一种外嵌型能信共传光缆的制作方法

1.本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种外嵌型能信共传光缆。


背景技术：

2.面向大范围、多领域参数感知网络的搭建对环境信息提取、国防等多方面的安全监测都具有重要意义。传统传感器面向复杂环境进行监测网络搭建的过程中，存在着电力供能困难、易受到环境影响破坏、信息传输不稳定和布设困难的问题，现有技术中需要对传感器分别建立供能网络和信息传输网络，不仅成本高昂、布设困难，而且整个系统运行过程不稳定，这很大程度上限制了信息化建设的进度。


技术实现要素：

3.鉴于此，本发明实施例提供了一种外嵌型能信共传光缆，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷，解决在进行大范围、多领域环境感知监测时，分别搭建供能网络和信号传输网络导致的成本高昂、易受环境影响破坏和运行不稳定的问题。
4.本发明的技术方案如下：
5.本发明提供一种外嵌型能信共传光缆，包括：
6.多芯光缆，所述多芯光缆内包括多条传能光纤和多条通信光纤，所述传能光纤用于传输波长为第一设定值的光信号，以进行能量传输；所述通信光纤用于传输波长为第二设定值的光信号以建立通信；
7.在所述多芯光缆外侧的多个指定位置上设置外嵌板级子系统，所述外嵌板级子系统包括光电池、能量存储管理单元、通信模组、微控制单元和传感器单元；所述光电池连接传能光纤以将光能转化为电能并存储在所述能量存储管理单元中，所述能量存储单元为所述通信模组、所述微控制单元和所述传感器单元供电；所述通信模组通过所述通信光纤进行光通信，所述通信模组连接所述微控制单元，所述微控制单元处理连接所述传感器单元。
8.在一些实施例中，所述外嵌板级子系统还包括定位模块，所述定位模块由所述能量存储管理单元供电并连接所述为控制单元，所述定位模块包括gps模块和/或北斗定位模块。
9.在一些实施例中，所述能量存储管理单元还包括升压模块和稳压模块；所述能量存储管理单元采用超级电容器储能，并采用恒压充电方式充电。
10.在一些实施例中，所述外嵌板级子系统上设有固定螺丝孔并通过铆钉进行固定连接所述多芯光缆。
11.在一些实施例中，所述传感器单元采用从低到高的多种采样频率工作。
12.在一些实施例中，所述第一设定值为1500～1600nm，所述第二设定值为1300～1400nm。
13.在一些实施例中，所述光电池采用无机光电材料和热电材料复合制成。
14.在一些实施例中，所述传感器单元包括温度传感器、光传感器、力敏传感器和磁敏
传感器中的一种或多种。
15.在一些实施例中，所述传感器单元包括：土壤温度传感器、空气温湿度传感器、蒸发传感器、雨量传感器、光照传感器和/或风速风向传感器。
16.在一些实施例中，所述能量存储管理单元包括储能电池组、电池管理系统和储能变流器。
17.本发明的有益效果至少是：
18.所述外嵌型能信共传光缆，在多芯光缆中分别设置两种类型的光纤，其中传能光纤用于能量传输，通信光纤用于数据通信；设置在多芯光缆上指定位置的外嵌板级子系统中，由光电池将传能光纤内的光信号转化为电能存储在能量存储管理单元，并向通信模组、微控制单元和传感器单元直接供能，传感器单元采集的数据经微控制单元和通信模组处理后由通信光纤传回。依托多芯光缆和外嵌板级子系统的一体化设置，实现能信供传，一次部署就能同时建立供能网络和通信网络。一体式的结构能够有效避免外部环境产生的破坏，保证供能和传感器数据传输的稳定性。通过灵活设置多芯光缆的布设路线和外嵌板级子系统的装载位置，能够简易并精确地监测指定位置的目标参数。
19.进一步的，通过灵活设置传感器单元的传感器类型，能够实现对指定位置处多种参数的灵活检测。
20.本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
