新疆煤田埋藏浅，出露多，从地质时期开始的自燃，随人类活动和小煤矿的无序开采日益加剧，造成了资源的巨大损失和严重的环境灾难.在煤田灭火和火区治理、管理中，除人工巡回(新疆煤田灭火工程处，2000，2006)、航空观测(Radke et al.，2000; 周小虎和林燕，2009)、卫星遥感(Christopher et al.，2009)等监测外还需要有现场探测体积小、孤立分布的火区的方法以及远程控制实时、实地、长期监测温度的手段.为此采用高分辨地电阻率法探测燃烧中心的位置和范围(石显新等，2013)，利用具有现代意义的无线传感器互联网络(Estrin et al.，1999)监测现场温度，同时传输综合电磁探测法探测到的各类参数.能够充分发挥互联网在地球物理探测监测中的优化和集成作用，将互联网创新成果深度融合于传统地勘技术领域之中，对提升煤田地质基勘查的创新和生产能力，具有重要意义.

本文介绍了一种具有电磁勘探、连续采集、远程遥控等主要功能的永久性的无线互联网络远程监测系统.遍及全疆广大火区的无线传感互联网络监测系统与在环境(Kerkez et al.，2012)、人体健康(Blumrosen et al.，2010)、城市(Watteyne and Pister，2011)、建筑结构(Pakzad et al.，2008)、农业(Pierce and Elliott，2008)、煤矿(Zhu and Xie，2013)、滑坡(Ramesh，2014)等领域中的无线传感器网络不同，要特别解决的问题有：综合电磁探测法测量结果的采集和回传，支持永久性无线传感互联网络节点的持续能量供应，远程数据传输中通信链路中断后无须人工干预的自动连通等.在无线传感器网络的开发中，将高分辨地电阻率法使用的单极-偶极装置与节点互联，存储并通过无线的方式发送探测结果；太阳能供电装置保护电路和节点外围电路从开源和节流两个方面解决能量问题；自动重联的心跳包机制和双向通信协议，保证了监测数据和控制指令数据的可靠传输.从2011年11月迄今，部署在松树头、大泉湖和库尔阿肯等处12个火区的无线传感互联网络监测系统已持续工作45个月，电池电量充足，通信链路畅通，现场传回的观测数据完整合理、发往现场的控制指令执行正确.

无线传感互联网络监测系统(图 1)主要由现场数据采集网络、远程传输系统、监测中心服务器三部分组成.网络的上行链路如下：在火烧区部署现场数据采集网络，由单极-偶极装置探测电磁参数并传递给传感器节点，连同现场采集的温度数据一起传输到汇聚节点；通过GPRS(General Packet Radio Service)模块，将汇聚节点数据，利用远程传输系统依次无线传输到移动通信网络、互联网，到达监测中心服务器.同样地，通过下行链路，可以将控制信息从服务器反向传输到现场节点，实现监测中心到现场信号采集网络的畅通.

图 1

Fig. 1

图 1 火区无线传感互联网络监测系统结构 Fig. 1 The structure of Wireless sensor internet network of fire area monitoring system

单极-偶极装置是高分辨地电阻率法常用到的装置.最初是20世纪70年代由美国陆军和矿务局开发应用在军事领域中.随着高分辨地电阻率法和相关技术理论上的深入研究以及探测方法和仪器的改进与完善，此方法在20世纪80 年代后用于地下空洞、煤田采空区、高速公路路基、考古等浅层勘探并取得了很好的地质效果.单极-偶极装置为探测地下洞穴而设计，体积效应小、对孤立异常体灵敏.

在煤田火区传感器节点开发中，选择JN5139芯片为硬件平台，与单极-偶极装置相连，设计满足功能需求的最小外围电路，形成图 2所示的低功耗传感器节点，便于传输探测到的电磁参数.监测中心能够实时掌握旷野中远离基础设施、无人值守的现场采集网络的工作环境和工作状态.JN5139芯片集2.4 GHz频段无线收发器和32位RISC微处理器于一体，既可作为普通传感器节点又可作为汇聚节点，可执行任务调度、能量计算和功能协调、数据转储功能(Jennic，2010).

图 2

Fig. 2

图 2 传感器节点内部结构 Fig. 2 Sensor node interior structure

永久性的现场监测网络由太阳能供电装置提供持续能量.远程监测要求有较高的免维护性，为延长太阳能供电装置维护周期，开发了防止蓄电池过充过放的保护电路.

