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1、(10)申请公布号 CN 103310619 A (43)申请公布日 2013.09.18 CN 103310619 A *CN103310619A* (21)申请号 201310285713.2 (22)申请日 2013.07.08 G08C 17/02(2006.01) (71)申请人 江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市学府路 301 号 (72)发明人 玛格利特理查德森安萨赫 王庆庆 曹清华 闫述 (74)专利代理机构 南京正联知识产权代理有限 公司 32243 代理人 卢霞 (54) 发明名称 一种用于温度监测的无线传感器网络节点及 温度监测方法 (57) 摘要 本发明公开了一。
2、种用于温度监测的无线 传感器网络节点及温度监测方法， 将现有煤田 火区监测传感器节点中的芯片 MAX6675 换成 芯片 MAX31855， 开发了更大测温范围的高温 传感器节点和温度测量方法， 使测温范围达 到 -40oC1000oC， 以全面反映煤层自燃的发展过 程， 以及治理后煤层的温度从降低到熄灭、 或者积 温复燃的过程， 可应用于新疆煤田火区监测。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103310619 A CN 10331。
3、0619 A *CN103310619A* 1/1 页 2 1. 一种用于温度监测的无线传感器网络节点， 包括节点 (1)、 信号采集板 (2)、 高温传 感探头 (9)、 通过信号线 (11) 与高温传感探头 (9) 相连的高温传感器插座 (10)， 其特征在 于 ： 节点 (1) 上设置 SPI 口通信接口， 核心芯片 (12) 的引脚和排插 (3) 相配合， 信号采集板 (2)上集成有温度信号调理电路(4)、 电源转换电路(5)、 电池接口(6)太阳能接口(7)和高 温传感器排母 (8); 电源转换电路 (5) 分别和电池接口 (6) 及节点 (1) 相连， 高温传感探头 (9) 通过高。
4、温传感器插座 (10) 与温度信号调理电路 (4) 相连， 温度信号调理电路 (4) 通过 信号线 (11) 与高温传感器探头 (9) 相连， 信号线 (11) 外空套一个中空钢丝管 ； 节点 (1) 具 有 JN5139 芯片， 温度信号调理电路 (4) 具有 MAX31855 芯片， 温度信号调理电路 (4) 通过引 脚和信号采集板 (2) 上的高温传感器排母 (8) 相配合 ； 高温传感器排母 (8) 和排插 (3) 引 脚接口对应， 能够检测从 -40 oC 1000 oC范围的温度信息。 2. 一种利用如权利要求 1 所述的用于温度监测的无线传感器网络节点的温度监测方 法， 其特征在。
5、于包括以下步骤 ： 步骤一， 数据采集准备 ： 将高温传感探头 (9) 测量的模拟信号通过信号线 (11) 以电压 的形式传递给温度信号调理电路 (4)， 经过放大、 整形和 AD 转换后形成数字信号， 通过高 温传感器排母 (8) 和排插 (3) 接口传输到节点 (1) 上的核心芯片 (12) ； 接通电源， 对节点 JN5139 的 SPI 接口进行初始化， 选择使用的 SPI 的设备数量为 1、 数据发送的首位为高位或 低位、 发送和接收数据均使用 SCLK 时钟的上升沿、 时钟速率设置为 0.25MHz、 在 SPI 接口传 输工作结束前设置终端中断为禁止状态 ； 节点 JN5139 。
6、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 ； 步骤二， 获得温度数据 ： K 型热电偶测得的信息数据以电压的形式传递给芯片 MAX31855 进行放大、 整形、 A/D 转换和调理 ； 节点 JN5139 通过 SPI 接口向 MAX31855 发送指 令、 按照图 5 的时序激活 SPI 时钟， 经 MISO 只读引脚将数据从芯片 MAX31855 读入到节点 5139， 一个读周期接收 32bit 如表 2 所示 ； 读入的 32bit 数据进入节点 JN5139 的循环移位 寄存器后首先进行判断， 判断依据如下 ： 如果错误标志位 D16=1， 。
