【文章內容簡介】 而動態(tài)組網(wǎng)和網(wǎng)格型拓撲結構使得煤礦監(jiān)測節(jié)點可以實現(xiàn)自動斷網(wǎng)重連。由于網(wǎng)格型網(wǎng)絡的路由存在相互冗余，使得當默認路由因故斷開時，下位監(jiān)測節(jié)點可以通過備選路由與上位系統(tǒng)實現(xiàn)信息的交換，解決了通信干線故障級聯(lián)的問題。雙工通信使傳感器信息采集與網(wǎng)點設備控制成為可能，使煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)同步的監(jiān)測與控制。 遠程監(jiān)控系統(tǒng)在國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢遠程監(jiān)控系統(tǒng)是不需要人員到現(xiàn)場，使無線通信技術、微電子技術、計算機技術和網(wǎng)絡技術相結合，通過安裝在現(xiàn)場的傳感器及音、視頻設備，遠隔千里便可隨時了解現(xiàn)場的生產(chǎn)和設備狀況，對生產(chǎn)現(xiàn)場進行監(jiān)測和診斷。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。傳統(tǒng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方式主要有：鋪設光纖或電纜，采用數(shù)傳電臺，租用運營商專用線路等。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。而后兩種方式需要自己建設或租用運營商專線，維護和建設費用比較高。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)。因此，傳統(tǒng)的遠程監(jiān)控方式無法滿足人們日益發(fā)展的要求[26]。遠程監(jiān)控是國內外研究的前沿課題，國內外都展開了積極的研究[27~38]。1997年1月，首屆基于Internet的遠程監(jiān)控診斷工作會議由斯坦福大學和麻省理工學院聯(lián)合主辦，參會的有30個公司和研究機構的50多位代表。會議主要討論了有關遠程監(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，并對未來技術的發(fā)展作了展望。由斯坦福大學和麻省理工學院合作開發(fā)的基于Internet的下一代遠程監(jiān)控診斷示范系統(tǒng)也得到了制造業(yè)、計算機業(yè)和儀器儀表業(yè)的Sun、HP、Intel、Ford等12家大公司的熱情支持和全力配合。之后，由這些公司共同推出了一個實驗性的系統(tǒng)Testbed。Testbed用嵌入式Web組網(wǎng)、用實時JAVA和Bayesian Net初步形成在Internet范圍內的信息監(jiān)控和診斷推理。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)絡進行設備監(jiān)控與故障診斷咨詢及技術推廣工作，并制定了一些信息交換格式和標準。許多大公司也在他們的產(chǎn)品中加入了Internet的功能，如Bentley公司的計算機在線設備運行監(jiān)測系統(tǒng)Data Manager 2000可以通過網(wǎng)絡動態(tài)數(shù)據(jù)交換(Net DDE)的方式向遠程終端發(fā)送設備運行狀態(tài)信息；著名的National Instruments公司也在它的產(chǎn)品Lab Windows/CVI以及Lab VIEW中加入了網(wǎng)絡通訊處理模塊，因而可以通過WWW、FTP、Email等方式在網(wǎng)絡范圍內進行監(jiān)控數(shù)據(jù)的遠程傳送。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用。意大利Pirelliamp。 ，對大范圍內的國土環(huán)境進行監(jiān)控來獲得實際的空氣質量等級以保障公眾身體健康。荷蘭2004年完成的移動健康工程，通過在病人身上安置一個移動的傳感部件實時采集病人的健康狀況信息并通過GPRS網(wǎng)絡傳送到監(jiān)控中心，使醫(yī)務人員可以隨時隨地查看到病人的健康情況，以預防突發(fā)疾病并及時治療。短信SMS(Short Message Service)是移動通信網(wǎng)絡的一種基本業(yè)務，具有覆蓋面廣、費用低、自動傳輸?shù)葍?yōu)點，應用于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，通過短信的形式把各種關鍵數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心和負責人，該方案已在國內某礦業(yè)集團獲得應用，通過該系統(tǒng)，集團公司和各礦領導可以及時獲取瓦斯超限情況，及時指揮協(xié)調安全生產(chǎn)工作，實現(xiàn)組群監(jiān)控，實際效果良好。