图 3a的充电保护电路在日照充足时，使太阳能板对蓄电池充电、同时经图 3b的稳压电路直接给节点供电；阳光不足或夜间，太阳能板输出电压低于蓄电池电压时，三极管Q1反向截止，节点转由蓄电池供电.电路采用恒压充电方式，三端稳压器TL431与可调电阻W1组成调节电路，设定充电电压；随蓄电池两端电压的升高，充电电流逐渐减小，直到涓流充电，保证蓄电池不会过充.涓流的大小由Q2与可调电阻W2来调节，根据蓄电池自耗电设定.

图 3

Fig. 3

图 3 太阳能充放电保护电路 (a)充电保护电路;(b)放电保护电路;(c)充放电保护电路板;(d)带有充放电保电路的太阳能供电装置. Fig. 3 Charge and discharge protection circuit of solar power device (a)Charge protection circuit;(b)Discharge protection circuit;(c)Charge and discharge protection circuit board; (d)Solar power device with charge and discharge protection circuit board.

图 3b中，稳压模块HT7330、C1—C4构成的DC-DC电路兼做放电保护电路，结构简单、自耗电低(0.3 mA).当HT7330输入端(1端)电压大于等于蓄电池放电保护电压阈值(3.2 V)时，输出端(2端)电压稳定在3 V，给节点供电.当蓄电池电压降到2.7 V时，HT7330输出端电压逐步降低，直至停止工作、输出电流减小为微安级，进入放电保护.小电容C1、C3滤除高频噪声及脉冲干扰，大电容C2、C4滤除低频噪声.图 3c为充放电保护电路板实物.

传感器节点数据采集与传输日均消耗能量0.126 Ah，为使太阳能供电装置在连续阴、雨、雾、雪和冬季日照短等情况下，有充足的能量储存，给节点配备3.2 V 4Ah的蓄电池，用匹配的5W6V太阳能板约700 mA的电流充电，约6 h(小于一个白昼)充满.蓄电池采用高低温性能较铅酸电池为优的磷酸铁锂电池，以便适应旷野中夏季50 ℃ 的高温和冬季近-40 ℃的低温.图 3d为带有充放电保护电路的蓄电池装置，一次充满可维持节点工作30天左右，足以应付较长时间光照不足的极端天气情况，使整个监测网络能够实现不间断的数据采集.

现场监测数据的远程传输是由GPRS模块依照TCP/IP协议，以IP包的形式透明传输给服务器.传输过程中，由于移动业务的迅速发展，经常发生网络拥堵、意外断开等问题.为此引用心跳包技术(Gao et al.，2009; Striegel and Manimaran，2008)，使置于旷野的GPRS模块无需人为干预自动恢复通信，保证稳定通信和数据的可靠传输.心跳包是由GPRS以一定频率发送的数据包，一是用来占有信道，防止掉线，保持链路畅通；二是当通信被意外中断时，通过心跳包自动接通链路.数据分包长度也是GPRS通信中一个重要参数，包长太大容易产生数据的丢失，包长太小无谓增加了开销.图 4是GPRS模块心跳包协议的配置界面，心跳周期60 s，数据包最大300字节.经测试，未用心跳包技术时数据回传丢包率最大为7%，采用心跳包后，丢包率下降至0.31%.

图 4

Fig. 4

图 4 带有心跳包的GPRS配置界面 Fig. 4 Configuration interface of GPRS with heartbeat

上下行链路的双向通信协议包括：定义数据单元的格式、内容、含义、发送和接收时序以便正确传送和解析.

表 1是上行链路数据包格式，共18字节，其中包头6字节，数据12 字节.主火区号为实地火区标志，占1字节；一个主火区下可部署多个各带有唯一GPRS的子火区；寿命和安全字段各占1字节，为后建网络预留.数据部分是实际需要的监测数据以及转发的电阻率值.

表 1(Table 1)

表 1 上行链路数据包格式 Table 1 Uplink data packet format 包头 数据 字段 主 火 区 号 子 火 区 号 节 点 号 寿 命 安 全 环 境 温 度 环 境 湿 度 火 区 地 温 供 电 电 压 电 池 电 压 电 阻 率 字节数 1 1 2 1 1 2 2 2 2 2 2

表 1 上行链路数据包格式 Table 1 Uplink data packet format

表 2是下行链路数据包格式.表示控制信息类别的类型标志占1字节，如数值“ 0”代表校正网络时间、“1”为修改抽样间隔，此字段最多可设定255种控制类型，为后期开发留有扩展空间；控制信息字段长度在1~12字节间可变，填入具体控制数据；结束标志占1字节，填入字符“E”，标示数据包结束.

