CN102215602A

CN102215602A - 130~1000℃高温煤田火区无线传感器网络监测节点及监测方法

Info

Publication number: CN102215602A
Application number: CN2011101199926A
Authority: CN
Inventors: 曹清华; 陈祖爵; 李善荣; 闫述
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2011-10-12

Abstract

本发明公开一种130~1000℃高温煤田火区无线传感器网络监测节点及监测方法，信号采集板上集成有温度信号调理电路和电源转换电路并固接SPI口接线柱和高温传感器插座；电源转换电路分别电连接电池及节点，高温传感探头通过高温传感器插座与温度信号调理电路相接，温度信号调理电路和高温传感探头之间连接信号线，信号线外空套一个中空钢丝，温度信号调理电路经信号线连接SPI口接线柱，SPI口接线柱经信号线连接节点；先将高温传感探头测量的模拟信号传递给温度信号调理电路，再通过SPI口接线柱传输到节点；最后通过无线通信模块将数据以无线方式传递给汇聚节点；实现人工、有线传输及常温温度传感器所不能完成的测量工作。

Description

130~1000℃高温煤田火区无线传感器网络监测节点及监测方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络监测技术，尤其涉及用于煤田火区130~1000℃高温情况下的监测节点及监测方法。

背景技术

无线传感器网络是一个多跳自组织网络，由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成、通过无线方式进行通信。传感器节点具有监测、计算和通信能力，能通过无线通信模块相互传递信息，协同完成监测任务。无线传感器网络在环境监测、军事侦察、农业生产和医疗健康监护等领域有着广阔的应用前景，特别是在环境监测应用中，传统的人工测量方法受条件限制无法实现实时有效的数据采集，通过有线传输的测量方法也因远离基础设施以及布线困难难以实现，如煤田火区的温度监测等。

现有的无线传感器网络节点一般配备了－40~120℃的温度传感器，没有高温探头，不适合煤田火区高温监测的应用，其缺陷是：

1、在此基础上开发应用的无线传感器网络仅限对常温、常态数据的观测，不能测量正在燃烧的煤田且温度高达130~1000℃等非常态数据。

2、此类常温监测节点的传感器集成在节点芯片上，节点与传感器片无法分离，不能在高温等恶劣环境下保护节点的物理安全。

3、仅限于单点或有线范围的测量，不能进行大面积的无线监测。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术不足，针对煤田火区130~1000℃高温监测的需要，提供一种能够实时动态测量130~1000℃高温煤田火区无线传感器网络监测节点。本发明同时还提供该无线传感器网络监测节点的监测方法，能将高温传感探头采集到的模拟电压信号经调理电路转换成数字信号，并通过无线的方式发送给汇聚节点，实现无线高温监测。

为实现上述目的，本发明的无线传感器网络监测节点采用技术方案是：包括节点和信号采集板，节点上设置无线通信模块，信号采集板上集成有温度信号调理电路和电源转换电路并固接SPI口接线柱和高温传感器插座；电源转换电路分别电连接电池及节点，高温传感探头通过高温传感器插座与温度信号调理电路相接，温度信号调理电路和高温传感探头之间连接信号线，信号线外空套一个中空钢丝，温度信号调理电路经信号线连接SPI口接线柱，SPI口接线柱经信号线连接节点。

本发明的无线传感器网络监测方法包括如下步骤：1）将高温传感探头测量的模拟信号通过信号线以电压的形式传递给温度信号调理电路，经放大、整形和模数转换成数字信号，通过SPI口接线柱传输到节点；2）节点对数字信号进行移位和进制的转换后形成实际可读数据；3）通过无线通信模块将数据以无线方式传递给汇聚节点，汇聚节点利用与之相连的GPRS将数据发送给远端服务器。

本发明采用上述技术方案后的有益效果是：

1、通过布置在火区的高温传感器测量数据，以无线的方式汇聚后经GPRS远程发送到监测中心，实现人工、有线传输、常温温度传感器所不能完成的测量工作。

2、高温监测节点能够在煤田火区的温度监测中应用，观测温度范围在0~1023.75℃，可实现实时数据采集。

3、高温传感探头置于观测点处，节点和温度采集调理电路放置在相对安全的地方并得到保护，节点可以灵活方便地应用于各种高温环境的监测中。

4、采用SPI接口数据通信方法以及数据读取方式，不局限于高温数据的采集，可应用于其他传感器信号采集中。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明的无线传感器网络监测节点的硬件结构连接示意图；