7、则进一步判定检查热电偶是否开路、 是否与 GND 短接、 是否与 Vcc 短接， 然后进行处理 ； 如果 D0=1， 则热电偶开路 ； 如果 D1=1， 则热电偶对地短路 ； 如果 D2=1， 则热电偶 对 VCC 短路 ； 如果错误标志位 D16=0， 则右移 18 位去掉 D0D17 位， 获得 14 位的热电偶温度数据， 得 到二进制温度值后对 D31 位进行判断， 如果 D31=0， 则得到的温度数据为正数， 将 14 位数 据右移两位处理， 选择十进制输出即获得十进制的可读温度数据 ； 如果 D31=0， 则说明采 集到的温度为负值， 将除去了符号位的 13 位数据取反加一获得补码后。
8、， 得到相应的二进制 并右移两位处理， 选择十进制输出即获得十进制的零下可读温度数据 ； 数据读取完毕时， 关闭 SPI 口 ； 如需再传递数据再次打开 SPI 口， 以防 SPI 时钟错位 ； 步骤三， 烧写步骤 ： 将上述 1-2 的过程编写成程序， 在 Jennic 开发平台上编译成 bin 文件 ； 经 RS232 串口连接 PC 机和节点 JN5139， 给节点 JN5139 供电启动， 使用程序烧写软 件 Jennic flash programmer， 将该 bin 文件下载并烧写到节点核心芯片 JN5139 的存储器 Flash 里面。 权 利 要 求 书 CN 1033106。
9、19 A 2 1/5 页 3 一种用于温度监测的无线传感器网络节点及温度监测方法 技术领域 0001 本发明涉及无线传感器网络监测技术， 尤其涉及用于新疆煤田火区 -40 C 1000 C 的传感器监测节点 背景技术 0002 具有现代意义的无线传感器网络为新疆煤田火区监测提供了新的技术手段。煤 田自燃火灾的监测， 主要任务是监测煤层燃烧的发展过程中的温度变化， 和剥离， 黄土掩 埋、 压实后煤火从降温到熄灭、 或者积温复燃的过程。现有无线传感器成品节点配备的 是 -55 C 125 C 温度传感器， 为满足煤田火区监测的需要开发有由 K- 型热电偶、 芯片 MAX6675 和无线传输芯片组成。
10、的高温传感器节点 1-3。由于芯片 MAX6675 的转换温度， 短时 观测为 0 C 1300 C， 长时间观测 0 C 1000 C， 缺失零度以下的量程。 0003 新疆地区冬季最低气温近-40C、 平均-25C， 在传感器掩埋的深度范围内有冻 土层存在。现有无线传感器网络成品节点配置的温度传感器测温范围 -55 C 125 C， 不能适应煤层燃烧时的高温 ； 现有用于新疆煤田火区监测的无线传感器网络节点， 因其中 的芯片 MAX6675 温度转换范围有限， 将 K 型热电偶的测温范围由 -40 C 1000 C 缩小 为 0 C 1000 C， 缺少 -40 C 0 C 的监测信息， 。
11、未能全面反映煤层自燃的发展过 程， 以及治理后煤层的温度从降低到熄灭、 或者积温复燃的过程。 0004 对比文件 0005 1 西安科技大学邓军 , 文虎 , 陈晓坤 , 王伟峰 , 徐林生 , 金永飞 , 张嬿妮 . 煤 田火灾无线自组网钻孔测温装置 . 实用新型专利 , 授权公告号 CN201497590U, 授权公告日 2010.06.02 0006 2江苏大学曹清华,陈祖爵,李善荣,闫述.1301000高温煤田火区无线传 感器网络监测节点及监测方法 . 发明专利 , 公开 ( 公告 ) 号 CN102215602A, 公开 ( 公告 ) 日期 2011.10.12 0007 3 李善荣。
12、 , 闫述 , 曹清华 , 陈祖爵 . 无线传感器网络高温监测节点的设计与开 发 . 计算机工程 ,2012,38(8):207-209 发明内容 0008 本发明的目的在于提供一种用于温度监测的无线传感器网络节点及温度监测方 法， 使测温范围达到-40C1000C， 以全面反映煤层自燃的发展过程， 以及治理后煤层 的温度从降低到熄灭、 或者积温复燃的过程。 0009 为了解决以上技术问题， 全面体现煤田火区温度的变化， 本发明将现有煤田火区 监测传感器节点 1-3 中的芯片 MAX6675 换成芯片 MAX31855， 开发了 -40 C 1000 C 更 大测温范围的高温传感器节点和温度测。
