煤田火災無線自組網鉆孔溫度遠程監控系統的開發研究畢業論文-資料下載頁

　　

【正文】 采集，并將數據通過ZigBee網絡上傳到ZigBeeGPRS網關節點，再由ZigBeeGPRS網關將數據發送到GPRS網絡。（2）GPRS傳輸網絡：將采集的信號轉換為計算機和操作人員可識別的信號量，并由ARM處理器進行處理，或接收監控中心下發的控制指令以進行相應的網絡設置，通過GPRS無線模塊與GPRS網絡建立無線連接，通過GPRS網絡，實現數據的遠距離傳輸，最終發送到Internet網絡。（3）上位機監控中心：包括監控中心服務器及其應用軟件、數據庫系統、移動終端(移動電話或者手提電腦等)以及向外延伸的企業內部局域網。由于下位機可以直接把數據通過互聯網傳送到監控中心服務器，所以服務器端不用購置GPRS模塊，可以通過互聯網直接接收由下位機發來的數據，而移動終端可以通過GPRS方式及時接收下位機發送來的數據，并且可以通過手機以短消息的方式查看現場的情況。數據庫系統主要是存儲數據，便于日后查詢，定期將數據進行統計、匯總，輸出分析曲線或圖表。在系統運行過程中，監控中心服務器可以對無線測溫終端的參數進行設定，并可以對采集到的溫度數據進行存儲、分析和匯總，便于工作人員對監測點的火災情況進行觀察和分析。監控中心一方面與數據采集終端雙向通信，實時接收從采集終端上傳的數據和報警信息，并記入數據庫供查詢；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、報警信息、各項參數統計結果，并能以曲線或表格等形式表現出來，使得管理人員可直觀地了解現場的狀況。 系統通信模式（1）自動上報方式：自動上報式系統也稱為事件報告系統。它的數據傳輸受被測量的變化控制，即當被測溫度有變化時，系統便會產生代表該溫度值的數據傳輸，監控中心隨時處于接收狀態，在收到數據時進行存儲或轉發到上級監控中心，完成一次數據采集傳送或存貯處理過程，而當被測溫度無變化時，系統處于守候狀態。另外有一種定時自動上報方式系統，它的數據采集和傳輸是受預先設定的時間控制的，每隔一個設定時間間隔，都會啟動一次采集和傳輸。自動上報方式的優點：無線測溫終端較簡單，可設計為掉電守候狀態，功耗很小，而且監控中心收到的數據具有較好的連續性，便于了解溫度的變化過程。（2）應答式：應答式系統由監控中心根據定時自動發出查詢指令或由人工隨時根據需要發出查詢指令，向系統各監測點呼叫，它們收到監控中心的指令后立即采集數據并發送至監控中心。應答式系統是雙向信道的數據通信系統，工作時各監測點按監控中心指令逐個響應查詢。應答式系統的數據傳輸一般須加差錯控制以保證傳輸的可靠性，因此系統的傳輸效率較低。另外，由于監測點隨時要接收監控中心的指令，監測點始終要處于工作狀態，這樣便增加了監測點的功耗，也是不足之處。為了實現系統的上述數據傳輸功能，無線測溫終端節點的ZigBee接收器一直處于工作狀態，隨時接收監控中心發送來的數據采集指令，該節點的處理器和溫度傳感器在沒有任務的時候處于睡眠狀態，只有在接受到采集指令或定時到達時，才喚醒工作。這樣可以降低終端節點工作時的能耗。 監控系統的特點本系統利用了ZigBee網絡和GPRS網絡各自的優勢，滿足了煤田火災監測系統的需要。其特點如下：（1）ZigBee網絡是面向短距離通信，而GPRS網絡是面向遠距離通信，兩者能夠優勢互補，能夠實現大范圍、遠距離的煤田火災遠程監控。（2）ZigBee單個節點成本低，而GPRS是按流量計費，適合煤田火災監控系統的小數據流量傳輸要求，整個系統的成本較低。（3）ZigBee的功耗較低，無線溫度傳感器節點除射頻接收部分外，其它模塊大部分時間都處于睡眠狀態，只有在數據傳輸時才被喚醒，功耗較低，節點可工作在野外無交流供電狀況下，并且運行時間較長。（4）GPRS具有實時在線的特性，數據傳輸時延小，能很好的滿足系統對數據傳輸實時性的要求，提高了信息處理能力。（5）GPRS采用完善的頻分復用機制，具有很強的抗干擾性能，數據傳輸可靠。ZigBee技術采用了碰撞避免機制，具有極低的丟包率和傳輸出錯率，這使得整個系統的信息收集和傳遞具有很高的可靠性。 本章小結（1）介紹了ZigBee技術及其網絡拓撲結構，GPRS技術及其網絡結構。（2）探討了Internet網絡技術涉及的C/S結構和B/S結構及兩種結構的比較；根據兩種結構各自的特點和優勢，結合煤田火災現場的實際情況和需求，本系統采用了兩種模式結合的體系結構。