一种草原碳含量监测系统、方法、存储介质和装置

1.本发明涉及草原土壤碳含量监测领域，具体涉及一种草原碳含量监测系统、方法、存储介质和装置。


背景技术：

2.近年来，由于全球气候急剧变化，围绕着气候变化中草原土壤有机碳的研究的热度一直高居不下。目前，碳含量监测系统中常采用无源光网络(pon)进行光信号的传输；但是,传统的pon技术只能实现光信号的传输，一旦光纤出现损坏，并不能够及时地监测到异常。但是绝大部分碳含量监测系统中，仅仅考虑了信号的传输，利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处；没有考虑到光纤的传感，外界因素按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即感知外界信号的变化，并将受到外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测；因此，提出一种草原碳含量监测系统、方法、存储介质和装置。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提出了一种草原碳含量监测系统、方法、存储介质和装置，用于解决现有技术中仅仅是考虑了信息的回传，利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处，没有考虑到光纤中传输的光波的物理特征参量受到外界因素变化的问题。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
5.一种草原碳含量监测系统，包括光频域反射计、总光开关、光分路器、测量设备和传感器，光频域反射计与总光开关连接，光分路器与数据处理中心连接，总光开关和光分路器与测量设备和传感器连接，设置有至少两个控制支路；控制支路设置有第一光开关和第二光开关；第一光开关与总光开关和光分路器连接；第二光开关与第一光开关、测量设备和传感器连接；第一光开关和第二光开关通过控制电路控制；控制电路用于控制在每个周期内，每个周期由两个时间段组成，第一个时间段保持光信号从测量设备回传到数据处理中心传输通路，第二个时间短保持光路从传感器传输到光频域反射计通路。
6.进一步地，控制电路包括转换开关sa、延时继电器kt1和延时继电器kt2、接触器km和接触器ka；控制电路分为三条支路；
7.第一条支路中，转换开关sa连接接触器ka的常闭触点，接触器ka的常闭触点连接接触器km，接触器km并联延时继电器kt1；
8.第二条支路中，延时继电器kt1的延时闭合接点连接延时继电器kt2的延时断开触点，延时继电器kt2的延时断开触点连接接触器ka；
9.第三条支路中，接触器ka的常开触点连接延时继电器kt2，延时继电器kt2的延时断开触点和延时继电器kt2前电路相连。
10.进一步地，控制电路在一个周期中，接触器km和延时继电器kt1同时得电吸合，数
据处理中心从光分路器、第一光开关、第二光开关至测量设备的光路接通，数据处理中心传输光信号至测量设备；电路开关sa接通的同时延时继电器kt1开始延时，达到第一个时间段整定值时间58s后，延时继电器kt1的延时闭合接点接通，接触器ka和延时继电器kt2得电吸合，传感器从第二光开关、第一光开关、总光开关至光频域反射计的光路接通；
11.接触器ka闭合的同时，延时继电器kt2开始延时，同时接触器ka的常闭触点断开，km和延时继电器kt1失电断开，传感器传输光信号至光频域反射计；延时继电器kt2达到整定值时间2s后，延时继电器kt2的延时断开触点断开，接触器ka的常开触点断开，接触器ka的常闭触点闭合。
12.进一步地，总光开关采用时间控制自动循环系统控制电路进行控制，时间控制自动循环系统控制电路通过轮询检测使总光开关的光信号按时间控制自动循环输入。
13.进一步地，时间控制自动循环系统控制电路连接有十一个检测信号，时间控制自动循环系统控制电路包括fpga、八选一模拟开关和三选一模拟开关；
14.fpga的输出分别与八选一模拟开关的选通信号输入端和三选一模拟开关的选通信号输入端连接；
