光纖光柵自動化擷取系統整合

土木工程系統監測，例如橋樑、水庫壩體結構、隧道與天然邊坡等，

常需在偏遠，不易到達而潮濕惡劣環境下進行。感測系統之電源需求與耐 久性為重要考量因素。光纖光柵感測器使用光做為感應與訊號傳遞之媒 介，其功能遠勝於傳統常用之電子式監測裝置。唯現有商業用光纖光柵解 讀系統大多使用 PC based 之 DAQ 介面做為光路控制與光訊號分析之用。

電子式監測系統常用之 data logger 雖然可以用來做光纖光柵訊號紀錄之 用，但在訊號即時解讀與分析之功能有限，系統開發耗時。研究團隊使用

National Instruments 所開發之 CompactRIO 作為光纖光柵感測系統硬體平 台，搭配NI9215 模組，擷取光纖光柵訊號；NI9403 模組控制光纖切換，再 經由Real-time 系統架構下，即時進行訊號分析處理運算。此一系統充分利 用 CompactRIO 能 在 極 端 惡 劣 環 境 下 獨 立 運 作 以 及 低 耗 能 之 優 點 。 CompactRIO 只有在需要遠端展示/紀錄數據或發佈預警資訊時才需使用網 路與PC 連接。本團隊使用 Labview 撰寫使用 CompactRIO 做光路控制與光 訊號分析之程式，透過VHDL 語言方式編譯至 FPGA 內。此一系統將與交 通大學光纖感測試驗室所研發之光纖光柵感測系統結合做土木工程系統現 地，長期自動化監測之用。而光纖光柵自動化擷取系統主要分為三大技術，

其說明如下。

網路傳輸技術：

由於現地的環境惡劣與不安全，傳統使用的測傾儀大多需要人工現場 計讀，一方面監測頻率低，另一方面在現地環境惡劣時也不適合人工現場 作業。光纖光柵監測系統在使用Real-Time 控制器與 FPGA 模組後已經可以 達到自動化監測、分析的功能，而這些監測資訊也可以透過LabVIEW 程式 語言與網路技術做連結，使得分析運算後的結果可以即時的呈現達到預警 的功效，更可以透過網路的傳輸將運算簡化後的資訊傳回使用著端儲存。

目前光纖光柵監測系統所使用的是LabVIEW最新的網路技術Share Variable，它提供廣域變數的技術，可以在LabVIEW環境下，透過此一技術 在所有的分布式應用中存取任何類型的資料，使用Share Variable可以藉由網 路的技術分享資料在單一程式的迴圈之中或是介於不同的程式之間，甚至 是在不同網路位置的儀器上。相對於在LabVIEW中現存的許多技術例如：

TCP（Transmission Communication Protocol）、UDP（Universal Data gram Protocol）、Data Socket與VI Server等技術，Share Variable 是一種典型的簡 化技術，而且其底層仍舊是使用TCP/IP的架構，不但傳輸速度快，而且訊 號最為準確可靠，參考表4.2。它可以直接透過屬性的設定，建構出所需要 的特定功能，達到分享資料的工作，而略過令人覺得煩雜的TCP/IP等低階 的網路設定，與基本的程式碼撰寫工作。

表4.2 LabVIEW 環境下各種網路技術的特性

Protocol Speed Reliability

TCP Fast Lossless

UDP Very Fast Lossy

DataSocket Fast Lossy

VI Server Slow Lossless

使 用 Share Variable 有下列三種的基本變數型態(Variable Type)：

single-process、network-published、time-triggered。一般較常使用的部分是 single-process、network-published 這兩種方式：Single-process 大多是使用在 單一程式之間的資料分享，例如在許多平行迴圈當中，我們無法直接將某 參數拉到另一個迴圈做運算，就可以利用single-process 的 Share Variable。

另一種情況則是在同一個設備儀器中的兩個不同程式，也是需要透過這樣 的功能屬性設定，才能將資料做傳遞或是同步運算。這樣的特性相當便利 於執行具有決定性影響的即時應用，也可以更進一步藉由 Real-Time FIFO

