基于無線傳感網(wǎng)絡的校園安全預警系統(tǒng)設計

楊帆+李虎雄

摘 要：為了監(jiān)測和預防校園災害的發(fā)生，針對目前國內(nèi)安全監(jiān)控領域存在通信協(xié)議不規(guī)范、設備本質安全性低、監(jiān)測設備有限部署的問題，結合大學校園占地面積大、建筑物分布廣、風險源多且散等特點，設計了基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的校園安全預警系統(tǒng)，包括安全預警系統(tǒng)架構設計、低功耗通信節(jié)點硬件系統(tǒng)設計、低功耗通信協(xié)議設計和服務器數(shù)據(jù)管理和分析軟件設計。

關鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡；安全預警系統(tǒng)；低能耗節(jié)點；低能耗通信協(xié)議；ZigBee

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-03

0 引 言

無線傳感網(wǎng)絡由大量按照無線、多跳方式通信的傳感器節(jié)點構成，能夠測量節(jié)點所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號，可以幫助人們探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、氣體成分、物體速度等眾多參數(shù)[1]，并通過無線方式將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?，再通過Internet，使得用戶和管理者能夠實時訪問到這些環(huán)境數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析、災難預警等[2]。因此，無線傳感網(wǎng)絡是有效的風險源監(jiān)測監(jiān)控工具。

近年來，校園安全事故頻發(fā)，不但損害到師生的生命財產(chǎn)安全，更是造成了嚴重的社會影響。在大學校園中，實驗室、食堂、宿舍以及其他一些?；反鎯褪褂玫膮^(qū)域數(shù)量多且分布廣，災害的發(fā)生防不勝防。提高典型風險源的傳感技術和實時監(jiān)測預警，是防災減災的重要手段[1]。因此，本文針對校園安全管理問題，提出基于無線傳感網(wǎng)絡的安全預警系統(tǒng)建設方案，實現(xiàn)對風險區(qū)域和風險源實時監(jiān)控預警，防范安全事故的發(fā)生。

1 安全領域技術分析

“十一五”期間，多項安全領域的科技攻關，促進了安全高新技術和基礎性研究水平的提高；災害預警預報、數(shù)字化遠程監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)等技術與裝備水平得到較大提升，抗災能力不斷增強[3]；雖然我國安全科技工作已取得了較大的成績，仍存在以下一些亟待解決的問題。

1.1 通信協(xié)議不規(guī)范

由于現(xiàn)有廠家的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)幾乎都采用各自專用通信協(xié)議，無法相互兼容。目前，信息傳輸系統(tǒng)的兼容性已成為裝備監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的各單位進一步補套和擴充系統(tǒng)功能的制約因素[4]。針對通信協(xié)議不規(guī)范的問題，本文將采用ZigBee無線低速協(xié)議作為通信和數(shù)據(jù)格式的標準化，徹底改變協(xié)議不規(guī)范、不兼容的現(xiàn)狀，實現(xiàn)低功耗無線組網(wǎng)和系統(tǒng)兼容。ZigBee協(xié)議作為底層低速無線網(wǎng)絡標準，可以設計標準以太網(wǎng)接入，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從底層向上層的快速傳輸。

1.2 設備本質安全問題

電氣設備引起的火災，是目前校園事故的一個主要因素。目前用于檢測的儀器儀表，雖然采用低壓供電，但仍然極有可能引起火災[5]。針對該問題，本文中將設計低功耗傳感器，采用標準51針接口直接與3 V干電池供電的無線通信節(jié)點相連，徹底避免了檢測儀器儀表引起火災的可能。

1.3 監(jiān)測設備的有線部署

由于建筑物分布廣，使得校園內(nèi)的布線比較麻煩；隨著風險源和風險場所數(shù)量的不斷變化，需要不斷增加有線部署的監(jiān)測設備，這使得部署非常繁瑣。同時將增加許多需要供電的網(wǎng)絡交換設備，這大大限制了系統(tǒng)的可擴展性，同時也使得系統(tǒng)的安全性降低[6]。針對該問題，本文將采用無線射頻通信的方式進行組網(wǎng)和數(shù)據(jù)交互，針對新出現(xiàn)的待監(jiān)測區(qū)域，只需通過部署帶有ZigBee協(xié)議標準接入和無線傳感器節(jié)點，不需要基礎設施的鋪建，可以隨意撒放在校園內(nèi)，便實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴展。這種靈活的部署方式十分適合不斷擴展的監(jiān)控系統(tǒng)，能有效彌補傳統(tǒng)監(jiān)控方法的不足。

2 校園安全預警系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)總體架構

針對以上問題，結合大學校園占地面積大、建筑物分布廣、風險源多且散等特點，本文設計了基于無線傳感網(wǎng)絡的校園安全預警系統(tǒng)，系統(tǒng)架構如圖1所示。