15.八选一模拟开关的7个输入端分别与第一检测信号至第七检测信号相连，八选一模拟开关的剩余1个输入端接地，八选一模拟开关的输出端作为第一输出端；三选一模拟开关的3个输入端分别与第八检测信号至第十检测信号相连，三选一模拟开关的输出端作为第二输出端；第十一检测信号对应一个输出接口，第十一检测信号直接作为第三输出；
16.第一检测信号至第十一检测信号为模拟电压信号，用于控制光分路器处光路的接通与断开；out1～out3为对外输出接口；第一检测信号至第十检测信号采用轮询检测的方式输出。
17.进一步地，时钟信号、第一触发信号和第二触发信号接入fpga的输入端，八选一模拟开关根据第一触发信号的上升沿进行触发，三选一模拟开关根据第二触发信号的下降沿进行触发。
18.本发明还提供一种草原碳含量监测方法，光信号从数据处理中心发出后，经过光分路器分为8支光路传输，每个光路通过控制电路控制的光开关调节，光路经过光开关后再分为两个第一支路，一个第一支路通过时间控制自动循环系统控制电路控制的总光开关连接光频域反射计，另一个第一支路再分为两个第二支路，第二支路分别连接测量设备和传感器。
19.本发明还提供一种存储介质，其中存储有计算机可执行的程序，所述计算机可执行的程序被处理器执行时用于实现如上述所述的草原碳含量监测方法。
20.本发明还提供一种电子设备，其特征在于,包括：
21.至少一个存储器，用于存储程序；
22.至少一个处理器，用于加载所述程序以执行如上述所述的草原碳含量监测方法。
23.本发明还提供一种草原碳含量监测装置，包括光频域反射计、总光开关、光分路器、测量设备和传感器，光频域反射计与总光开关连接，光分路器与数据处理中心连接，总光开关和光分路器与测量设备和传感器连接，设置有至少两个控制支路；控制支路设置有第一光开关和第二光开关；第一光开关与总光开关和光分路器连接；第二光开关与第一光开关、测量设备和传感器连接；第一光开关和第二光开关通过控制电路控制。
24.本发明的有益效果：
25.本发明针对草原土壤碳含量监测场景，通过基于感传一体的分布式草原碳含量监测系统，实现了同时在无源光接入系统中信号的传输与光纤的传感。所提出的多维并行光接入体系不仅能够实现对光纤线路的时间控制自动循环检测，即轮询检测，降低对光纤监测的复杂程度；而且还能同时保证光信号正常地传输，不会因为对光纤的检测而中断信号。除此之外，感传一体的多维并行光接入体系还提升了系统的效率，降低了成本，提升了系统的安全性能，非常适用于草原土壤碳含量监测场景中的pon系统。
附图说明
26.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
27.图1为本技术的分布式草原碳含量监测方法流程框图；
28.图2为本技术的控制电路模块图；
29.图3为本技术的时间控制自动循环系统模块图；
30.图4为本技术的基于感传一体的分布式草原碳含量监测系统时序图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
32.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
33.如图1所示，本发明的草原碳含量监测系统的工作方式为：
34.首先，信息从测量设备终端onu发出后，通过总光开关和光分路器将数据帧回传给光频域反射计ofdr和数据处理中心olt，进行数据的处理和分析；本发明中光分路器采用的是分支比为1：8的无源光分路器，总开关为1x8光开关，可以使八个支路同时工作，实现监测效率的提升；
35.如图1所示，在光信号通过光分路器后，每个支路都通过由控制电路控制两个光开关，使光信号能够按照我们需要的逻辑传输；
36.以一个支路进行说明，支路的第一光开关1a的一侧接两路光纤，一路接无源光分路器，另一路通过时间控制自动循环系统控制的1x8光开关接上分布式光纤传感光频域反射计ofdr，时间控制自动循环系统控制采用轮询系统使多路光纤按时间控制自动循环输入；
37.支路的第一光开关1a的另一侧通过一路光纤接入支路的第二光开关1b的一侧，第二光开关1b的另一侧接两路光纤，一路光纤接入光纤传感器，可以感知光纤的变化；另一路光纤接到测量设备终端onu。
