基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的校園安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由大量按照無(wú)線、多跳方式通信的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，能夠測(cè)量節(jié)點(diǎn)所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號(hào)，可以幫助人們探測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、氣體成分、物體速度等眾多參數(shù) [1]，并通過(guò)無(wú)線方式將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?，再通過(guò)Internet，使得用戶和管理者能夠?qū)崟r(shí)訪問(wèn)到這些環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、災(zāi)難預(yù)警等[2]。因此，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是有效的風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)監(jiān)控工具。

近年來(lái)，校園安全事故頻發(fā)，不但損害到師生的生命財(cái)產(chǎn)安全，更是造成了嚴(yán)重的社會(huì)影響。在大學(xué)校園中，實(shí)驗(yàn)室、食堂、宿舍以及其他一些?；反鎯?chǔ)和使用的區(qū)域數(shù)量多且分布廣，災(zāi)害的發(fā)生防不勝防。提高典型風(fēng)險(xiǎn)源的傳感技術(shù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，是防災(zāi)減災(zāi)的重要手段[1]。因此，本文針對(duì)校園安全管理問(wèn)題，提出基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的安全預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域和風(fēng)險(xiǎn)源實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警，防范安全事故的發(fā)生。

1 安全領(lǐng)域技術(shù)分析

“十一五”期間，多項(xiàng)安全領(lǐng)域的科技攻關(guān)，促進(jìn)了安全高新技術(shù)和基礎(chǔ)性研究水平的提高 ；災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)、數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與裝備水平得到較大提升，抗災(zāi)能力不斷增強(qiáng)[3] ；雖然我國(guó)安全科技工作已取得了較大的成績(jī)，仍存在以下一些亟待解決的問(wèn)題。

1.1 通信協(xié)議不規(guī)范

由于現(xiàn)有廠家的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)幾乎都采用各自專用通信協(xié)議，無(wú)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(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的各單位進(jìn)一步補(bǔ)套和擴(kuò)充系統(tǒng)功能的制約因素[4]。針對(duì)通信協(xié)議不規(guī)范的問(wèn)題，本文將采用ZigBee 無(wú)線低速協(xié)議作為通信和數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化，徹底改變協(xié)議不規(guī)范、不兼容的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)低功耗無(wú)線組網(wǎng)和系統(tǒng)兼容。ZigBee 協(xié)議作為底層低速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，可以設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接入，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從底層向上層的快速傳輸。

1.2 設(shè)備本質(zhì)安全問(wèn)題

電氣設(shè)備引起的火災(zāi)，是目前校園事故的一個(gè)主要因素。目前用于檢測(cè)的儀器儀表，雖然采用低壓供電，但仍然極有可能引起火災(zāi)[5]。針對(duì)該問(wèn)題，本文中將設(shè)計(jì)低功耗傳感器， 采用標(biāo)準(zhǔn) 51 針接口直接與 3 V 干電池供電的無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)相連，徹底避免了檢測(cè)儀器儀表引起火災(zāi)的可能。

1.3 監(jiān)測(cè)設(shè)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(fēng)險(xiǎn)源和風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)所數(shù)量的不斷變化，需要不斷增加有線部署的監(jiān)測(cè)設(shè)備，這使得部署非常繁瑣。同時(shí)將增加許多需要供電的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，這大大限制了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，同時(shí)也使得系統(tǒng)的安全性降低 [6]。針對(duì)該問(wèn)題，本文將采用無(wú)線射頻通信的方式進(jìn)行組網(wǎng)和數(shù)據(jù)交互，針對(duì)新出現(xiàn)的待監(jiān)測(cè)區(qū)域，只需通過(guò)部署帶有ZigBee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)接入和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，不需要基礎(chǔ)設(shè)施的鋪建，可以隨意撒放在校園內(nèi)，便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展。這種靈活的部署方式十分適合不斷擴(kuò)展的監(jiān)控系統(tǒng)， 能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)控方法的不足。

2 校園安全預(yù)警系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合大學(xué)校園占地面積大、建筑物分布廣、風(fēng)險(xiǎn)源多且散等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的校園安全預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示。安全預(yù)警系統(tǒng)由基于環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心兩部分組成，基于環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由監(jiān)測(cè)傳感器與各監(jiān)測(cè)傳感器相連的節(jié)點(diǎn)和基站組成，實(shí)現(xiàn)信息的采集和無(wú)線傳輸。監(jiān)控中心通過(guò)基站節(jié)點(diǎn)獲取各區(qū)傳感器的實(shí)時(shí)信息，然后對(duì)信息進(jìn)行智能分析。用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)監(jiān)控中心，查看和處理分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)事故的監(jiān)控預(yù)警。