21.本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
22.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
23.图1为本发明一实施例所述外嵌型能信共传光缆的结构示意图；
24.图2为本发明另一实施例所述外嵌型能信共传光缆的剖面示意图；
25.图3为本发明一实施例基于所述外嵌型能信共传光缆搭建的传感网络结构示意图；
26.图4为本发明一实施例所述外嵌型能信共传光缆的能量传输示意图；
27.图5为本发明一实施例所述外嵌型能信共传光缆的能量管理系统结构示意图；
28.图6为本发明一实施例所述外嵌型能信共传光缆的通信信号传输结构示意图；
29.图7为本发明一实施例所述外嵌型能信共传光缆基于fpga通信的传输结构示意图。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并
不作为对本发明的限定。
31.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
32.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
33.在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
34.由于传统传感器面对复杂环境的监测网络搭建存在电力供能的困难，容易受到破坏导致信息传输不稳定。以国界线监测任务为例，无论是海上边界线和路上边界线基本都处在基建工程的边缘地带，地理环境和气候环境极其复杂。面对漫长国界线的全天候精确检测与信息采集任务，传统的传感器监测系统分别建立信息传输网络和能量供应网络的形式，使得系统的建设维护成本大大提高。并且，电力系统在大量植被覆盖或者水量较多的环境中都会造成极大的安全隐患。
35.所以，本发明提供一种外嵌型能信共传光缆，将能信共传技术与能信分离技术、感知系统、能量转换技术进行协同使用，通过外嵌的方式将板级系统与光缆进行一体化集成，大大提高了光纤的信息采集能力，保证了信息传输的可靠性，也大大降低了布设难度，克服了传统信息采集系统的种种弊端。
36.具体的，本实施例一种外嵌型能信共传光缆，如图1和图2所示，包括：多芯光缆以及在多芯光缆外侧布置的多个外嵌板级子系统。
37.多芯光缆内包括多条传能光纤和多条通信光纤，传能光纤用于传输波长为第一设定值的光信号，以进行能量传输；通信光纤用于传输波长为第二设定值的光信号以建立通信。
38.在多芯光缆外侧的多个指定位置上设置外嵌板级子系统，如图1所示，外嵌板级子系统包括光电池、能量存储管理单元、通信模组、微控制单元和传感器单元；光电池连接传能光纤以将光能转化为电能并存储在能量存储管理单元中，能量存储单元为通信模组、微控制单元和传感器单元供电；通信模组通过通信光纤进行光通信，通信模组连接微控制单元，微控制单元处理连接传感器单元。
39.在本实施例中，多芯光缆设置两类光纤，第一类传能光纤利用光传输能量，第二类通信光纤利用光传输数据，能够实现能信共传。进一步的，通过设置外嵌板级子系统配置传感器和供能设备，利用光电池将光能转化为电能，并为外嵌板级子系统内其他的用电设备进行供能。在本实施例所述外嵌型能信共传光缆的部署路线上，根据实际需要等间距或者不等间距的配置外嵌板级子系统，以对特定位置的环境参数进行检测，通过配置不同类型或者组合样式的传感器单元，能够对目标参数进行检测。
40.每个外嵌板级子系统作为一个节点用于对目标参数的检测，在范围较小或者要求检测精度较高的任务场景下，外嵌板级子系统可以按照1m、2m或3m等间距设置，而在范围较大或检测精度要求较低的任务场景下，外嵌板级子系统可以按照60m、100m或1km等间距设置。
41.本实施例所述外嵌型能信共传光缆的起始端或中间点可以设置站点，站点由高集