表 2(Table 2)

表 2 下行链路数据包格式 Table 2 Downlink data packet format 字段 类型标志 控制信息 结束标志(E) 字节数 1 1~12 1

表 2 下行链路数据包格式 Table 2 Downlink data packet format

通过下行链路发送的控制信息，工作人员可以在服务器端对现场数据采集网络参数进行调整.服务器向现场发送的控制指令包括RTC时钟校对(曹清华等，2012)和采样间隔调整指令，在每次收到现场数据后即经下行链路随确认信息一同发出.数据采集周期以1 h为初始值任意可调，授权用户在对服务器端接收到的煤火温度数据分析后，根据火区地温的变化缓急，在1~24 h区间内对采样间隔进行长短设置，如无需改变则维持指令中的采样间隔值不变.授权用户根据还可以向监测现场反向发送校时命令.下行控制指令在汇聚节点中解析，然后转发给监测节点一起执行.

全疆火区监测系统最大可含255个主火区，各主火区下各可含255个子火区.目前已在北疆松树头，南疆库尔阿肯等12个火区部署监测网络，如图 5所示.

图 5

Fig. 5

图 5 新疆火区无线传感互联网络监测系统布置图 Fig. 5 Arrangement plan of Xinjiang fire area wireless sensor network with Internet monitoring system of the

每个子网(如图 6a所示的松树头火区现场1网络)由1个汇聚节点(图 6b)与4~10个传感器节点(图 6c)组成，安装在汇聚节点上的GPRS将监测数据经传送到乌鲁木齐煤田灭火工程局监测中心服务器.

图 6

Fig. 6

图 6 部署在火区观测现场的节点和网络 (a)松树头场监测网络(汇聚节点与传感器节点距离约200 m);(b)汇聚节点;(c)传感器节点. Fig. 6 The deployment of nodes and the network at the scene of the fire area observation (a)Monitoring network at Songshutou(the distance between sink node and sensor node is about 200 m); (b)Sink node;(c)Sensor node.

图 7a是2015年07月03日12时接收到的子火区的GPRS信息，包括传递信息所属的火区号、火区名称，采样间隔，通信在线、离线状态，最近一次连接时间，报警状态，节点数等.当前时刻正在工作的GPRS显示为在线状态，休眠的显示为离线.如火区内节点监测到数据超过设定阈值时报警状态显示异常.图 7b是查询到的2015年07月02日0401吉木萨尔水西沟一号火区数据，包含1号汇聚节点和2—6号监测节点采集到信息.此火区的火区地温超过百度，对应图 7a中0401火区的报警状态为异常，数据采集间隔重新调整为1 h，加强观测.环境温湿度、供电电压与电池电压数值在正常范围内.

图 7

Fig. 7

图 7 乌鲁木齐监测中心接收的现场数据 (a)子火区GPRS列表；(b)吉木萨尔水西沟一号火区数据. Fig. 7 The on-site data received on Vrümqi monitoring center (a)Sub fire area GPRS list;(b)Data of No.1 fire area in Jimsar Shuixigou.

高分辨地电阻率法利用煤在低温氧化和燃烧时电阻率不同来探测煤田火区燃烧中心，在煤田治理阶段，可对燃空区范围进行判断.探测到的数据连同火区温度一起，利用煤田火区无线传感互联网络远程发送给乌鲁木齐监测中心.系统在人工巡回检测、航空和卫星遥感监测之外，提供了可以由新疆煤田灭火工程局自主获取实时、实地直接测温的监测手段.开发的传感器节点，提供了与单极-偶极装置相连的接口，将电磁参数转换为电信号存储并发送；测温范围扩展到-40 ℃~1300 ℃，适应了煤层从积温发火燃烧，到治理后的熄火降温和冬季地层温度的变化范围.在面向应用的研发中，为网络节点芯片设计的外部时钟电路、节流和开源并行的能量策略、移动通信网链接中心跳包机制等，为建设远程免维护永久性的无线传感互联网络提供了技术路径，其中带充放电保护电路的太阳能供电装置为节点功能扩展留有充足的功率容量.到目前为止，新疆煤田火区无线传感互联网络远程监测系统已运行3年零9个月，采集数据110多万条，这些数据和后续数据将在乌鲁木齐监测中心服务器永久保存，为火区治理和管理提供依据.在今后形成全疆无线传感互联网络系统的过程中，系统中的GPRS将随4G移动网络的发展升级换代，将观测和传送如气体、图像和视频等更多的信息，将新疆煤田置于全方位、全天候的永续监护中.