（3）指出了系統要求、功能需求和設計原則，根據煤田火區現場的實際情況，給出了系統的總體設計方案，分析了監控系統的構成，介紹了系統的通信模式，對監控系統的功能進行了劃分，最后概述了監控系統的特點。213 無線測溫終端的設計3 無線測溫終端的設計將無線傳感器網絡應用于煤田火災遠程監控系統，針對其自身特點以及現場的實際情況引進了基于ZigBee技術的無線傳感器自組網絡，本章主要涉及網絡中無線測溫終端節點的硬件結構、硬件平臺、硬件設計和軟件設計以及電路原理圖和實物的實現。 無線測溫終端的硬件結構組成在ZigBee無線自組網絡系統中，無線測溫終端是重要的組成部分，它負責溫度傳感器數據的采集、處理和發送等，是ZigBee網絡數據的主要來源。作為一個完整的微型計算機系統，要求其組成部分的性能必須是協調和高效的，各個模塊實現技術的選擇需要根據實際的應用系統要求而進行權衡和取舍。無線測溫終端主要由K型熱電偶、MAX6675熱電偶數字轉換器、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊五部分組成。K型熱電偶負責對鉆孔內溫度進行信息采集和傳輸，MAX6675熱電偶數字轉換器負責對采集到的熱電勢信號進行放大、濾波、冷端補償、線性化和數據轉換等處理；微處理器模塊負責對整個節點進行控制和管理；無線通信模塊負責節點之間按一定的通信協議相互通信；電源模塊為節點供電，提供各部分運行所需的電量[55]。自組織形成的無線網絡有些測溫終端可以充當路由功能，可以實現多跳和續傳，并把收集到的溫度數據傳送到ZigBeeGPRS網關。電源模塊K型熱電偶無線通信模塊微處理器模塊MAX6675PC機RS232或USB 無線測溫終端硬件結構圖 節點硬件平臺 ZigBee無線傳輸模塊介紹Chipcon公司生產的無線片上系統(SOC) CC2430芯片， ISM (Industrial Scientific Medical)波段應用對低成本、低功耗、體積小的要求。 DSSS(直接序列擴頻)射頻收發器核心和一個工業級小巧高效的8051控制器。考慮到協議棧、網絡和應用軟件的執行對微處理器處理能力的要求，CC2430包含一個增強型工業標準的8位8051微控制器內核，運行時鐘32MHZ。由于更快的執行時間和通過除去被浪費掉的總線狀態的方式，使得該增強型8051內核具有8倍的標準8051內核的性能。 CC2430的內部框圖CC2430芯片的主要特點如下：◆高性能和低功耗的8051微控制器核；◆；◆優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性；◆，外部的中斷或RTC(RealTime Clock，實時時鐘)能喚醒系統；，外部的中斷能喚醒系統；◆硬件支持CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，載波偵聽多點接入/沖突避免)功能；◆較寬的電壓范圍(~)；◆數字化的RSSI/LQI(Receive Signal Strength Indicator/Link Quality Indicator，信號強度指示/鏈路質量指示)支持和強大的DMA(Direct Memory Access，直接存儲器訪問)功能；◆具有電池監測和溫度感測功能；◆集成了14位模數轉換的ADC；◆集成AES(Advanced Encryption Standard，高級加密標準)安全協處理器；◆帶有2個強大的支持幾組協議的USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/異步串行接收/發送器)，(Media Access Control，媒體訪問控制)計時器，1個常規的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內核與無線收發模塊集成到一個芯片當中因而簡化了電路的設計過程，省去了對單片機與無線收發芯片之間接口電路的設計，縮短了研發周期。其原理圖主要包括接口電路、芯片晶振電路、天線電路、入網指示電路及復位電路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行濾波，該部分電路參考了Chipcon公司的濾波電容組設計。芯片晶振設計：CC2430工作需要兩個時鐘晶振，第一個為32MHz，為無線收發時鐘；，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成一個天線電路，此電路參照了TI公司提供的設計。