基于ZigBee技术的储煤场温度监测系统

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.31MB 73 页 15积分
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摘 要
火力发电厂的主要燃料是煤炭，由于基本为露天堆放，煤与空气的长期接触，
容易引发煤堆发热和自燃，给安全生产带来隐患。为了及时分析和掌握煤堆的现
场情况，本文采用无线传感器网络技术采集、处理和传输现场信息，实时监控煤
温变化，保证电厂的安全运行。
本文通过深入研究无线网络技术的发展现状及其在远程控制中的应用情况，
结合煤堆温度监测的现状，选择低速率、低功耗、低成本的短距离无
线网络技术 ZigBee 作为本项目的数据通信解决方案，仔细分析了 ZigBee 协
议栈的相关内容和基于 ZigBee 协议的组网方式。通过将能够感知多种环境信息的
智能微传感器节点密集地布置于待测区域中，用 ZigBee 多跳自组织无线传感网络
系统实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息。提出
并设计了基于 ZigBee 无线技术的煤堆温度无线监测系统，设计了无线测温插杆、
终端节点、中心节点，对硬件系统终端节点的能耗进行了分析和测算，实现了煤
温的无线监测。并对无线传输技术进行了深入的探讨，搭建了实验平台，对无线
传输的性能进行测试，通过对测试结果进行分析，对于 ZigBee 无线通信网络的解
决方案进行评估。
测试结果表明，本文根据 IEEE802.15.4 协议，利用 JN5121 ZigBee 无线模块
等设计建立的煤堆温度无线测控系统，其软件、硬件设计是成功的，应用效果良
好。设计建立的实验平台，也为今后进行更加深入的无线传输技术研究工作奠定
了很好基础。
关键词：ZigBee 煤堆温度 IEEE802.15.4 JN5121 无线传感器
场
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生产
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、湿度和光线数据
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ABSTRACT
The main power plant fuel is coal, as mostly stored in an open area, the coal dump
is prone to thermo-positive and spontaneous combustion because of its long-term
exposure to air, and brings security risks for safety in production. In order to timely
analyze and master the stockpile’s status, the paper propose using wireless sensor
network technology to acquire, process and transmit site information, real-time
monitoring coal temperature changes, to ensure the safe operation of the power plant.
Through in-depth study of the development of wireless network technology and
its application in remote control, combining with the Stockpiled coal temperature
monitoring status, a low-rate, low-power, low-cost short-range wireless networking
technology ZigBee is chosen as the data communications Solutions for this project. By
intensively laying out intelligent micro-sensor nodes which may sense variety
environmental information in the measuring region, through multi-hop
self-organization ZigBee wireless sensor network, we can real-time monitor, aware and
acquire the environment or measuring objects information within the distributed
network region. A Stockpiled coal wireless temperature monitoring system based on
the ZigBee wireless technology has been proposed and designed, the design involves
wireless temperature-inserted knots, the terminal nodes, the central node, and the
energy consumption analyzing and calculating for the hardware system terminal node.
The coal temperature data can be wireless monitoring in this system. Wireless
transmission technology is also conducted in-depth study. An experimental platform
which used to test wireless communication performance has been implemented. After
analyzing the test result, evaluation for the ZigBee wireless communications network
solutions is given at the end of this paper.
Test results show that the stockpiled coal wireless temperature monitoring
system,which developed in accordance with IEEE802.15.4, using JN5121 ZigBee
wireless module, is successful either for software or hardware, and has good
application results. The established experimental design platform will be a good
foundation for the future in-depth wireless transmission technology research work.
