光纤网络光信号实时监测系统项目报告Word文档下载推荐.docx
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1.2项目来源
该项目来自网新智能技术有限公司的真实项目，该项目用于解决多个路局的光信号故障问题。
1.3光时域反射测距设计依据
光时域反射测距通过使用瑞利散射和菲涅尔反射来表征光纤的特性。
瑞利散射是由于光信号沿着光纤产生无规律的散射而形成，通过测量回到光时域反射设备端口的散射光，可表明因光纤引起的衰减（损耗/距离）程度。
若测试形成的轨迹是一条向下的曲线，它说明了背向散射的功率不断减小（这是由于经过一段距离的传输后发射和背向散射的信号都有所损耗）。
在波长已知情况下，瑞利散射功率与信号的脉冲宽度成比例：
脉冲宽度越长，背向散射功率就越强。
瑞利散射的功率还与发射信号的波长有关，波长较短则功率较强。
如图所示：
图13-1瑞利散射
菲涅尔反射是离散的反射，它是由整条光纤中的个别点而引起的，这些点是由造成反向系数改变的因素组成，例如玻璃与空气的间隙。
在这些点上，会有很强的背向散射光被反射回来。
光时域反射测试模块就是利用菲涅尔反射的信息来定位连接点，光纤终端或断点。
如下图分别表示了机械熔接、法兰盘、连接器断开造成的菲涅尔反射：
图13-2机械熔接
（1）、法兰盘
（2）和连接器（3）断开造成的菲涅尔反射
1.4光网络实时信号监测模块设计目标
1）性能指标
●中心波长：
13l0nm±
20nm
●事件盲区：
≤1.00m
●动态范围：
35/33dB
●衰减读出分辨率：
0.01dB
●群折射率设置范围：
1.4000～1.6000
●光纤连接器：
FC
●单系统功耗：
≤30W
●测距精度：
光信号动态监测精度：
≤1.00m。
2）系统功能
●下位机设备实现光信号的获取、解析、故障判定及故障信息上报，实时监测上位机完成波形分析、光信号统计信息的获取及在线故障判定。
列车实时运行中，一旦发现光信号的故障，即可实时获取环境信息，并将故障信息传输给上位机，由上位机分析后通过发送器发送给地面GSM接收机。
●故障通告内容应包括：
光纤长度，事件故障点在光纤长度上所处的位置，光纤串联中可能的故障器件，发生故障时列车行所处的经度和纬度及故障发生时间（需在上位机中预植列车图形化运行线路）。
●所有故障信息通报信息在上位机保存。
故障信息保存容量大于1000条，断电后信息不丢失。
地面终端可查取保存完毕的故障信息。
第2章项目设计
2.1项目总体设计
光网络实时信号监测系统包含OTDR模块、GSM模块、GPS模块、下位机管理模块、实时监测上位机模块及电源模块六大功能模块。
设计方案如下图所示。
图2-1光网络实时信号监测系统设计方案
其中：
（1）OTDR模块：
负责定位光路故障点，分析故障类型及故障产生的具体位置；
（2）GSM模块：
负责将故障信息发送至地面接收端，并传递地面接收端的查询信息；
（3）GPS模块：
负责故障时获取列车运行地理位置信息；
（4）下位机管理模块：
负责总体接受和处理来自OTDR、GPS、GSM模块数据，并保证各模块的协同工作，对外输出计算统计结果；
（5）实时监测上位机模块：
完成波形分析、光信号统计信息的获取及在线故障判定；
（6）电源模块：
独立供电，系统功耗<
30W。
2.2研究思路与技术路线
本设计里，主要通过实时监测上位机与下位机设备完成系统功能，其中：
（1）下位机，实现设备光信号的获取、解析、故障判定及故障信息上报；
（2）实时监测上位机，完成波形分析、光信号量的实时获取与在线故障判定。
通过以上设计，可实现：
在列车实时运行中，一旦发现光信号的故障，即可实时获取环境信息，并将故障信息发送给地面GSM接收终端。
2.3模块选型与设计
系统包括AQ7275OTDR模块、GSM模块、GPS模块、下位机管理模块、实时监测上位机模块及电源模块。
总体硬件架构如下图所示：
图23总体硬件架构图
2.3.1AQ7275OTDR模块介绍
AQ7275OTDR模块实际包含了OTDR接口、滤波、合波等，其功能可简记如下：
图23-1光信号处理示例图
模块功能说明：
1）OTDR接口。
包括激光器发射输出与反射光输入，测试接口与WDM对接。
2）激光器控制电路。
负责激光器的打开与关闭，同时可以控制激光器的工作电路。
3）数据采集电路。
负责将反射回来的光信号转换成数字电信号。
4）FPGA。