38.控制支路两个光开关的控制电路，每个周期由两个时间段,第一个时间段长度远远大于第二个时间段,如在每个1min周期内，第一时间段为58s，第二时间段为2s；第一时间段58s保持光信号从测量设备终端onu回传到数据处理中心olt传输通路，第二时间段2s保持光路从传感器传输到光频域反射计ofdr通路，实现感传一体的分布式草原碳含量监测。
39.如图2所示，每个分支路两个光开关的由控制电路模块控制，当接通电路开关sa后，接触器km和延时继电器kt1同时得电吸合，km控制的光路即光分路器到第一光开关1a段和第二光开关1b到onu段接通，整个系统开始运行传输光信号从光线路终端olt到光网络单元onu的功能；同时延时继电器kt1开始延时，达到整定值时间58s后，延时继电器kt1的延时闭合接点接通，接触器ka和延时继电器kt2得电吸合，接触器ka控制的光路即传感器到第二光开关1b段和第一光开关1a到光频域反射计ofdr段接通，接触器ka辅助常开触点闭合，实现自保；此时，延时继电器kt2开始延时，同时接触器ka的常闭触点断开了km和延时继电器kt1，电动机停止，km控制的光路不接通，整个系统开始运行光纤传感的功能，实现传感器检测到的情况上传到光频域反射计ofdr。当延时继电器kt2达到整定值时间2s后，延时继电器kt2的延时断开触点断开，接触器ka失电，其常开触点断开，常闭触点闭合，km和延时继电器kt1又得电，电动机运行，km控制的光路接通，进入循环过程。
40.时间控制自动循环系统控制电路如图3所示，本电路采用模拟开关，通过fpga进行时序和选通控制，以轮询的方式将多个检测信号经同一个对外接口对外输出，通过电路控制8路光信号在2s周期内自动循环通过光分路器1：8接到光频域反射计ofdr，实现对8路光信号的轮询检测。
41.检测信号轮询电路包括：fpga、八选一模拟开关、三选一模拟开关。fpga的输出分别与八选一模拟开关的选通信号输入端a、b、c和三选一模拟开关的选通信号输入端in1和in2连接。八选一模拟开关的其中7个输入端分别与第一检测信号d1至第七检测信号d7相连，八选一模拟开关的剩余1个输入端接地gnd；八选一模拟开关的输出作为第一输出out1。三选一模拟开关的3个输入端分别与第八检测信号d8至第十检测信号d10相连，三选一模拟开关的输出作为第二输出out2，第十一检测信号d11为传统的一个检测信号对应一个输出接口的模式，第十一检测信号d11直接作为第三输出out3。
42.第一检测信号d1至第十一检测信号d11为模拟电压信号，可以控制无源光分路器处光路的接通与断开，out1～out3为对外输出接口。第一检测信号d1至第十检测信号d10采用经模拟开关以轮询方式输出的模式，节约了接口数量。
43.如图3所示，本发明的一个实施例中，三选一模拟开关选用ts5a33559，八选一模拟开关选用cd4051b；第一检测信号d1至第七检测信号d7接入八选一模拟开关，保留一个输入端通过50ω电阻到地匹配，选择该通道可关闭检测信号输出，第八检测信号d8至第十检测信号d10接入三选一模拟开关。时钟信号、第一触发信号t和第二触发信号r接入fpga的输入端，八选一模拟开关根据第一触发信号t的上升沿进行触发，三选一模拟开关根据第二触发信号r的下降沿进行触发。a、b、c与in1、in2是模拟开关的选通信号输入端，控制信号由fpga直接给出，检测信号可以直接输出，也可以通过特定的信号进行触发。
44.在本发明的分布式草原碳含量监测系统中，通过设置好选通时序，使8个检测信号以轮询的方式经同一个对外接口进行输出，控制8个光路在2s内自动循环检测一次，电路结构简单，模拟开关的控制调试程序也方便，极大提升了系统的效率。
45.如图4所示，坐标上半轴为光分路器到光开关a段和光开关b到测量设备终端onu段光路光功率随时间的时序图，坐标下半轴为传感器到光开关b段和光开关a到光频域反射计ofdr段光路光功率随时间的时序图。
46.综上所述，针对草原土壤碳含量监测场景，基于感传一体的分布式草原碳含量监测系统不仅实现了同时在分布式草原碳含量监测系统中信息的回传与光纤的传感，提高了系统的效率，而且结构简单，降低了成本。
47.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。