國內對于遠程監(jiān)控技術也開展了積極的研究。目前，西安交通大學、華中科技大學、哈爾濱工業(yè)大學等高校已取得了較為先進的研究成果。如西安交通大學研制的大型旋轉機械計算機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及故障診斷系統(tǒng)RMMD、華中科技大學開發(fā)的汽輪機工況監(jiān)測和診斷系統(tǒng)KBGMD、哈爾濱工業(yè)大學的微計算機化機組狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷專家系統(tǒng)MMMDES、北京移動與北京夜景照明管理部門建立的基于GPRS的夜景照明管理系統(tǒng)LMAS等。隨著Internet技術的推廣和GSM/GPRS通信技術的快速發(fā)展，利用GPRS技術實現(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。系統(tǒng)還具有網(wǎng)絡覆蓋范圍廣，抗干擾能力強，通信速度快，通信誤碼率低等優(yōu)點，并且完全利用現(xiàn)有的GSM/GPRS移動通信網(wǎng)絡，其建設和運營成本低。隨著GPRS網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，構建在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的發(fā)展同步，因而具有廣闊的前景[39][40]。，發(fā)展目標都是在更好的語音通信之外，向用戶提供豐富多彩的高速無線數(shù)據(jù)應用。一些專家認為，是技術的進步使得高速無線數(shù)據(jù)應用成為可能，同時可以預見，應用的快速發(fā)展也將使新的移動通信技術更具有吸引力。，基于無線數(shù)據(jù)應用的各項服務逐漸展露出其獨特的魅力。目前遠程監(jiān)控技術的主流是通過某一特定的通信網(wǎng)絡來應用于Internet，在TCP/IP和WWW規(guī)范的支持下，合理組織軟件結構，使工作人員通過訪問網(wǎng)絡服務器來迅速獲取自己權限下的所有信息并及時做出響應。將來嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展會越來越迅速，越來越成熟，這項新技術遲早必將用于遠程監(jiān)控系統(tǒng)上，是監(jiān)控系統(tǒng)未來發(fā)展方向之一[41]。嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以使信息實現(xiàn)本地化處理，改善服務器的性能，可以使每個設備都具備上網(wǎng)和服務功能，即每個設備都可以獨立進行服務，從而大大提高監(jiān)控的質量和范圍。將GPRS技術應用于遠程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是當前比較熱門的研究課題，采用GPRSInternet通信網(wǎng)絡，使遠程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控空間延伸到了公用通信網(wǎng)絡和Internet網(wǎng)絡，在保證系統(tǒng)實時性、可靠性的同時降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本及運營費用。基于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)控領域的研究熱點，隨著我國無線通信技術的迅猛發(fā)展和技術的不斷成熟，基于GPRS的遠程監(jiān)控系統(tǒng)必將在國民經(jīng)濟的各個領域得到廣泛應用。 課題可行性分析西安科技大學防滅火課題組多年來一直從事煤層自燃機理、預測及防治技術等方面的研究與應用，建立了煤自然發(fā)火實驗模擬裝置，解決了煤最短自然發(fā)火期及相關參數(shù)的實驗定量測定問題。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)火預測理論，開發(fā)出采空區(qū)自燃危險區(qū)域判定技術，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)火期的預測方法和模型，形成了煤自然發(fā)火期預測理論，為煤層自燃火災早期防治奠定了基礎，為本課題的順利完成奠定了堅實的前期研究基礎。國內外已在無線傳感器自組網(wǎng)絡系統(tǒng)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)相關方面作了大量理論性探討和工業(yè)實踐的應用，為本課題研究提供了有益的參考和借鑒。在課題實施之前，進行了大量的預研工作，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支持。