根据DSP的命令控制激光器开与关，同时收集数据采集电路的数字信号，在内部进行数据累加，并提供给DSP。
5）DSP。
根据命令控制FPGA，向FPGA读取数据，并按OTDR算法处理数据，将处理结果发送到外部电路。
外部接口电路。
外接通信处理单元。
2.3.2GSM模块设计
工业级双频GSM/GPRS模块，工作频段双频：
900/1800MHz，可以低功耗实现语音、SMS（短信）、数据和传真信息的传输，支持基站定位功能。
项目
特性
工作频段
EGSM900MHz/DCS1800Mhz自动搜索2个频段
发射功率
Class4（2w）@EGSM900M
Class1（1w）@DCS1800M
GPRS连接特性
GPRSmlti-slotclass10/8
GPRSmobilestationclassB/CC
GPRS数据特性
下行传输特性：
最大85.6kbps
上行传输特性：
最大42.8kbps
编码格式：
CS-1、CS-2、CS-3和CS-4
支持通常用于PPP连接的PAP协议
内嵌TCP/IP协议，支持TCP/UDP通信，支持FTP/HTTP服务
支持分组广播控制信道（PBCCH）
支持CSD（电路交换）传输速率：
2.4/4.8/9.6/11.4kbps
支持非结构化补充数据业务（USSD）
音频特性
支持HalfRate、FullRate、EnhancedFullRate、Adaptivemutirate等编码模式
支持回音消除功能
支持噪声抑制功能
短信（SMS）
支持MT/MO/CB/TEXT和PDU模式
短信存储设备：
SIM卡
工作温度
-40~+85°
C
2.3.3GPS模块设计
GPS模块具有50个通道，追踪灵敏度高达-161dBm,测量输出频率最高可达5Hz。
接口特性
TTL，兼容3.3v/5V单片机系统
接收特性
50通道，GPSL1（1575.42Mhz）C/A码，SBAS：
WAAS/EGNOS/MSAS
定位精度
2.5Mcep（SBAS:
2.0CEP）
更新速率
最大5Hz
捕获时间
冷启动：
27s（最快）
温启动：
27s
热启动：
1S
捕获追踪灵敏度
-161dBm
通信协议
NMEA（默认）/UBXBinary
串口通信波特率
4800、9600、38400（默认）、57600
2.3.4下位机管理模块设计
光信号处理模块实现了光信号物理层的解析，而通信与实时监测模块则完成光信号量的实时获取与故障判定。
下位机管理模块通过与FPGA及DSP模块进行通讯，采用滤波技术滤除检测期间无用信息，根据实际现场需要实时获取各类状态数据，并给出故障判定。
一旦检测到光纤工作异常，记录当前的时间和列车运行的地点，并且将这些信息数据传输给上位机。
模块的抗传导、静电放电、浪涌抗扰度等EMC性能均经过专业测试，并参照铁路交通应用标准，可适应与列车的特殊工况。
2.3.5实时监测上位机模块设计
实时监测上位机完成波形分析、光信号统计信息的获取及在线故障判定。
列车实时运行中，一旦发现光信号的故障，即可实时获取环境信息，并将故障信息发送给地面GSM接收终端。
故障通告内容应包括：
光纤长度，事件故障点在光纤长度上所处的位置，光纤串联中可能的故障器件，发生故障时列车行所处的经度和纬度及故障发生时间、速度（需在上位机中预植列车图形化运行线路）。
所有故障信息通报信息在上位机保存。
上位机通过网口与OTDR设备连接，并实时传输数据。
2.3.6电源模块设计
无需车厢额外供电，通过外部自带模块对系统进行供电。
电源模块金属六面屏蔽封装，具有过流保护、短路保护、过压保护等功能，使其安全性、稳定性和可靠性得到充分保障，正适用于铁路列车的特殊工况。
2.3.7软件设计
软件设计功能架构图如下所示：
图23-7软件设计功能架构图
第3章项目实现
在此处项目研发过程中本人主要负责实时监测上位机模块的开发。
因此，项目实现主要围绕该模块。
上位机模块又可以划分为两个模块：
1）Web模块（包括：
浏览器界面和服务器端）
2）Java客户端模块
Web浏览器端采用javascript+css+ajax+jquery，使用定时向服务器端发送ajax请求，请求Web服务器数据，数据采用json格式传输。
浏览器端拿到数据后，开始更新界面。
地图使用XX地图API（javascript版），从服务器端获取的经纬度信息（GPS坐标）转成XX地图特有的经纬度，并以标注的形式显示在地图上（旧事件为洋紫色标注，最新事件为淡绿色标注）。
