保障)。
数据处理单元主要通过数据处理的实现组分精度的合理化输出；数据
处理单元采用ARM处理器或者现场可编程门阵列FPGA执行BP神经网络
算法；稳定可靠。
ARM或者FPGA作为主要的基本平台来支持气体模式识别算法，在存
在传感器之间的交叉干扰性的前提下，各个气体传感器阵列的采集数据构
成网络的最初输入向量，在经过一定层次的神经网络之后，对于复杂的气
体环境下实现尽可能精确的定量气体成分识别，一般主要采用BP神经网
络算法结构。
算法复杂程度主要受到：最大训练次数，学习精度，隐藏节点，阈值，
和初始学习速度，样本容量，学习策略等等方面影响
这部分主要以代码的形式实现，其算法复杂程度受到所选用的传感器
类型，以及传感器对于环境的适应程度和其交叉干扰程度来决定；其传感
器精度越高，交叉干扰性越低，越能降低算法的复杂度和提高整个系统的
精确度。
参见图3，本系统的工作流程。
中心节点将轮训信号输入到网络节点的光开关，光开关选择特定的通
道链接，在所选择的通道处对应着特定的传感节点，传感节点中的气体传
感器阵列与外界环境直接接触，其本身具有独立采集信号和缓存的能力，
利用扫描电路进行多路数据采集，处理电路滤波放大，处理器进行算法识
别，尽可能的消除交叉干扰之后得到气体定量的成分数据，利用串口光猫
将其转化为光纤信号之后，在轮训到该传感节点处时，通道打开，长距离
的输出到中心节点的监控部分，实现信息的反馈和中心节点对于整个网络
的监控和信息采集；在这一系列过程中，中心节点处的供能中心一直提供
可靠的电缆供能输出。点到多点，中心监控部分，循环监控，多路信息传
输。
从整体系统的结构考虑，系统分为三部分：
中心节点
按功能来分可以主要分为中心监控部分和中心供能部分。中心监控部
分主要实现对于整个网络的监控和控制，可以使用上位机以及串口光猫方
式对多路传感节点实现数据的实时采集监控，必要的时候也可以增加对特
定的传感节点进行控制；中心供能部分，则在实际的过程中利用电缆进行
每个传感节点的网络化电能输送，要求满足一定的供电能力和功率的稳定
性；
传感节点
主要由气体传感器阵列，ARM或FPGA等高级处理芯片和相应的辅
助电路，串口光猫的安置构成。多气体传感器阵列采集环境中的气体组分
信息，其采集模式可以采用轮询或编码的方式，得到的各个传感器信息之
后经过数据整理电路之后输入到ARM或者FPGA芯片之后通过神经网络
算法，得到气体模式的判定，必要情况下可以添加缓存设备进行缓存，再
将气体模式信息转化为串口信息输入到串口光猫之中，转化为光信息传输
给中心节点；一定情况下可以接受中心节点处控制信息。
网络节点
网络节点主要由光开关或者光复用器构成，光开关实现1*N路的多路
复用，可以将光路有效展宽，扩大检测范围，实现网络化的监测结构。也
可以设置多个网络节点，扩大整个网络的支路。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果
或优点：
1、本申请实施例中提供的基于光电融合的光纤网络气体传感系统，采
用基于光电融合的光纤网络气体传感构架，利用电化学式或者红外传感头进
行气体环境检测，得到初步的组分信息；利用BP神经网络算法解决气体传感
器阵列探测过程中交叉干扰问题，获得校验后的组分信息，大大提升数据的
可靠性和精确性；采用串口光猫实现信号光纤化的传输结构，极大程度的降
低网络化信号传输干扰，实现极低成本，可靠实用，检测精确的实时气体检
测网络系统。
2、本申请实施例中提供的基于光电融合的光纤网络气体传感系统，采
用光纤和串口光猫的形式，进行光电融合，实现双向的光信号流的处理方式，
实现数据可靠，长距离网络化传输；避免在长距离的网络化传输中受到来自
复杂环境下的电磁干扰；进一步提升探测的可靠性。
3、本申请实施例中提供的基于光电融合的光纤网络气体传感系统，采
用电缆有线供能的方式，实现长时间的稳定化的能量供应；也有利于扩大探
测范围，实现大面积的高精度，持续性探测。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案
而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人
员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离
本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。