13、量方法， 具体技术方案如下 ： 0010 一种用于温度监测的无线传感器网络节点， 包括节点 (1)、 信号采集板 (2)、 高温 传感探头 (9)、 通过信号线 (11) 与高温传感探头 (9) 相连的高温传感器插座 (10)， 其特征 说 明 书 CN 103310619 A 3 2/5 页 4 在于 ： 节点 (1) 上设置 SPI 口通信接口， 核心芯片 (12) 的引脚和排插 (3) 相配合， 信号采集 板(2)上集成有温度信号调理电路(4)、 电源转换电路(5)、 电池接口(6)太阳能接口(7)和 高温传感器排母 (8); 电源转换电路 (5) 分别和电池接口 (6) 及节点 (1)。
14、 相连， 高温传感探 头 (9) 通过高温传感器插座 (10) 与温度信号调理电路 (4) 相连， 温度信号调理电路 (4) 通 过信号线 (11) 与高温传感器探头 (9) 相连， 信号线 (11) 外空套一个中空钢丝管 ； 节点 (1) 具有 JN5139 芯片， 温度信号调理电路 (4) 具有 MAX31855 芯片， 温度信号调理电路 (4) 通过 引脚和信号采集板 (2) 上的高温传感器排母 (8) 相配合 ； 高温传感器排母 (8) 和排插 (3) 引脚接口对应， 能够检测从 -40 C 1000 C 范围的温度信息。 0011 一种利用如权利要求所述的用于温度监测的无线传感器网络。
15、节点的温度监测方 法， 其特征在于包括以下步骤 ： 0012 步骤一， 数据采集准备 ： 将高温传感探头 (9) 测量的模拟信号通过信号线 (11) 以 电压的形式传递给温度信号调理电路 (4)， 经过放大、 整形和 AD 转换后形成数字信号， 通过 高温传感器排母 (8) 和排插 (3) 接口传输到节点 (1) 上的核心芯片 (12) ； 接通电源， 对节 点JN5139的SPI接口进行初始化， 选择使用的SPI的设备数量为1、 数据发送的首位为高位 或低位、 发送和接收数据均使用 SCLK 时钟的上升沿、 时钟速率设置为 0.25MHz、 在 SPI 接口 传输工作结束前设置终端中断为禁止。
16、状态 ； 节点 JN5139 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 ； 0013 步骤二， 获得温度数据 ： 将测温范围分别为 -40 C 1000 C 的 K 型热电偶、 芯 片 MAX31855、 微控制器 JN5139， 集成到信号采集底板上 ； K 型热电偶测得的信息数据以电压 的形式传递给芯片 MAX31855 进行放大、 整形、 A/D 转换和调理 ； K 型热电偶的测温范围与芯 片 MAX31855 的温度转换范围如表 1 所示 ； 0014 表 1K 型热电偶的测温范围与芯片 MAX31855 的温度转换范围 0015 0016 节。
17、点 JN5139 通过 SPI 接口向 MAX31855 发送指令、 按照图 5 的时序激活 SPI 时钟， 经 MISO 只读引脚将数据从芯片 MAX31855 读入到节点 5139， 一个读周期接收 32bit 如表 2 所示 ； 芯片 MAX31855 的 SO 端输出温度数据格式如表 2 所示 ； 0017 表 2 芯片 MAX31855 的 SO 端输出温度数据格式 0018 0019 读入的32bit数据进入节点JN5139的循环移位寄存器后首先进行判断， 判断依据 如下 ： 说 明 书 CN 103310619 A 4 3/5 页 5 0020 如果错误标志位 D16=1， 则进。
18、一步判定检查热电偶是否开路、 是否与 GND 短接、 是 否与 Vcc 短接， 然后进行处理。如果 D0=1， 则热电偶开路 ； 如果 D1=1， 则热电偶对地短 路 ； 如果 D2=1， 则热电偶对 VCC 短路 ； 0021 如果错误标志位 D16=0， 则右移 18 位去掉 D0 D17 位， 获得 14 位的热电偶温度 数据， 得到二进制温度值后对 D31 位进行判断， 如果 D31=0， 则得到的温度数据为正数， 将 14 位数据右移两位处理， 选择十进制输出即获得十进制的可读温度数据 ； 如果 D31=0， 则 说明采集到的温度为负值， 将 14 位数据取反加一获得补码后， 得到相。