Key Word: ZigBee, stockpiled coal temperature, JN5121,
wireless sensor
, humidity and the lighting
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S
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,
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目 录
摘 要 ...............................................................................................................................2
ABSTRACT .....................................................................................................................3
目 录 ...............................................................................................................................4
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 课题背景..........................................................................................................1
§1.2 煤堆自燃的原因、过程及监测现状..............................................................1
§1.2.1 煤堆发生自燃的条件...........................................................................1
§1.2.2 煤堆自燃的过程...................................................................................2
§1.2.3 煤堆温度监测的现状...........................................................................3
§1.3 无线传感器网络国内外研究现状..................................................................3
§1.4 无线传感器网络的研究热点..........................................................................4
§1.5 课题主要研究内容..........................................................................................4
第二章 无线传感器网络 .............................................................................................. 6
§ 2.1 无线传感器网络体系结构.............................................................................6
§ 2.2 无线传感器节点结构.....................................................................................7
§ 2.3 无线传感器网络的主要特点.........................................................................7
§ 2.3.1 大规模网络...........................................................................................7
§ 2.3.2 自组织网络..........................................................................................8
§ 2.3.3 异动态性网络......................................................................................8
§ 2.3.4 可靠的网络..........................................................................................8
§ 2.3.5 应用相关的网络..................................................................................8
§ 2.3.6 以数据为中心的网络..........................................................................9
§ 2.4 无线传感器网络的限制..................................................................................9
§ 2.4.1 电源能量有限......................................................................................9
§ 2.4.2 通信能力有限....................................................................................10
§ 2.4.3 计算机存储能力有限........................................................................10
§ 2.5 几种常见的无线传感器网络通信技术........................................................11
§ 2.5.1 蓝牙（Bluetooth）............................................................................11
§ 2.5.2 Wi-Fi 技术 .......................................................................................... 12
§ 2.5.3 NFC 技术............................................................................................12
§ 2.5.4 UWB 技术.......................................................................................... 12
§ 2.5.5 ZigBee 技术 ........................................................................................13
§ 2.5.6 几种无线通信技术的性能比较.........................................................13
§ 2.6 无线传感器网络的应用...............................................................................13
§ 2.7 无线传感器网络技术在堆煤温度监测中的应用探讨................................14
