【正文】 果，對煤礦優(yōu)選安全生產(chǎn)方案，科學(xué)、合理地進行生產(chǎn)管理和事故預(yù)防工作起到了重要作用。 Wireless Adhoc Networks。 1 緒論 1 1 緒論 研究的背景及意義 煤炭作為中國工業(yè)化進程的主要 能源 基礎(chǔ)，對國家的經(jīng)濟發(fā)展起著舉足輕重的作用。在礦井火災(zāi)中，自然發(fā)火約占 70%，發(fā)生的頻率較高，全國國有煤礦中有 56%的礦井存在煤層自然發(fā)火危險。煤田火災(zāi)分布很廣，遍布南北半球，不僅中國有，而且在印度、美國、俄羅斯、 澳大利亞、印度尼西亞、中亞等國家和地區(qū)都普遍存在。因煤層自燃每年向大氣排放 CO 萬 t， SO2 萬 t， NO2 30 萬t，粉塵 萬 t，排放 CO2和 H2S 等有害氣體，造成低空空氣有害物質(zhì)嚴重超標，形成大范圍的酸雨，助長地球的溫室效應(yīng)。 現(xiàn)有的煤田火災(zāi)溫度監(jiān)測主要是人工測溫法，測溫法由于是點接觸，預(yù)測預(yù)報范圍小，安裝、維護工作量大、不能提供實時監(jiān)測和預(yù)警 ，特別是探頭、引線極易破壞，在西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 實際應(yīng)用中受到技術(shù)和經(jīng)濟的限制，不宜大面積探火采用，不能很好的滿足煤礦安全生產(chǎn)的要求。它綜合了嵌入式計算技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等前沿科技成果。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測具有實際的工程應(yīng)用前景 [6]。 本系統(tǒng)具有很好的適應(yīng)性，稍加改造也可應(yīng)用于其它需要無線遠程監(jiān)控的場合，對安全監(jiān)控，工業(yè)測控、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域均有借鑒價值。煤層溫度（輻射能量）檢測法主要包括紅外探測法、光纖測溫法、煤或圍巖溫度測定法和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測溫法四種方法。在國內(nèi)，紅外熱成像儀在井下應(yīng)用很少，主要應(yīng)用在煤田地質(zhì)調(diào)查、地下水探測、地震預(yù)報、巖突、巖爆等方面。英國 York 公司是世界上首家開發(fā)光纖分布式測溫系統(tǒng)并使之商品化的公司，已有 20 多年的歷史。系統(tǒng)由單模光纖制成的本征型傳感器件，光纖溫度傳感器具有一般傳感器抗電磁干擾、靈敏度高、重量輕、尺寸小、成本低，適于在高溫、腐蝕性等環(huán)境中使用的優(yōu)點外，還具有本征自相干能力強及在一根光纖上利用復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)多點復(fù)用、多參量分布式區(qū)分測量的獨特優(yōu)勢。溫度測定法根據(jù)測定位置的不同分為地面溫度測定法和井下溫度測定法。 ○ 2 井下溫度測定法：是把測溫傳感器預(yù)埋或通過鉆孔布置在易自燃發(fā)火區(qū)域 (采空區(qū)和煤層內(nèi) )，根據(jù)傳感器的溫度變化來確定高溫點的位置、發(fā)展變化速度，這種方法受外界干擾小、測定準確，西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 煤層溫度場的溫度只要升高，傳感器位置合適，就能有效探測，這是目前井下比較準確的探測方法。隨著技術(shù)的逐步發(fā)展，無線通信技術(shù)的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來，它可以在現(xiàn)場靈活應(yīng)用，零安裝鋪設(shè)費用，以及更高的安全性和可靠性。 ZigBee 是基于 標準的應(yīng)用于無線監(jiān)測與控制的全球性無線通信標準，強調(diào)簡單易用、近距離、低速率、低功耗、體積小且極廉價的市場定位，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、家庭自動化、智能農(nóng)業(yè)、醫(yī)療護理、消費類電子和遠程控制等領(lǐng)域，將擁有廣闊的應(yīng)用前景。目前美國己經(jīng)設(shè)立了專項基金對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進行資助，美國的許多大學(xué)都有針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究小組 [9]。加州理工大學(xué)的教授對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在 2020 年提出了宣言性的論斷，麻省理工學(xué)院和賴斯大學(xué)等研究團隊通過實驗床對其中涉及到的數(shù)據(jù)融合技術(shù)、節(jié)點集群功能分層的有效性和傳感器功能造成的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的特殊性進行了研究。整體而言，從研究的深度和投入的力量來說，國內(nèi)水平相對落后于國外，從問題的點上研究較多，缺少對整個系統(tǒng)的創(chuàng)新性研究 ，擁有的自主知識產(chǎn)權(quán)較少，這和我國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的市場需求不相稱的。 