一种太阳能智慧建筑光纤传感智能感知系统

1.本发明属于太阳能智能建筑监测技术领域，更具体地说，涉及一种太阳能建筑光纤传感智能感知系统。


背景技术：

2.新型太阳能智慧建筑在建筑设计和能源系统配置阶段考虑可持续发展与全生命周期零碳目标，以具有随机性与波动性的太阳能作为建筑能源，并应用当今主流的存储能量密度高、转换效率高、调节能力强的锂离子电池为储能手段，实现建筑可再生能源最大化利用，将物联网、智能算法与建筑深度融合，打造智慧互联、全面保障安全、健康舒适的智慧生活环境。然而，锂离子电池系统储能事故偶有发生，现有太阳能建筑所用温度和烟感监测只能对电池热失控开阀进行报警，不能够对电池热失控进行提前预警。现有建筑采用了基于wifi传输的七合一室内空气质量监测仪和基于lora传输的空气质量、温湿度、水气压力等室内环境点式的监测，受限于测量的点数和无线信号传输的障碍，现有技术无法满足太阳能电池长期运行过程中故障的提前预警，室内环境和在室人员活动的分布式实时在线监测。
3.目前，现有技术中的建筑传感监测方法有以下2种：
4.(一)中国专利cn113884110a公开了《一种智能建筑传感器监测方法》，将光纤光栅传感器布设在建筑物钢筋骨架的钢筋上，通过光纤光栅传感器检测数据得出建筑物的倾斜位移。但该

技术实现要素：
中所述的检测内容主要为建筑施工或使用过程中的建筑结构安全监测。无法对建筑能源系统安全、室内环境以及在室人员行为活动监测。
5.(二)中国专利cn213276304u公开了《一种基于lora传感器的智慧楼宇集成控制装置》，该装置可提高楼宇的数据传输距离以及海量数据接入的有效控制，并通过设置不同的lora网关，降低运行负荷提高系统反应灵敏度。
6.目前，有关光纤传感在建筑监测中的应用主要集中在结构安全方面，且只是准分布式的光纤光栅监测技术。光纤传感本身具有抗电磁干扰，本征防爆，测量灵敏度高和精度高，容易组网等优点。
7.在智慧建筑方面，主要采用电类传感器监测建筑室内的温湿度和空气质量，采用视频监控监测室内人员活动，并基于wifi或者lora等无线传输技术组网监测。但是电类传感器易受电磁干扰，测量精度受限，在储能电池监测中不具备防爆功能，室内信号易受到阻挡且属于点式测量而无法实现对室内全部区域覆盖，无法获取在室人员行为状态全部区域覆盖，无法对锂离子电池系统储能进行提前预警，无法实现对室内外环境等物理测量的无盲区分布式在线实时监测，由于测量时组网困难，现有电类传感技术也使得信号的及时处理受限。
发明内容
8.为了解决上述问题，本发明提出一种太阳能智慧建筑光纤传感智能感知系统，通
过，不同的光纤传感光缆和传感器对太阳能建筑储能锂电池系统、温湿度、在室人员行为和房屋安全周界等进行长期实时在线监测，并将本监测系统与建筑智慧家电控制器联动。
9.本发明利用以下技术方案实现：
10.一种太阳能智慧建筑光纤传感智能感知系统，该系包括光纤气体浓度传感模块、光纤温湿度传感模块、光纤振动传感模块、信号处理模块、通讯总线和输入/输出模块；通过光纤接线盒分别将所述光纤光栅气体传感模块、所述光纤光栅温湿度传感模块和所述光纤光栅振动传感模块连接至所述信号处理单元，所述信号处理单元通过通讯总线连接至所述输入/输出模块，其中：
11.所述光纤光栅气体浓度传感模块，包括串接在同一根气体传感光缆上的布拉格光纤光栅co气体传感器和布拉格光纤光栅气体传感器，该模块用于感知锂电池长期使用过程中释放出的一氧化碳与氢气浓度，采集包含气体浓度的光信号；
