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摘 要：设计了一款基于Zigbee的物联网光纤功率计，该光功率計采用光电探测器实现光电信号的转换，利用高性能运放TLC2652和18位的A/D转换芯片MAX132以保证测量精度；选用ST12系列单片机来控制信号的检测，处理与显示以及与CC2530的通信。这些光纤功率计测量节点，与一个协调器节点组成无线传感网，实现光纤功率计测量结果的实时传输和集中监测。
关键词：光纤功率计；物联网；单片机；Zigbee；CC2530
1引言
随着光纤通信技术的飞速发展， 對于光纤传输光的监测与测量显得尤为重要。光纤功率计可测量光发射机的输出功率及输出功率稳定度、光传输线路中的平均传输功率、光接收端机的灵敏度、各种无源器件的插入损耗和衰减量等，是通信干线铺设、设备维护、科研和生产中普遍使用的通信仪表[1]。
光功率的测试是通信专业学生实验中非常重要，也是很常用的一个项目。而在实验教学中，教师希望能实时查看学生在各个测量节点所测得的实验数据，针对这一应用，结合物联网技术特点，本文设计了一款基于Zigbee技术的光纤功率计。
2光功率计硬件设计
光功率计测量硬件由光信号检测、电信号处理、MCU控制，结果显示和无线收发5部分组成。
2.1光信号检测
光电检测器是转换的光电核心部分，选择是否合适在很大程度上影响光功率计的性能。随着近几年PIN光电二极管等新型光电探测器的广泛研究及开发，其在对光信号的检测上，不仅检测精度有所提高，而且受工作环境因素影响较小，所以在本设计中采用InGaAs-PIN光电二极管[2]。
2.2 I/V转换和信号放大
在微弱信号的测量中，常常需要放大微伏级的电信号。这时，普通的运算放大器已无法使用了，因为它们的输入失调电压一般在数百微伏以上，而失调电压的温度系数在零点几微伏以上。虽然输入失调电压可以被调零，但其漂移是难以消除的。德州仪器公司生产的斩波稳零型运算放大器提供了一种解决微信号放大问
题的廉价方案，TLC2652和TLC2652A是德州仪器公司使用先进的LinCMOS工艺生产的高精度斩波稳零运算放大器。斩波稳零的工作方式使TLC2652具有优异的直流特性，失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到了最小，TLC2652非常适合用于微信号的放大[3]。
光电检测器检测的光电流很小，需要对它进行放大。本设计选用TI仪器公司的高精度斩波稳零运算放大器TLC2652做模拟放大，可以满足本设计对微弱信号放大的需要。
2.3 信号采集，处理与显示
经放大电路放大后的电信号为模拟信号，需通过A/D转换为数字信号，送入MCU进行处理，选用±18 位串行高精度低功耗的A/D转换器MAX132[4]。MAX132与单片机通过串口相连，将转换后的数字信号送入单片机。单片机可选STC12双串口单片机，由单片机完成信号控制与处理的功能。单片机将接收到的数字信号经处理后送于液晶屏显示，与此同时还会将测量信息通过无线收发芯片CC2530将数据发送至协调器节点。
单片机接收按键信息，可实现开关机，波长选择，测量结果单位转换等功能。
2.4 无线收发部分
选用TI的芯片CC2530，与ST12单片机通过串口相连。CC2530是TI公司推出的第二代ZigBee无线射频芯片。CC2530集成了业界领先的RF收发器增强型的8051CPU和系统可编程Flash存储器，可运行TI官方的ZigBee2007协议栈，更适用于超低功耗的应用场合。
二、协调器节点的设计
协调器节点采用CC2530芯片，并外接以太网模块ENC28J60和WiFi模块，可利用以太网模块加有线的双绞线与教师机服务器通信，亦可以利用WiFi模块通过无线与教师机服务器通信，将协调器接收的各个光功率计传来的测量结果发送到教师机服务器。