§ 2.8 本章小结.......................................................................................................15
第三章 ZigBee 技术 ......................................................................................................16
§3.1 ZigBee 技术简介 ............................................................................................16
§3.1.1 ZigBee 发展状况 .................................................................................16
§3.1.2 ZigBee 技术的应用领域 .....................................................................16
§3.1.3 ZigBee 技术的主要特点 .....................................................................17
§3.1.4 ZigBee 的设备类型 .............................................................................18
§3.1.5 ZigBee 信道的组成 .............................................................................18
§3.2 ZigBee 网络的拓扑结构 ................................................................................19
§3.2.1 星型拓扑结构.....................................................................................19
§3.2.2 树型拓扑结构.....................................................................................20
§3.2.3 网状拓扑结构.....................................................................................20
§3.3 ZigBee 的协议栈架构和原理 ........................................................................20
§3.3.1 IEEE802.15.4PHY（物理）层...........................................................21
§3.3.2 IEEE802.15.4MAC 层.........................................................................23
§3.3.3 网络层（NWK 层） .......................................................................... 25
§3.3.4 应用层（APL 层） ............................................................................ 27
§3.4 ZigBee 安全管理...........................................................................................27
§3.5 ZigBee 技术工业应用中抗干扰技术的研究 ................................................29
§3.6 本章小结........................................................................................................31
第四章 煤堆温度无线监测系统硬件平台设计.......................................................... 32
§4.1 煤堆温度无线监测系统构成........................................................................32
§4.2 系统硬件选型................................................................................................33
§4.2.1 JN5121 的设计优势............................................................................ 33
§4.2.2 JN5121 无线控制微型器的结构及外围电路.................................... 34
§4.2.3 JN5121 无线控制微型器的外围电路................................................ 34
§4.2.3 JN5121 微型控制器技术特性............................................................ 35
§4.2.4 JN5121 无线收发器技术特性............................................................ 36
§4.3 煤堆温度采集部分........................................................................................36
§4.3.1 煤堆温度探测节点的设计.................................................................36
§4.3.2 温度传感器的选择.............................................................................37
§4.3.3 温度传感器与 JN5121 芯片的硬件连接.......................................... 38
§4.3.4 煤堆温度探测节点的能耗设计.........................................................39
§4.3.5 JN5121 终端节点上的按钮和 LED ................................................... 40
§4.4 煤堆温度无线数据传输部分........................................................................40
§ 4.4.1 中心节点的硬件结构........................................................................40
§4.4.2 中心节点供电.....................................................................................41
§4.4.3 中心节点与 PC 机的连接 ..................................................................41
§4.5 数据处理和以太网数据传输部分.................................................................42
§4.6 本章小结.........................................................................................................43