12.所述光纤光栅温/湿度传感模块，包括串接在同一根温/湿度传感光缆上、以周期方式交替设置的感温低反射率光纤光栅阵列和两个布拉格光纤光栅湿度传感器，该模块用于感知建筑室内温湿度，采集包含室内温湿度信息的光信号；
13.所述光纤振动传感模块，包括由多个光纤光栅振动传感器构成的光纤光栅振动传感阵列，用于感知在室人员活动的振动信息，采集包含在室人员正常行动或跌倒等行为信息的光信号；
14.所述信号处理模块用于将光纤气体浓度传感模块、光纤温湿度传感模块和光纤振动传感模块采集的光信号转换为电信号，解调出室内气体浓度、湿温度与相位信号，进行信号智能分析和处理；
15.所述通讯总线用于所述室内气体浓度、湿温度与相位信号的传输。
16.与现有技术相比，本发明能够达成以下的有益技术效果：
17.1、实现了包括对太阳能建筑储能锂电池系统、温湿度、在室人员行为和房屋安全周界等在内的全时全域多源安全长期实时在线监测，具有高性价比的、实用、可靠、安全、稳定、先进的，能够做到快速定位、及时响应、科学决策、完整记录的特性；
18.2、实现了与建筑智慧家电控制器联动，实现智能控制和主动预警；
19.3、实现了不同的光纤传感光缆和传感器通过空分、时分、波分的组网。
附图说明
20.图1为本发明的一种太阳能智慧建筑光纤传感智能感知系统结构示意图；
21.图2为光纤光栅气体传感器结构图；
22.附图标记：
23.图1中：
24.11、布拉格光纤光栅co气体传感器，12、布拉格光纤光栅h2气体传感器，2、气体传感光缆，3、温/湿度传感光缆，4、振动传感光缆，5、信号处理单元，6、光缆接线盒，7、rs485通讯总线，8、输入/输出模块，9、智慧家电控制器，100、光纤光栅气体传感模块，200、光纤光栅气体温/湿传感模块，300、光纤光栅振动传感模块，31～34、感温低反射率光纤光栅阵列，311、布拉格光纤光栅温度传感器，41～44、光纤光栅振动传感器；35、36、布拉格光纤光栅湿度传感器；
25.图2中：
26.21、布拉格光纤光栅，22、气体吸收多孔涂层，33光栅，24、薄膜。
具体实施方式
27.下面将结合附图和实施例，对技术方案做详细说明。
28.如图1所示，为本发明的一种太阳能智慧建筑光纤传感智能感知系统结构示意图。该系统包括光纤光栅气体传感模块100，光纤光栅气体温/湿传感模块200，光纤光栅振动传感模块300，信号处理单元5、通讯总线7(例如rs485总线)以及输入/输出模块8构成。实际使用中，所述输入/输出模块8可连接至智慧家电控制器9。
29.其中，通过光纤接线盒6分别将所述光纤光栅气体传感模块100、所述光纤光栅温湿度传感模块200和所述光纤光栅振动传感模块300连接至所述信号处理单元5，所述信号处理单元5通过总线通讯7连接至所述输入/输出模块8。
30.所述光纤光栅气体传感模块100进一步包括所述布拉格光纤光栅co气体传感器11和所述布拉格光纤光栅h2气体传感器12，均安装在锂离子电池附件；通过所述气体传感光缆2相互连接，用于通过所述气体浓度传感光缆2获取该电池长期充放电可能产生的热失控引起气体逸出信号。两种气体传感器波长不同。
31.所述光纤光栅气体温/湿度传感模块200进一步包括n个以周期方式交替设置的感温低反射率光纤光栅阵列31～34(λ
t1