19、应的二进制右移两位 处理， 选择十进制输出即获得十进制的零下可读温度数据 ； 0022 数据读取完毕时， 关闭 SPI 口 ； 如需再传递数据再次打开 SPI 口， 以防 SPI 时钟错 位。 0023 步骤三， 烧写步骤 ： 将上述 1-2 的过程编写成程序， 在 Jennic 开发平台上编译成 bin 文件 ； 经 RS232 串口连接 PC 机和节点 JN5139， 给节点 JN5139 供电启动， 使用程序烧写 软件 Jennic flash programmer， 将该 bin 文件下载并烧写到节点核心芯片 JN5139 的存储 器 Flash 里面。 0024 芯片 MAX3185。
20、5 与 K 型热电偶和节点 JN5139 的引脚连接情况列于表 3。 0025 表 3 芯片 MAX31855 与 K 型热电偶和节点 JN5139 引脚连接表 0026 0027 测量温度的操作过程如下 ： 0028 接通电源、 初始化节点 JN5139 和芯片 MAX31855 的连接引脚， 设定 SPI 通信接 口， 选择 JN5139 的 DIO0 口为片选引脚， 进行片选 ； 0029 将 K 型热电偶测得的模拟信号通过信号线以电压的形式传递给芯片 MAX31855 的调理与 A/D 转换模块， 经放大、 整形和 A/D 转换成数字信号 ； 通过所述节点的 SPI 接口传 输到节点 。
21、； 按照 SPI 接口时序经所述节点的循环移位寄存器形成温度数据。对 SCK、 CS、 SO 引脚实行电平控制， 其中串行时钟由所述节点的SCLK生成， 作为芯片MAX31855的一路输入 信号， 同步数据通过芯片 MAX31855 的 SO 串口输出， 数据传输之前 CS 电平被拉低， 并在 32 位数据的传输结束后保持低电平。 数据可以在时钟上升沿或者下降沿的时候传输经过芯片 MAX31855 得到热电偶的输出 VOUT， 0030 VOUT=(41.276V/ C)(TR-TAMB) (1) 0031 VOUT是热电偶的电压输出， 41.276V/ C 是 K 型热电偶的电热系数， TR。
22、是外部热电 偶节点的温度， TAMB是热电偶的工作环境温度。 0032 上述VOUT经过模数转换ADC从SPI口输出32位数据。 再经过编程处理移位、 判断、 变 0033 换后得到 14 位温度数据， 经过公式 (2)， 得到输出二进制温度数据二进制温度值 =14 位高温数据 Hightemperature2 说 明 书 CN 103310619 A 5 4/5 页 6 0034 (2) 0035 即， 十进制温度值 =0.25 温度数据对应的十进制 Hightemperature。 0036 控制程序的编译、 烧写。 0037 工程实施过程为 ： 将集成在信号采集板上的芯片 MAX3185。
23、5、 节点 JN5139 和 K 型热 电偶接头装入封装盒内， 悬挂到立杆上， K 型热电偶的温度探头埋入地下 0.5m 1m 处。 0038 本发明具有有益效果 :(1) 采用的芯片 MAX31855 充分发挥了 K 型热电偶的测温 能力， 将测温范围从 0 C 1000 C 扩展到 -40 C 1000 C， 弥补了现有煤田火区 高温传感器节点缺失的 -40 C 0 C 温度检测范围， 对煤田火区煤层自燃产生的高温、 冬季煤田火区的气温和冻土温度， 可以使用此套节点进行全面、 完整的实时监测 ； 在芯片 MAX31855 的温度转换范围内， 选取更宽测温范围的热电偶后， 还可以得到更宽的测。
24、温范围 ； (2) 零度以下低温测量， 不仅对新疆煤田火区温度监测， 对其他温度低于零度的火区监测也 是适用的。完整的温度数据不仅对火区监测有益， 也可为农业、 气象、 国土资源等部门提供 有用信息 ； (3) 芯片 MAX31855 可以在 -40 C 125 C 的温度范围稳定工作， 比原高温节 点上芯片 MAX6675 的 -20 C 85 C 工作温度， 对应用环境有更强的适应性。 附图说明 0039 图 1 是芯片 MAX31855 硬件结构图 ： 其中 (a) 为引脚配置图， (b) 为芯片原理示意 图 ； 0040 图 2 是 JN5139 硬件结构图 ： 其中 (a) 为内部结。