國內(nèi)外溫度檢測技術(shù)發(fā)展趨勢：現(xiàn)有煤田火災(zāi)鉆孔溫度檢測技術(shù)，不能實現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測鉆孔溫度變化趨勢及自燃煤層異常區(qū)域的溫度場，將溫度傳感器與無線傳輸模塊結(jié)合，對易自燃煤層溫度場進行實時在線監(jiān)測，是目前國內(nèi)外復(fù)雜介質(zhì)內(nèi)溫度檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。雙工通信使傳感器信息采集與網(wǎng)點設(shè)備控制成為可能，使煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)同步的監(jiān)測與控制。前一種方式是有線的，受布線的局限較大，增加或減少一個被監(jiān)控對象都不太容易。 遠程監(jiān)控是國內(nèi)外研究的前沿課題，國內(nèi)外都展開了積極的研究 [27~38]。之后，由這些公司共同推出了一個實驗性的系統(tǒng) Testbed。 法國 ALARM 研究組對生產(chǎn)過程的智能報警和監(jiān)控系統(tǒng)進行了長期研究，并在多個項目中進行了應(yīng)用。短信 SMS(Short Message Service)是移動通信網(wǎng)絡(luò)的一種基本業(yè)務(wù)，具有覆蓋面廣、費用低、自動傳輸?shù)葍?yōu)點，應(yīng)用于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，通過短信的形式把各種關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心和負責(zé)人，該方案已在國內(nèi)某礦業(yè)集團獲得應(yīng)用，通過該系統(tǒng)，集團公司和各礦領(lǐng)導(dǎo)可以及時獲取瓦斯超限情況，及時指揮協(xié)調(diào)安全生產(chǎn)工作，實現(xiàn)組群監(jiān)控，實際效果良好。 隨著 Inter 技術(shù)的推廣和 GSM/GPRS 通信技術(shù)的快速發(fā)展，利用 GPRS 技術(shù)實現(xiàn)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)實時性強、安全可靠、按流量計費，特別適用于間斷的、突發(fā)性的、頻繁的和少量的數(shù)據(jù)傳輸。一些專家認為，是技術(shù)的進步使得高速無線數(shù)據(jù)應(yīng)用成為可能，同時可以預(yù)見，應(yīng)用的快速發(fā)展也將使新的移動通信技術(shù)更具有吸引力。嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以使信息實現(xiàn)本地化處理，改善服務(wù)器 的 性能，可以使每個設(shè)備都具備上網(wǎng) 和 服務(wù)功能，即每個設(shè)備都可以獨立進行服務(wù)，從而大大提高監(jiān)控的質(zhì)量和范圍。目前已對全國近 70 個礦的煤樣進行了測試，取得了煤自燃的重要參數(shù)，建立了煤自然發(fā)火預(yù)測理論，開發(fā)出采空區(qū)自燃危險區(qū)域判定技術(shù)，解決了現(xiàn)場煤自燃 “ 三帶 ” 的理論劃分依據(jù)和測算方法、以及發(fā)火后火源點范圍的判定準則；建立了礦井實際煤層自然發(fā)火期的預(yù)測方法和模型，形成了煤自然發(fā)火期預(yù)測理論，為煤層自燃火災(zāi)早期防治奠定了基礎(chǔ)，為本課題的順利完成奠定了堅實的前期研究基礎(chǔ)。 本文的主要研究內(nèi)容和目標 （ 1）對系統(tǒng)涉及的理論基礎(chǔ) ZigBee 技術(shù)、 GPRS 技術(shù)和 Inter 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)進行了理論探討和研究 。 本課題的研究目標是在 ZigBee 無線自組網(wǎng)絡(luò)、 GPRS 網(wǎng)絡(luò)和 Inter 網(wǎng)絡(luò)的基 礎(chǔ)上建立一個煤田火災(zāi)無線自組網(wǎng)鉆孔溫度遠程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)以 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的方式實現(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與 Inter 網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，以工業(yè)網(wǎng)站的形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，利用網(wǎng)絡(luò)發(fā)布程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的實時顯示和監(jiān)測。 技術(shù)路線 根據(jù)煤田火災(zāi)現(xiàn)場的實際情況和自燃煤 層溫度場的特點以及現(xiàn)場復(fù)雜多變的環(huán)境條件，通過理論分析、實驗測試和現(xiàn)場應(yīng)用，設(shè)計了煤田火災(zāi)無線自組網(wǎng)鉆孔溫度遠程監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合國內(nèi)外先進的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、煤礦安全監(jiān)控技術(shù)和遠程監(jiān)控技術(shù)，構(gòu)建成煤田火災(zāi)無線自組網(wǎng)鉆孔溫度遠程監(jiān)控系統(tǒng)，研究下位機監(jiān)控節(jié)點和上位機監(jiān)控中心系統(tǒng)。 （ 2）概述了煤田火災(zāi)檢測技術(shù)在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢、遠程監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，指出了當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和 GPRS 技術(shù)在遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用情況 。通常情況下，兩節(jié)五號電池可以支持長達6~24 個月的使用時間，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。 （ 4） 時延 短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延是 30ms，休眠激活的時延是 15ms，活動設(shè)備信道接入的時延是 15ms。 （ 6） 網(wǎng) 絡(luò)容量大：一個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)理論上可容納一個主設(shè)備和最多 65535 個從設(shè)備。 （ 9） 網(wǎng)絡(luò) 安全：提供了基于循環(huán)冗余校驗 (CRC)的數(shù)據(jù)完整性檢查、鑒權(quán)和認證功能，加密算法采用通用的 AES128。每個網(wǎng)絡(luò)只有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)建立的起點，負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的初始化，確定 PAN 的 ID 號和通信信道。終端設(shè)備可以為 FFD 或 RFD，它是網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點，只能與父節(jié)點通信，沒有加入其它任何節(jié)點的能力。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化時，其它 FFD 也能承擔(dān)起 ZigBee 協(xié)調(diào)器的任務(wù)。終端設(shè)備之間相互獨立，它們之間的通信是通過 ZigBee。每個 ZigBee 協(xié)調(diào)器都有唯一的標識 (ID)，有了 PAN 標識，網(wǎng)內(nèi)設(shè)備可以使用短地址通信，并且不同 PAN 之間的設(shè)備也可以通信。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的 ZigBee 協(xié)調(diào) 器 (PAN 協(xié)調(diào)器 )是起網(wǎng) 絡(luò)控制中心作用的 FFD。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器必須是 FFD，它有路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，并周期性地發(fā)出信標幀 (Beacon Frame)。全功能設(shè)備 (Full function device, FFD)，支持任何一種拓撲結(jié)構(gòu)，可作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器或終端節(jié)點，具備控制器的功能，并可以和任何一種設(shè)備進行通信；精簡功能設(shè)備(Reduced function device, RFD)，只支持星型結(jié)構(gòu)，不能成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或者路由器，可以與其進行通信，實現(xiàn)簡單。 （ 8） 網(wǎng)絡(luò) 的自組織、自愈能力強：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其它節(jié)點的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。因此 ZigBee 技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制應(yīng)用。 （ 2） 數(shù)據(jù)傳 輸速率低：工作在 、 915/868MHz 頻段時，最高數(shù)據(jù)傳輸速率分別為 250kbps、 40kbps、 20kbps。 2 系統(tǒng)涉及的理論基礎(chǔ)及方案設(shè)計 11 2 系統(tǒng)涉及的理論基礎(chǔ)及方案設(shè)計 ZigBee 技術(shù) ZigBee 技術(shù)是一種新型的無線自組網(wǎng)技術(shù)，采用跳頻技術(shù)和擴頻技術(shù)，彌補了低成本、低功耗 、體積小 和低速率的無線通信市場的空缺，其豐富而便捷的應(yīng)用是該技術(shù)成功的關(guān)鍵。 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 煤田火災(zāi) 特點分析 煤田火災(zāi)溫度場和環(huán)境分析 煤田火災(zāi)無線自組網(wǎng)鉆孔溫度 遠程 監(jiān)控系統(tǒng)的組建 煤田火災(zāi)溫度場無線測溫終端和 ZigBee GP RS 網(wǎng)關(guān)的硬件研究 上位機監(jiān)控中心系統(tǒng)的研究 煤田火災(zāi)溫度場無線測溫終端和 Zig Bee GP RS 網(wǎng)關(guān)的軟件研究 進行現(xiàn)場工業(yè)模擬試驗和系統(tǒng)改進 實際試驗和系統(tǒng)改進 現(xiàn)場應(yīng)用 圖 總體技術(shù)路線 圖 本課題的主要創(chuàng)新點 將 ZigBee 技術(shù)、 GPRS 技術(shù)和 Inter 技術(shù)引進用于煤田火災(zāi)區(qū)域鉆孔溫度的遠程監(jiān)控，形成 各監(jiān)測點溫度協(xié)同感知的無線傳感器自組網(wǎng)絡(luò)，能在線連續(xù)遠程監(jiān)測煤田火災(zāi)區(qū)域鉆孔溫度變化趨勢，對溫度場的異常變化及時預(yù)警和定位，是對煤田火災(zāi)進行監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的創(chuàng)新。 