、)和布拉格光纤光栅湿度传感器35、36。其中，感温低反射率光纤光栅阵列中每个周期的长度为1m，形成了周期为1m的交替双波长。即，由于现有光纤传感采用波分复用获得定位的波长有限，本发明采用时分复用进行定位，而现有光电器件能够分辨最小光传输的空间时间距离是1m，为了能够获得最小空间距离的温度测量定位且同时降低成本，采用时分与波分混合复用。本发明在感温低反射率光纤光栅阵列内部1m距离设置多个(如10个)相同波长的布拉格光纤光栅温度传感器，紧邻的下一个感温低反射率光纤光栅阵列内部1m距离设置多个(如10个)另一种相同波长的布拉格光纤光栅温度传感器，两种波长相差4nm，为交替双波长。光纤光栅阵列；单个周期内设置有5～10个布拉格光纤光栅温度传感器311，因此相邻布拉格光纤光栅温度传感器之间的距离为10～20cm。所述布拉格光纤光栅温度传感器采用的是反射率0.01％～1.00％的全同光栅。所述感温低反射率光纤光栅阵列31～34与布拉格光纤光栅湿度传感器35、36串接在同一根光缆即温/湿度传感光缆3上，用于通过温/湿度传感光缆3获取相关温度与湿度信号。
32.所述光纤光栅振动传感模块300进一步包括由多个光纤光栅振动传感器41～44构成的光纤光栅振动传感阵列，串接在同一根光缆即振动传感光缆4，用于通过所述振动传感光缆4获取建筑相关人员活动等的振动信号。所述光纤振动传感模块为超低反射率的啁啾光纤光栅，采用钢带、加强钢丝和护套进行增敏和保护封装成缆。超低反射率的啁啾光纤光栅反射率0.001％～0.004％、相邻光栅距离5m。
33.在所述信号处理单元5中，不同传感光缆和传感器均采用光纤光栅作为基本敏感单元，通过空分、时分和波分组网接入信号处理单元。将对气体成分和温湿度的波长检验方法和在室人员活动动态信号的光干涉分布式测量集成同一个信号处理单元。所述信号处理单元通过光电与a/d转换、数据采集、数据处理分析及模态识别，利用ai(artificial intelligence)方法对建筑环境正常和异常状态数据特征进行判断，建立数据层面的边界
条件和判断依据，对建筑内外状态和运行状态进行预测，对状态变化的时间和空间进行定位。具体的，所述模态识别模块的智能分析数据集，通过太阳能建筑光纤传感数据的自动采集与实时传输，实现数据层的信息融合，数据经预处理后利用自适应在线传感数据分析软件分析。基于自适应在线传感数据分析软件，利用ai方法对建筑环境正常和异常状态数据特征进行判断，建立数据层面的边界条件和判断依据，对建筑内外状态和运行状态进行预测，对状态变化的时间和空间进行定位。
34.在实际应用时，通过所述输入/输出模块8与智慧家电控制器9连接，通过光纤传感系统与智能家居控制系统融合，实现智能控制和主动预警。
35.如图2所示，为光纤光栅气体传感器结构图。该光纤光栅气体传感器包括布拉格光纤21、气体吸收多孔涂层22、布拉格光栅23以及涂覆在布拉格光纤21上的薄膜24。情形一、采用在布拉格光纤21上涂覆au/zno/sio2混合敏感薄膜的实施方式，au/zno/sio2混合敏感薄膜能够催化氧化co，氧化过程会放出热量，通过气体吸收多孔涂层22吸收co后发生氧化过程会放出热量，该处比没有吸收层的光栅温度高，光纤光栅波长偏移大，从而导致布拉格光栅23附近温度产生变化，光纤光栅波长偏移获得储能锂电池热失控前泄露co气体浓度，这种情况下形成的是光纤光栅co气体传感器。情形二、采用在光纤光栅上的涂覆wo3/pt复合薄膜，并在表面涂覆仅对氢气选择性通过的多孔介质敏感涂覆材料，通过h2与wo3/pt复合薄膜相互作用产生热量，导致该处的布拉格光纤光栅3波长偏移获得储能锂电池热失控前泄露h2浓度；气体传感器布置于顶壳与电芯之间，用于测量电池内部气体浓度。这种情况下形成的是对于光纤光栅h2气体传感器。
36.在本发明实施例中：
37.光纤气体浓度传感模块用于感知锂电池释放出的一氧化碳与氢气浓度，采集包含气体浓度的光信号。
38.光纤温湿度传感模块用于感测建筑室内温湿度，采集包含温湿度信息的光信号，具体包括如下：