的技術將這些資料給不同使用者運用，並且確保這些資料不會失真。

Network-published 則是使用在不同儀器設備之間的不同程式之間，也 可以簡易的透過網際網路將資料作傳遞或是分享的動作。而在使用 Share Variable 除了上述的類型是需要被適當的選擇：資料型態（Data Type）也是 需要事先被定義，否則可能因為在不同儀器中的程式所產出的資料型態差 異，將導致在不同程式之間資料的傳輸發生錯誤。

光纖光柵解讀系統中的使用者端並不一定都安裝有LabVIEW 程式，但 是我們仍然可以透過LabVIEW 的環境之下，進行網路權限分享設定，利用 超文件傳輸協定（Hyper Text Transmission Protocol；HTTP）的網頁瀏覽格 式，讓一般使用者使用網際網路瀏覽器（Internet Explorer；IE）就可以觀看 系統的監測資訊，完全不需要任何特殊介面，或是安裝任何其他軟體，達 到簡易分享資訊的功能。

資料存取模式：

即時的監測資訊除了可以馬上讓使用者了解現地的情形外，如果可以 將監測資訊儲存至遠端使用者的電腦中，這是利用網路技術將資料儲存在 使用者的電腦，避免一般長期監測在現地的儀器可能發生的記憶空間不足 的缺點。

在 LabVIEW 的環境下可以將資料儲存成文件檔的格式或是動態資料 檔的型態。文件檔的優點是檔案位元小不佔記憶體空間，而動態檔案的優

點則是可以立即將現地的動態資料馬上還原成波形，方便使用者觀看。

即時預警功能：

監測系統除了可以在使用者介面即時觀察現地情況，並將資訊透過網 路儲存外，當使用者無法長時間觀看監測畫面時，仍然有辦法可以獲得重 大變化的訊息，預警功能就是在這樣的環境下所產生的需求。其可以透過 撰寫程式完成警戒功能，將現地的量測物理量與預設管理值、行動值與警 戒值做比較，當其超過安全範圍，將透過E-Mail 或訊息通知等方式將系統 所設定的訊息傳達給使用者端。使用者並不限定為一位，甚至可以一次傳 送給多人，但是必須配合各家網路公司郵件伺服器是否允許未經驗證的使 用者進行轉信，當系統如果轉信失敗會顯示出哪些收件者被拒絕，可以此 檢視哪些使用者並沒有收到警訊的電子郵件。

模擬遠端量測試驗：

在系統所有程式都撰寫完成後，在實驗室進行模擬現地的遠端監測、

預警測試，假設現地是一片安裝側傾管的山坡地，地質鑚孔深度12 公尺，

約在地下8 公尺左右有潛在一地質弱面，透過系統觀察感測器的變形資訊，

當安裝在孔內的偏斜儀如果超過限定的水平位移量將發送E-Mail至指定的 信箱，並送出簡訊至指定使用著的行動電話中，警告現地量測的地層位移 量超出所範圍。實際上在實驗室中的操作是使用微調儀，將固定在光學桌 板上的偏斜儀推動，造成一偏斜量使光纖光柵波長飄移，當FPGA的I/O模組

偵測到光電訊號，經過類比與數位轉換後，再將訊號傳回系統在RT架構下

進行運算，解讀實際的感測器偏移量，當測傾管孔頂的偏移量超過 30mm 時，發送E-Mail到指定信箱並送出簡訊圖 4.32是收到簡訊的情形。圖 4.45是 地層變化的監測畫面。整體的運作流程如圖4.34所示。

而在這當中的警戒值、擷取頻率與頻道數目都是使用輸入參數寫在程 式中，使用者都可以直接由控制者介面進行調整，例如當現地的光柵頻道 變更時，可以直接調整光頻道的數目，也可以控制自動掃描或是對需要了 解的頻道改為手動掃描，檢查單一頻道中光柵的情形。或是針對不同的監 測深度與感測器量測範圍都是在程式使用者介面可以變更參數，減少更改 程式的不便。

圖4.32 監測警戒值發布簡訊

圖4.33 地層變化監測畫面

圖 4.34 模擬現地監測流程圖