孫奎全，陳向東，張傳武

(①西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031；②西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，四川 成都 610041)

0 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)家對(duì)高?？蒲袑?shí)驗(yàn)室的建設(shè)投入越來(lái)越大，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)室貴重儀器和科研成果的安防措施也顯得尤為重要。傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)普遍存在發(fā)現(xiàn)警情滯后、出警速度慢、布防撤防操作不便或易于破解等問(wèn)題[1]，難以滿足人們對(duì)安防系統(tǒng)越來(lái)越高的需求。本文針對(duì)傳統(tǒng)安防系統(tǒng)存在的不足，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)容量大、低功耗以及節(jié)點(diǎn)可靈活移動(dòng)[2-3]等特點(diǎn)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種具有巡邏功能、快速出警、無(wú)線密碼鎖控制的實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)。

系統(tǒng)利用CC2530和ZigBee協(xié)議組建底層無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以ARM和Linux為核心并應(yīng)用嵌入式Web服務(wù)器和SQlite服務(wù)器等技實(shí)現(xiàn)了嵌入式服務(wù)器，通過(guò)本地手持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)端監(jiān)控平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)還具有設(shè)備安全檢測(cè)機(jī)制，可實(shí)時(shí)了解設(shè)備運(yùn)作狀態(tài)，獲取異常設(shè)備信息。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)是由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以及嵌入式服務(wù)器組成。底層ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都可以直接通信[4]。系統(tǒng)通過(guò)合理部署路由節(jié)點(diǎn)，有效避免了通信盲區(qū)的存在，確保信息的可靠傳輸。同時(shí)通過(guò)配置運(yùn)行128位數(shù)據(jù)塊的AES協(xié)處理器對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，有效提高了信息傳輸?shù)陌踩院涂垢蓴_能力。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)帶有傳感器的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)，會(huì)立即報(bào)警同時(shí)分別向保安手持的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和嵌入式服務(wù)器發(fā)送危險(xiǎn)信號(hào)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是隨保安在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)的手持節(jié)點(diǎn)，可實(shí)時(shí)顯示警情詳細(xì)信息，以便巡邏的保安快速出警及時(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)?？刂乒?jié)點(diǎn)是安置在門(mén)外具有無(wú)線密碼鎖功能的路由節(jié)點(diǎn)，除了進(jìn)行路徑選擇、實(shí)現(xiàn)信息多跳轉(zhuǎn)發(fā)，還對(duì)室內(nèi)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)起到控制作用例如布防/撤防等。嵌入式服務(wù)器是基于ARM9硬件平臺(tái)和Linux軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)的控制中心，通過(guò)串口與協(xié)調(diào)器連接，以獲取底層無(wú)線數(shù)據(jù)，通過(guò)Web服務(wù)器和Sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)B/S架構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。管理員只需要通過(guò)聯(lián)網(wǎng) PC機(jī)訪問(wèn)嵌入式服務(wù)器即可實(shí)時(shí)獲取實(shí)驗(yàn)樓宇的詳細(xì)情況例如實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)、負(fù)責(zé)人姓名、聯(lián)系電話、家庭住址等，還可以通過(guò)通用網(wǎng)關(guān)接口(CGI)技術(shù)向下發(fā)送控制命令。用戶本人也可以通過(guò)自己的賬號(hào)登錄系統(tǒng)進(jìn)行個(gè)人信息維護(hù)以及查詢(xún)管理員信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式服務(wù)器硬件設(shè)計(jì)

嵌入式服務(wù)器的核心芯片采用三星的S3C2440，其外圍硬件資源包括 SDRAM、Nand Flash、Nor Flash、串口以及一個(gè)100 Mb/s的以太網(wǎng)RJ-45接口（采用DM9000網(wǎng)絡(luò)芯片）[5]，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，若需要存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)還可以通過(guò) SD卡來(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)[6]。其主要功能是匯聚和處理ZigBee傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并根據(jù)實(shí)際操作將處理結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)或動(dòng)態(tài)嵌入網(wǎng)頁(yè)提供給管理員和用戶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中 ZigBee節(jié)點(diǎn)的核心均采用 CC2530芯片。該芯片具有一個(gè)高性能、低功耗8051兼容內(nèi)核、8KB超低功耗SRAM和一個(gè)支持IEEE802.15.4協(xié)議的無(wú)線收發(fā)器[7]。系統(tǒng)利用雙元型熱釋紅外探頭LHI778配合菲涅爾透鏡采集信息，經(jīng)過(guò)BIS0001處理傳入處理器。系統(tǒng)控制部分是由具有矩陣鍵盤(pán)的無(wú)線密碼鎖完成。傳統(tǒng)的矩陣鍵盤(pán)需要占用8個(gè)I/O口來(lái)掃描按鍵，該設(shè)計(jì)通過(guò)采用MM74C922鍵盤(pán)掃描芯片節(jié)省了一半的I/O資源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)服務(wù)器是用于資源管理為用戶提供服務(wù)的高配置 PC機(jī)或工作站，通過(guò)上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)構(gòu)成 C/S架構(gòu)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)系統(tǒng)[8]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的嵌入式服務(wù)器集合了數(shù)據(jù)庫(kù)和Web服務(wù)器，與傳統(tǒng)基于PC機(jī)的服務(wù)器相比，其功耗低、體積小、價(jià)格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中更為靈活方便。其軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 嵌入式服務(wù)器軟件結(jié)構(gòu)