39.进一步地，通过波分与时分相结合的光信号解耦技术，实现室内10cm温度的空间分辨率，并且在同一根光纤上串接几个不同波长光纤布拉格湿度传感器获得对建筑室内温湿度数据。
40.进一步地，该传感光缆可与普通电缆和光缆走线相似，铺设在建筑踢脚线内并使检测点可以导热导湿。传感数据可直接传输到智能家电控制系统对室内温湿度进行调控，并对室内突发火灾进行快速报警。
41.光纤振动传感模块用于感知在室人员活动的振动信号，采集包含在室人员正常行动或跌倒等行为信息的光信号，具体包括如下：
42.进一步地，光纤振动传感模块的光纤光栅阵列振动传感光缆的光栅为超低反射率的啁啾光纤光栅，反射率0.001％～0.004％、相邻光栅距离5m，采用钢带、加强钢丝和护套进行增敏和保护封装成缆。
43.进一步地，工作时信号处理单元中光源发出的脉冲光先后进入n个阵列光栅中，每个入射脉冲将会产生n个发射光脉冲，匹配的两个光脉冲会发生干涉，而匹配的干涉光的臂长与相邻光栅间距相等。
44.进一步地，通过匹配干涉方法检测相邻两个光栅反射脉冲的干涉信号动态相位变
化，振动传感光缆铺设在建筑室内地板下方5cm～10cm和室外围栏上，能够感知在室人员活动的振动信号，实现分布式、高灵敏振动传感信号的监测。
45.信号处理模块用于将光纤气体浓度传感模块、光纤温湿度传感模块和光纤振动传感模块采集的光信号转换为电信号，并解调出气体浓度、湿温度和相位信号，具体包括如下：
46.不同传感光缆和传感器均采用光纤光栅作为基本敏感单元，通过空分、时分和波分组网接入信号处理单元，将对气体成分和温湿度的波长检验方法和在室人员活动动态信号的光干涉分布式测量集成在同一个信号处理单元中，以实现多参量分布式光纤传感。该系统响应速率快、测量精度高并且功耗低。
47.信号处理单元中，模态识别模块用于建立智能分析数据集，对采集的湿温度、相位与气体浓度信号进行分析，判断采集的传感器数据内是否有预警信息。通讯总线用于将预警信息与智慧家电控制器联接，实现智能控制和主动预警，具体包括如下：
48.通过太阳能建筑光纤传感数据的自动采集与实时传输利用相同类型传感数据的关联性，实现数据层的信息融合，减少数据冗余多维传感数据的压缩与融合方法，建立智能分析数据集，实现数据预处理。
49.进一步地，通过自适应在线传感数据分析软件，利用ai方法对建筑环境正常和异常状态数据特征进行判断，建立数据层面的边界条件和判断依据，对建筑内外状态和运行状态进行预测，对状态变化的时间和空间进行定位，通过光纤传感系统与智能家居控制系统融合，实现智能控制和主动预警。
50.以上所述仅为本技术的实施例，并不用于限制本发明所要申请保护的范围。对于本领域技术人员来说，凡是通过各种更改和变化、在不脱离本发明的精神和原理的情况下做出各种任何修改、等同替换或变型等，均落入由所附权利要求所限定的本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种太阳能智慧建筑光纤传感智能感知系统，其特征在于，该系统包括光纤气体浓度传感模块、光纤温湿度传感模块、光纤振动传感模块、信号处理模块、通讯总线和输入/输出模块；通过光纤接线盒分别将所述光纤光栅气体传感模块、所述光纤光栅温/湿度传感模块和所述光纤光栅振动传感模块连接至所述信号处理单元，所述信号处理单元通过通讯总线连接至所述输入/输出模块，其中：所述光纤光栅气体浓度传感模块，包括串接在同一根气体传感光缆上的布拉格光纤光栅co气体传感器和布拉格光纤光栅h2气体传感器，该模块用于感知锂电池长期使用过程中释放出的一氧化碳与氢气浓度，采集包含气体浓度的光信号；所述光纤