光纤网络光信号实时监测系统项目报告.docx
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光纤网络光信号实时监测系统项目报告
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：
专业：
计算机科学与技术（软件开发JAVA）
院（系）：
软件学院
完成时间：
2013-12-9
2013年12月9日
第1章项目概述
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：
序号
动车组列号
发生次数
1
CRH2036A
4
2
CRH2092C
20
3
CRH2093C
17
4
CRH2094C
3
5
CRH2096C
8
6
CRH2149C
2013年6月
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。
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。
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
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：
≤
动态范围：
35/33dB
衰减读出分辨率：
群折射率设置范围：
～
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：
≤。
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
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。
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。
模块选型与设计
系统包括AQ7275OTDR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
AQ7275OTDR模块介绍
AQ7275OTDR模块实际包含了OTDR接口、滤波、合波等，其功能可简记如下：
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。
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。
GSM模块设计
工业级双频GSM/GPR模块，工作频段双频：
S900/1800MHz，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。
项目
特性
工作频段
EGSM900MHz/DCS1800Mh自动搜索z2个频段
发射功率
Class4（2w）@EGSM900M
Class1（1w）@DCS1800M
GPRS连接特性
GPRSmlti-slotclass10/8
GPRSmobilestationclassB/CC
GPRS数据特性
下行传输特性：
最大
上行传输特性：
最大
编码格式：
CS-1、CS-2、CS-3和CS-4
支持通常用于PPP连接的PAP协议
内嵌TCP/IP协议，支持TCP/UDP通信，支持FTP/HTTP服务
支持分组广播控制信道（PBCCH）
支持CSD（电路交换）传输速率：
支持非结构化补充数据业务（USSD）
音频特性
支持HalfRate、FullRate、EnhancedFullRate、Adaptivemutirate
等编码模式
支持回音消除功能
支持噪声抑制功能
短信（SMS）
支持MT/MO/CB/TEXT和PDU模式
短信存储设备：
SIM卡
工作温度
-40~+85°C
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。
项目
特性
接口特性
TTL，兼容5V单片机系统
接收特性
50通道，GPSL1C/A码，SBAS：
WAAS/EGNOS/MSAS
定位精度
（SBAS:
更新速率
最大5Hz
捕获时间
冷启动：
27s（最快）
温启动：
27s
热启动：
1S
捕获追踪灵敏度
-161dBm
通信协议
NMEA默认（）/UBXBinary
串口通信波特率
4800、9600、38400（默认）、57600
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。
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。
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。
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XX地图API（javascript版），从服务器端获取的经纬
度信息（GPS坐标）转成XX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HTTPPOST请求（字
符串形式）给Web服务器。
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2.使用3.加载数据库驱动。
图3-1-1Web端架构
图3-1-2数据库连接
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3-2-3XX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XX地图的同一标注中。
图3-2-5路线定义
可自由选择线路，默认为显示所有列车路线。
清除事件按钮可初始化sqlite
数据库表（删除旧事件列表，重新初始化故障点集合）。
Java客户端模块
主界面如图3-3所示：
3-3程序主界面
程序启动重连
以多线程的形式启动主程序，防止程序主界面出现卡死的现象。
在初始化主界
面时，同时启动连接下位机（Socket通信，端口号：
1200IP：
下位机默认）的线
程。
如果发现下位未启动则一直尝试重连，直至连接下位机成功，开始测试按钮才
能开始点击。
点击开始测试按钮后，开始定时任务，周期60s。
部分关键代码：
图3-3-1
保存文件
Java客户端从OTDR设备中获取事件（故障点集合）信息，完成数据的分析后，
保存最原始的文件信息为，方便EXCEL打开查看。
图3-3-2为EXCEL打开效果：
图3-3-2
关键代码：
publicclassSaveFileUtil{
privatestaticfinalLoglog=;
publicstaticbooleansaveFile（Stringstr,Datedate,doublelng,doublelat）{
String[]arr=null;
try{
arr=（"\n"）;
}catch（NullPointerExceptione）{
（"otdr设备工作不正常"）;
returnfalse;
}
Filefile=newFile（""）;
if（!
（））{
try{
（"文件不存在，开始创建"）;
（）;
（"文件创建成功"）;
}catch（IOExceptione）{yteValue（）;
l>>=8;
}
returnbyteArray;
}
/**
*intconvert1byte
*@paramnum
*@return
*/
publicstaticbyteint2OneByte（intnum）{return（byte）（num&0xff）;
/**
*intconvertbyte[]（length=2）
*@paramnum
*@return
*/
publicstaticbyte[]int2TwoBytes（intnum）{
byte[]b=newbyte[2];
b[1]=（byte）（num&0xff）;
b[0]=（byte）（num>>8&0xff）;
returnb;
/**
*shortconvertbyte[]
*@paramb
*@return
*/
publicstaticshortbytes2Short（byte[]b）{
return（short）（b[1]&0xff|（b[0]&0xff）<<8）;
从OTDR设备采集数据
上位机软件（Java）使用Java本地方法（JNI）调用DLL文件，从而驱动OTDR
设备获取OTDR设备中保存的事件信息。
上位机软件负责解析事件信息（解析成List
集合）。
加载DLL文件：
关键代码：
图3-3-5
（1）
DLL文件：
图3-3-5
（2）DLL文件
解析数据成List：
publicstaticListdecodeString（Stringmsg）{
plit（","）;
Eventevent=newEvent（）;
qualsIgnoreCase（msgContent[0]））{
flag=true;
}
intlen=;
if（len==1）{
continue;
}elseif（len==2）{
HttpComponents：
2.servlet
3.SQLite
mons-logging
5.《Java设计模式》清华大学出版社耿祥义张跃平着
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