第五章 煤堆温度无线监测系统软件设计 .................................................................. 44
§5.1 系统协议栈的选择........................................................................................44
§5.2 组网过程........................................................................................................44
§5.2.1 初始化并分配地址..............................................................................46
§5.2.2 信道选择..............................................................................................46
§5.2.3 加入网络.............................................................................................46
§5.2.4 离开网络.............................................................................................47
§5.3 串口无线通信程序设计................................................................................47
§5.4 煤堆温度监测系统程序设计........................................................................50
§5.4.1 终端节点程序设计.............................................................................51
§5.4.2 协调器程序设计.................................................................................52
§5.5 本章小结........................................................................................................55
第六章 组网性能测试及实验分析 .............................................................................. 56
§6.1 测试平台描述及地址分配............................................................................56
§6.2 组网测试........................................................................................................57
§6.2.1 星型网络的数据传输测试.................................................................57
§6.2.2 树型网络的数据传输测试.................................................................59
§6.3 实验测试结论................................................................................................60
§6.4 本章小结........................................................................................................61
第七章 总结与展望 ...................................................................................................... 62
§7.1 主要结论........................................................................................................62
§7.2 展望................................................................................................................63
附录一 JENIC5121 节点俯视图 ................................................................................. 64
附录二 中心节点原理图 .............................................................................................. 64
附录三 终端节点原理图 .............................................................................................. 65
参考文献 .........................................................................................................................66
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 69
致 谢 .............................................................................................................................70
摘 要 2
ABSTRACT 3
目 录 4
第一章 绪论 1
§1.1 课题背景 1
§1.2 煤堆自燃的原因、过程及监测现状 2
§1.2.1 煤堆发生自燃的条件 2
§1.2.2 煤堆自燃的过程 2
§1.2.3 煤堆温度监测的现状 3
§1.3 无线传感器网络国内外研究现状 3
§1.4 无线传感器网络的研究热点 4
§1.5 课题主要研究内容 5
第二章 无线传感器网络 6
§ 2.1 无线传感器网络体系结构 6
§ 2.2 无线传感器节点结构 7
§ 2.3 无线传感器网络的主要特点 7
§ 2.4 无线传感器网络的限制 9
§ 2.4.1 电源能量有限 9
§ 2.4.2 通信能力有限 10
§ 2.4.3 计算机存储能力有限 10
§ 2.5 几种常见的无线传感器网络通信技术 11
§ 2.5.1 蓝牙（Bluetooth）11
§ 2.5.2 Wi-Fi 技术 12
§ 2.5.3 NFC 技术 12
§ 2.5.4 UWB 技术 12
§ 2.5.5 ZigBee 技术 13
§ 2.5.6 几种无线通信技术的性能比较 13
§ 2.6 无线传感器网络的应用 13
§ 2.7 无线传感器网络技术在堆煤温度监测中的应用探讨
14
§ 2.8 本章小结 15
第三章 ZigBee 技术 16
§ 3.1 ZigBee 技术简介 16
§ 3.1.1 ZigBee 发展状况 16
§ 3.1.2 ZigBee 技术的应用领域 16
§ 3.1.3 ZigBee 技术的主要特点 17
§ 3.1.4 ZigBee 的设备类型 18
§ 3.1.5 ZigBee 信道的组成 18
§ 3.2 ZigBee 网络的拓扑结构 19
§ 3.2.1 星型拓扑结构 19
§ 3.2.2 树型拓扑结构 20
§ 3.2.3 网状拓扑结构 20
§ 3.3 ZigBee 的协议栈架构和原理 20
