家用燃氣監控系統中信息采集控制WSN方案

顏謙和 劉劍峰 顏珍平

摘 要： 提出了家用燃氣監控系統的信息采集與控制WSN設計方案，采用Cluster-tree算法中的分布式地址分配算法（Cskip）對各節點分布地址，各節點通過獲取的網絡地址構建樹型分簇的WSN，同時采用樹形密鑰管理和認證機制相結合的密鑰管理策略。該方案減少了網絡數據流量，提高了網絡性能、系統安全性和可靠性，可以應用于智慧城市建設項目中。

關鍵詞： WSN； ZigBee技術； Cluster-tree算法； 密鑰管理； 認證機制

中圖分類號：TP87 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）09-22-02

WSN scheme for information acquisition and control in household gas monitoring system

Yan Qianhe， Liu Jianfeng， Yan Zhenping

（Hunan Railway Professional Technology College， Zhuzhou， Hunan 412001， China）

Abstract： WSN （wireless sensor network） design scheme of information acquisition and control system for household gas monitoring system is proposed in this paper. Distributed address allocation algorithm （Cskip） is used to assign address for each node， and the nodes use the assigned address to construct a tree-clustering WSN， at the same time， the key management strategy based on the tree key management and authentication mechanism is adopted. This scheme can reduce the network data traffic， improve the network performance， system security and reliability， and can be used in the construction of smart city.

Key words： WSN； ZigBee； technology； Cluster-tree algorithm； key management； authentication mechanism

0 引言

燃氣的安全防范監控系統是確保住宅、住戶安全極為重要的途徑，也是智能家居的重要組成部分。

本方案采用基于ZigBee技術的WSN實現家用燃氣監控系統的信息采集與控制，能解決因燃氣使用環境隱蔽而造成安裝麻煩，以及整體分散局部集中，用戶沒有預置網絡而造成的布線困難等問題。ZigBee技術作為一種近距離、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術[1]，可對每幢樓的燃氣用戶進行24小時監控采集信息并通過無線匯聚到網關，利用網關與互聯網通信相結合的技術，可將燃氣信息傳送到互聯網，燃氣監控數據可方便、及時的呈現在使用者和管理者面前，及時、安全的對燃氣進行控制和管理。

1 WSN方案設計

1.1 ZigBee網絡拓撲結構設計

網絡拓撲結構是決定網絡性能和數據穩定性的重要保證，要根據信息點的位置特征和特點來進行設計。

ZigBee網絡中的設備在邏輯上按功能可分為三種節點類型：協調器（Coordinator）、路由器（Router）和終端節點（EndDevice）。其中協調器負責網絡的創建，其作用在于：網絡初始化、組織網絡節點和存儲，并上傳各節點信息；路由器負責數據的路由和轉發，終端節點負責信息的采集。

ZigBee各節點設備可以通過軟件靈活地配置成傳感器終端節點、路由器節點或者協調器，以監測一棟住宅樓燃氣泄漏為例，可以在住戶廚房配置一種帶燃氣檢測傳感器的終端節點或路由器節點設備，在住宅樓的適當位置配置一個協調器節點，這些ZigBee各節點設備可以自主形成一個無線通信網絡（WSN）[2]。由于無線通信的理論距離有60多米，并且中間有多堵墻的隔離，大大減小了實際的通信距離，為了保證每個節點能可靠通信，在每個單元設置一個中部位置節點為簇頭節點，再將簇頭節點與靠協調器近的單元的某個節點相連，最終連接到協調器上，構建一個典型的的樹型簇狀網絡，其拓撲結構如圖1所示。這種網絡既可減少網絡復雜度和管理難度，又能保證每個信息點能與協調器進行可靠、穩定和高效地信息交互。

1.2 WSN路由算法設計

WSN拓撲結構圖只是一個物理上的樹型簇狀結構，我們需考慮如何形成邏輯上的樹型簇狀結構網絡，并選擇最優路由，提高網絡性能。

本文采用Cluster-tree算法來進行路由算法設計，Cluster-tree算法就是利用Cskip地址分配協議獲取網絡地址的方式來構建樹型簇狀結構，根據這種結構來進行路由，節點中不用再存儲路由表，而是根據地址來進行數據的傳輸，這大大地減省了網絡數據的流量，提高了網絡的性能。

