光纤网络光信号实时监测系统项目报告

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光纤网络光信号实时监测系统项目报告
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郑州大学毕业设计（项目报告）
题目：光纤网络光信号实时监测系统
指导教师：李翠霞职称：副教授
学生姓名：李文豪学号：20107760224
专业：计算机科学与技术（软件开发JA V A）院（系）：软件学院
完成时间：2013-12-9
2013年12月9日
目录
第1章项目概述 (1)
1.1项目背景 (1)
1.2项目来源 (1)
1.3光时域反射测距设计依据 (1)
1.4光网络实时信号监测模块设计目标 (2)
第2章项目设计 (4)
2.1项目总体设计 (4)
2.2研究思路与技术路线 (4)
2.3模块选型与设计 (5)
2.3.1 AQ7275 OTDR模块介绍 (5)
2.3.2 GSM模块设计 (6)
2.3.3 GPS模块设计 (7)
2.3.4 下位机管理模块设计 (7)
2.3.5 实时监测上位机模块设计 (8)
2.3.6 电源模块设计 (8)
2.3.7 软件设计 (8)
第3章项目实现 (9)
3.1数据库连接模块 (9)
3.2W EB浏览器端模块 (11)
3.3J AVA客户端模块 (13)
3.3.1 程序启动重连 (13)
3.3.2 保存文件 (14)
3.3.3 读取配置文件 (17)
3.3.4 Java与下位机Socket通信 (17)
3.3.5 从OTDR设备采集数据 (21)
3.3.6 事件是否发生变化算法 (23)
3.3.7 发送HTTP POST (25)
第4章项目总结 (25)
4.1项目技术总结 (25)
4.1.1 前台页面技术 (25)
4.1.2 服务器和桌面客户端技术 (26)
4.3个人收获与体会 (28)
4.4参考资料 (29)
第1章项目概述
1.1 项目背景
近年来，多个路局报告了进入维护期的二型车光纤网络线路故障的事件。

以西安路局为例，就该问题做了故障统计，统计结果如下：
当动车组发生恒速打闪问题以后，伴随部分动车失流，如果长时间不能自复位，则列车速度将会下降，司机需要重新提手柄加速并恒速。

因光纤隐蔽走线，且在地面测试光纤状态性能均良好，故障仅在运行期出现，因此不能锁定光纤精确故障位置。

当前采取高级修时整体更换被怀疑车厢的车底光缆、连接器电钩光纤模块的办法，更换过程中需要拆除LJB箱、车钩、辅助空压机、空调等各种设备，且无法进行责任判定。

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 1-3-1 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 1-3-2 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AQ7275 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。

总体硬件架构如下图所示：
图 2-3总体硬件架构图
2.3.1 AQ7275 OTDR 模块介绍
AQ7275 OTDR 模块实际包含了OTDR 接口、滤波、合波等，其功能可简记如下：
图 2-3-1 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。

OT DR 接口
光设备（TX ）
WDM
激光器 数据采集
FPGA
DSP
外部
电路
OUT 光路部分
信号发收 信号处理
协同处理
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。

2.3.2 GSM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。

2.3.3 GPS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。

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。

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。

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 2-3-7 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。

地图使用百度地图API（javascript版），从服务器端获取的经纬度信息（GPS坐标）转成百度地图特有的经纬度，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HTTP POST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.dll 2.使用sqlitejdbc-v037-native.jar 3.加载数据库驱动。

图3-1-1 Web端架构
图3-1-2 数据库连接
3.2 Web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3-2-3百度地图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）显示在百度地图的同一标注中。