§ 3.3.1 IEEE802.15.4PHY（物理）层 21
§ 3.3.2 IEEE802.15.4MAC 层23
§ 3.3.3 网络层（NWK 层） 25
§ 3.3.4 应用层（APL 层） 27
§3.4 ZigBee 安全管理 27
§3.5 ZigBee 技术工业应用中抗干扰技术的研究 29
§3.6 本章小结 31
第四章 系统硬件平台设计 32
§4.1 煤堆温度无线监测系统构成 32
§4.2 系统硬件选型 33
删除[User]:
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题背景
火力发电厂的主要燃料是煤炭，为了保证锅炉用煤，一般都建有一个或多个
贮煤场，基本为露天堆放，不防雨雪和日晒。煤与空气的接触，不仅会风化，使
煤的质量变坏，而且还会经常发生煤堆发热和自燃现象，从而造成能源的浪费，
环境的污染，同时也给安全生产带来了相当大的隐患[1]。
近几年，在火电厂实施职业健康安全管理体系过程中，都会把贮煤场煤堆的
自燃识别为危险源，进行风险评价，找出治理措施，尽可能地防止煤堆自燃现象
的发生。
传统实现监测的方式是基于有线的传感器数据采集检测，但这有许多重要缺
陷，最主要的是传感器设备必须通过电缆连接到中心数据采集单元，这样势必有
大量的电缆用来铺设、而这是昂贵和耗时的；另外一点就是电缆要预先埋入结构
层中以减少测试成本，但这增加了承包商和工程设计师的工作量，电缆损坏也是
个大问题，因此这也不是一个最优解。
在网络通信技术迅速发展的同时，无线传感器网络也正迅速发展并走向成熟。
无线传感器网络综合了现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算机
等多个学科，能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象
的信息，并对这些信息进行处理，从而获取详尽而准确的信息。无线传感网络包
含大量传感节点，这些节点将被密集地布置于待测区域中，传感节点是一种用于
感知多种环境信息的智能微传感器。
ZigBee是一种低速率(2kbps～200kbps)WPAN IEEE标准，同时它又具有低功耗，
架构简单，成本低的特点，适用于多种无线需求,ZigBee技术弥补了低成本、低功
耗和低速率无线通信市场的空缺，是无线个人网络不可缺少的组成部分，其成功
的关键在于大量丰富而便捷的应用，尤其在工业控制(监视器、传感器和自动控制
设备)等领域更是显示出其独有的优势。
无线形式是传感器下一步的发展方向，也是必然。因此通过无线传感器网络
（WSN）实现工业生产过程监测是有良好前景的[1~2]。而应用 ZigBee 技术，对火电
厂储煤场煤堆温度进行无线监测就是这一新技术的有益尝试。
§1.2 煤堆自燃的原因、过程及监测现状
§1.2.1 煤堆发生自燃的条件
煤堆发生自燃必须具备以下条件：
那
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传输速率只有100Kbps，
删除[User]:
，
删除[User]:
而不是技术本身，
删除[User]:
所以
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基于 ZigBee 技术的储煤场温度监测系统
2
煤本身具有自燃倾向性。
有向煤体内部连续供氧的条件（即煤体内部松散颗粒之间有空气流动的
通道）。
煤与空气结合后氧化产生的热量容易聚集。
颗粒之间有粉沫或碎屑存在。
到目前为止的理论研究认为，煤产生自燃发火的基本原因是煤炭碎屑颗粒
与空气中的氧气产生吸附和氧化作用并产生温升所致。
§1.2.2 煤堆自燃的过程
煤堆在常温下，从惰性风化状态到氧化自燃的全过程，一般可分为三个阶段
见图 1.1。
图 1.1 煤堆自燃的过程
潜伏阶段
煤体暴露于常温下，就吸附空气中的氧，吸氧后的煤体易于在煤表而、内部
（空隙）生成一种不稳定的氧化物和产生微量的热量。此时氧化放热量很少且能
及时散发，煤温并不产生明显增高。在潜伏期内，煤被活化（化学活泼性增加），
煤的着火温度降低。
自燃阶段
经过潜伏阶段的煤体，其氧化速度明显加快。如果在其内部氧化生成的热量，
不能及时地导出去释放掉，那么储煤内部的温度将逐步升高，特别是这个阶段的
后期，煤堆顶部、周围会出现气温上升，产生雾气等现象，释放出碳氢化合物。
燃烧阶段
自燃阶段过后，若储煤堆内部的温度再继续升高，当达到临界温度时（一般
是大于 60ºC）。煤堆内部的氧化速度急剧加快，氧化生成的热量，迅速向四周低
潜伏阶段
时间/h
温度/ºC
0
T0
T
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(l)
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(2)
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(3)
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项目符号和编号
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第一章 绪论
3
温处扩散、传递。在煤堆内部逐步形成积热体，积热体体积逐步扩大，积热体的
数量也不断增加，产生出大量的热能，促使煤体温度迅速上升。当达到着火点时，
就开始进人燃烧阶段，处于自燃状态。
发现煤堆温度达到或超过 60ºC，应测定器高温区域范围，将煤堆中高温区域
范围的煤取出，敞开高温区域，散发热量。不允许往煤堆上灌水，因为灌水水量
不足或灌水不均，水分蒸发产生的大量热量蔓延，会是更多的部位引发自燃。
由此可见，如果在其氧化生成的温度还未达到临界温度前，就进行人为散热，
破坏煤堆内部的积热环境，那么煤堆内部的增温过程便可终止。即氧化过程升热
与散热产生平衡或生成热量小于散失热量时，自燃就会停止，并在经过一段时间
后开始冷却，回到惰性风化状态，见图 1.1 中的虚线所示[4]。
§1.2.3 煤堆温度监测的现状
目前温度监测一般采用的是有线测温设备，即由温度传感器、分线器、测温
分机和监控主机构成。各部件之间采用电缆进行数据传送，这种测温设备线路多，
布线复杂、维护困难[5]。
在煤堆温度监测方面，目前国内主要是通过埋入式传感器将煤堆的温度数据
传输出来，由上位机进行监控。比较新的技术有：使用埋入式光纤光栅温度传感
器，这种传感器通过内部敏感元件口口光纤光栅所反射的光信号中心波长移动量
来检测温度值。
光栅测温精度及分辨率不受光源波动及传输线路弯曲损耗的影响。比较适合
在条件恶劣的环境下使用，在煤场监测方面也具有一定的优势。但由于煤场环境
复杂，不确定因素比较多，煤堆的大小随着日用煤每天都在变化，这给现场布线
带来很大的麻烦，也存在较大的安全隐患。
由此看来，根据无线传感器网络具有的低成本、低功耗、节点可随机分布的
特点，在煤场采用无线传感器网络技术，构建智能传感器，实现数据的无线传输，
从而克服由于煤堆不断变化所带来布点、布线困难等问题在理论上是可行的。
§1.3 无线传感器网络国内外研究现状
无线传感器网络是当今国内外研究的一大热点，在工业控制、环境监测、医
疗保健、空间探索、灾害预测和其他商业用途上具有广阔的应用前景，因为传感
器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，网络的容错能力使其不会
因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，这一点是传统的传感
器所不具备的。
无线传感器的这些特点引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关
注。美国军方有包括 C4KISR 计划、Smart Sensor Web、灵巧传感器网络通信、无
摘要：

摘要火力发电厂的主要燃料是煤炭，由于基本为露天堆放，煤与空气的长期接触，容易引发煤堆发热和自燃，给安全生产带来隐患。为了及时分析和掌握煤堆的现场情况，本文采用无线传感器网络技术采集、处理和传输现场信息，实时监控煤温变化，保证电厂的安全运行。本文通过深入研究无线网络技术的发展现状及其在远程控制中的应用情况，结合煤堆温度监测的现状，选择低速率、低功耗、低成本的短距离无线网络技术ZigBee作为本项目的数据通信解决方案，仔细分析了ZigBee协议栈的相关内容和基于ZigBee协议的组网方式。通过将能够感知多种环境信息的智能微传感器节点密集地布置于待测区域中，用ZigBee多跳自组织无线传感网络系统实...

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