成化的激光器、光探测与信号接收电路等模块构成，具体的，站点内由光源控制单元控制激光器发出指定波长的激光束，一方面，产生1500～1600nm的激光束在用于传能。另一方面，激光器产生1300～1400nm的激光束与数据发送单元的控制信号通过耦合器耦合。在接入多芯光缆时，采用环形器接入通信光纤，以区分输出和接收到的数据。通过多芯光缆中的通信光纤传输后，再由环形器连接外嵌板级子系统的通信模组，通信模组包括光电转换器。
42.在一些实施例中，外嵌板级子系统还包括定位模块，定位模块由能量存储管理单元供电并连接为控制单元，定位模块包括gps模块和/或北斗定位模块。在本实施例中，通过设置定位模块，能够实时监控各外嵌板级子系统对应节点的实际位置，将各节点采集到的环境参数对应至实际位置，防止外嵌型能信共传光缆受环境影响移位导致的检测误差。
43.在一些实施例中，能量存储管理单元还包括升压模块和稳压模块；能量存储管理单元采用超级电容器储能，并采用恒压充电方式充电。本实施例中，通过设置升压模块和稳压模块，
44.在一些实施例中，外嵌板级子系统上设有固定螺丝孔并通过铆钉进行固定连接多芯光缆。外嵌板级子系统是通过外挂的形式设置在多芯光缆外侧的，通过固定螺丝孔以及铆钉进行紧固设置，能够保证设备稳定性。在另一些实施例中，也可以采用塑封或者其他形式进行一体化固定。
45.在一些实施例中，传感器单元采用从低到高的多种采样频率工作。通过光纤进行传能的形式功率有限，为了达到节能的目的，本技术中设置传感器单元可以以多种采样频率进行工作。示例性的，按照采样频率由低到高，可以设置睡眠模式、低频采样模式和高频采样模式等多种。对于特定的监测参数，如果数据在一定时间段内表现正常，则可以切换至低频模式进行工作；一旦数据出现异常，则切换至高频采样模式进行采样。而在采样任务之外的传感器则可以进入睡眠模式。
46.在一些实施例中，第一设定值为1500～1600nm，第二设定值为1300～1400nm。优选的，用于传能的光的波长为1550nm，用于通信的光的波长为1310nm。
47.在一些实施例中，光电池采用无机光电材料和热电材料复合制成。针对1550nm光的转换，因为其能量较小，光电转换采用的效率不高，一般只能达到35％左右，为了提升能量转换效率，可以再镀一层热电材料，吸收光电转换过程中释放的热量，能够提升2％-3％的效率，构成一个混合的光电转换装置。
48.在一些实施例中，传感器单元包括温度传感器、光传感器、力敏传感器和磁敏传感器中的一种或多种。本实施例中，传感器单元所包含的温度传感器、光传感器、力敏传感器和磁敏传感器四类传感器涵盖了绝大多数场景下所需要的传感器类型。本实施例就是通过配置组合不同形式的传感器，以实现不同的检测任务。
49.在一些实施例中，传感器单元包括：土壤温度传感器、空气温湿度传感器、蒸发传感器、雨量传感器、光照传感器和/或风速风向传感器。本实施例的传感器配置形式能够实现对气候土壤环境的检测。在其他应用场景下，也可以针对性的设置所需的传感器，用于完成特定的检测任务。
50.在一些实施例中，能量存储管理单元包括储能电池组、电池管理系统和储能变流器。
51.电池储能具有技术相对成熟、容量大、安全可靠、噪声低、环境适应性强、便于安装
等优点，所以本实施例中，能量存储管理单元采用电池组来储存电能。具体的，能量存储管理单元可以由储能单元和监控与调度管理单元组成：储能单元包含储能电池组(ba)、电池管理系统(bms)和储能变流器(pcs)；监控与调度管理单元包括中央控制系统(mgcc)和能量管理系统(ems)。
52.电池管理系统(bms)安装于储能电池组内，负责对储能电池组进行电压、温度、电流、容量等信息的采集，实时状态监测和故障分析，同时通过can总线与储能变流器、监控与调度系统联机通信，实现对电池进行优化的充放电管理控制。