ENC28J60 网络模块是带有行业标准串行外设接口（SPI）的独立以太网控制器。它可作为任何配备有SPI 的控制器的以太网接口。ENC28J60符合IEEE 802.3的全部规范，采用了一系列包过滤机制以对传入数据包进行限制。同时ENC28J60网络模块还提供了一个内部DMA 模块，以实现快速数据吞吐和硬件支持的IP校验和计算，与主控制器的通信通过两个中断引脚和SPI实现，数据传输速率高达10Mb/s。
三、组网模式
ZigBee支持星形、树形和网状网三种zigbee网络[5]。星形拓扑是最简单的一种拓扑形式，他包含一个协调器节点和一系列的终端节点。每一个终端节点只能和协调器节点进行通讯。如果需要在两个终端节点之间进行通讯必须通过协调器节点进行信息的转发，本设计中采用星形拓扑结构，如图所示。
星形组网图
各个光功率计为终端节点，通过协调器节点，可将测试结果实时地传送到教师机，教师可实时查看多个学生节点的测量数据。
四、总结
设计中选择了高性能InGaAs光电探测器、18位A /D转换芯片、ST12高速单片机，保证了准确测量光纤中传输的光功率， 将测量结果显示在液晶屏幕上。并将测量值通过无线收发器CC2530发射出去，各个带有无线收发器CC2530的光功率计将测量结果均可传送到协调器节点。而协调器节点又可以通过有线和无线两种方式接入服务器，故我们在服务器上可实时查看各光功率计的测量结果。
而这一设计不仅对于光纤功率计的实验教学有帮助，亦可借鉴到其他仪表的测量应用中，而这样一种基于物联网技术的光功率计在现场测试中，也可以将各个节点测量值实时发送到监控端，对于情况的掌握将发挥很大的帮助作用。此设计可满足高校实验室的教学和光通信施工部门的施工检测与维护需求。在光信息、光通信等领域具有广泛的应用前景。
参考文献：
[1]周随霞，黄启俊，常胜.一种便携式光纤功率计的设计方法[J].电子工程师，2007（1），3-5.
[2]姚志红，宋寿鹏，胡晓婷. 基于STM32的光功率计的设计[J]. 电子测量技术，2015，（11）：126-130.
作者简介：
张艳（1981.07）女，汉，本科硕士，讲师，从事控制类高等教育研究。
关键词：光纤功率计；物联网；单片机；Zigbee；CC2530
1引言
随着光纤通信技术的飞速发展， 對于光纤传输光的监测与测量显得尤为重要。光纤功率计可测量光发射机的输出功率及输出功率稳定度、光传输线路中的平均传输功率、光接收端机的灵敏度、各种无源器件的插入损耗和衰减量等，是通信干线铺设、设备维护、科研和生产中普遍使用的通信仪表[1]。
光功率的测试是通信专业学生实验中非常重要，也是很常用的一个项目。而在实验教学中，教师希望能实时查看学生在各个测量节点所测得的实验数据，针对这一应用，结合物联网技术特点，本文设计了一款基于Zigbee技术的光纤功率计。
2光功率计硬件设计
光功率计测量硬件由光信号检测、电信号处理、MCU控制，结果显示和无线收发5部分组成。
2.1光信号检测
光电检测器是转换的光电核心部分，选择是否合适在很大程度上影响光功率计的性能。随着近几年PIN光电二极管等新型光电探测器的广泛研究及开发，其在对光信号的检测上，不仅检测精度有所提高，而且受工作环境因素影响较小，所以在本设计中采用InGaAs-PIN光电二极管[2]。
2.2 I/V转换和信号放大
在微弱信号的测量中，常常需要放大微伏级的电信号。这时，普通的运算放大器已无法使用了，因为它们的输入失调电压一般在数百微伏以上，而失调电压的温度系数在零点几微伏以上。虽然输入失调电压可以被调零，但其漂移是难以消除的。德州仪器公司生产的斩波稳零型运算放大器提供了一种解决微信号放大问