25、构图， (b) 为引脚配置图 ； 0041 图 3 是 K- 型热电偶、 MAX31855、 JN5139 引脚连接图 ； 0042 图 4 是集成的 K 型热电偶、 MAX31855、 JN5139 焊接转接图 ； 0043 图 5 是 MAX31855 的 SPI 接口时序图 ； 0044 图 6 是封装悬挂效果图 ： 其中 (a) 为封装效果， (b) 为悬挂效果。 0045 图中 ： 1 节点、 2 信号采集板、 3 排插、 4 温度信号调理电路、 5 电源转换电路、 6 电池 接口、 7 太阳能接口、 8 高温传感器排母、 9 高温传感探头、 10 高温传感器插座、 11 信号线、 。
26、12 核心芯片。 具体实施方式 0046 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。 0047 硬件连接 ： 参照图 1MAX31855 硬件结构图的 (a) 引脚配置图和 (b) 芯片原理示意 图， 图 2JN5139 硬件结构图的 (a) 内部结构图和 (b) 引脚配置图， 按照图 3 所示， 将 K 型热 电偶 T+、 T-引出端焊接到 MAX31855 的引入端 T+、 T-端， 将芯片 MAX31855 的 SO、 SCK、引 脚分别连接到 JN5139 控制器上的 J11 单元上的 MISO 上的 10 号引脚、 SCLK 上的 5 号引脚、 DIO0上的3号引脚， 其余。
27、未使用引脚悬空。 这些引脚不方便跳线连接， 为方便操作和保证良 好的连接性， 用排母和排针进行集成， MAX信息采集板上的排母J01、 J02分别和节点JN5139 上的排针 J11、 J13 连接， 如图 4 所示。在焊接中， 为防止焊盘脱落或损害， 焊接温度最高不 应超过 500， 一般应掌握在 300左右 ； 0048 温度测量 ： 0049 接通电源， 冷启动 ； 对 JN5139 的 SPI 接口进行初始化， 选择使用的 SPI 的设备 说 明 书 CN 103310619 A 6 5/5 页 7 数量为 1、 数据发送的首位为高位、 发送和接收数据均使用 SCLK 时钟的上升沿、 。
28、时钟速率 0.25MHz、 不使用 SPI 终端和自动片选功能 ； 节点 JN5139 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。 0050 K 型热电偶测得的温度信息以电压的形式传递给芯片 MAX31855 进行放大、 整 形、 A/D 转换和调理 ； 节点 JN5139 通过 SPI 接口向 MAX31855 发送指令、 按照图 5 的时序激 活SPI时钟， 经MISO引脚将数据读入芯片MAX31855， 一个读周期接收32bit如表2所示 ； 读 入的32bit数据进入节点JN5139的循环移位寄存器后， 如果错误标志位D16=1， 检查热电偶 。
29、是否开路、 是否与 GND 短接、 是否与 Vcc 短接， 然后进行处理 ； 如果 D16=0， 则右移 18 位去掉 D0 D17 位， 获得 14 位的热电偶温度数据， 得到二进制温度值， 经过移位处理， 选择十进制 输出即获得十进制的可读温度数据。表 2 中的状态位置 1 表示数据读取完毕， 关闭 SPI 口。 如需再传递数据再次打开 SPI 口， 以防 SPI 时钟错位。 0051 将上述的过程编写成程序， 在 Jennic 开发平台上编译成 bin 文件 ； 经 RS232串口连接PC机和节点JN5139， 给节点JN5139供电启动， 用Jennic flash programme。
30、r 将该 bin 文件下载到 JN5139 的 Flash。 0052 将集成在信号采集板上的芯片MAX31855、 节点JN5139和K型热电偶接头装入如图 6(a) 所示的封装盒内 ； 再如图 6(b) 所示悬挂到立杆上， K 型热电偶的温度探头经钢丝套管 埋入地下 0.5m 1m 处。 说 明 书 CN 103310619 A 7 1/3 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103310619 A 8 2/3 页 9 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103310619 A 9 3/3 页 10 图 6 说 明 书 附 图 CN 103310619 A 10 。