【正文】 采集，并將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳到ZigBeeGPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再由ZigBeeGPRS網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)。（2）GPRS傳輸網(wǎng)絡(luò)：將采集的信號轉(zhuǎn)換為計算機(jī)和操作人員可識別的信號量，并由ARM處理器進(jìn)行處理，或接收監(jiān)控中心下發(fā)的控制指令以進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，通過GPRS無線模塊與GPRS網(wǎng)絡(luò)建立無線連接，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，最終發(fā)送到Internet網(wǎng)絡(luò)。（3）上位機(jī)監(jiān)控中心：包括監(jiān)控中心服務(wù)器及其應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、移動終端(移動電話或者手提電腦等)以及向外延伸的企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)。由于下位機(jī)可以直接把數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳送到監(jiān)控中心服務(wù)器，所以服務(wù)器端不用購置GPRS模塊，可以通過互聯(lián)網(wǎng)直接接收由下位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，而移動終端可以通過GPRS方式及時接收下位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并且可以通過手機(jī)以短消息的方式查看現(xiàn)場的情況。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要是存儲數(shù)據(jù)，便于日后查詢，定期將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、匯總，輸出分析曲線或圖表。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，監(jiān)控中心服務(wù)器可以對無線測溫終端的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并可以對采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析和匯總，便于工作人員對監(jiān)測點(diǎn)的火災(zāi)情況進(jìn)行觀察和分析。監(jiān)控中心一方面與數(shù)據(jù)采集終端雙向通信，實時接收從采集終端上傳的數(shù)據(jù)和報警信息，并記入數(shù)據(jù)庫供查詢；另一方面為管理人員提供一個友好的可視化界面，實時地顯示各個參數(shù)、報警信息、各項參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，并能以曲線或表格等形式表現(xiàn)出來，使得管理人員可直觀地了解現(xiàn)場的狀況。 系統(tǒng)通信模式（1）自動上報方式：自動上報式系統(tǒng)也稱為事件報告系統(tǒng)。它的數(shù)據(jù)傳輸受被測量的變化控制，即當(dāng)被測溫度有變化時，系統(tǒng)便會產(chǎn)生代表該溫度值的數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)控中心隨時處于接收狀態(tài)，在收到數(shù)據(jù)時進(jìn)行存儲或轉(zhuǎn)發(fā)到上級監(jiān)控中心，完成一次數(shù)據(jù)采集傳送或存貯處理過程，而當(dāng)被測溫度無變化時，系統(tǒng)處于守候狀態(tài)。另外有一種定時自動上報方式系統(tǒng)，它的數(shù)據(jù)采集和傳輸是受預(yù)先設(shè)定的時間控制的，每隔一個設(shè)定時間間隔，都會啟動一次采集和傳輸。自動上報方式的優(yōu)點(diǎn)：無線測溫終端較簡單，可設(shè)計為掉電守候狀態(tài)，功耗很小，而且監(jiān)控中心收到的數(shù)據(jù)具有較好的連續(xù)性，便于了解溫度的變化過程。（2）應(yīng)答式：應(yīng)答式系統(tǒng)由監(jiān)控中心根據(jù)定時自動發(fā)出查詢指令或由人工隨時根據(jù)需要發(fā)出查詢指令，向系統(tǒng)各監(jiān)測點(diǎn)呼叫，它們收到監(jiān)控中心的指令后立即采集數(shù)據(jù)并發(fā)送至監(jiān)控中心。應(yīng)答式系統(tǒng)是雙向信道的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，工作時各監(jiān)測點(diǎn)按監(jiān)控中心指令逐個響應(yīng)查詢。應(yīng)答式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸一般須加差錯控制以保證傳輸?shù)目煽啃?，因此系統(tǒng)的傳輸效率較低。另外，由于監(jiān)測點(diǎn)隨時要接收監(jiān)控中心的指令，監(jiān)測點(diǎn)始終要處于工作狀態(tài)，這樣便增加了監(jiān)測點(diǎn)的功耗，也是不足之處。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的上述數(shù)據(jù)傳輸功能，無線測溫終端節(jié)點(diǎn)的ZigBee接收器一直處于工作狀態(tài)，隨時接收監(jiān)控中心發(fā)送來的數(shù)據(jù)采集指令，該節(jié)點(diǎn)的處理器和溫度傳感器在沒有任務(wù)的時候處于睡眠狀態(tài)，只有在接受到采集指令或定時到達(dá)時，才喚醒工作。