Java客户端负责与下位机和OTDR设备进行通信，从下位机获取列车经纬度信息，从OTDR设备获取列车事件点信息（光信号故障点集合），完成分析数据之后，发送定义好格式的数据（以字节为单位）给下位机，同时发送HTTPPOST请求（字符串形式）给Web服务器。
3.1数据库连接模块
Web服务器端数据库采用文本文件类型的轻量级数据库sqlite，主要目的是：
提高软件性能、减少时间成本和降低后期维护等。
使用sqlite数据库主要分三部分：
1.加载sqlitejdbc.dll2.使用sqlitejdbc-v037-native.jar3.加载数据库驱动。
图3-1-1Web端架构
图3-1-2数据库连接
3.2Web浏览器端模块
图3-2-1
预定义列车路线：
京沪（北京-上海）、京广（北京-广州）、郑西（郑州-西安）、胶济（青岛-济南）、杭宁（杭州-南京）
部分关键代码如下：
图3-2-2京沪线（封装成数组）
图3-2-3XX地图API
图3-2-4列车事件（故障点集合）显示
同一时间的故障点集合（事件）显示在XX地图的同一标注中。
图3-2-5路线定义
可自由选择线路，默认为显示所有列车路线。
清除事件按钮可初始化sqlite数据库表（删除旧事件列表，重新初始化故障点集合）。
3.3Java客户端模块
主界面如图3-3所示：
图3-3程序主界面
3.3.1程序启动重连
以多线程的形式启动主程序，防止程序主界面出现卡死的现象。
在初始化主界面时，同时启动连接下位机（Socket通信，端口号：
1200IP：
下位机默认）的线程。
如果发现下位未启动则一直尝试重连，直至连接下位机成功，开始测试按钮才能开始点击。
点击开始测试按钮后，开始定时任务，周期60s。
部分关键代码：
图3-3-1
3.3.2保存文件
Java客户端从OTDR设备中获取事件（故障点集合）信息，完成数据的分析后，保存最原始的文件信息为TMP.CSV，方便EXCEL打开查看。
图3-3-2为EXCEL打开效果：
图3-3-2
关键代码：
package.insigma.utils;
importjava.io.BufferedReader;
importjava.io.BufferedWriter;
importjava.io.File;
importjava.io.FileInputStream;
importjava.io.FileNotFoundException;
importjava.io.FileOutputStream;
importjava.io.IOException;
importjava.io.InputStreamReader;
importjava.io.OutputStreamWriter;
importjava.util.Date;
importmons.logging.Log;
importmons.logging.LogFactory;
publicclassSaveFileUtil{
privatestaticfinalLoglog=LogFactory.getLog（SaveFileUtil.class）;
publicstaticbooleansaveFile（Stringstr,Datedate,doublelng,doublelat）{
String[]arr=null;
try{
arr=str.split（"
\n"
）;
}catch（NullPointerExceptione）{
log.error（"
otdr设备工作不正常"
returnfalse;
}
Filefile=newFile（"
TMP.csv"
if（!
file.exists（））{
try{
log.info（"
TMP.csv文件不存在，开始创建"
file.createNewFile（）;
TMP.csv文件创建成功"
}catch（IOExceptione）{
//e.printStackTrace（）;
log.error（"
创建文件TMP.csv时，发生错误"
returnfalse;
}
try{
BufferedReaderbr=newBufferedReader（newInputStreamReader（newFileInputStream（file）））;
StringBuildersb=newStringBuilder（）;
Stringtemp;
while（（temp=br.readLine（））!