题的廉价方案，TLC2652和TLC2652A是德州仪器公司使用先进的LinCMOS工艺生产的高精度斩波稳零运算放大器。斩波稳零的工作方式使TLC2652具有优异的直流特性，失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到了最小，TLC2652非常适合用于微信号的放大[3]。
光电检测器检测的光电流很小，需要对它进行放大。本设计选用TI仪器公司的高精度斩波稳零运算放大器TLC2652做模拟放大，可以满足本设计对微弱信号放大的需要。
2.3 信号采集，处理与显示
经放大电路放大后的电信号为模拟信号，需通过A/D转换为数字信号，送入MCU进行处理，选用±18 位串行高精度低功耗的A/D转换器MAX132[4]。MAX132与单片机通过串口相连，将转换后的数字信号送入单片机。单片机可选STC12双串口单片机，由单片机完成信号控制与处理的功能。单片机将接收到的数字信号经处理后送于液晶屏显示，与此同时还会将测量信息通过无线收发芯片CC2530将数据发送至协调器节点。
单片机接收按键信息，可实现开关机，波长选择，测量结果单位转换等功能。
2.4 无线收发部分
选用TI的芯片CC2530，与ST12单片机通过串口相连。CC2530是TI公司推出的第二代ZigBee无线射频芯片。CC2530集成了业界领先的RF收发器增强型的8051CPU和系统可编程Flash存储器，可运行TI官方的ZigBee2007协议栈，更适用于超低功耗的应用场合。
二、协调器节点的设计
协调器节点采用CC2530芯片，并外接以太网模块ENC28J60和WiFi模块，可利用以太网模块加有线的双绞线与教师机服务器通信，亦可以利用WiFi模块通过无线与教师机服务器通信，将协调器接收的各个光功率计传来的测量结果发送到教师机服务器。
ENC28J60 网络模块是带有行业标准串行外设接口（SPI）的独立以太网控制器。它可作为任何配备有SPI 的控制器的以太网接口。ENC28J60符合IEEE 802.3的全部规范，采用了一系列包过滤机制以对传入数据包进行限制。同时ENC28J60网络模块还提供了一个内部DMA 模块，以实现快速数据吞吐和硬件支持的IP校验和计算，与主控制器的通信通过两个中断引脚和SPI实现，数据传输速率高达10Mb/s。
三、组网模式
ZigBee支持星形、树形和网状网三种zigbee网络[5]。星形拓扑是最简单的一种拓扑形式，他包含一个协调器节点和一系列的终端节点。每一个终端节点只能和协调器节点进行通讯。如果需要在两个终端节点之间进行通讯必须通过协调器节点进行信息的转发，本设计中采用星形拓扑结构，如图所示。
星形组网图
各个光功率计为终端节点，通过协调器节点，可将测试结果实时地传送到教师机，教师可实时查看多个学生节点的测量数据。
四、总结
设计中选择了高性能InGaAs光电探测器、18位A /D转换芯片、ST12高速单片机，保证了准确测量光纤中传输的光功率， 将测量结果显示在液晶屏幕上。并将测量值通过无线收发器CC2530发射出去，各个带有无线收发器CC2530的光功率计将测量结果均可传送到协调器节点。而协调器节点又可以通过有线和无线两种方式接入服务器，故我们在服务器上可实时查看各光功率计的测量结果。
而这一设计不仅对于光纤功率计的实验教学有帮助，亦可借鉴到其他仪表的测量应用中，而这样一种基于物联网技术的光功率计在现场测试中，也可以将各个节点测量值实时发送到监控端，对于情况的掌握将发挥很大的帮助作用。此设计可满足高校实验室的教学和光通信施工部门的施工检测与维护需求。在光信息、光通信等领域具有广泛的应用前景。
参考文献：
[1]周随霞，黄启俊，常胜.一种便携式光纤功率计的设计方法[J].电子工程师，2007（1），3-5.
[2]姚志红，宋寿鹏，胡晓婷. 基于STM32的光功率计的设计[J]. 电子测量技术，2015，（11）：126-130.
作者简介：
张艳（1981.07）女，汉，本科硕士，讲师，从事控制类高等教育研究。