引言

光纤监测系统由于其灵敏度高、抗电磁干扰能力强等特点, 被广泛应用于安防领域^[1-2]。考虑到安防系统的误报率、漏报率等指标, 需要监测系统具有分布式、实时性等特点^[3]。随着分布式系统的广泛应用, 系统对高精度时钟同步的要求越来越高^[4]。为满足多节点同步采集数据要求^[5-6], 本系统提出了基于IEEE 1588协议的分布式数据监测方案, 通过PXI总线搭建的监测节点, 有效实时地实现了多光纤传感器的同步数据获取。

1 系统原理

本系统主要由分布式节点监测系统、GPRS系统、远程终端系统组成^[7]。用户通过监控中心的远程上位机软件发送采集指令给PXI下位机系统。接到指令后采集模块开始采集数据, 并通过网络传送给监控中心, 同时数据会保存在本地下位机平台中, 防止网络故障时数据丢失。为满足各节点同步获取数据的要求, 利用系统预留的光纤连接各监测节点的1588同步模块, 通过内部同步时钟实现各节点数据同步采集。系统原理图如图 1所示。

分布式节点监测系统主要由传感器、PXI采集平台、1588同步模块组成, 系统的搭建中应用了模块化理念。通过PXI机箱和控制器搭建了系统的平台框架, 采用16通道16 bit精度数据采集卡捕捉温度和湿度数据。同步模块内置IEEE 1588协议芯片, 各同步模块通过光纤连接到集线器, 共用协议同步时钟实现各节点同步数据采集。分布式节点监测系统原理图如图 2所示。

2 数据同步采集原理

为满足各监测节点同步采集数据, 需将各节点的系统时钟同步, 本系统采用了IEEE 1588协议来实现系统时钟的同步。通过各节点的同步模块来校准系统时钟, 从而控制数据采集模块工作在同一频率上, 实现分布式同步采集。

2.1 IEEE 1588协议工作原理

IEEE 1588协议的实现方法主要有软件法、硬件法^[8]。软件法主要是通过软件补偿校准时钟偏差和网络延时^[9], 硬件法主要是通过模块中的FPGA实现数据帧的时间戳功能。本系统结合两种方法的优势, 采用软硬结合的方式实现IEEE 1588协议。

2.2 同步采集的关键技术

同步采集的核心是同步模块。该模块采用了STM32系列芯片, 内嵌ARM Cortex-M3 32位微控制器, 支持1588 V2.0协议。通过微控制器的计数器捕捉数据帧的收发时间, 从而减少了协议栈时间波动的影响。同步模块通过PXI总线芯片与监控节点交互, 从而校准系统时钟。硬件原理图如图 3所示。软件部分的核心是对主从时钟延时做补偿, 采用粗细调节相结合的方式减少同步误差^[10]。

2.3 同步测试验证

验证同步模块的同步效果, 实际上就是验证IEEE 1588协议主从时钟同步精度。将两个节点的PXI系统一个作为主时钟, 一个作为从时钟, 同步后, 同时采集信号源输出的脉冲信号, 并观测同步效果, 测试原理图如图 4所示。信号源发出的脉冲信号被两个监控节点同时采集, 对比采集到脉冲信号的时间差, 即可观测出同步效果。

从测试结果可知, 系统的整体同步延时小于100 ns, 同步结果如表 1所示。由于算法上每2 s对主从时钟进行一次粗调制, 四次粗调制后即每10 s对主从时钟进行一次精调制, 可以看出每10 s时同步精度明显提高。

3 数据传输原理

本系统采用三级金字塔通讯结构。第一级通讯设备为数据监测节点, 第二级通讯设备为基站, 第三级通讯设备为监控中心。一、二级通讯利用网络, 为光纤直连的有线通讯; 二、三级通讯利用GPRS协议, 为无线通讯。系统通讯架构图见图 5。

位于第一级的监测节点通过网络将数据包传递给相应的基站, 基站通过GPRS将数据发送给远程的监控中心。整个系统单周期通讯的网络耗时不超过4.5 s。

4 结论

系统采用模块化搭建理念, 具有较强的扩展性、稳定性, 维护简单。系统的同步延时小于100 ns, 数据传输网络耗时低于4.5 s。近年来利用光纤传感技术搭建的安防系统的优势越来越突出, 是重要场所的保障系统之一。本文搭建的分布式监控系统能够有效实时地同步采集多条监控线路数据, 同步误差小, 网络延时低, 为提高安防系统预警的准确度提供了参考。