基于WSN的电源监控系统设计及安全性分析

荣雪琴

(苏州工业职业技术学院，江苏苏州215104)

随着科学技术的不断进步，电力电子技术也得到了长足的发展，各种用电设备成为生产生活中不可或缺的角色。而这些电力电子设备的运行，无一例外地会应用到电源系统。而各种精密设备的使用，对电源的供电质量和稳定性提出了更高的要求，这也使电源的安全运行与否直接影响到了生产过程。正常操作、运行状态实时检测、故障的及时发现和处理成为保证电源系统正常运行的必要手段。

现代电力电子技术的发展，已经可能将监视、控制、远动、保护等功能统一管理。而计算机技术和通信技术的完善更使建立综合性的电源监控系统成为可能。

本系统利用嵌入式技术迅速而完整地获得电源系统的运行实时信息，利用计算机和通信技术将数据传输至中央控制中心，从而使电源管理人员随时掌握电源实时的运行状态，及时发现电源设备运行的故障并做出相应的决策和处理，实现对电源系统的现代化安全管理。

传统的电源监控系统所采用的数据通信方式大多都采用有线形式，布线繁琐，维护成本高，且灵活性差。为了解决以上的弊端，本系统采用无线传感网的方式来完成底层通信网的搭建，利用ZigBee 技术实现相应无线数据传输功能，具有经济、可靠性强、运行稳定迅速的特点。

1 无线传感网(WSN)的基本特点

电源监控系统所使用的网络属于工业控制网络，是一种涉及局域网、广域网、分布式计算等多方面技术的网络。在很多工业自动化领域中还要包含现场检测和控制系统。因此，此类网络具有可靠性高、实时性强、安全性高等特点。

WSN 是无线Ad-Hoc 网络的一个重要研究分支，是随着微机电系统、无线通信和数字电子技术的迅速发展而出现的一种新的信息获取和处理模式。它是由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小结点通过自组织的方式构成网络，借助于结点中内置的形式多样的传感器测量周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分及移动物体的大小、速度和方向等众多人们感兴趣的物理现象，实现对所在环境的监测。

无线传感器网络从20 世纪90 年代开始出现到现在，已经从最初的节点研制到网络协议设计，再到智能群体的研究阶段，已成为国内外一个新的IT 热点技术。作为一种新型的网络传输方式，WSN 与传统网络具有很大的不同。传统网络以传输数据为目的，强调将一切与功能相关的处理都放在网络低端系统上，中间结点仅仅负责数据分组的转发；而无线传感器网络的中间结点具有数据转发和数据处理双重功能。因此，WSN 的体系结构与节点结构与传统网络都有很大的不同，图1 是WSN 的体系结构，图2 为WSN 的节点结构[1]。

图1 WSN的体系结构

图2 WSN的节点结构

2 监控系统整体设计

本设计是利用无线传感网所构建的电源监控系统。如图3所示，监控系统由三大部分组成，分别为设备数据采集层、通信层、中央控制中心层。设备数据采集层的功能是实时采集电源系统运行状态数据。主要技术是无线传感网，终端节点选用ZigBee 技术的CC2530，每个节点上可以携带3 至4 个传感器，例如电压传感器、电流传感器、温度传感器、湿度传感器等。位于无线传感网中心的是协调器，也由CC2530 来担当，主要起到网络协调的作用。协调器与嵌入式芯片采用串口相连，嵌入式芯片在本系统中选用飞凌嵌入式S3C6410 作为嵌入式系统，一方面担当网关的作用，另一方面作为数据处理的第一站；通信层是承接数据采集层与中央控制中心层的中间枢纽。在本系统可以有两种选择方式，一种为有线传输网，如以太网或Internet 网，特点是运行稳定，可靠性高；而另一种选择是3G 或4G 的无线传输网。由于通信技术的进步，3G 和4G 等网络的传输速率也已经能够满足实时系统的要求，成为工业控制领域中的一个重要信号通信方式；中央控制中心层是管理人员实现数据实时观察，故障实时处理、远程操控的中心。在中央控制中心设置大型数据库，数据库中存放设备数据、实时监控数据、历史数据、故障处理数据等，以便为管理人员进行远程操控提供可靠的依据。同时，中央控制中心层还具有智能化自动控制功能，对已报警且延时未采取措施的设备进行远程的自动控制。

图3 监控系统整体结构

3 系统安全性设计

ZigBee 技术协议支持几种安全服务，包括访问控制、数据加密、帧完整性和序列更新等。协议中还提供了3 种安全模式，即非安全模式、接入控制列表(ACL)模式和安全模式[2]。

本设计利用协议栈中的访问控制与上位机相结合，构建了基于数据库角色的访问控制功能，上位机负责角色的分配，验证等功能，ZigBee 协议栈对角色的操作功能进行具体的限制。

整个系统基于AES-CCB-128 安全模式，安全方案是由一组在MAC 层的数据帧上所执行的操作组成。AES 是一个新的可以用于保护电子数据的加密算法，它是一个迭代的、对称密钥分组的密码，可以使用128、192 和256 位密钥，并且用128位(16 字节)分组加密和解密数据，具有强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点。具体的数据加密过程如图4 所示，解密过程与加密过程相反。

图4 AES数据加密过程

4 总结

随着智能化的不断发展，电源系统的智能化控制将成为电源监控的必要一环。在本设计中，利用无线传感网所构建的电源监控系统具有实时性好、可靠性高的优点。同时，ZigBee节点中AES 加密算法的应用又从数据源头上提高了系统的安全性，为各种工业控制方式提供了良好的借鉴实例。

[1] 屈军锁.物联网通信技术[M].北京：中国铁道出版社，2011：124-125.

[2] 王韦伟.基于ZigBee 的智能家居无线数据传输系统的设计与实现[J].宿州学院学报,2014,29(7):80-83.