图2是图1中信号采集板6的电路结构图；

图3是JN5139芯片与MAX6675芯片的连接图；

图4是监测节点的封装效果图；

图中：1.节点；2.无线通信模块；3.SPI口接线柱；4.高温传感探头；5.电池；6.信号采集板；7.信号线；8.中空钢丝；9.温度信号调理电路；10.电源转换电路；11.太阳能电池板；12.密封盒；13.钢柱；14.高温传感器插座。

具体实施方式

参见图1，本发明的无线传感器网络监测节点的硬件结构包括节点1、高温传感探头4、信号采集板6和电池5。节点1可采用北京***科技有限公司的JN5139系列节点，节点1的芯片为JN5139，工作频率为2.45GHz，工作电压为3V。在节点1上设置无线通信模块2。为支持较长的野外工作时间，电源采用6V12Ah蓄电池供电。高温传感探头4深埋地下探测高温，采用K型热电偶高温传感探头，测量范围是－40~1300℃，长时间工作范围为0~1000℃，测量误差在小于300℃时为±2.5℃，高于300℃时为测量值×±0.75%。

在信号采集板6上集成有温度信号调理电路9和电源转换电路10，信号采集板6上固定安装SPI口接线柱3和高温传感器插座14。温度信号调理电路9采用MAX6675芯片，可进行信号放大与数字转换处理。电源转换电路10采用HT7330芯片。电源转换电路10分别电连接电池5及节点1，电源转换电路10将电池5的6V电压转换为3V的稳定电压给节点1供电。温度信号调理电路9和高温传感探头4之间连接信号线7，可将高温传感探头4通过信号采集板6上的高温传感器插座14与温度信号调理电路9相连接，在温度信号调理电路9和高温传感探头4之间的信号线7外空套一个中空钢丝8，起保护其间信号线7的作用。温度信号调理电路9经信号线7连接SPI口接线柱3，SPI口接线柱3经信号线7连接节点1。这样，高温传感探头4测量的模拟信号以电压的形式传递给温度信号调理电路9，经温度信号调理电路9进行放大、整形和模数转换后形成数字信号，数字信号通过SPI口接线柱3所连接的信号线7传输到节点1，节点1对数字信号进行移位和进制的转换后形成实际可读数据，通过无线通信模块2以无线方式传递给汇聚节点，汇聚节点利用与之相连的GPRS将数据发送给远端服务器，实现对火区燃烧煤层的高温远程无线监测。

参见图2，电源转换电路10采用的HT7330芯片的Vin端连接电池5、Vout端能够输出稳定的3.1V电压、Vin和Vout端口均接入0.1uf和200uf电容，用来进行高频和低频滤波。此电路转换效率高，自耗电流小，只有0.9mA。电池5经两个二极管降压后接入温度信号调理电路9的MAX6675芯片的VCC引脚；MAX6675芯片的T+和T-两个端口连接高温传感器插座14的正负极；T-与GND端相连直接接地；VCC端与地之间接电容；SCK引脚为时钟输入，CS为控制引脚，SO为信号输出端。

参见图3，节点1的JN5139芯片为主控单元，温度信号调理电路9的MAX6675芯片为从属芯片；JN5139的SCLK引脚与MAX6675的SCK引脚相连，用以提供时钟信号；JN5139的DIO0引脚与MAX6675的引脚相连，用作片选；JN5139的MISO（主入从出）引脚与MAX6675的SO引脚相连，用以接收数字信号。

在实际应用时需对图1中的节点1、信号采集板6和电池5进行封装，如图4所示。为保护相对脆弱节点1，需要将节点1和信号采集板6与高温传感探头4相分离。将节点1、电池5、信号采集集成板6放在密封盒12内，置于安全地点，用钢柱13把密封盒12架高；无线通信模块2以天线置于密封盒12之外的钢柱13顶端，也可根据需要封装在密封盒12内；高温传感探头4置于测温点（测温点置于地下燃烧煤层中），由信号线7与节点1相连；信号线7可根据需要选择合适长度，放置于中空钢丝8中以得到保护。如果需要更长时间野外工作，可以加上太阳能板11进行持续性供电，整体封装效果如图4所示。