53.监控与调度管理单元包括储能单元的能量调度、管理中心，包含中央控制系统(mgcc)和能量管理系统(ems)，负责收集全部电池管理系统数据、储能变流器数据及配电柜数据，向各个部分发出控制指令，控制整个储能系统的运行，合理安排储能变流器工作；系统既可以按照预设的充放电时间、功率和运行模式自动运行，也可以接受操作员的即时指令运行。
54.基于本发明所述外嵌型能信共传光缆搭建的传感网络最大的优势是低系统复杂性、低成本、小体积、轻重量、易灵活布设。基于低复杂度、低成本的普通通信用光缆并利用相应光纤接续结构，同时实现对传感器供能和传感信息传输。本发明相比于传统分别搭建数据传输网络和功能网络的方式，成本极大降低，前者成本是后者的1/10甚至更低；体积大幅降低，本发明采用普通光缆直径一般小于1cm，传统复合缆直径通常大于5cm；单位长度重量极大降低，前者是后者的1/10甚至更低；安全性可靠性提高，普通光缆不用考虑破损漏电等问题，只要光纤没断即可正常使用。
55.本发明所述外嵌型能信共传光缆搭建的传感网络还具有低功耗的特点。从两个方面实现低功耗，一方面是降低能量的传输和转换过程中的损耗，一方面是优化传感器和数据采集的功耗。从传输过程中来看，能量载波采用宽谱能量源，通过降低光功率密度来增加传输过程的非线性效应，尤其是对能量传输影响较大的受激布里渊散射和受激拉曼散射。在光电转换部分，通过调节对应的光吸收层带隙，从而实现能量的高效利用。在传感器和数据采集过程中，采用功耗较小的探头并且搭配定制的低功耗数据采集模块，摒除冗余部分的功耗，在满足需求的情况下实现最低功率。在传感器的探测中，通过对传感器的正交性误差的校正，大大提升传感器探测的灵敏度和精度。
56.本发明所述外嵌型能信共传光缆搭建的传感网络可以充分地实现隐蔽性，所述外嵌型能信共传光缆包含完整的传感器探测、数据采集、能量供给和信息回传等功能。由于传输通道是光缆，能量和数据在传输过程中以光的形式输送，既能够抗电磁干扰，也不会被电磁设备侦查到。传感终端处能量转换与数据采集部分密封在特定的电磁屏蔽容器中，不产生电磁辐射，而传感探头部分体积极小、功耗极低。数据传输都是光纤传输的方式，信息没有电磁外泄途径。在传输通道中能量载波和信息载波共存，一旦信息被截取会导致供能中断从而能够及时感知，另外被截取的光波是多频杂乱光谱，从而也保证信息传输的安全和可靠性。
57.在实际运行过程中，外嵌型能信共传光缆的起始端设置站点，用于总控和数据处理，而外嵌型能信共传光缆上每一个外嵌板级子系统作为一个节点。站点到节点能信共传系统结构如图3所示。站点由高集成化的激光器、光探测与信号接收电路等模块构成，站点中的激光器发射的激光向下耦合到能信共传光纤中，并传输到各个节点中，各个节点中的
光电池接收激光功率转化为电功率，驱动高集成低功耗的探测器，即传感器单元。探测器探测到的信号，在各节点中由高集成、低功耗的光通信模组经电光调制转化为光信号，并通过能信共传光纤传输至站点。检测系统大体上分为以下几个单元，分别为：能量传输单元、数据采集单元以及信息传输单元。
58.能量传输单是借助光纤进行能量传递的，光纤传能包括电光转换、光功率传输和光电转换三部分步骤，通过激光器发射一定功率密度的激光，将激光注入光纤中进行远距离传输，经光纤耦合输出后打到光电池表面，使光能转换为电能输出，并供给传感器以及相关设备工作。
59.上位机控制激光器输出1550nm的激光，通过光纤传输之后，使用光电池将光能转换为电能，之后使用能量存储模块将电能存储在法拉电容和锂电池之中，其流程图如图4所示。
60.激光器可以采样上海瀚宇公司1550nm连续光纤激光器，具体型号为vfls-1550-b-hp，该激光器采样全光纤结构一体化设计，运用双包层光纤泵浦技术，实现高性能激光输出，输出功率最大可达100w，同时具有近乎衍射极限的光束质量，其功率调节范围10％～100％，输出线宽为1nm。该激光器采样基于微处理器的控制系统，性能稳定，免维护，并可通过前面板的lcd实时显示输出功率、温度等工作状态，并能及时提供报警信息，界面清晰，操作简便。