安全預警系統(tǒng)由基于環(huán)境監(jiān)測傳感器的無線傳感網(wǎng)絡和監(jiān)控中心兩部分組成，基于環(huán)境監(jiān)測傳感器的無線傳感網(wǎng)絡由監(jiān)測傳感器與各監(jiān)測傳感器相連的節(jié)點和基站組成，實現(xiàn)信息的采集和無線傳輸。監(jiān)控中心通過基站節(jié)點獲取各區(qū)傳感器的實時信息，然后對信息進行智能分析。用戶可以通過網(wǎng)絡訪問監(jiān)控中心，查看和處理分析結果，實現(xiàn)事故的監(jiān)控預警。

圖1 安全預警系統(tǒng)架構圖

系統(tǒng)主要包含以下幾個關鍵部分：低功耗通信節(jié)點硬件系統(tǒng)的設計、低功耗通信協(xié)議的設計和服務器數(shù)據(jù)管理和分析軟件的設計。通過將無線傳感器網(wǎng)絡技術應用于校園安全監(jiān)控中，期望大大提高對校園事故的監(jiān)測預警能力。

2.2 低功耗通信節(jié)點硬件系統(tǒng)設計

節(jié)點是進行數(shù)據(jù)處理、存儲、轉發(fā)的重要部分，在該安全監(jiān)控的無線系統(tǒng)中，每個節(jié)點起著基站的作用，節(jié)點體系結構圖如圖2所示：

圖2 節(jié)點體系結構

節(jié)點板主要包括五個模塊：數(shù)據(jù)處理模塊、射頻（RF）通信模塊、外部存儲器、I/O擴展、電源模塊。

（1）數(shù)據(jù)處理模塊選用ATMEL ATmega128L作為微處理器。ATmega128L是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器。ATmega128L在3 V、8 MHz時工作電流僅5 mA；工作于8 MHz時性能高達8 MIPS；可以通過對鎖定位進行編程實現(xiàn)軟件加密從而防止內(nèi)部數(shù)據(jù)被竊取。而且ATmega128L支持睡眠機制，設計采用兩個外部時鐘晶振，一個是主晶振，振蕩頻率為7.372 8 MHz，另一個是32.768 kHz的輔時鐘晶振。在正常工作狀態(tài)下，采用主晶振的時鐘，當ATmega128L進入休眠狀態(tài)時，采用低的時鐘晶振，從而更加的節(jié)省能耗。

（2）射頻（RF）通信模塊選用CHIPCON高頻FM-RF收發(fā)器CC2420作為無線收發(fā)芯片。從能耗角度考慮，CC2420也支持睡眠機制，睡眠時工作電流小于1 ?A，工作于2.4 GHz時，電流也僅9.6 mA。從通信能力考慮，CC2420使用頻移鍵控FSK，數(shù)據(jù)傳輸速率最高達250 Kb/s，室外最大通信距離約為100 m，室內(nèi)30 m。CC2420還具有高靈敏度以及與天線的單端連接等特點。

（3）外部存儲器選用ATMEL AT45DB041B串行FLASH，其存儲空間達512 KB，具有低功耗、體積小、接口簡單、可在線擦除等特點。

（4）I/O擴展設計了一個51芯的接插件作為外部接口。傳感器板和節(jié)點板通過該51芯接插件進行連接。

（5）電源模塊采用干電池供電，相對比較穩(wěn)定。為降低硬件成本，電源模塊沒有采用專門的監(jiān)控芯片來進行掉電保護，而是直接通過CPU的引腳來進行監(jiān)控。一旦發(fā)現(xiàn)電壓過低時，就將重要數(shù)據(jù)及時保存到E2PROM，從而避免掉電時數(shù)據(jù)丟失。

2.3 能量高效的通信協(xié)議的設計

在校園安全監(jiān)控系統(tǒng)中，低能耗的通信協(xié)議設計是最核心的研究內(nèi)容，因為低功耗，即使采用3 V干電池，節(jié)點也能工作半年以上。通信協(xié)議包括路由、MAC協(xié)議和拓撲控制機制[7]。傳感器網(wǎng)絡中的協(xié)議設計與Internet不同，不是嚴格的分層設計模式，跨層優(yōu)化在無線傳感器網(wǎng)絡中非常普遍[7]。在整個通信協(xié)議棧的設計中，必須都把低能耗作為首要的設計目標，提高網(wǎng)絡的生存期，同時，盡可能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃浴?/p>

（1）路由協(xié)議。需要保證節(jié)點間高效通信，維護數(shù)據(jù)傳輸路徑的連通性。在大規(guī)模的網(wǎng)絡應用中，需要采用多跳路由機制。為此，比較常用的方式是建立一個以基站節(jié)點為根的路由樹，每個需要傳輸數(shù)據(jù)的子節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸至其父節(jié)點，依次上傳，直到到達根節(jié)點[8]，但是這種方法的缺陷是靠近基站的節(jié)點會很快消耗完能量，進而縮短整個網(wǎng)絡的壽命。在本系統(tǒng)中，采用層次性路由協(xié)議。一般的傳感器節(jié)點采用電池供電，幾秒鐘采樣一次，通信模塊工作在很低的占空比下；路由節(jié)點轉發(fā)傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸是傳感器節(jié)點耗能最多的操作，由于傳感器節(jié)點部署密集，鄰節(jié)點采集的數(shù)據(jù)有很大的冗余性，所以，在路由節(jié)點，本設計通過使用數(shù)據(jù)融合技術，顯著地減少數(shù)據(jù)通信量。

