張鵬遠(yuǎn)

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本監(jiān)控系統(tǒng)由單片機(jī)監(jiān)控模塊、Wi-Fi傳輸模塊、監(jiān)測網(wǎng)站三部分組成。

該系統(tǒng)以CC2530單片機(jī)和Wi-Fi模塊為基礎(chǔ)，以ASP.NET設(shè)計(jì)監(jiān)控網(wǎng)站，SQL Server 作為服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，所完成的主要功能是實(shí)現(xiàn)設(shè)備工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。單片機(jī)監(jiān)控模塊可以檢測到設(shè)備的運(yùn)行、關(guān)閉等狀態(tài)，并記錄各狀態(tài)發(fā)生改變的時(shí)刻。檢測到的設(shè)備狀態(tài)信息以及相應(yīng)的設(shè)備編號(hào)將通過Wi-Fi模塊實(shí)時(shí)傳送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫并在監(jiān)測網(wǎng)站的網(wǎng)頁上顯示。當(dāng)服務(wù)器停止工作時(shí)，單片機(jī)將繼續(xù)存儲(chǔ)收集來的信息于Flash存儲(chǔ)器中，當(dāng)服務(wù)器恢復(fù)工作時(shí)自動(dòng)向單片機(jī)存儲(chǔ)器調(diào)取數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫。本文還是設(shè)計(jì)了符合系統(tǒng)的通信協(xié)議，應(yīng)用了數(shù)據(jù)加密技術(shù)保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和安全性。

2 SQL Server 數(shù)據(jù)庫庫表

2.1數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)對于整個(gè)系統(tǒng)而言起著不可替代的作用，完善的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)可以讓整個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)脈絡(luò)清晰，不至于引起不必要的混亂。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫表分為三個(gè)：第一個(gè)用戶信息表;第二個(gè)節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)表;第三個(gè)控制命令表。

2.1.1 用戶信息表

用戶信息表是與用戶登錄相關(guān)的表，登陸頁面與用戶信息表相關(guān)聯(lián)，當(dāng)用戶登錄時(shí)，通過SQL 語句數(shù)據(jù)庫搜索引擎在數(shù)據(jù)庫中搜索與注冊用戶信息相符的信息，如果信息相符，返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后再根據(jù)權(quán)限登錄到不同的頁面，如果是管理員的話將登錄管理員界面，可以向各節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令。如果沒有相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，將不能登錄。用戶信息表包括：用戶名、用戶密碼、用戶權(quán)限和用戶郵箱。

2.1.2節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)表

節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)表是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一張表，它記錄了所有設(shè)備的所有開關(guān)機(jī)信息和狀態(tài)信息，是為管理員有效管理設(shè)備提供重要參考的一張表。系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)一直檢測設(shè)備的狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)發(fā)生改變的時(shí)候，將發(fā)送信息到服務(wù)器，網(wǎng)站接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送過來的信息根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型存儲(chǔ)于表中。節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)表字段包括：設(shè)備號(hào)、事件時(shí)間、設(shè)備狀態(tài)。

2.1.3控制命令表

管理員要想控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)需要在監(jiān)測網(wǎng)站上輸入控制命令，而控制命令不能由網(wǎng)站直接發(fā)送到節(jié)點(diǎn)，首先要將控制命令存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫再由數(shù)據(jù)發(fā)送應(yīng)用程序發(fā)送至節(jié)點(diǎn)。將控制命令保存到數(shù)據(jù)庫同時(shí)也是歷史信息的保存，對于系統(tǒng)運(yùn)行的分析將提供一定的信息資源參考?？刂泼畋碜侄伟ǎ涸O(shè)備號(hào)和控制命令。

3 數(shù)據(jù)安全問題設(shè)計(jì)

3.1通信協(xié)議的制定

3.1.1采集數(shù)據(jù)格式

開始標(biāo)志：接收方判斷一個(gè)消息開始的表示，為了避免引起混亂，必須不同于其他信息，在這里設(shè)置為AAFF。

設(shè)備號(hào)：各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的編號(hào)，用來知道是哪個(gè)設(shè)備采集來的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)長度：在本設(shè)計(jì)中，一般情況下要傳送的數(shù)據(jù)信息的長度是固定的。

數(shù)據(jù)類型：01 表示狀態(tài)改變時(shí)間;02表示設(shè)備狀態(tài)。

數(shù)據(jù)：采集的設(shè)備狀態(tài)和狀態(tài)發(fā)生時(shí)的時(shí)間。

停止位：數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)識(shí)符。

3.1.2命令信息格式

起始位：設(shè)置為AAEE.