這樣可以降低終端節(jié)點(diǎn)工作時的能耗。 監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)本系統(tǒng)利用了ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)各自的優(yōu)勢，滿足了煤田火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的需要。其特點(diǎn)如下：（1）ZigBee網(wǎng)絡(luò)是面向短距離通信，而GPRS網(wǎng)絡(luò)是面向遠(yuǎn)距離通信，兩者能夠優(yōu)勢互補(bǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、遠(yuǎn)距離的煤田火災(zāi)遠(yuǎn)程監(jiān)控。（2）ZigBee單個節(jié)點(diǎn)成本低，而GPRS是按流量計費(fèi)，適合煤田火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的小數(shù)據(jù)流量傳輸要求，整個系統(tǒng)的成本較低。（3）ZigBee的功耗較低，無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)除射頻接收部分外，其它模塊大部分時間都處于睡眠狀態(tài)，只有在數(shù)據(jù)傳輸時才被喚醒，功耗較低，節(jié)點(diǎn)可工作在野外無交流供電狀況下，并且運(yùn)行時間較長。（4）GPRS具有實時在線的特性，數(shù)據(jù)傳輸時延小，能很好的滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸實時性的要求，提高了信息處理能力。（5）GPRS采用完善的頻分復(fù)用機(jī)制，具有很強(qiáng)的抗干擾性能，數(shù)據(jù)傳輸可靠。ZigBee技術(shù)采用了碰撞避免機(jī)制，具有極低的丟包率和傳輸出錯率，這使得整個系統(tǒng)的信息收集和傳遞具有很高的可靠性。 本章小結(jié)（1）介紹了ZigBee技術(shù)及其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，GPRS技術(shù)及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。（2）探討了Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涉及的C/S結(jié)構(gòu)和B/S結(jié)構(gòu)及兩種結(jié)構(gòu)的比較；根據(jù)兩種結(jié)構(gòu)各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢，結(jié)合煤田火災(zāi)現(xiàn)場的實際情況和需求，本系統(tǒng)采用了兩種模式結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)。（3）指出了系統(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，給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，分析了監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成，介紹了系統(tǒng)的通信模式，對監(jiān)控系統(tǒng)的功能進(jìn)行了劃分，最后概述了監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)。213 無線測溫終端的設(shè)計3 無線測溫終端的設(shè)計將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于煤田火災(zāi)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，針對其自身特點(diǎn)以及現(xiàn)場的實際情況引進(jìn)了基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器自組網(wǎng)絡(luò)，本章主要涉及網(wǎng)絡(luò)中無線測溫終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)、硬件平臺、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計以及電路原理圖和實物的實現(xiàn)。 無線測溫終端的硬件結(jié)構(gòu)組成在ZigBee無線自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，無線測溫終端是重要的組成部分，它負(fù)責(zé)溫度傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理和發(fā)送等，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的主要來源。作為一個完整的微型計算機(jī)系統(tǒng)，要求其組成部分的性能必須是協(xié)調(diào)和高效的，各個模塊實現(xiàn)技術(shù)的選擇需要根據(jù)實際的應(yīng)用系統(tǒng)要求而進(jìn)行權(quán)衡和取舍。無線測溫終端主要由K型熱電偶、MAX6675熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊五部分組成。