=null）{
sb.append（temp）;
sb.append（"
\r\n"
sb.append（"
事件号,距离（km）,熔接耗损（db）,回波耗损（db）,累计耗损（db）,db/km,事件类型,区间折射率"
for（inti=20;
i<
arr.length;
i++）{
sb.append（arr[i]）;
时间,经度,纬度"
sb.append（StringUtils.formatDate（date）+"
"
+lng+"
+lat）;
BufferedWriterbw=newBufferedWriter（newOutputStreamWriter（newFileOutputStream（file）））;
bw.write（sb.toString（））;
bw.flush（）;
bw.close（）;
returntrue;
}catch（FileNotFoundExceptione）{
//e.printStackTrace（）;
TMP.csv不存在"
}catch（IOExceptione）{
数据写入文件时发生错误"
returnfalse;
}
publicstaticbooleandeleteFile（）{
if（file.exists（））{
if（file.delete（））{
log.info（"
删除文件TMP.csv成功"
returntrue;
else{
文件TMP.csv不存在,删除失败"
}
3.3.3读取配置文件
配置文件包含下位机IP、PORT和Web服务器配置等信息。
关键代码如图3-3-3所示：
图3-3-3
（1）读取配置文件
Properties文件：
图3-3-3
（2）配置文件
3.3.4Java与下位机Socket通信
下位机软件使用开发语言C++，上位机（PC）使用高级语言Java。
Java和C++的字节顺序在不同机器上会有所不同，下位机软件（C++开发）负责字节顺序（大端、小端）的转化。
上位机软件（Java开发）与下位机（C++开发）采用最底层的数据类型--字节进行通信。
Java与C++TCP通信接口的定义：
TCP通信接口：
获取GPS信息包格式：
操作符号：
4字节，int值为1
报文长度：
4字节
回复GPS信息包格式：
4字节，int值为2
经度:
16字节
纬度:
发生事件变化时，发送数据包格式：
4字节，int值为3
4字节，int
列车位置经度:
列车位置纬度:
当前时间：
时1字节，分1字节，秒1字节，年2字节，月1字节，日1字节,预留1字节整形
事件个数：
事件1，距离:
4字节，float
事件1，衰减:
。
事件n，距离:
事件n，衰减:
字节工具类：
本次项目中上位机软件（Java开发）使用到的数据类型和特定字节大小的转换。
importjava.util.Calendar;
/**
*字节工具类
*@authorjingxuan
*/
publicclassByteUtils{
/**
*intconvertbyte[]
*@paramn
*@return
publicstaticbyte[]int2Bytes（intn）{
byte[]b=newbyte[4];
b[3]=（byte）（n&
0xff）;
b[2]=（byte）（n>
>
8&
b[1]=（byte）（n>
16&
b[0]=（byte）（n>
24&
returnb;
*byte[]convertint
*@paramb
publicstaticintbytes2Int（byteb[]）{
returnb[3]&
0xff|（b[2]&
0xff）<
<
8|（b[1]&
16
|（b[0]&
24;
*floattobyte[]
*@paramf
publicstaticbyte[]float2Bytes（floatf）{
intfbit=Float.floatToIntBits（f）;
for（inti=0;
4;
i++）{
b[i]=（byte）（fbit>
（24-i*8））;
intlen=b.length;
byte[]dest=newbyte[len];
System.arraycopy（b,0,dest,0,len）;
bytetemp;
len/2;
++i）{
temp=dest[i];
dest[i]=dest[len-i-1];
dest[len-i-1]=temp;
returndest;
//时1字节，分1字节，秒1字节，年2字节，月1字节，日1字节,预留1字节
*日期转成8字节byte[]
*@paramdate
publicstaticbyte[]date2Bytes（Datedate）{
byte[]b=newbyte[8];
Calendarcal=Calendar.getInstance（）;
cal.setTime（date）;
intyear=cal.get（Calendar.YEAR）;
intmonth=cal.get（Calendar.MONTH）;
intday=cal.get（Calendar.DAY_OF_MONTH）;
inthour=cal.get（Calendar.HOUR_OF_DAY）;
intminute=cal.get（Calendar.MINUTE）;
intsecond=cal.get（Calendar.SECON
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