基于无线传感网络的校园安全预警系统设计

杨帆+李虎雄

摘 要：为了监测和预防校园灾害的发生，针对目前国内安全监控领域存在通信协议不规范、设备本质安全性低、监测设备有限部署的问题，结合大学校园占地面积大、建筑物分布广、风险源多且散等特点，设计了基于ZigBee无线传感网络的校园安全预警系统，包括安全预警系统架构设计、低功耗通信节点硬件系统设计、低功耗通信协议设计和服务器数据管理和分析软件设计。

关键词：无线传感网络；安全预警系统；低能耗节点；低能耗通信协议；ZigBee

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）03-00-03

0 引 言

无线传感网络由大量按照无线、多跳方式通信的传感器节点构成，能够测量节点所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，可以帮助人们探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、气体成分、物体速度等众多参数[1]，并通过无线方式将传感器数据传输到基站，再通过Internet，使得用户和管理者能够实时访问到这些环境数据，对数据进行分析、灾难预警等[2]。因此，无线传感网络是有效的风险源监测监控工具。

近年来，校园安全事故频发，不但损害到师生的生命财产安全，更是造成了严重的社会影响。在大学校园中，实验室、食堂、宿舍以及其他一些危化品存储和使用的区域数量多且分布广，灾害的发生防不胜防。提高典型风险源的传感技术和实时监测预警，是防灾减灾的重要手段[1]。因此，本文针对校园安全管理问题，提出基于无线传感网络的安全预警系统建设方案，实现对风险区域和风险源实时监控预警，防范安全事故的发生。

1 安全领域技术分析

“十一五”期间，多项安全领域的科技攻关，促进了安全高新技术和基础性研究水平的提高；灾害预警预报、数字化远程监控联网等技术与装备水平得到较大提升，抗灾能力不断增强[3]；虽然我国安全科技工作已取得了较大的成绩，仍存在以下一些亟待解决的问题。

1.1 通信协议不规范

由于现有厂家的监测监控系统几乎都采用各自专用通信协议，无法相互兼容。目前，信息传输系统的兼容性已成为装备监测监控系统的各单位进一步补套和扩充系统功能的制约因素[4]。针对通信协议不规范的问题，本文将采用ZigBee无线低速协议作为通信和数据格式的标准化，彻底改变协议不规范、不兼容的现状，实现低功耗无线组网和系统兼容。ZigBee协议作为底层低速无线网络标准，可以设计标准以太网接入，实现数据从底层向上层的快速传输。

1.2 设备本质安全问题

电气设备引起的火灾，是目前校园事故的一个主要因素。目前用于检测的仪器仪表，虽然采用低压供电，但仍然极有可能引起火灾[5]。针对该问题，本文中将设计低功耗传感器，采用标准51针接口直接与3 V干电池供电的无线通信节点相连，彻底避免了检测仪器仪表引起火灾的可能。

1.3 监测设备的有线部署

由于建筑物分布广，使得校园内的布线比较麻烦；随着风险源和风险场所数量的不断变化，需要不断增加有线部署的监测设备，这使得部署非常繁琐。同时将增加许多需要供电的网络交换设备，这大大限制了系统的可扩展性，同时也使得系统的安全性降低[6]。针对该问题，本文将采用无线射频通信的方式进行组网和数据交互，针对新出现的待监测区域，只需通过部署带有ZigBee协议标准接入和无线传感器节点，不需要基础设施的铺建，可以随意撒放在校园内，便实现系统的可扩展。这种灵活的部署方式十分适合不断扩展的监控系统，能有效弥补传统监控方法的不足。

