基于無線傳感網絡的校園安全預警系統設計

楊帆+李虎雄

摘 要：為了監測和預防校園災害的發生，針對目前國內安全監控領域存在通信協議不規范、設備本質安全性低、監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無線傳感網絡的校園安全預警系統，包括安全預警系統架構設計、低功耗通信節點硬件系統設計、低功耗通信協議設計和服務器數據管理和分析軟件設計。

關鍵詞：無線傳感網絡；安全預警系統；低能耗節點；低能耗通信協議；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

無線傳感網絡由大量按照無線、多跳方式通信的傳感器節點構成，能夠測量節點所在周邊環境中的熱、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[1]，并通過無線方式將傳感器數據傳輸到基站，再通過Internet，使得用戶和管理者能夠實時訪問到這些環境數據，對數據進行分析、災難預警等[2]。因此，無線傳感網絡是有效的風險源監測監控工具。

近年來，校園安全事故頻發，不但損害到師生的生命財產安全，更是造成了嚴重的社會影響。在大學校園中，實驗室、食堂、宿舍以及其他一些危化品存儲和使用的區域數量多且分布廣，災害的發生防不勝防。提高典型風險源的傳感技術和實時監測預警，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絡的安全預警系統建設方案，實現對風險區域和風險源實時監控預警，防范安全事故的發生。

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、數字化遠程監控聯網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 通信協議不規范

由于現有廠家的監測監控系統幾乎都采用各自專用通信協議，無法相互兼容。目前，信息傳輸系統的兼容性已成為裝備監測監控系統的各單位進一步補套和擴充系統功能的制約因素[4]。針對通信協議不規范的問題，本文將采用ZigBee無線低速協議作為通信和數據格式的標準化，徹底改變協議不規范、不兼容的現狀，實現低功耗無線組網和系統兼容。ZigBee協議作為底層低速無線網絡標準，可以設計標準以太網接入，實現數據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點相連，徹底避免了檢測儀器儀表引起火災的可能。

1.3 監測設備的有線部署

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

2 校園安全預警系統方案

2.1 系統總體架構

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絡的校園安全預警系統，系統架構如圖1所示。

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

圖1 安全預警系統架構圖

系統主要包含以下幾個關鍵部分：低功耗通信節點硬件系統的設計、低功耗通信協議的設計和服務器數據管理和分析軟件的設計。通過將無線傳感器網絡技術應用于校園安全監控中，期望大大提高對校園事故的監測預警能力。

2.2 低功耗通信節點硬件系統設計

節點是進行數據處理、存儲、轉發的重要部分，在該安全監控的無線系統中，每個節點起著基站的作用，節點體系結構圖如圖2所示：

圖2 節點體系結構

節點板主要包括五個模塊：數據處理模塊、射頻（RF）通信模塊、外部存儲器、I/O擴展、電源模塊。

（1）數據處理模塊選用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軟件加密從而防止內部數據被竊取。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。在正常工作狀態下，采用主晶振的時鐘，當ATmega128L進入休眠狀態時，采用低的時鐘晶振，從而更加的節省能耗。

（2）射頻（RF）通信模塊選用CHIPCON高頻FM-RF收發器CC2420作為無線收發芯片。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，數據傳輸速率最高達250 Kb/s，室外最大通信距離約為100 m，室內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，相對比較穩定。為降低硬件成本，電源模塊沒有采用專門的監控芯片來進行掉電保護，而是直接通過CPU的引腳來進行監控。一旦發現電壓過低時，就將重要數據及時保存到E2PROM，從而避免掉電時數據丟失。

2.3 能量高效的通信協議的設計

在校園安全監控系統中，低能耗的通信協議設計是最核心的研究內容，因為低功耗，即使采用3 V干電池，節點也能工作半年以上。通信協議包括路由、MAC協議和拓撲控制機制[7]。傳感器網絡中的協議設計與Internet不同，不是嚴格的分層設計模式，跨層優化在無線傳感器網絡中非常普遍[7]。在整個通信協議棧的設計中，必須都把低能耗作為首要的設計目標，提高網絡的生存期，同時，盡可能保證數據傳輸的高可靠性。

（1）路由協議。需要保證節點間高效通信，維護數據傳輸路徑的連通性。在大規模的網絡應用中，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點為根的路由樹，每個需要傳輸數據的子節點將數據傳輸至其父節點，依次上傳，直到到達根節點[8]，但是這種方法的缺陷是靠近基站的節點會很快消耗完能量，進而縮短整個網絡的壽命。在本系統中，采用層次性路由協議。一般的傳感器節點采用電池供電，幾秒鐘采樣一次，通信模塊工作在很低的占空比下；路由節點轉發傳感器節點發送來的數據，數據傳輸是傳感器節點耗能最多的操作，由于傳感器節點部署密集，鄰節點采集的數據有很大的冗余性，所以，在路由節點，本設計通過使用數據融合技術，顯著地減少數據通信量。

（2）MAC協議。主要作用是提供節點對無線信道的高效、公平的訪問，減少數據傳輸中的沖突和重傳[9]。無線傳感器網絡MAC協議必須在滿足應用要求的前提下，盡量讓更多的節點進入休眠狀態，減少網絡的能耗。目前無線傳感器網絡MAC協議主要有兩大類，基于競爭的MAC協議和基于時分復用（TDMA）的MAC協議[10]。與基于時分復用MAC協議相比，基于競爭的MAC協議具有協議簡單、不需要節點間的時間同步、可擴展性好等特點[10]。因此在本系統中，采用相對成熟的IEEE 802.15.4 MAC協議。此協議是在802.11協議基礎上，針對無線傳感器網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據重傳機率和節點的能耗，同時提高信道的利用率。

（3）拓撲控制協議。優化的網絡拓撲結構對無線傳感器網絡的節能非常重要，網絡拓撲控制協議對網絡性能的影響很大。良好的拓撲結構能夠提高路由協議和MAC協議的效率，延長整個網絡生命[11]。傳感器網絡拓撲控制的主要研究問題是：在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網節點選擇，剔除節點之間不必要的通信鏈路，形成一個數據轉發的優化網絡結構[12]。目前主要的拓撲控制協議有：GAF、SPAN、ASCENT等[11]，但是大多數算法都停留在理論研究階段或只使用少量的節點實驗，沒有充分考慮大規模傳感器網絡應用時的困難，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。因此在本系統中，針對傳感器網絡的實際應用環境，引入啟發式的節點喚醒和休眠機制，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模網絡部署的要求。

3 系統軟件主要功能

在軟件設計上，主要分節點、基站、服務器、用戶四套軟件。

（1）節點軟件負責對現場數據的讀取、處理和報警等。實現數據轉發，傳輸等基本功能。

（2）基站軟件負責把現場傳感器信息轉發給有線網絡，實現從能量受限無線網絡到有線網絡的切換，也稱為網關。它與服務器通過無線網絡（GPRS或802.11）或以太網連接。基站能實現特定應用下傳感器網絡的數據傳輸實時性。軟件編寫上僅需要實現基本的數據通信接口。

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

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

圖3 本系統邏輯功能及數據傳遞示意圖

4 結 語

無線傳感器網絡技術可以提高安全監控系統的預警能力和實時性：通過節點信號燈、蜂鳴器等報警信號，提高監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，有助于系統的擴展。再加上，分析數據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控并及時處理突發事件。總之，基于無線傳感器網絡的校園安全預警系統可以解決校園安全管理中的突出問題，大大促進了校園環境的和諧穩定。

參考文獻

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