图1所示的监测节点在监测时：将高温传感探头4添加到无线传感器网络节点1上，温度信号调理电路9将高温传感探头4测量的原始量进行处理，通过SPI口接线柱3对接，实现数据的采集与转发，形成高温监测节点。具体步骤如下：

1、硬件电路正确连接，并上电。

2、节点1的JN5139芯片对SPI口接线柱3的SPI接口进行初始化，选择使用的SPI设备的数量为1、数据发送的首位是高位、发送和接收数据均使用SLK时钟的上升沿、时钟速率为0.25MHz、不使用SPI中断和自动片选功能。

3、节点1的JN5139芯片在DIO0引脚产生一个高电平到低电平的跳变，自动片选进行数据传递，并打开。

4、节点1的JN5139芯片设置发送数据，通过SPI口接线柱3的SPI口发送给MAX6675芯片，激活SPI时钟。发送数据包含节点1的状态，大小为MAX6675芯片的一个写周期16bit。

5、由于SPI接口采用循环移位寄存器的原理，当节点1发送完数据后需要等待一段时间，从MISO引脚读入MAX6675芯片的数据，一个读周期接收16bit。

6、节点1处理器芯片对接收到的数据进行分析、移位、进制转换，形成可读数据。接收到的MAX6675芯片数据为16位（如表1所示），温度值与数字量的对应关系为：温度值=0.25×转换后的数字量。

表1 温度信号调理电路9的 MAX6675芯片的SO端输出温度数据格式

读状态标志置为1表示数据读取完毕，关闭SPI接口。再次传递数据时需要再次打开SPI接口，以防SPI时钟错位。

7、JN5139芯片利用无线射频模块2把数据发送给汇聚节点或其他路由节点。

程序编译及下载：通过Clodblocks开发环境将编写好的类C语言程序编译生成bin文件，再通过Flashprogram程序烧写工具将bin文件下载到传感器节点1的JN5139芯片中。

按照上述步骤，高温监测节点1就可以将观测数据采集并发送给汇聚节点。利用高温传感器采集数据，通过SPI口传送给节点1，节点1把数据进行移位、进制转换形成可读数据后通过无线的方式传送出去，最终到达远端服务器。用户如果需要其他特殊的监测数据，也可以利用本发明，只需将高温传感探头4替换为所需要的传感器，并把接收到的数据进行相应的转换。

Claims

1.一种130~1000℃高温煤田火区无线传感器网络监测节点，包括节点（1）和信号采集板（6），节点（1）上设置无线通信模块（2），其特征是：信号采集板（6）上集成有温度信号调理电路（9）和电源转换电路（10）并固接SPI口接线柱（3）和高温传感器插座（14）；电源转换电路（10）分别电连接电池（5）及节点（1），高温传感探头（4）通过高温传感器插座（14）与温度信号调理电路（9）相接，温度信号调理电路（9）和高温传感探头（4）之间连接信号线（7），信号线（7）外空套一个中空钢丝（8），温度信号调理电路（9）经信号线（7）连接SPI口接线柱（3），SPI口接线柱（3）经信号线连接节点（1）。

2.根据权利要求1所述的130~1000℃高温煤田火区无线传感器网络监测节点，其特征是：节点（1）具有JN5139芯片，温度信号调理电路（9）具有MAX6675芯片，电源转换电路（10）具有HT7330芯片。

3.一种130~1000℃高温煤田火区无线传感器网络监测节点的监测方法，其特征是包括如下步骤：

1）将高温传感探头（4）测量的模拟信号通过信号线（7）以电压的形式传递给温度信号调理电路（9），经放大、整形和模数转换成数字信号，通过SPI口接线柱（3）传输到节点（1）；

2）节点（1）对数字信号进行移位和进制的转换后形成实际可读数据；

3）通过无线通信模块（2）将数据以无线方式传递给汇聚节点，汇聚节点利用与之相连的GPRS将数据发送给远端服务器。

4.根据权利要求3所述的监测方法，其特征是：步骤1）中，节点（1）的JN5139芯片数据发送的首位是高位，发送和接收数据均使用时钟的上升沿；然后产生一个高电平到低电平的跳变，通过SPI口接线柱（3）的SPI口发送给温度信号调理电路（9）的MAX6675芯片。