2 校园安全预警系统方案

2.1 系统总体架构

针对以上问题，结合大学校园占地面积大、建筑物分布广、风险源多且散等特点，本文设计了基于无线传感网络的校园安全预警系统，系统架构如图1所示。

安全预警系统由基于环境监测传感器的无线传感网络和监控中心两部分组成，基于环境监测传感器的无线传感网络由监测传感器与各监测传感器相连的节点和基站组成，实现信息的采集和无线传输。监控中心通过基站节点获取各区传感器的实时信息，然后对信息进行智能分析。用户可以通过网络访问监控中心，查看和处理分析结果，实现事故的监控预警。

图1 安全预警系统架构图

系统主要包含以下几个关键部分：低功耗通信节点硬件系统的设计、低功耗通信协议的设计和服务器数据管理和分析软件的设计。通过将无线传感器网络技术应用于校园安全监控中，期望大大提高对校园事故的监测预警能力。

2.2 低功耗通信节点硬件系统设计

节点是进行数据处理、存储、转发的重要部分，在该安全监控的无线系统中，每个节点起着基站的作用，节点体系结构图如图2所示：

图2 节点体系结构

节点板主要包括五个模块：数据处理模块、射频（RF）通信模块、外部存储器、I/O扩展、电源模块。

（1）数据处理模块选用ATMEL ATmega128L作为微处理器。ATmega128L是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器。ATmega128L在3 V、8 MHz时工作电流仅5 mA；工作于8 MHz时性能高达8 MIPS；可以通过对锁定位进行编程实现软件加密从而防止内部数据被窃取。而且ATmega128L支持睡眠机制，设计采用两个外部时钟晶振，一个是主晶振，振荡频率为7.372 8 MHz，另一个是32.768 kHz的辅时钟晶振。在正常工作状态下，采用主晶振的时钟，当ATmega128L进入休眠状态时，采用低的时钟晶振，从而更加的节省能耗。

（2）射频（RF）通信模块选用CHIPCON高频FM-RF收发器CC2420作为无线收发芯片。从能耗角度考虑，CC2420也支持睡眠机制，睡眠时工作电流小于1 ?A，工作于2.4 GHz时，电流也仅9.6 mA。从通信能力考虑，CC2420使用频移键控FSK，数据传输速率最高达250 Kb/s，室外最大通信距离约为100 m，室内30 m。CC2420还具有高灵敏度以及与天线的单端连接等特点。

（3）外部存储器选用ATMEL AT45DB041B串行FLASH，其存储空间达512 KB，具有低功耗、体积小、接口简单、可在线擦除等特点。

（4）I/O扩展设计了一个51芯的接插件作为外部接口。传感器板和节点板通过该51芯接插件进行连接。

（5）电源模块采用干电池供电，相对比较稳定。为降低硬件成本，电源模块没有采用专门的监控芯片来进行掉电保护，而是直接通过CPU的引脚来进行监控。一旦发现电压过低时，就将重要数据及时保存到E2PROM，从而避免掉电时数据丢失。

2.3 能量高效的通信协议的设计

在校园安全监控系统中，低能耗的通信协议设计是最核心的研究内容，因为低功耗，即使采用3 V干电池，节点也能工作半年以上。通信协议包括路由、MAC协议和拓扑控制机制[7]。传感器网络中的协议设计与Internet不同，不是严格的分层设计模式，跨层优化在无线传感器网络中非常普遍[7]。在整个通信协议栈的设计中，必须都把低能耗作为首要的设计目标，提高网络的生存期，同时，尽可能保证数据传输的高可靠性。

（1）路由协议。需要保证节点间高效通信，维护数据传输路径的连通性。在大规模的网络应用中，需要采用多跳路由机制。为此，比较常用的方式是建立一个以基站节点为根的路由树，每个需要传输数据的子节点将数据传输至其父节点，依次上传，直到到达根节点[8]，但是这种方法的缺陷是靠近基站的节点会很快消耗完能量，进而缩短整个网络的寿命。在本系统中，采用层次性路由协议。一般的传感器节点采用电池供电，几秒钟采样一次，通信模块工作在很低的占空比下；路由节点转发传感器节点发送来的数据，数据传输是传感器节点耗能最多的操作，由于传感器节点部署密集，邻节点采集的数据有很大的冗余性，所以，在路由节点，本设计通过使用数据融合技术，显著地减少数据通信量。