光栅温/湿度传感模块，包括串接在同一根温/湿度传感光缆上、以周期方式交替设置的感温低反射率光纤光栅阵列和两个布拉格光纤光栅湿度传感器，该模块用于感知建筑室内温/湿度，采集包含室内温/湿度信息的光信号；所述光纤振动传感模块，包括由多个光纤光栅振动传感器构成的光纤光栅振动传感阵列，用于感知在室人员活动的振动信息，采集包含在室人员正常行动或跌倒等行为信息的光信号；所述信号处理模块用于将光纤气体浓度传感模块、光纤温/湿度传感模块和光纤振动传感模块采集的光信号转换为电信号，解调出室内气体浓度、湿温度与相位信号，进行信号智能分析和处理；所述通讯总线用于所述室内气体浓度、湿温度与相位信号的传输。2.如权利要求1所述的一种太阳能智慧建筑光纤传感智能感知系统，其特征在于，所述感温低反射率光纤光栅阵列中每个周期的长度为1m，形成周期为1m的交替双波长光纤光栅阵列，单个周期内设置有5～10个布拉格光纤光栅温度传感器。3.如权利要求1所述的一种太阳能智慧建筑光纤传感智能感知系统，其特征在于，其中，所述布拉格光纤光栅co气体传感器包括布拉格光纤、气体吸收多孔涂层和涂覆于布拉格光纤上的au/zno/sio2混合敏感薄膜。4.如权利要求1所述的一种太阳能智慧建筑光纤传感智能感知系统，其特征在于，其中，所述布拉格光纤光栅h2气体传感器包括布拉格光纤、气体吸收多孔涂层和涂覆于布拉格光纤上的wo3/pt复合薄膜。5.如权利要求1所述的一种太阳能智慧建筑光纤传感智能感知系统，其特征在于，其中，所述布拉格光纤光栅co气体传感器和所述布拉格光纤光栅h2气体传感器采用不同波长。6.如权利要求1所述的一种太阳能智慧建筑光纤传感智能感知系统，其特征在于，所述布拉格光纤光栅温度传感器采用反射率0.01％～1.00％的全同光栅。7.如权利要求1所述的一种太阳能智慧建筑光纤传感智能感知系统，其特征在于，所述的光纤振动传感模块采用反射率为0.001％～0.004％的超低反射率的啁啾光纤光栅，相邻光栅距离5m。8.如权利要求1所述的一种太阳能智慧建筑光纤传感智能感知系统，其特征在于，其中所述信号处理单元进一步包括光电与a/d转换、数据采集、数据处理分析及模态识别，其中所述模态识别模块用于建立智能分析数据集，对采集的气体浓度、湿温度与相位信号进行分析，判断采集的传感器数据内是否有预警信息；该单元基于自适应在线传感数据分析软
件，利用ai方法对建筑环境正常和异常状态数据特征进行判断，建立数据层面的边界条件和判断依据，对建筑内外状态和运行状态进行预测，对状态变化的时间和空间进行定位。9.如权利要求1所述的一种太阳能智慧建筑光纤传感智能感知系统，其特征在于，其中所述输入/输出模块与智慧家电控制器连接，通过光纤传感系统与智能家居控制系统融合，实现智能控制和主动预警。

技术总结
本发明公开了一种太阳能智慧建筑光纤传感智能感知系统，该系包括光纤气体浓度传感模块、光纤温/湿度传感模块、光纤振动传感模块、信号处理模块、通讯总线和输入/输出模块；通过光纤接线盒分别将所述光纤光栅气体传感模块、所述光纤光栅温/湿度传感模块和所述光纤光栅振动传感模块连接至所述信号处理单元，所述信号处理单元通过通讯总线连接至所述输入/输出模块。本发明实现了对太阳能建筑储能锂电池系统、温/湿度、在室人员行为和房屋安全周界等的全时全域多源安全监测，以及实现了与建筑智慧家电控制器联动，实现智能控制和主动预警。实现智能控制和主动预警。实现智能控制和主动预警。


技术研发人员：童月恒 杨崴
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/10/8