嵌入式服務(wù)器是在PC宿主機(jī)和ARM模塊的交叉編譯環(huán)境中完成，其開(kāi)發(fā)步驟如下有:①移植U-Boot；②裁剪并移植Linux2.6內(nèi)核；③制作NFS啟動(dòng)的根文件系統(tǒng)；④移植Boa Web服務(wù)器和Sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)；⑤利用交叉工具鏈arm-linux-gcc-4.3.2編譯應(yīng)用程序。通過(guò)CGI編程和數(shù)據(jù)庫(kù)編程實(shí)現(xiàn)B/S架構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)置了管理員權(quán)限和普通用戶權(quán)限，同時(shí)具有易于操作的交互界面，并通過(guò)監(jiān)控區(qū)域頁(yè)面顏色的變化實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

3.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基于Z-Stack平臺(tái)開(kāi)發(fā)，該協(xié)議棧由APL層、NWK層、MAC層和PHY層構(gòu)成[9]。該系統(tǒng)嚴(yán)格按照該層次開(kāi)發(fā)，確保軟件的可維護(hù)性。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)均采用128位AES算法進(jìn)行加密，以防止被其他設(shè)備監(jiān)聽(tīng)并增強(qiáng)其抗干擾能力。協(xié)議棧通過(guò)AES協(xié)處理器實(shí)現(xiàn)該算法，通過(guò)設(shè)置唯一的128位 key值，實(shí)現(xiàn)信息加密。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)匯聚底層網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控信息，將獲取的信息通過(guò)串口與嵌入式服務(wù)器相連實(shí)現(xiàn)底層ZigBee數(shù)據(jù)幀和串口幀之間的轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)通過(guò)發(fā)送隊(duì)列和循環(huán)隊(duì)列等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為串口信息緩沖存儲(chǔ)。其數(shù)據(jù)流向示意圖如圖3所示。為了確保串口數(shù)據(jù)的可靠傳輸，系統(tǒng)采用統(tǒng)一的串口幀格式以便于后續(xù)處理和防止亂碼干擾。

圖3 協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)流向示意

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是針對(duì)提高出警效率而特別設(shè)計(jì)的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)隨巡邏保安在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)自由移動(dòng)。由于異常信號(hào)需要及時(shí)傳給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，故通過(guò)組尋址方式將所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)巡邏小組，統(tǒng)一接收異常信號(hào)。系統(tǒng)中該尋址方式的軟件配置如下:設(shè)置小組的組ID為0x0002作為所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)共用的網(wǎng)絡(luò)地址即 SwjtApp_Group.ID=0x0002，設(shè)置小組名稱(chēng)為POLICE并通aps_AddGroup(SwjtAPP_ENDPOINT, SwjtApp_Group)函數(shù)入組。當(dāng)有異常發(fā)生時(shí)，所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到異常信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生聲光報(bào)警同時(shí)顯示出危險(xiǎn)源位置并根據(jù)異常信號(hào)幀的類(lèi)型字段判斷是何種報(bào)警，系統(tǒng)具有非法入侵、節(jié)點(diǎn)異常、緊急報(bào)警三種異常類(lèi)型。

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)對(duì)布防區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，傳感器獲取的信號(hào)通過(guò)處理電路以數(shù)字信號(hào)的形式傳給CC2530，高電平表示發(fā)生非法入侵，低電平表示系統(tǒng)安全。系統(tǒng)通過(guò)軟件定時(shí)器設(shè)定1s的輪詢(xún)周期，當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)會(huì)延時(shí)再次掃描以防止誤報(bào)，確定存在險(xiǎn)情后會(huì)分別向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和嵌入式服務(wù)器發(fā)送報(bào)警信號(hào)。