本課題主攻方向明確，研究目標適度，擬解決的關鍵問題均有有效的對策，具有良好的前期研究基礎，因而是切實可行的。 本文的主要研究內容和目標（1）對系統(tǒng)涉及的理論基礎ZigBee技術、GPRS技術和Internet網(wǎng)絡應用技術進行了理論探討和研究。（2）結合ZigBee技術和GPRS技術的特點和優(yōu)勢，給出了系統(tǒng)的整體組成框架，分析了系統(tǒng)要求、功能需求和設計原則，根據(jù)煤田火區(qū)現(xiàn)場的實際情況，研究了系統(tǒng)的總體方案和系統(tǒng)的構成以及系統(tǒng)的通信模式。（3）進行了系統(tǒng)無線測溫終端節(jié)點和ZigBeeGPRS網(wǎng)關節(jié)點的硬件設計和軟件設計及上位機監(jiān)控中心系統(tǒng)的設計。（4）對監(jiān)控系統(tǒng)的應用環(huán)境、現(xiàn)場布置方法和監(jiān)控機制進行了研究，分析了系統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場的應用效果。本課題的研究目標是在ZigBee無線自組網(wǎng)絡、GPRS網(wǎng)絡和Internet網(wǎng)絡的基礎上建立一個煤田火災無線自組網(wǎng)鉆孔溫度遠程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)以ZigBee網(wǎng)絡和GPRS網(wǎng)絡的方式實現(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)絡與Internet網(wǎng)絡的互聯(lián)，以工業(yè)網(wǎng)站的形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，利用網(wǎng)絡發(fā)布程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡上的實時顯示和監(jiān)測。 本文的主要研究方法和技術路線 主要研究方法利用理論和實踐驗證相結合的策略：在掌握煤自燃機理及火災預測技術、無線網(wǎng)絡技術、傳感器技術、移動通信技術、微電子技術、遙測遙控技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和Internet技術等理論和方法的基礎上，確定方案、建立模型、搭建平臺，進行理論分析、實驗測試以及現(xiàn)場應用，從而保證研究的科學性和正確性。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及遠程監(jiān)控技術，開展基于ZigBee的無線溫度傳感器自組網(wǎng)絡技術、GPRS技術和Internet技術的研究。并充分利用Adhoc網(wǎng)絡動態(tài)自組、多跳的特點，其通信和感知節(jié)點可以移動、無須鋪設線路、操作簡單、容易維護、組網(wǎng)成本低，是解決煤田火災現(xiàn)場全方位、實時監(jiān)測的一種可行方法，因此必須充分借鑒這些技術方面的理論知識和研究成果。 技術路線根據(jù)煤田火災現(xiàn)場的實際情況和自燃煤層溫度場的特點以及現(xiàn)場復雜多變的環(huán)境條件，通過理論分析、實驗測試和現(xiàn)場應用，設計了煤田火災無線自組網(wǎng)鉆孔溫度遠程監(jiān)控系統(tǒng)，結合國內外先進的無線傳感器網(wǎng)絡技術、煤礦安全監(jiān)控技術和遠程監(jiān)控技術，構建成煤田火災無線自組網(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)。 總體技術路線圖 本課題的主要創(chuàng)新點將ZigBee技術、GPRS技術和Internet技術引進用于煤田火災區(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，能在線連續(xù)遠程監(jiān)測煤田火災區(qū)域鉆孔溫度變化趨勢，對溫度場的異常變化及時預警和定位，是對煤田火災進行監(jiān)測預警技術的創(chuàng)新。 本章小結（1）介紹了本課題研究的背景和意義，闡述了目前國內外煤田火災所造成煤炭資源損失的嚴重程度以及帶來的經(jīng)濟損失、人員傷亡和環(huán)境問題，指出了目前煤田火災監(jiān)測技術的不足。（2）概述了煤田火災檢測技術在國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢、無線傳感器網(wǎng)絡在國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢、遠程監(jiān)控系統(tǒng)在國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，指出了當前無線傳感器網(wǎng)絡技術和GPRS技術在遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應用情況。