設(shè)備號(hào)：接受節(jié)點(diǎn)的編號(hào)。如果設(shè)備號(hào)為EE，則表示該命令需要廣播給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn);如果設(shè)備號(hào)是E1，則表示該命令需要廣播至一組的路由節(jié)點(diǎn);如果設(shè)備號(hào)為E2，則表示該命令需要廣播至二組的所有節(jié)點(diǎn);如果是E3則表示該命令需要廣播至三組的路由節(jié)點(diǎn);如果是某個(gè)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，則該命令只針對這個(gè)節(jié)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)長度：命令幀的數(shù)據(jù)長度也是固定的。

命令標(biāo)識(shí)符：用來區(qū)分各種不同的命令，如表6表示。

結(jié)束標(biāo)識(shí)符：AA99

通信模式采取了實(shí)時(shí)上報(bào)和應(yīng)答相結(jié)合的模式。實(shí)時(shí)上報(bào)模式，就是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)在發(fā)生改變的時(shí)候數(shù)據(jù)會(huì)及時(shí)發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，這樣就保證了監(jiān)測網(wǎng)站可以準(zhǔn)確的把握每個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前工作狀態(tài)，進(jìn)而可以準(zhǔn)確的進(jìn)行控制。命令——應(yīng)答模式，是用戶根據(jù)需要，對節(jié)點(diǎn)發(fā)出命令，節(jié)點(diǎn)收到命令后，根據(jù)命令內(nèi)容作相應(yīng)的處理。命令——應(yīng)答模式是一個(gè)雙向的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其具體步驟如下所示：

1 用戶發(fā)送命令給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

2 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)解讀命令，執(zhí)行命令。如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到未定義的命令，則認(rèn)為是無效的數(shù)據(jù)包，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)會(huì)通知用戶信息無效;如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處理命令信息失敗，則協(xié)調(diào)器發(fā)送失敗的應(yīng)答信息，用戶需要重新發(fā)送命令。

3 完成。

3.2節(jié)點(diǎn)及服務(wù)器異常處理

3.2.1節(jié)點(diǎn)異常處理

在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，節(jié)點(diǎn)可能會(huì)由于硬件問題或者遭受碰撞攻擊等，導(dǎo)致喪失工作能力。用戶可以通過預(yù)設(shè)的命令，在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行廣播，節(jié)點(diǎn)收到信息后進(jìn)行回復(fù)，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)沒有回復(fù)的時(shí)候再進(jìn)行通信，如果三次都沒有回復(fù)，便認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了故障，需要從網(wǎng)絡(luò)中移除或維修。

3.2.2服務(wù)器異常處理

理論上說服務(wù)器應(yīng)該是24小時(shí)工作的，但是很難保證不會(huì)有意外情況的發(fā)生，如斷電，數(shù)據(jù)庫維護(hù)等都會(huì)使服務(wù)器暫時(shí)停止工作。由于各節(jié)點(diǎn)采用的是實(shí)時(shí)上報(bào)模式，所以服務(wù)器停止工作時(shí)各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)將不能發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，如果節(jié)點(diǎn)單片機(jī)不先將信息進(jìn)行存儲(chǔ)的話將導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。

在單片機(jī)檢測模塊本文設(shè)計(jì)采用了16M內(nèi)存的Flash存儲(chǔ)器用于對采集的信息進(jìn)行存儲(chǔ)，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器掉電后不會(huì)自動(dòng)擦除數(shù)據(jù)，所以能保障數(shù)據(jù)在故障時(shí)的安全。當(dāng)節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)時(shí)將試圖發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，如果數(shù)據(jù)發(fā)送成功，服務(wù)器方面將把信息存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，同時(shí)，單片機(jī)將發(fā)送成功的數(shù)據(jù)保存在Flash存儲(chǔ)器中;如果數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，則在數(shù)據(jù)包加一個(gè)標(biāo)識(shí)位1，并將該條信息保存至Flash存儲(chǔ)器中。單片機(jī)定期遍歷Flash存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，將標(biāo)識(shí)位為1的信息重新發(fā)送，發(fā)送成功后取消標(biāo)識(shí)位存儲(chǔ)于Flash存儲(chǔ)器中，發(fā)送失敗等待下次發(fā)送。

由于Flash存儲(chǔ)器的內(nèi)存有限，所以不能把所有的數(shù)據(jù)全部都存儲(chǔ)于Flash存儲(chǔ)器中，本文設(shè)計(jì)定期擦除Flash存儲(chǔ)器中的已經(jīng)發(fā)送成功的數(shù)據(jù)，未發(fā)送成功的數(shù)據(jù)將繼續(xù)保留，直至發(fā)送成功。為了確保沒有數(shù)據(jù)的丟失，從檢測網(wǎng)站可以任意調(diào)取各個(gè)節(jié)點(diǎn)任何時(shí)間段的信息，管理員可以在網(wǎng)站管理界面輸入想要的時(shí)間段數(shù)據(jù)至某一個(gè)或幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)接收到命令后從Flash存儲(chǔ)器中調(diào)取相應(yīng)信息發(fā)送至服務(wù)器。這樣直接從Flash存儲(chǔ)器調(diào)取數(shù)據(jù)將比從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取信息使得信息更加準(zhǔn)確可靠。

3.3數(shù)據(jù)加密

在Z—Stack協(xié)議棧當(dāng)中，這個(gè)加密算法默認(rèn)是關(guān)閉的，使用時(shí)需要開啟這個(gè)功能：首先將f8wConfig配置文件中的DSECURE值設(shè)置為1，這是一個(gè)總按鈕;然后將ZGlobal.c中的zgPreConfigKeys的值由FALSE改為TRUE;最后在函數(shù)nwk-global.c中設(shè)置一個(gè)128bit的秘鑰。啟動(dòng)數(shù)據(jù)密功能，發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)將明文經(jīng)過AES-128加密算法加密后，使其變成密文傳送出去接收節(jié)點(diǎn)在接收到復(fù)雜的密文后，使用相同的秘鑰和AES-128解密算法，將其還原為明文，保證了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全。

（作者單位：河北科技學(xué)院）