控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線密碼鎖控制與其配對(duì)的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)具有一鍵布防、密碼撤防、緊急報(bào)警和密碼修改等功能。為了確保信息的可靠傳輸，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了確認(rèn)反饋機(jī)制，針對(duì)控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送的命令幀，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送反饋信息以確認(rèn)操作結(jié)果，當(dāng)命令發(fā)送成功后會(huì)通過(guò)液晶顯示W(wǎng)ait Open SYS或Wait Close SYS，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)收到命令后做出相應(yīng)操作并向控制節(jié)點(diǎn)反饋操作結(jié)果，操作成功后控制節(jié)點(diǎn)會(huì)顯示Open Success或Close Success等反饋信息。

3.3 設(shè)備安全檢測(cè)機(jī)制的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)較多，若節(jié)點(diǎn)離網(wǎng)或損壞都將影響安防質(zhì)量，針對(duì)控制節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)成對(duì)安置的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)握手檢測(cè)機(jī)制以實(shí)時(shí)了解節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)置控制節(jié)點(diǎn)握手狀態(tài)標(biāo)志C_FLAG=0，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)握手狀態(tài)標(biāo)志M_FLAG=0，兩種節(jié)點(diǎn)以1s間隔互發(fā)一次握手請(qǐng)求信號(hào)并等待應(yīng)答信息，收到應(yīng)答則表明握手成功并將握手狀態(tài)標(biāo)志設(shè)置為1。查看握手狀態(tài)標(biāo)志的頻率是產(chǎn)生握手信號(hào)頻率的1/5即5s，保證了檢測(cè)機(jī)制的準(zhǔn)確性，避免誤報(bào)。握手狀態(tài)標(biāo)志為0時(shí)表明其握手對(duì)象離網(wǎng)，則向手持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和嵌入式服務(wù)器發(fā)送報(bào)警信號(hào)，為1時(shí)表明其握手對(duì)象運(yùn)作正常，則將握手狀態(tài)標(biāo)志更改為0并繼續(xù)進(jìn)行握手檢測(cè)。其原理如圖4所示。

圖4 設(shè)備安全檢測(cè)原理

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

完成各節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和 PCB硬件制作，選用0101實(shí)驗(yàn)室為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在其布防狀態(tài)下觸動(dòng)報(bào)警裝置，遠(yuǎn)程監(jiān)控頁(yè)面中該房間對(duì)應(yīng)區(qū)域變?yōu)榧t色以示報(bào)警。單擊紅色區(qū)域顯示該實(shí)驗(yàn)室詳細(xì)信息（房間號(hào)、負(fù)責(zé)人姓名、電話、學(xué)院、聯(lián)系方式以及家庭住址等）如圖5所示。管理員可通過(guò)電話或短信等形式通知實(shí)驗(yàn)室相關(guān)人員。

圖5 一樓監(jiān)控頁(yè)面顯示

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和嵌入式技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其可行性進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)報(bào)警及時(shí)、出警迅速、數(shù)據(jù)傳輸可靠、設(shè)備安全檢測(cè)機(jī)制運(yùn)作正常，具有潛在的實(shí)用意義。該系統(tǒng)還具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，可以根據(jù)實(shí)際需求增加諸如危險(xiǎn)藥品泄漏、火災(zāi)等信息的監(jiān)控。

[1]黃智偉.基于ARM9的智能家居安防監(jiān)控的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)[D].武漢:湖北工業(yè)大學(xué),2012.

[2]鄭琛,曹斌.ZigBee技術(shù)在智能交通系統(tǒng)中應(yīng)用研究[J].通信技術(shù),2012,45(05):86-88.

[3]徐志,陳彬兵.自組織ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信研究[J].通信技術(shù),2009,42(12):128-131.

[4]黃作維,張宇坤.ZigBee協(xié)議支持下的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,26(01):68.

[5]房好帥,李楠,王慧娟.基于ARM與ZigBee的嵌入式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)[J].北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,20(03):23-25.

[6]練方興,鮑鴻,龍盛鵬.基于ZigBee的機(jī)房環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2012,38(01):66-69.

[7]李建輝.基于ZigBee的高校實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].網(wǎng)絡(luò)與通信,2011(03):36-37.

[8]邢紅霞.基于B/S模式的電力實(shí)時(shí)信息管理系統(tǒng)[J].信息安全與通信保密,2009(08):101-102.

[9]曹新,董瑋,譚一酉.基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(02):84-86.