（3）分析了本課題的可行性，總結了本文的主要研究內容和目標，指出了本文的主要研究方法和技術路線，最后給出了本課題的主要創(chuàng)新點。92 系統(tǒng)涉及的理論基礎及方案設計2 系統(tǒng)涉及的理論基礎及方案設計 ZigBee技術 ZigBee技術是一種新型的無線自組網(wǎng)技術，采用跳頻技術和擴頻技術，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，其豐富而便捷的應用是該技術成功的關鍵。 ZigBee技術主要特點ZigBee技術主要特點如下[42][43][44]：（1）功耗低：工作周期較短，收發(fā)信息功耗較低，并且采用了多種節(jié)能方式，電池的使用時間最終決定于不同的網(wǎng)絡應用。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。這也是其它無線通信設備望塵莫及的獨特優(yōu)勢。（2）數(shù)據(jù)傳輸速率低：、915/868MHz頻段時，最高數(shù)據(jù)傳輸速率分別為250kbps、40kbps、20kbps。（3）數(shù)據(jù)傳輸可靠：采用了CSMACA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突，在媒體接入層采用確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包必須等待接收點的確認信息，才可發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包。（4）時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延是30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設備信道接入的時延是15ms。另外還節(jié)省了能量消耗，能夠滿足大多數(shù)情況下應用的時延要求。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制應用。（5）協(xié)議棧簡單：ZigBee協(xié)議棧緊湊簡單，實現(xiàn)要求低，8位微處理器配上4KB ROM和64KB RAM等，就可以滿足其最基本要求，從而大大降低了芯片的成本。（6）網(wǎng)絡容量大：一個ZigBee網(wǎng)絡理論上可容納一個主設備和最多65535個從設備。（7）成本低：低數(shù)據(jù)速率、簡單的協(xié)議棧和小的存儲空間大大降低了成本，每個模塊的初始成本芯片約為6美元，隨著使用量的不斷上升和成本的降低，將來可能降到1美元以下，并且協(xié)議不需要支付專利費。（8）網(wǎng)絡的自組織、自愈能力強：無需人工干預，網(wǎng)絡節(jié)點能夠感知其它節(jié)點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網(wǎng)絡。在增加或者刪除一個節(jié)點、節(jié)點位置發(fā)生變動、節(jié)點發(fā)生故障等情況下，網(wǎng)絡都能夠自愈，并對網(wǎng)絡拓撲結構進行相應調整，無需人工干預，整個系統(tǒng)仍然正常工作。（9）網(wǎng)絡安全：提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)完整性檢查、鑒權和認證功能，加密算法采用通用的AES128。 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構ZigBee協(xié)議定義了兩種相互配合使用的物理設備：即全功能設備和精簡功能設備。全功能設備(Full function device, FFD)，支持任何一種拓撲結構，可作為網(wǎng)絡協(xié)調器、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備進行通信；精簡功能設備(Reduced function device, RFD)，只支持星型結構，不能成為網(wǎng)絡協(xié)調器或者路由器，可以與其進行通信，實現(xiàn)簡單。ZigBee網(wǎng)絡中有三種網(wǎng)絡角色：ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調器、ZigBee路由器和終端設備[45]。每個網(wǎng)絡只有一個網(wǎng)絡協(xié)調器，網(wǎng)絡協(xié)調器是網(wǎng)絡建立的起點，負責整個網(wǎng)絡的初始化，確定PAN的ID號和通信信道。它能允許其它節(jié)點加入網(wǎng)絡，并統(tǒng)籌分配短地址。網(wǎng)絡協(xié)調器必須是FFD，它有