系統(tǒng)主要包含以下幾個(gè)關(guān)鍵部分 ：低功耗通信節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、低功耗通信協(xié)議的設(shè)計(jì)和服務(wù)器數(shù)據(jù)管理和分析軟件的設(shè)計(jì)。通過(guò)將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于校園安全監(jiān)控中，期望大大提高對(duì)校園事故的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。

2.2 低功耗通信節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)的重要部分，在該安全監(jiān)控的無(wú)線系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)起著基站的作用，節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示：

節(jié)點(diǎn)板主要包括五個(gè)模塊 ：數(shù)據(jù)處理模塊、射頻（RF） 通信模塊、外部存儲(chǔ)器、I/O 擴(kuò)展、電源模塊。

(1) 數(shù)據(jù)處理模塊選用 ATMELATmega128L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 3V、8MHz時(shí)工作電流僅 5mA；工作于 8MHz時(shí)性能高達(dá) 8MIPS；可以通過(guò)對(duì)鎖定位進(jìn)行編程實(shí)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(jī)制，設(shè)計(jì)采用兩個(gè)外部時(shí)鐘晶振，一個(gè)是主晶振， 振蕩頻率為 7.372 8 MHz，另一個(gè)是 32.768 kHz的輔時(shí)鐘晶振。在正常工作狀態(tài)下，采用主晶振的時(shí)鐘，當(dāng) ATmega128L進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，采用低的時(shí)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(wú)線收發(fā)芯片。 從能耗角度考慮，CC2420 也支持睡眠機(jī)制，睡眠時(shí)工作電流小于1 μA，工作于2.4 GHz 時(shí)，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(dá) 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(diǎn)。

(3) 外 部 存 儲(chǔ) 器 選 用 ATMELAT45DB041B串 行FLASH，其存儲(chǔ)空間達(dá) 512KB，具有低功耗、體積小、接口簡(jiǎn)單、可在線擦除等特點(diǎn)。

(4) I/O擴(kuò)展設(shè)計(jì)了一個(gè) 51芯的接插件作為外部接口。傳感器板和節(jié)點(diǎn)板通過(guò)該 51芯接插件進(jìn)行連接。

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

2.3 能量高效的通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

在校園安全監(jiān)控系統(tǒng)中，低能耗的通信協(xié)議設(shè)計(jì)是最核心的研究?jī)?nèi)容，因?yàn)榈凸模词共捎?3 V 干電池，節(jié)點(diǎn)也能工作半年以上。通信協(xié)議包括路由、MAC 協(xié)議和拓?fù)淇刂茩C(jī)制[7]。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)議設(shè)計(jì)與Internet 不同，不是嚴(yán)格的分層設(shè)計(jì)模式，跨層優(yōu)化在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中非常普遍[7]。在整個(gè)通信協(xié)議棧的設(shè)計(jì)中，必須都把低能耗作為首要的設(shè)計(jì)目標(biāo)，提高網(wǎng)絡(luò)的生存期，同時(shí)，盡可能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃浴?

(1) 路由協(xié)議。需要保證節(jié)點(diǎn)間高效通信，維護(hù)數(shù)據(jù)傳輸路徑的連通性。在大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，需要采用多跳路由機(jī)制。為此，比較常用的方式是建立一個(gè)以基站節(jié)點(diǎn)為根的路由樹(shù)，每個(gè)需要傳輸數(shù)據(jù)的子節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸至其父節(jié)點(diǎn)，依次上傳，直到到達(dá)根節(jié)點(diǎn)[8]，但是這種方法的缺陷是靠近基站的節(jié)點(diǎn)會(huì)很快消耗完能量，進(jìn)而縮短整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)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(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸是傳感器節(jié)點(diǎn)耗能最多的操作，由于傳感器節(jié)點(diǎn)部署密集，鄰節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)有很大的冗余性，所以，在路由節(jié)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)通過(guò)使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，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(diǎn)對(duì)無(wú)線信道的高效、公平的訪問(wèn)，減少數(shù)據(jù)傳輸中的沖突和重傳[9]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議必須在滿足應(yīng)用要求的前提下，盡量讓更多的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少網(wǎng)絡(luò)的能耗。目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC協(xié)議主要有兩大類，基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議和基于時(shí)分復(fù)用（TDMA）的 MAC協(xié)議 [10]。與基于時(shí)分復(fù)用MAC協(xié)議相比，基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議具有協(xié)議簡(jiǎn)單、不需要節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)[10]。因此在本系統(tǒng)中，采用相對(duì)成熟的IEEE802.15.4MAC協(xié)議。此協(xié)議是在 802.11協(xié)議基礎(chǔ)上，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量需求而提出的，它采用了周期性偵聽(tīng)和睡眠、流量自適應(yīng)偵聽(tīng)機(jī)制、串音（overhearing） 避免等機(jī)制有效的降低數(shù)據(jù)重傳機(jī)率和節(jié)點(diǎn)的能耗，同時(shí)提高信道的利用率。