K型熱電偶負(fù)責(zé)對鉆孔內(nèi)溫度進(jìn)行信息采集和傳輸，MAX6675熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)對采集到的熱電勢信號進(jìn)行放大、濾波、冷端補(bǔ)償、線性化和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等處理；微處理器模塊負(fù)責(zé)對整個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制和管理；無線通信模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)之間按一定的通信協(xié)議相互通信；電源模塊為節(jié)點(diǎn)供電，提供各部分運(yùn)行所需的電量[55]。自組織形成的無線網(wǎng)絡(luò)有些測溫終端可以充當(dāng)路由功能，可以實現(xiàn)多跳和續(xù)傳，并把收集到的溫度數(shù)據(jù)傳送到ZigBeeGPRS網(wǎng)關(guān)。電源模塊K型熱電偶無線通信模塊微處理器模塊MAX6675PC機(jī)RS232或USB 無線測溫終端硬件結(jié)構(gòu)圖 節(jié)點(diǎn)硬件平臺 ZigBee無線傳輸模塊介紹Chipcon公司生產(chǎn)的無線片上系統(tǒng)(SOC) CC2430芯片， ISM (Industrial Scientific Medical)波段應(yīng)用對低成本、低功耗、體積小的要求。 DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一個工業(yè)級小巧高效的8051控制器。考慮到協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件的執(zhí)行對微處理器處理能力的要求，CC2430包含一個增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核，運(yùn)行時鐘32MHZ。由于更快的執(zhí)行時間和通過除去被浪費(fèi)掉的總線狀態(tài)的方式，使得該增強(qiáng)型8051內(nèi)核具有8倍的標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核的性能。 CC2430的內(nèi)部框圖CC2430芯片的主要特點(diǎn)如下：◆高性能和低功耗的8051微控制器核；◆；◆優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性；◆，外部的中斷或RTC(RealTime Clock，實時時鐘)能喚醒系統(tǒng)；，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)；◆硬件支持CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，載波偵聽多點(diǎn)接入/沖突避免)功能；◆較寬的電壓范圍(~)；◆數(shù)字化的RSSI/LQI(Receive Signal Strength Indicator/Link Quality Indicator，信號強(qiáng)度指示/鏈路質(zhì)量指示)支持和強(qiáng)大的DMA(Direct Memory Access，直接存儲器訪問)功能；◆具有電池監(jiān)測和溫度感測功能；◆集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC；◆集成AES(Advanced Encryption Standard，高級加密標(biāo)準(zhǔn))安全協(xié)處理器；◆帶有2個強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/異步串行接收/發(fā)送器)，(Media Access Control，媒體訪問控制)計時器，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器。ZigBee無線傳輸模塊電路包括CC2430芯片及其外圍電路，由于CC2430將8051內(nèi)核與無線收發(fā)模塊集成到一個芯片當(dāng)中因而簡化了電路的設(shè)計過程，省去了對單片機(jī)與無線收發(fā)芯片之間接口電路的設(shè)計，縮短了研發(fā)周期。其原理圖主要包括接口電路、芯片晶振電路、天線電路、入網(wǎng)指示電路及復(fù)位電路6部分。該電路除電源濾波電路外，其余電路均參照CC2430的參考設(shè)計來完成。 CC2430無線傳輸模塊原理圖電源濾波電路：為得到更好的電源性能，選擇了合適的電容對電源進(jìn)行濾波，該部分電路參考了Chipcon公司的濾波電容組設(shè)計。芯片晶振設(shè)計：CC2430工作需要兩個時鐘晶振，第一個為32MHz，為無線收發(fā)時鐘；，為休眠模式提供時鐘。天線電路：電路中采用非平衡天線加上一個非平衡變壓器構(gòu)成一個天線電路，此電路參照了TI公司提供的設(shè)計。入網(wǎng)指示電路：，用于顯示網(wǎng)絡(luò)所處的狀態(tài)。復(fù)位電路：由限流電阻，濾波電容和按鍵組成，實現(xiàn)低電平復(fù)位。 溫度傳感的選型及介紹熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置。將溫度轉(zhuǎn)換為電勢的熱電式傳感器叫熱電偶，將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值的熱電式傳感器叫熱電阻。熱電偶作為工業(yè)測溫中應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器之一，與鉑熱電阻一起約占整個溫度傳感器總量的60%。熱電偶作為一種主要的測溫元件，具有制造容易、測溫范圍寬、使用方便、測溫精度高，性能穩(wěn)定結(jié)構(gòu)簡單，且動態(tài)響應(yīng)好，輸出直接為電壓信號，便于遠(yuǎn)傳，可以集中檢測和控制等特點(diǎn)，在溫度測量中占很重要的地位。