引進和消化無線自組網(wǎng)溫度傳感器信息采集和傳輸技術(shù)及遠程監(jiān)控技術(shù)，開展基于ZigBee 的 無線溫度傳感器自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 GPRS 技術(shù)和 Inter 技術(shù) 的研究。 （ 3）進行了系統(tǒng)無線測溫終端節(jié)點和 ZigBeeGPRS 網(wǎng)關(guān)節(jié)點的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計及上位機監(jiān)控中心系統(tǒng)的設(shè)計 。在課題實施之前，進行了大量的預(yù)研工作，做了充分的前期準備，查閱了大量的文獻資料，對無線傳感器自組網(wǎng)絡(luò)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)有了足夠的了解和掌握，經(jīng)過大量的實驗和測試以及與一些專業(yè)從事無線遠程監(jiān)控技術(shù)研究的單位多次接觸和交流，為本課題的工作的正常進展提供了一定的技術(shù)支持?；?GPRS的遠程監(jiān)控系統(tǒng)目前 尚 處于研究階段，但該系統(tǒng)的方案是無線遠程監(jiān)控領(lǐng)域的研究熱西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 點，隨著我國 無線 通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和技術(shù)的不斷成熟，基于 GPRS 的遠程監(jiān)控系統(tǒng)必將在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 目前遠程監(jiān)控技術(shù)的主流是通過某一特定的通信網(wǎng)絡(luò)來 應(yīng)用于 Inter，在 TCP/IP和 WWW 規(guī)范的支持下，合理組織軟件結(jié)構(gòu)，使工作人員通過訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器來迅速獲取自己權(quán)限下的所有信息并及時做出響應(yīng)。隨著 GPRS 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，構(gòu)建在 GPRS 網(wǎng)上的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)必然能與移動通信技術(shù)的發(fā)展同步，因而具有廣闊的前景 [39][40]。目前，西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校已取得了較為先進的研究成果。 公司開發(fā)的基于 GPRS 的空氣質(zhì)量1 緒論 7 遠程監(jiān)控系統(tǒng)，對大范圍內(nèi)的國土環(huán)境進行監(jiān)控來獲得實際的空氣質(zhì)量等級以保障公眾身體健康。許多國際組織，如 MIMOSA(Machine Information Management Open System Alliance)、 SMFPT(Society for Machinery Failure Prevention Technology)、 COMADEM (Condition Monition an Engineering Management)等，也紛紛通過 網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)備監(jiān)控與故障診斷咨詢及技術(shù)推廣工作，并制定了一些信息交換格式和標準。會議主要討論了有關(guān)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的開放式體系、診斷信息規(guī)程、傳輸協(xié)議和對用戶的合法限制等，并對未來技術(shù)的發(fā)展作了展望。傳統(tǒng)監(jiān)控手段的監(jiān)控者和被監(jiān)控對象都是固定的，無論任何一端都無法隨意移動；傳統(tǒng)監(jiān)控手段針對偏僻、偏遠地域監(jiān)控不能很容易的實現(xiàn)。使用遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以降低勞動強度，提高工 作效率，在一些高危環(huán)境更是必不可少的。而動態(tài)組網(wǎng)和網(wǎng)格型拓撲結(jié)構(gòu)使得煤礦監(jiān)測節(jié)點可以實現(xiàn)自動斷網(wǎng)重連。但它只是一個硬件平臺，本課題將根據(jù)煤田火災(zāi)監(jiān)測的具體情況和要求，研究煤田火災(zāi)無線自組網(wǎng)鉆孔溫度遠程監(jiān)控系統(tǒng)。其中比較重要的研究計劃有： PicoRadio[18], WINS[19], Smart Dust[20], CAMPS[21], SCADDS[22]等。近年來無線通信、集成電路、傳感器等技術(shù)的飛速發(fā)展，使得低成本、低功耗的微型