61.光纤传输到终端的激光能量被光电池转换为电能输出，其原理为半导体材料的光生伏特效应，具体为光照使不均匀半导体或均匀半导体pn结中电子和空穴在空间分开而产生电位差。当照射的光子能量大于带隙能量的时候就会产生光生伏特效应。光伏电池可以当作一个电流源，光照度的大小影响了输出电流的大小。如果外部电路没有搭载负载。那么所有产生的电流，全部会由二极管所消耗，它的正向导通电压直接决定电池的开路电压。随着入射光功率增加，光电池的短路电流和开路电压均呈现增加趋势。对于光电池输出特性的分析可知，光电池转换得到的电能很不稳定，输出电压和电流的频繁变化对系统的供电来说很不理想。因而光纤传能系统需要最大功率跟踪电路实时侦测光电池输出的电压，并追踪最高电压、电流值，使系统以最高的效率对储能元件充电；而能量存储管理单元可以实现对储能元件的充放电管理和控制。并且由于整个系统是低功耗的，所以在储能模块中，既要低功耗，也要高效率。
62.能量存储管理单元可以采用德州仪器(ti)公司生产的bq25505芯片来管理充放电。bq25505是全新智能化的能量采集以及超低功耗管理芯片，专门设计用于高效地获取并管理从诸如光伏或热电发生器(teg)等多种不同直流源产生的微瓦至毫瓦级的电能。作为一款效率较高的dc/dc升压充电器，bq25505特别满足超低功耗应用的特殊需求。该芯片功耗超低，静态电流仅为325na，能够在输入电压低至330mv时冷启动，并且一旦启动，即使在输入电压低至100mv时仍能继续采集能量。选用芯片bq25505的另一个重要原因是该芯片能够执行一个最大功率点跟踪(mppt)采样网络来优化进入器件的功率传输。能量存储管理单元如图5所示。其中储能设备可选择电容器(法拉电容)，其充电快、放电电流大、功率密度高等优点很适合在本项目中使用。如果数据采集的频率很低，可以选择再添加一块锂电池或者添加了锂离子的法拉电容，能存储更多的电量。
63.由于一节光电池的输出电压是低于3v的，而本实施例中通信模组、微控制单元和
传感器单元所需要的供电电压至少为5v，所以还需要做一个升压操作。升压电路中，所使用的升压芯片为sx1308。sx1308采用sot23-6封装，其输入电压范围为2～24v，输出电压最高可达28v，输出电流最大为2a。该升压芯片的内部振荡频率可达1.2mhz，并且带有过流、过热保护电路。
64.数据采集单元，可以由功能选择模块、电源模块、电压基准电路、模数转换器以及单片机逻辑控制电路等组成。功能选择模块用于选择采集系统实现哪种功能，比如添加滤波、调整采集速率等，这一部分主要是由主控单元通过控制字来对模数转换器内部寄存器进行设置。电源模块主要为每个部分提供电源。电压基准电路主要为模数转换器提供电压基准。模数转换器则是将模拟信号转换为数字信号。
65.传感器所配套的数据传输线所输出的信号为持续的0.15～3.15v模拟电压，所以使用模数转换器采集其输出电压即可获取数据。接口方面，可根据传感器线缆的插头设计相应的转接板转成xh2.54接口，以此来降低外部噪声影响。本实施例微控制单元使用意法半导体(st)公司的stm32l1系列低功耗微控制单元(mcu)。在数据采集芯片的选择上，综合考虑采集精度以及传感器精密度，选择亚德诺半导体(adi)公司的ad7175-2系列芯片。意法半导体的超低功耗系列有非常优秀的低功耗表现，有cortex-m3内核的stm32l1系列单片机，有5种低功耗模式，这5种低功耗模式分别是低功耗的运行、睡眠、低功耗睡眠、停止和待机。
66.ad7175-2是一款24位高精度模数转换芯片，该芯片内部由通用输入输出端口、可编程数字滤波器、时钟发生器、spi接口等组成。支持2路全差分或4路单端输入，输出数据速率范围为5次采样/秒至250k次采样/秒，并集成了关键的模拟和数字同步抑制，可对噪声、建立时间和抑制性能之间进行优化。ad7175-2采用5v的avdd1或avdd1/avss、2～5v的avdd2电源供电。spi接口用于ad7175-2和外部处理器之间进行串行通信。其工作温度范围在-40℃至105℃，工作整体功耗约为42mw。