熱電偶通常和顯示儀表等配套使用，直接測量各種工業(yè)生產(chǎn)過程中40℃~1800℃范圍的液體、蒸汽介質(zhì)以及固體的表面溫度。熱電效應(yīng)：熱電偶是利用熱電效應(yīng)制成的溫度傳感器[56]。： 熱電偶的組成圖把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料A、B連接形成閉合回路，將兩個極端分別置于溫度為T和T0(TT0)的熱源中，則回路中就產(chǎn)生熱電動勢(簡稱熱電勢)，可用Eab(T，T0)表示，這種現(xiàn)象稱為電熱效應(yīng)，把這兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。A和B稱為熱電極，溫度高的極點(diǎn)稱為熱端(或工作端)，溫度低的極點(diǎn)稱為冷端(或參考端)。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由兩種導(dǎo)體的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢所組成[57][58]。熱電偶的類型有多種，在測量高溫時通常使用的有鎳鉻——鎳硅(K型)、鉑銠——鉑(S型)、鎳鉻——銅鎳(E型)三種熱電偶，在本設(shè)計中選用的是鎳鉻——鎳硅K型熱電偶。K型熱電偶的穩(wěn)定性較高，可在氧化性和中性介質(zhì)中長期測900℃以下溫度，短期可測量1200℃。它的回復(fù)性較好，產(chǎn)生熱電勢較大，線性好，測溫精度高，價格便宜。但它在還原性介質(zhì)中易被腐蝕，能測500℃以下的溫度，且測量精度較高，并且完全能滿足工業(yè)要求，是工業(yè)中最常用的一種熱電偶。本文研究的無線測溫終端最終選擇了K型熱電偶作為溫度傳感器。本設(shè)計中選用K型熱電偶來進(jìn)行溫度檢測，有以下幾個方面的問題：（1）測溫時其產(chǎn)生的模擬信號很微弱(約為41μV/℃)，需要對其進(jìn)行放大處理。（2）熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為0℃時與測量端的電勢差值，在通常情況下冷端溫度并非0℃，因而需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。（3）熱電偶輸出熱電勢與溫度之間是非線性關(guān)系，需要進(jìn)行線性化處理。（4）輸出的信號為模擬信號，與單片機(jī)等數(shù)字電路接口時要采用數(shù)字化輸出和數(shù)字化接口，需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于傳統(tǒng)的溫度檢測電路采用“傳感器——濾波器——放大器——冷端補(bǔ)償——線性化處理——A/D轉(zhuǎn)換”模式，將熱電偶輸出的毫伏級電壓信號最終轉(zhuǎn)換為與溫度相對應(yīng)的數(shù)字信號與微處理器通信，具有轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、電路復(fù)雜、抗干擾性差、精度低等缺點(diǎn)。因此，若將熱電偶應(yīng)用于實際工業(yè)生產(chǎn)時，須進(jìn)行復(fù)雜的信號放大、轉(zhuǎn)換、查表線性化、溫度補(bǔ)償和數(shù)字化輸出接口等軟硬件設(shè)計。這些都使測溫系統(tǒng)成本高、開發(fā)周期長，嚴(yán)重影響了它們的廣泛應(yīng)用。為此，一些廠商推出了集成溫度傳感器。這些集成溫度傳感器將溫敏器件、偏置電路、放大電路和線性化電路集成在同一個芯片上，其輸出通常為正比于所測溫度的直流電壓或直流電流，使用方便、外圍電路簡單、性能穩(wěn)定可靠。但由于受本身結(jié)構(gòu)的限制，這些集成溫度傳感器通常測溫范圍小(50℃～+150℃)，并且其使用環(huán)境有很多限制，因此，在一些測溫范圍寬、工作環(huán)境惡劣的場所，無法使用集成溫度傳感器。實際應(yīng)用中，由于中間環(huán)節(jié)較多，調(diào)試較為困難，系統(tǒng)的抗干擾性能往往也不是很理想。如果能將上述的功能集成到一個芯片中，即采用單芯片來完成信號放大、冷端補(bǔ)償、線性化和數(shù)字化輸出功能，則將大大簡化熱電偶在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計。MAX6675是K型熱電偶串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能獨(dú)立完成信號放大、冷端補(bǔ)償、線性化、A/D轉(zhuǎn)換及SPI（Serial Peripheral Interface，串行外圍設(shè)備接口）串口數(shù)字化輸出功能，大大簡化了熱電偶測量設(shè)備的軟/硬件設(shè)計。在本設(shè)計中，采用的是高精度的集成芯片MAX6675來完成“K型熱電偶電勢——溫度”的轉(zhuǎn)換，不需外圍電路、I/O接線簡單、精度高、成本低。 MAX6675介紹美國MAXIM公司推出的數(shù)字輸出型的K型熱電偶信號處理集成芯片MAX6675，測溫范圍為0℃～℃。由于使用K型熱電偶作為溫度傳感器，因此由其組成的測溫系統(tǒng)可應(yīng)用在各種惡劣的工作環(huán)境下，MAX6675在繼承了集成溫度傳感器電路簡單、使用方便、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，有效解決了集成溫度傳感器測溫范圍小和使用環(huán)境受限制的缺點(diǎn)。MAX6675為8腳SO封裝。 MAX6675引腳功能表引腳號名稱功能1GND接地2T低電平端3T+高電平端4Vcc供電電壓5SCK輸入脈沖引腳6CS片選7SO溫度數(shù)據(jù)輸出引腳8NC懸空MAX6675是復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器。主要包括：低噪聲電壓放大器A電壓跟隨器A冷端溫度補(bǔ)償二極管、基準(zhǔn)電壓源、12位AD