（2）MAC协议。主要作用是提供节点对无线信道的高效、公平的访问，减少数据传输中的冲突和重传[9]。无线传感器网络MAC协议必须在满足应用要求的前提下，尽量让更多的节点进入休眠状态，减少网络的能耗。目前无线传感器网络MAC协议主要有两大类，基于竞争的MAC协议和基于时分复用（TDMA）的MAC协议[10]。与基于时分复用MAC协议相比，基于竞争的MAC协议具有协议简单、不需要节点间的时间同步、可扩展性好等特点[10]。因此在本系统中，采用相对成熟的IEEE 802.15.4 MAC协议。此协议是在802.11协议基础上，针对无线传感器网络的能量需求而提出的，它采用了周期性侦听和睡眠、流量自适应侦听机制、串音（overhearing）避免等机制有效的降低数据重传机率和节点的能耗，同时提高信道的利用率。

（3）拓扑控制协议。优化的网络拓扑结构对无线传感器网络的节能非常重要，网络拓扑控制协议对网络性能的影响很大。良好的拓扑结构能够提高路由协议和MAC协议的效率，延长整个网络生命[11]。传感器网络拓扑控制的主要研究问题是：在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的通信链路，形成一个数据转发的优化网络结构[12]。目前主要的拓扑控制协议有：GAF、SPAN、ASCENT等[11]，但是大多数算法都停留在理论研究阶段或只使用少量的节点实验，没有充分考虑大规模传感器网络应用时的困难，比如如何保证算法的收敛速度，如何减少外界因素对通信的干扰等。因此在本系统中，针对传感器网络的实际应用环境，引入启发式的节点唤醒和休眠机制，减少拓扑控制算法的复杂度，并使其具有良好的可扩展性，适应巷道不断深入的大规模网络部署的要求。

3 系统软件主要功能

在软件设计上，主要分节点、基站、服务器、用户四套软件。

（1）节点软件负责对现场数据的读取、处理和报警等。实现数据转发，传输等基本功能。

（2）基站软件负责把现场传感器信息转发给有线网络，实现从能量受限无线网络到有线网络的切换，也称为网关。它与服务器通过无线网络（GPRS或802.11）或以太网连接。基站能实现特定应用下传感器网络的数据传输实时性。软件编写上仅需要实现基本的数据通信接口。

（3）服务器软件是后台数据管理与分析的核心。它负责解释并存储基站传来的所有监测数据。同时，服务器为合法用户提供实时数据库查询、历史数据库查询功能。服务器与用户往往通过电信营运商提供的低成本网络互连，这样用户就可以实现远程数据访问和网络管理功能。服务器的软件编写比较复杂，在下层需要与基站通信，实现基本数据通信接口，上层要为用户提供标准的数据库接口，因此选用高级的商用数据库系统较为合适，如Microsoft SQL server。

（4）用户软件。软件架构的逻辑功能及数据传递图如图3所示。主要为用户提供友好的软件接口，实现采样数据可视化功能（图表，曲线等），提供长期数据分析与建模功能，并在参数到设定值时实现实时预警，降低事故的发生。

图3 本系统逻辑功能及数据传递示意图

4 结 语

无线传感器网络技术可以提高安全监控系统的预警能力和实时性：通过节点信号灯、蜂鸣器等报警信号，提高监测的实时性和可靠性；通过采用干电池供电，避免电气火灾的可能；无线通信的方式，省去布线的繁琐，有助于系统的扩展。再加上，分析数据的服务器软件和界面友好的用户软件便于安全管理人员监控并及时处理突发事件。总之，基于无线传感器网络的校园安全预警系统可以解决校园安全管理中的突出问题，大大促进了校园环境的和谐稳定。

参考文献

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