67.采用adr445作为电压基准源，输出电压为5v，而adr445在0.1～10hz的情况下，电压噪声能满足系统要求。基准电压输入采用差分输入形式，消除输入信号中的共模噪声，ref+和ref-引脚去耦至模拟地(avss)。为得到更高精度、更低抖动的时钟源，使用16mhz晶振为ad7175-2提供时钟信号。stm32l1单片机与ad7175-2的通讯使用三线spi总线。
68.信息传输单元中，远距离信息的传输需要将电信号转为光信号后通过光纤传输，并且在另一端再将光信号转为电信号，整个通信流程如图6所示。
69.在电光转换和光电转换这一部分使用光特通信公司所生产的单模单纤光收发一体模块，使用+3.3v/+5v供电，能够完成发射、接收独立工作，且根据极低功耗设计，满足本实施例低功耗要求。其中发射器件工作波长可分别选用1310nm和1550nm的fp激光器，并且配备fc插拔式光接口，其接口电平兼容标准ttl电平和cmos电平。本系统在站点信息发送模块选择1310nm fp激光器，从而避开能量传输所在1550nm波段，实现数据流和能量流的分离，避免相互干扰。为进一步实现低功耗，可以使用带有使能端的超低功耗ldo(低压差线性稳压器)来给光模块的收/发部分单独供电，可以使用单片机来控制ldo的关断，仅在需要收发数据的时候打开光模块的供电，以此达到降低功耗的目的。在与上位机连接部分，上位机安装相应的软件驱动后，仅仅需要一个ttl转串口电路就可以实现与上位机的连接。根据需要收发的数据量，可以将整个系统的通信速率可降低到115200bps甚至是9600bps。
70.由于上述方案传输速率受到所使用的主控mcu的主频限制，为了使系统达到更快的传输速率，可使用更高主频的主控芯片来完成信息的传输。可以采用fpga(field programmable gate array)的高速串行接口(mgt)搭配万兆光模块来完成更高速率信息传输。fpga可选用赛灵思7系列xc7k410t-2ffg676i型号，其gtx(gigabit transceiver)最大速率可达16gbps。光模块可以选用长飞公司所生产的10g xfp bidi型双工万兆光模块，其最大速率可达11.3gbps，同时传输距离可达100km，工作波长为1550nm/1490nm，其原理流程图如图7所示。此方案由fpga来采集传感器数据，将数据存储在fifo(first input first output存储器)中，通过高速串口将数据发往光模块，光模块之间使用光纤连接，在上位机端同样使用一个fpga来接收光模块的数据并解析，然后发往上位机。
71.目前储电技术主要包括抽水蓄能、压缩空气蓄能、飞轮储能、电化学储能等物理储能方式和超导电磁技术、超级电容储能的电磁储能方式，而小规模的储能技术只有电化学储能(电池)和超级电容器储能。电池包含锂电池及蓄电池，电池优点是能量密度高，使得负载在断电后能持续工作数小时至数十小时；但功率密度较小，难以满足具有瞬时功率特性的监测设备，且寿命有限，需要定期维护。
72.考虑到电化学储能器件的循环寿命次数和微能量存储的特殊性，本发明采用电容器进行储能。电容器储存电能能量若平均功率为100mw的负载工作10s，其能量为1j，输出电压一般为5v，需要电容量达到约为0.08f，传统电容器远达不到计算的电容量要求，因此本发明采用超级电容器作为储能器件。超级电容(super capacitor)属于双电层电容器，超级电容的容量比通常的电容器大得多，同时自身损耗和漏电流也较大。超级电容的充放电电路简单，可快速充放电，且具有瞬时大功率特性，功率密度高。
