【正文】 心數(shù)據(jù)服務(wù)器構(gòu)建透明的數(shù)據(jù)傳輸通道，運行可靠、數(shù)據(jù)采集實時性強、漏碼誤碼少、運行費用低等。與星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲不同的是，對等網(wǎng)絡(luò)拓撲中的任意兩個設(shè)備只要彼此都在對方的無線輻射有限范圍內(nèi)，就可以直接通信，無需通過ZigBee協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)。終端設(shè)備之間相互獨立，它們之間的通信是通過ZigBee協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)發(fā)來完成的。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。當網(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)。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。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。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)。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。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。（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。（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)。（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。因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制應(yīng)用。（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。（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。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。92 系統(tǒng)涉及的理論基礎(chǔ)及方案設(shè)計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。（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。 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Internet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。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。 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Internet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。（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。（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。本課題主攻方向明確，研究目標適度，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。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。 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。將GPRS技術(shù)應(yīng)用于遠程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是當前比較熱門的研究課題，采用GPRSInternet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Internet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。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]?；跓o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。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(yīng)用。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。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。國內(nèi)對于遠程監(jiān)控技術(shù)也開展了積極的研究。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(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。意大利Pirelliamp。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(shè)備運行監(jiān)測系統(tǒng)Data Manager 2000可以通過網(wǎng)絡(luò)動態(tài)數(shù)據(jù)交換(Net DDE)的方式向遠程終端發(fā)送設(shè)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(luò)通訊處理模塊，因而可以通過WWW、FTP、Email等方式在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)進行監(jiān)控數(shù)據(jù)的遠程傳送。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(nèi)的信息監(jiān)控和診斷推理。由斯坦福大學(xué)和麻省理工學(xué)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。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(xué)和麻省理工學(xué)院聯(lián)合主辦，參會的有30個公司和研究機構(gòu)的50多位代表。因此，傳統(tǒng)的遠程監(jiān)控方式無法滿足人們?nèi)找姘l(fā)展的要求[26]。而后兩種方式需要自己建設(shè)或租用運營商專線，維護和建設(shè)費用比較高。傳統(tǒng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方式主要有：鋪設(shè)光纖或電纜，采用數(shù)傳電臺，租用運營商專用線路等。 遠程監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)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(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，通過安裝在現(xiàn)場的傳感器及音、視頻設(shè)備，遠隔千里便可隨時了解現(xiàn)場的生產(chǎn)和設(shè)備狀況，對生產(chǎn)現(xiàn)場進行監(jiān)測和診斷。由于網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)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。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開放的標準為不同廠家、不同功能的監(jiān)控模塊實現(xiàn)互連與互操作提供了可能，最大限度地保護了礦業(yè)企業(yè)的信息化投資。目前國內(nèi)外在無線傳感器方面有一些標準和知識產(chǎn)權(quán)，如國際性的標準化組織也為無線自組網(wǎng)溫度傳感器制定了可行的標準，但無線自組網(wǎng)溫度監(jiān)測領(lǐng)域無相關(guān)技術(shù)標準和專利授權(quán)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在理論上已經(jīng)成熟，世界兩大無線芯片生產(chǎn)商Chipcon公司（現(xiàn)被TI公司并購）和Freescale公司（原名摩托羅拉半導(dǎo)體）相繼推出符合國際標準的各個頻段的無線收發(fā)器芯片。