【導(dǎo)讀】利亞、印度尼西亞、中亞等國家和地區(qū)都普遍存在。中國由于特殊的地理位置和氣候條。件，成為世界上煤田自燃災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家。據(jù)初步估算，我國煤田火災(zāi)每年至少造。成200億元的經(jīng)濟損失?，F(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。的滿足煤礦安全生產(chǎn)的要求。由于煤田發(fā)火區(qū)域有隱蔽性、著火點分散、被測點多、距。離遠等特點，使得對煤田火災(zāi)的預(yù)防、監(jiān)控和治理非常困難。無線自組網(wǎng)技術(shù)、移動通。信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與溫度傳感器相結(jié)合的監(jiān)測方法，是近幾年來一個新的發(fā)展趨勢，改變了傳統(tǒng)溫度傳感器系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，適應(yīng)更多溫度測量的應(yīng)用場合。本文給出了系統(tǒng)的整體組成框架，對。程傳輸，解決了目前煤田火災(zāi)遠程監(jiān)控的難題，節(jié)省了系統(tǒng)的成本。工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用表明。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。統(tǒng)的研究對煤田火災(zāi)的預(yù)測和火源探測技術(shù)的發(fā)展具有實際指導(dǎo)的重要意義。

　　

【正文】 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。荷蘭 2020 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(luò)傳送到監(jiān)控中心，使醫(yī)務(wù)人員可以隨時隨地查看到病人的健康情況，以預(yù)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(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。 國內(nèi)對于遠程監(jiān)控技術(shù)也開展了積極的研究。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。如西安交通大學(xué)研制的大型旋轉(zhuǎn)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(xué) 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(xué)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 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。系統(tǒng)還具有網(wǎng)絡(luò)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(luò)，其建設(shè)和運營成本低。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]。無論是 還是 3G 網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展目標(biāo)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(yīng)用。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。隨著世界各國 和 3G 網(wǎng)絡(luò)陸續(xù)建成并投入使用，基于無線數(shù)據(jù)應(yīng)用的各項服務(wù)逐漸展露出其獨特的魅力。 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)。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(shù)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(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。將 GPRS 技術(shù)應(yīng)用于遠程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是當(dāng)前比較熱門的研究課題，采用GPRSInter 通信網(wǎng)絡(luò)，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(luò)和 Inter網(wǎng)絡(luò)，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(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。 課題可行性 分析 西安科技大學(xué)防滅火課題組多年來一直從事煤層自燃機理、預(yù)測及防治技術(shù)等方面的研究與應(yīng)用，建立了煤自然發(fā)火實驗?zāi)M裝置，解決了煤最短 自然發(fā)火期及相關(guān)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(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(zhǔn)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)。 國內(nèi)外已在無線傳感器自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)方面作了大量理論性探討和工業(yè)實踐的應(yīng)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(yù)研工作，做了充分的前期準(zhǔn)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。本課題主攻方向明確，研究目標(biāo)適度，擬解決的關(guān)鍵問題均有有效的對策，具有良好的前期研究基礎(chǔ)，因而是切實可行的。 本文的主要研究內(nèi)容和目標(biāo) （ 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 。 （ 2）結(jié)合 ZigBee 技術(shù)和 GPRS 技術(shù)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(shè)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(gòu)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(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 。 （ 4）對監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)用效果。 本課題的研究目標(biāo)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。 1 緒論 9 本文的主要研究方法和技術(shù)路線 主要研究方法 利用理論和實踐驗證相結(jié)合的策略：在掌握煤自燃機理及火災(zāi)預(yù)測技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、移動通信技術(shù)、微電子技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和 Inter 技術(shù)等理論和方法的基礎(chǔ)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(yīng)用，從而保證研究的科學(xué)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(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。 并充分利用 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)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(shè)線路、操作簡單、容易維護、組網(wǎng)成本低，是解決煤田火災(zāi)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(shù)方面的理論知識和研究成果。 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)?？傮w技術(shù)路線如下圖 。 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。 本章小結(jié) （ 1）介紹了本課題研究的背景和意義，闡述了目前國內(nèi)外煤田火災(zāi)所造成煤炭資源損失的嚴(yán)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(zāi)監(jiān)測技術(shù)的不足 。 （ 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 。 （ 3）分析了本課題的可行性，總結(jié)了本文的主要研究內(nèi)容和目標(biāo)，指出了本文的主要研究方法和技術(shù)路線，最后給出了本課題的主要創(chuàng)新點。 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。 ZigBee 技術(shù)主要特點 ZigBee 技術(shù)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(luò)應(yīng)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(shè)備望塵莫及的獨特優(yōu)勢。 （ 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。 （ 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(wù)預(yù)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(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。另外還節(jié)省了能量消耗，能夠滿足大多數(shù)情況下應(yīng)用的時延要求。因此 ZigBee 技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制應(yīng)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(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。 （ 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，目前己經(jīng)降到 美元左右，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(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)。在增加或者刪除一個節(jié)點、節(jié)點位置發(fā)生西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 12 變動、節(jié)點發(fā)生故障等情況下，網(wǎng)絡(luò)都能夠自愈，并對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行 相應(yīng)調(diào)整，無需人工干預(yù)，整個系統(tǒng)仍然正常工作。 （ 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。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) ZigBee 協(xié)議定義了兩種相互配合使用的物理設(shè)備： 即 全功能設(shè)備和精簡功能設(shè)備。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。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中有三種網(wǎng)絡(luò)角色： ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、 ZigBee 路由器和終端設(shè)備 [45]。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。它能允許其它節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，并統(tǒng)籌分配短地址。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(biāo)幀 (Beacon Frame)。路由器也必須是 FFD，具有數(shù)據(jù)路由的能力。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。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)有兩種拓撲結(jié)構(gòu)：星狀拓撲結(jié)構(gòu)和對等拓撲結(jié) 構(gòu) [46]，如 圖 所示。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。就功能而言， ZigBee 協(xié)調(diào)器與扮演 ZigBee 路由器和 ZigBee 終端設(shè)備角色的 FFD 沒有區(qū)別，只是根據(jù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的需要， ZigBee 協(xié)調(diào)器這個 FFD 承擔(dān)了控制中心的任務(wù)。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)。網(wǎng)絡(luò)中每個設(shè)備都有一個 64位擴展地址用 于網(wǎng)內(nèi)直接通信，如果 ZigBee 協(xié)調(diào)器為設(shè)備分配了 16 位短地址，則設(shè)備可以用短地址通信。每個 ZigBee 協(xié)調(diào)器都有唯一的標(biāo)識 (ID)，有了 PAN 標(biāo)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。 在星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲中，所有終端設(shè)備都與唯一的中心控制設(shè)備 “ ZigBee 協(xié)調(diào)器 ” 通信。終端設(shè)備之間相互獨立，它們之間的通信是通過 ZigBee