（2）MAC協(xié)議。主要作用是提供節(jié)點對無線信道的高效、公平的訪問，減少數(shù)據(jù)傳輸中的沖突和重傳[9]。無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議必須在滿足應用要求的前提下，盡量讓更多的節(jié)點進入休眠狀態(tài)，減少網(wǎng)絡的能耗。目前無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議主要有兩大類，基于競爭的MAC協(xié)議和基于時分復用（TDMA）的MAC協(xié)議[10]。與基于時分復用MAC協(xié)議相比，基于競爭的MAC協(xié)議具有協(xié)議簡單、不需要節(jié)點間的時間同步、可擴展性好等特點[10]。因此在本系統(tǒng)中，采用相對成熟的IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議。此協(xié)議是在802.11協(xié)議基礎上，針對無線傳感器網(wǎng)絡的能量需求而提出的，它采用了周期性偵聽和睡眠、流量自適應偵聽機制、串音（overhearing）避免等機制有效的降低數(shù)據(jù)重傳機率和節(jié)點的能耗，同時提高信道的利用率。

（3）拓撲控制協(xié)議。優(yōu)化的網(wǎng)絡拓撲結構對無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)能非常重要，網(wǎng)絡拓撲控制協(xié)議對網(wǎng)絡性能的影響很大。良好的拓撲結構能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，延長整個網(wǎng)絡生命[11]。傳感器網(wǎng)絡拓撲控制的主要研究問題是：在滿足網(wǎng)絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，剔除節(jié)點之間不必要的通信鏈路，形成一個數(shù)據(jù)轉發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡結構[12]。目前主要的拓撲控制協(xié)議有：GAF、SPAN、ASCENT等[11]，但是大多數(shù)算法都停留在理論研究階段或只使用少量的節(jié)點實驗，沒有充分考慮大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡應用時的困難，比如如何保證算法的收斂速度，如何減少外界因素對通信的干擾等。因此在本系統(tǒng)中，針對傳感器網(wǎng)絡的實際應用環(huán)境，引入啟發(fā)式的節(jié)點喚醒和休眠機制，減少拓撲控制算法的復雜度，并使其具有良好的可擴展性，適應巷道不斷深入的大規(guī)模網(wǎng)絡部署的要求。

3 系統(tǒng)軟件主要功能

在軟件設計上，主要分節(jié)點、基站、服務器、用戶四套軟件。

（1）節(jié)點軟件負責對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的讀取、處理和報警等。實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉發(fā)，傳輸?shù)然竟δ堋?/p>

（2）基站軟件負責把現(xiàn)場傳感器信息轉發(fā)給有線網(wǎng)絡，實現(xiàn)從能量受限無線網(wǎng)絡到有線網(wǎng)絡的切換，也稱為網(wǎng)關。它與服務器通過無線網(wǎng)絡（GPRS或802.11）或以太網(wǎng)連接?；灸軐崿F(xiàn)特定應用下傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸實時性。軟件編寫上僅需要實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)通信接口。

（3）服務器軟件是后臺數(shù)據(jù)管理與分析的核心。它負責解釋并存儲基站傳來的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時，服務器為合法用戶提供實時數(shù)據(jù)庫查詢、歷史數(shù)據(jù)庫查詢功能。服務器與用戶往往通過電信營運商提供的低成本網(wǎng)絡互連，這樣用戶就可以實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)訪問和網(wǎng)絡管理功能。服務器的軟件編寫比較復雜，在下層需要與基站通信，實現(xiàn)基本數(shù)據(jù)通信接口，上層要為用戶提供標準的數(shù)據(jù)庫接口，因此選用高級的商用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)較為合適，如Microsoft SQL server。

（4）用戶軟件。軟件架構的邏輯功能及數(shù)據(jù)傳遞圖如圖3所示。主要為用戶提供友好的軟件接口，實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)可視化功能（圖表，曲線等），提供長期數(shù)據(jù)分析與建模功能，并在參數(shù)到設定值時實現(xiàn)實時預警，降低事故的發(fā)生。

圖3 本系統(tǒng)邏輯功能及數(shù)據(jù)傳遞示意圖

4 結 語

無線傳感器網(wǎng)絡技術可以提高安全監(jiān)控系統(tǒng)的預警能力和實時性：通過節(jié)點信號燈、蜂鳴器等報警信號，提高監(jiān)測的實時性和可靠性；通過采用干電池供電，避免電氣火災的可能；無線通信的方式，省去布線的繁瑣，有助于系統(tǒng)的擴展。再加上，分析數(shù)據(jù)的服務器軟件和界面友好的用戶軟件便于安全管理人員監(jiān)控并及時處理突發(fā)事件。總之，基于無線傳感器網(wǎng)絡的校園安全預警系統(tǒng)可以解決校園安全管理中的突出問題，大大促進了校園環(huán)境的和諧穩(wěn)定。

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