我國在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究相對較少，但近年來，國內(nèi)一些高等院校和研究機構(gòu)也開始展開了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論和應(yīng)用的研究工作[23][24][25]，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所已經(jīng)通過系統(tǒng)集成的方式完成了一部分終端節(jié)點和基站的研發(fā)；中科院電子技術(shù)研究所和沈陽自動化所也分別從傳感器技術(shù)和控制技術(shù)兩種方面入手，專注于傳感或控制執(zhí)行部分；浙江大學(xué)現(xiàn)代控制工程研究所成立了“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制實驗室”，聯(lián)合相關(guān)單位專門從事面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式自治系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及協(xié)調(diào)控制理論方面的研究；山東省科學(xué)院也認識到了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的前景，于2004年10月正式啟動了關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點操作系統(tǒng)的研究；另外，中科院軟件所、國防科技大學(xué)、清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京郵電大學(xué)、山東大學(xué)、東南大學(xué)等單位在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面也都有一定的研究。但是，目前大部分研究還處于起步階段，少數(shù)投入實用的商業(yè)產(chǎn)品距離實際需求還相差甚遠，為了加快其實用化進程，國外建設(shè)了很多演示系統(tǒng)，相關(guān)的理論研究成果也很多[15][16][17]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最初來源于美國先進國防研究項目局(DARPA, Defense Advanced Research Projects Agency)的一個研究項目[12][13][14]，最初由于當時各種條件的限制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用僅局限于軍方的一些項目中，難以得到推廣和發(fā)展，直到這幾年這方面的研究工作才在各大學(xué)及研究所蓬勃開展起來。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由美國高級國防研究中心用于軍事目的提出并實施的，被認為是21世紀最重要的十大新技術(shù)之一[10]。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢無線感器網(wǎng)絡(luò)的研究起始于20世紀90年代末期，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最早的討論見于1998年的一些論文中[8]?；赯igBee技術(shù)的無線自組網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在很多相似之處，因此很多研究機構(gòu)已經(jīng)把它作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選開發(fā)平臺。為滿足社會的需求，設(shè)計出無線溫度測量與控制系統(tǒng)已經(jīng)成為很迫切的問題之一[7]。因此，溫度傳感器無線傳輸方式的使用必將成為首選的方案。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。盡管煤或圍巖溫度測定法測定準確、可靠，彌補了上述幾種探測方法的不足，但由于溫度傳感器的布置和測溫鉆孔的工作量大，并且是點接觸，預(yù)測預(yù)報范圍小，安裝、維護工作量也大，特別是探頭、引線極易破壞，在實際應(yīng)用中受到技術(shù)條件和經(jīng)濟因素的限制，不宜大面積探火采用。波蘭、俄羅斯曾應(yīng)用此法探測煤層露頭的自燃火區(qū)范圍，探測深度在30m～50m。地面溫度測定法：在自燃火區(qū)的上部利用儀器探測熱流量或利用布置在測溫鉆孔內(nèi)的傳感器測定溫度，根據(jù)測取的溫度用溫度反演法來確定自燃火區(qū)火源的位置。（3）煤或圍巖溫度測定法：該方法是利用測溫傳感器與相關(guān)儀表相結(jié)合測取煤或圍巖溫度的溫度測定法。在英國，一些煤礦已經(jīng)用光纖測溫技術(shù)來探測和監(jiān)測煤礦井下各種活動引起的熱量變化趨勢以及局部溫度，取得了滿意的效果。光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)是通過埋入的光纖溫度傳感器來實時測量內(nèi)部的溫度，埋入式光纖溫度傳感器通過內(nèi)部敏感元件——光纖所反射的光信號中心波長移動量來檢測溫度值，測溫精度和分辨率不受光源波動及傳輸線路彎曲損耗的影響。美國SENSORTRAN公司、韓國SHINKWANG公司最近幾年也陸續(xù)推出不同類型的產(chǎn)品，但其測量距離和測量時間和精度都有缺陷，都還沒有走國際化的道路。（2）光纖測溫法：國外對分布式光纖測溫技術(shù)的研究始于80年代，主要集中在英國、日本和美國。紅外測溫儀是測取點溫，紅外成像儀是掃描成像測取溫度，試驗表明，紅外技術(shù)對于測量煤堆、露頭、巷壁煤柱的自燃很有效，但是它只能探測出物體表面與儀器垂直物體的溫度，而且要求中間無遮擋物。所使用的儀器主要有紅外探測儀和紅外熱成像儀。（1）紅外探測法：紅外探測法主要是探測紅外能量場，通過能量場可綜合判斷煤田的自燃區(qū)域。溫度測定法既可以用于煤層自燃預(yù)報，也可用于火源探測。因此，本研究不僅具有實踐意義，而且也能為未來無線監(jiān)測節(jié)點的智能化和多功能化提供一些參考和借鑒。本課題的研究對西北、以至全國易自燃煤田的安全開采和煤層自燃火災(zāi)防治，都具有一定的參考價值和指導(dǎo)意義。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、環(huán)境復(fù)雜等特點，使得對煤田火災(zāi)的管理、監(jiān)控非常困難。它不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，其快速展開、抗毀性強等特點為野外隨機性的數(shù)據(jù)獲取提供了方便。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點通過協(xié)作的方式實時地監(jiān)測、感知周圍的環(huán)境變化或目標狀態(tài)，并對獲取的信息進行分析、處理，最終將有效信息上傳給用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[5]是由分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點，通過無線通信技術(shù)自組織成的、面向任務(wù)的，以數(shù)據(jù)為中心的多跳網(wǎng)絡(luò)。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。露天煤層的自然發(fā)火受其產(chǎn)生的氧化熱與傳導(dǎo)和對流形成的熱擴散之間平衡狀況的制約，粒度、供氧條件以及周圍環(huán)境條件等都對自然發(fā)火有影響，機理是很復(fù)雜的[4]，預(yù)測預(yù)報也是目前的一大難題。尤其是近幾年來，隨著高產(chǎn)高效綜采放頂煤技術(shù)的推廣，類似于陽泉、太西等開采高變質(zhì)程度無煙煤（以往認為不自燃）的高瓦斯礦井，也頻繁出現(xiàn)煤層自燃現(xiàn)象，并多次引起瓦斯燃燒和爆炸事故，由于礦山火災(zāi)凍結(jié)大量煤炭資源和昂貴的生產(chǎn)設(shè)備，造成了巨大的經(jīng)濟損失和礦山人員傷亡[3]。據(jù)初步估算，煤田自燃每年至少造成200億元的經(jīng)濟損失。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)害最為嚴重的國家。煤田自燃火區(qū)是指埋藏在地下的煤田因自然或人為因素引燃煤