入網指示電路：，用于顯示網絡所處的狀態。復位電路：由限流電阻，濾波電容和按鍵組成，實現低電平復位。 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換成電量變化的裝置。將溫度轉換為電勢的熱電式傳感器叫熱電偶，將溫度轉換為電阻值的熱電式傳感器叫熱電阻。熱電偶作為工業測溫中應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，性能穩定結構簡單，且動態響應好，輸出直接為電壓信號，便于遠傳，可以集中檢測和控制等特點，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，直接測量各種工業生產過程中40℃~1800℃范圍的液體、蒸汽介質以及固體的表面溫度。熱電效應：熱電偶是利用熱電效應制成的溫度傳感器[56]。： 熱電偶的組成圖把兩種不同的導體或半導體材料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，則回路中就產生熱電動勢(簡稱熱電勢)，可用Eab(T，T0)表示，這種現象稱為電熱效應，把這兩種不同材料的導體或半導體的組合稱為熱電偶。A和B稱為熱電極，溫度高的極點稱為熱端(或工作端)，溫度低的極點稱為冷端(或參考端)。熱電偶產生的熱電勢由兩種導體的接觸電勢和單一導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，在本設計中選用的是鎳鉻——鎳硅K型熱電偶。K型熱電偶的穩定性較高，可在氧化性和中性介質中長期測900℃以下溫度，短期可測量1200℃。它的回復性較好，產生熱電勢較大，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要求，是工業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。本設計中選用K型熱電偶來進行溫度檢測，有以下幾個方面的問題：（1）測溫時其產生的模擬信號很微弱(約為41μV/℃)，需要對其進行放大處理。（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℃，因而需要進行溫度補償。（3）熱電偶輸出熱電勢與溫度之間是非線性關系，需要進行線性化處理。（4）輸出的信號為模擬信號，與單片機等數字電路接口時要采用數字化輸出和數字化接口，需進行A/D轉換。由于傳統的溫度檢測電路采用“傳感器——濾波器——放大器——冷端補償——線性化處理——A/D轉換”模式，將熱電偶輸出的毫伏級電壓信號最終轉換為與溫度相對應的數字信號與微處理器通信，具有轉換環節多、電路復雜、抗干擾性差、精度低等缺點。因此，若將熱電偶應用于實際工業生產時，須進行復雜的信號放大、轉換、查表線性化、溫度補償和數字化輸出接口等軟硬件設計。這些都使測溫系統成本高、開發周期長，嚴重影響了它們的廣泛應用。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、性能穩定可靠。但由于受本身結構的限制，這些集成溫度傳感器通常測溫范圍小(50℃～+150℃)，并且其使用環境有很多限制，因此，在一些測溫范圍寬、工作環境惡劣的場所，無法使用集成溫度傳感器。實際應用中，由于中間環節較多，調試較為困難，系統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、冷端補償、線性化和數字化輸出功能，則將大大簡化熱電偶在嵌入式領域的應用設計。MAX6675是K型熱電偶串行模數轉換器，它能獨立完成信號放大、冷端補償、線性化、A/D轉換及SPI（Serial Peripheral Interface，串行外圍設備接口）串口數字化輸出功能，大大簡化了熱電偶測量設備的軟/硬件設計。在本設計中，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可應用在各種惡劣的工作環境下，MAX6675在繼承了集成溫度傳感器電路簡單、使用方便、性能穩定等諸多優點的基礎上，有效解決了集成溫度傳感器測溫范圍小和使用環境受限制的缺點。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溫度數據輸出引腳8NC懸空MAX6675是復雜的單片熱電偶數字轉換器。主要包括：低噪聲電壓放大器A電壓跟隨器A冷端溫度補償二極管、基準電壓源、12位AD