(3) 拓?fù)淇刂茀f(xié)議。優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能非常重要，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茀f(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響很大。良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率， 延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命[11]。傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频闹饕芯繂?wèn)題是 ：在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過(guò)功率控制和 骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的通信鏈路，形成一 個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) [12]。目前主要的拓?fù)淇刂茀f(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有充分考慮大規(guī)模傳 感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)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(duì)通信的干擾等。因此在本系統(tǒng)中，針對(duì)傳感 器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，引入啟發(fā)式的節(jié)點(diǎn)喚醒和休眠機(jī)制， 減少拓?fù)淇刂扑惴ǖ膹?fù)雜度，并使其具有良好的可擴(kuò)展性， 適應(yīng)巷道不斷深入的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)部署的要求。

3 系統(tǒng)軟件主要功能 在軟件設(shè)計(jì)上，主要分節(jié)點(diǎn)、基站、服務(wù)器、用戶四套軟件。

（1）節(jié)點(diǎn)軟件負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的讀取、處理和報(bào)警等。 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，傳輸?shù)然竟δ堋?

（2）基站軟件負(fù)責(zé)把現(xiàn)場(chǎng)傳感器信息轉(zhuǎn)發(fā)給有線網(wǎng)絡(luò)， 實(shí)現(xiàn)從能量受限無(wú)線網(wǎng)絡(luò)到有線網(wǎng)絡(luò)的切換，也稱為網(wǎng)關(guān)。它 與服務(wù)器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（GPRS 或 802.11）或以太網(wǎng)連接?；?站能實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用下傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性。軟件編 寫上僅需要實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)通信接口。

（3）服務(wù)器軟件是后臺(tái)數(shù)據(jù)管理與分析的核心。它負(fù)責(zé) 解釋并存儲(chǔ)基站傳來(lái)的所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，服務(wù)器為合法用 戶提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)查詢功能。服務(wù)器與用 戶往往通過(guò)電信營(yíng)運(yùn)商提供的低成本網(wǎng)絡(luò)互連，這樣用戶就 可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)和網(wǎng)絡(luò)管理功能。服務(wù)器的軟件編寫 比較復(fù)雜，在下層需要與基站通信，實(shí)現(xiàn)基本數(shù)據(jù)通信接口， 上層要為用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)接口，因此選用高級(jí)的商用數(shù) 據(jù)庫(kù)系統(tǒng)較為合適，如 Microsoft SQL server。

（4）用戶軟件。軟件架構(gòu)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(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)可視化 功能（圖表，曲線等），提供長(zhǎng)期數(shù)據(jù)分析與建模功能，并在 參數(shù)到設(shè)定值時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警，降低事故的發(fā)生。

4 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以提高安全監(jiān)控系統(tǒng)的預(yù)警能力和實(shí)時(shí)性 ：通過(guò)節(jié)點(diǎn)信號(hào)燈、蜂鳴器等報(bào)警信號(hào)，提高監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和可靠性；通過(guò)采用干電池供電，避免電氣火災(zāi)的可能； 無(wú)線通信的方式，省去布線的繁瑣，有助于系統(tǒng)的擴(kuò)展。再加上，分析數(shù)據(jù)的服務(wù)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(shí)處理突發(fā)事件?？傊?，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的校園安全預(yù)警系統(tǒng)可以解決校園安全管理中的突出問(wèn)題，大大促進(jìn)了校園環(huán)境的和諧穩(wěn)定。