當協調器創建好網絡后，都會從其父節點獲取一個在網絡中惟一的16位網絡地址，每個新加入的節點都有一個父結點，同時一個父結點可以有一個或多個子節，通過分布式地址分配算法（Cskip）分配地址來動態生成樹型分簇結構的網絡，Cskip將按公式⑴進行地址分配：

⑴

其中，Cm為父節點允許的最大節點數，Rm為父節點允許的最大路由節點數，Lm為網絡最大深度，Cskip（d）是網絡深度為父節點為其子節點的地址之間的偏移量。只有Cskip（d）>0時，父節點才可以接收子節點。當某個節點的父節點出現崩潰斷鏈時，節點將重新搜索新的父節點（路由器或協調器），獲取新的網絡地址，重新加入到網絡中恢復功能使用[3]。

1.3 WSN網絡安全設計

燃氣監控系統的信息采集與控制功能由WSN完成，整個網絡都通過無線信號的方式通信，如果不對網絡加以保護，那么所有信息都將裸露，這會給系統的應用和推廣帶來很大的困擾。根據WSN網樹型分簇網絡結構特點，采用樹形密鑰管理和認證機制相結合的密鑰管理方案，可提高密鑰管理效率，并實現動態密鑰更新[4]。

1.3.1 樹型分簇密鑰管理

WSN按照協調器、簇頭和節點進行分層管理，由R1、E1、E2、E3、E4、E5組成一個簇，簇頭為R1，由R2、E6、E7、E8、E9、E10組成一個簇，簇頭為R2，每個簇的成員都有一個自己通信的簇密鑰，如果協調器要與某簇通信，先將信息發送給簇頭，再由簇頭進行加密處理后群發給簇內所有節點，具體如圖2所示。

1.3.2 密鑰認證

為WSN中每個可信任節點（Ei）分配一個惟一的身份標識號（）和一個初始密碼（KE），則E1節點可根據自己的身份標識和初始密碼通過哈希函數f生成主密鑰：=，同理，E2也可產生自己的主密鑰=。每個鄰接節點的點對密鑰，E2 =，如果鄰接節點要進行通信，只需將自己的身份標識號發送給對方，如果有惡意節點想侵入網絡，就可通過這個惟一的身份標識號來識別[5]。

1.4 網關服務器設計

嵌入式系統具有處理能力強、價格低、功耗低等特點，使它成為專用系統的服務器網關的首選方案。它與WSN中的協調器相連，通過串口將WSN網中采集到各種信息輸入系統存儲，通過應用軟件進行分析處理，當采集信息超過預設指標時，自動完成以下幾個動作：

⑴ 網關接收協調器收集的各終端節點采集的數據進行顯示，同時將信息通過WiFi或有線網絡上傳給上層應用系統；

⑵ 通過互聯網訪問網關服務，向網關發出控制信號開關WSN燃氣閥門；

⑶ 通過GPRS、3G、4G技術向用戶發送短信，其功能結構如圖3所示。

2 總結

本方案是根據燃氣用戶信息點的整體分散、局部集中的特點，將每幢樓設計成一個獨立的WSN，再通過互聯網將每幢樓甚至每個小區連接到上層應用系統進行管理和控制。

本方案重點對WSN進行了設計，采用Cluster-tree算法中分布式地址分配算法（Cskip）對各節點分布地址，各節點通過獲取的網絡地址構建了樹型分簇的WSN，節點不用再存儲路由表，大大地減少了網絡數據的流量，提高了網絡的性能；同時，采用樹形密鑰管理和認證機制相結合的密鑰管理方案，采用簇內節點動態密鑰管理方式，簇間分開加密的形式，為系統的安全可靠性提供了保障。

參考文獻：

[1] 張平等.甚低功耗無線通信技術——Zigbee[J].中興通訊技術，2006.8.

[2] 崔莉等.無線傳感器網絡標準化工作進展[J].信息技術快報，2008.3.

[3] 周武斌.ZigBee無線組網技術研究[D].中南大學碩士學位論文，2009.5：34-40

[4] 于海霞，余梅生，吳曉娟.關鍵基于樹型結構的WSN密鑰管理方案[J].計算機工程，2010.20：14-16

[5] 王習，王黎明，韓剡.基于ZigBee無線傳感器網絡技術的管理監測系統[J].傳感器與微系統，2011.30（12）：23-24