73.依据储能机理不同，超级电容器可分为双电层超级电容器、法拉第赝电容器以及混合两种机制的混合超级电容器。混合超级电容器属于非对称型超级电容器也称为混合型储能器件(hesds)，兼具超级电容的高功率和电池高能量这类混合储能，该器件将具有不同储能行为的材料分别用于器件的正负极。比如：一极采用具有双电层储能的碳材料，另一极采用赝电容电极材料构造非对称超级电容器(ascs)；一极采用电容型材料，另一极采用电池型储能材料组装电池电容(bscs)。混合储能器件较一般的超级电容器，兼具了高功率和高能量密度的特点，同时具有长循环性能好、成本低等优点。
74.超级电容器充电的实时情况可通过检测其两端电压反应，实际应用中普遍使用的充电方式主要有：恒流充电、恒压充电、浮充和组合充电，目前使用较多的充电方式是组合充电，但组合充电模块较为复杂，且能量消耗较大。由于在本发明中微能量收集器的输出功率小，同时对超级电容器的充电速度没有较高要求，因此采用“恒压”的充电方式为超级电容器充电。
75.要实现光纤供能转化的微能量收集器的高效运行，不仅要提高前端光能能量收集效率，也要设法降低收集器内部的能量损耗。对于dc/dc转换器功耗主要由开关管、负载电流和开关频率决定，而开关频率主要影响到输出电压纹波的大小及响应速度，转换器的功耗主要取决于开关管的尺寸及选型，因此，要综合考虑器件尺寸、输出电压纹波大小的限制、转换器响应速度及转换器的功耗等约束条件，选择最优的设计方案。
76.开关管可以采用目前采用新型材料gan氮化镓功率器件。gan氮化镓功率器件为实
现高效率、高功率密度的功率变换器提供了解决方案。使用硅功率晶体管的降压电源变换器的输入电压与输出电压比不能太大，一般只能做到10以内。因为压差太大的降压电路开关管需要很低占空比的窄脉宽，这样将导致功率开关管的损耗大幅增加，而降低了电源系统的总体效率。gan器件打破了这一性能框架，大幅降低了单级降压开关电源在大输入输出比时的开关损耗。
77.由于传感器具有不同的工作电压、具有不同的工作模式，如连续模式、间歇模式、多路分离模式或阵列式，且长时间处于轻载或待机状态，考虑到这些因素，通过优化开关频率控制方法，使dc-dc转换器在不同工作模式下都能保持高效运行。本实施例中，采用电感型升压转换器，即boost电路，通过控制电路的占空比可以实现对输出电压的控制。采用恒定导通时间控制，恒定导通时间控制的开关管由一个脉冲计时单元和一个比较器组成。采用恒定导通时间控制方式，一方面具备了开环控制电路简单的优点，可以避免使用功耗较大的高增益运算放大器和补偿环路带来的功耗损失，另一方面也可以通过人为的调节导通时间常数，实现对电感充放电时间和系统开关频率的控制。
78.综上所述，本发明所述外嵌型能信共传光缆，在多芯光缆中分别设置两种类型的光纤，其中传能光纤用于能量传输，通信光纤用于数据通信；设置在多芯光缆上指定位置的外嵌板级子系统中，由光电池将传能光纤内的光信号转化为电能存储在能量存储管理单元，并向通信模组、微控制单元和传感器单元直接供能，传感器单元采集的数据经微控制单元和通信模组处理后由通信光纤传回。依托多芯光缆和外嵌板级子系统的一体化设置，实现能信供传，一次部署就能同时建立供能网络和通信网络。一体式的结构能够有效避免外部环境产生的破坏，保证供能和传感器数据传输的稳定性。通过灵活设置多芯光缆的布设路线和外嵌板级子系统的装载位置，能够简易并精确地监测指定位置的目标参数。
79.进一步的，通过灵活设置传感器单元的传感器类型，能够实现对指定位置处多种参数的灵活检测。
80.还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
81.本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
82.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。