顏謙和 劉劍峰 顏珍平

摘 要： 提出了家用燃?xì)獗O(jiān)控系統(tǒng)的信息采集與控制WSN設(shè)計(jì)方案，采用Cluster-tree算法中的分布式地址分配算法（Cskip）對(duì)各節(jié)點(diǎn)分布地址，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)獲取的網(wǎng)絡(luò)地址構(gòu)建樹型分簇的WSN，同時(shí)采用樹形密鑰管理和認(rèn)證機(jī)制相結(jié)合的密鑰管理策略。該方案減少了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量，提高了網(wǎng)絡(luò)性能、系統(tǒng)安全性和可靠性，可以應(yīng)用于智慧城市建設(shè)項(xiàng)目中。

關(guān)鍵詞： WSN； ZigBee技術(shù)； Cluster-tree算法； 密鑰管理； 認(rèn)證機(jī)制

中圖分類號(hào)：TP87 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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?xì)獾陌踩婪侗O(jiān)控系統(tǒng)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(shù)的WSN實(shí)現(xiàn)家用燃?xì)獗O(jiān)控系統(tǒng)的信息采集與控制，能解決因燃?xì)馐褂铆h(huán)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(yù)置網(wǎng)絡(luò)而造成的布線困難等問(wèn)題。ZigBee技術(shù)作為一種近距離、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)[1]，可對(duì)每幢樓的燃?xì)庥脩暨M(jìn)行24小時(shí)監(jiān)控采集信息并通過(guò)無(wú)線匯聚到網(wǎng)關(guān)，利用網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)通信相結(jié)合的技術(shù)，可將燃?xì)庑畔魉偷交ヂ?lián)網(wǎng)，燃?xì)獗O(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可方便、及時(shí)的呈現(xiàn)在使用者和管理者面前，及時(shí)、安全的對(duì)燃?xì)膺M(jìn)行控制和管理。

1 WSN方案設(shè)計(jì)

1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是決定網(wǎng)絡(luò)性能和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的重要保證，要根據(jù)信息點(diǎn)的位置特征和特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備在邏輯上按功能可分為三種節(jié)點(diǎn)類型：協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和終端節(jié)點(diǎn)（EndDevice）。其中協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，其作用在于：網(wǎng)絡(luò)初始化、組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)，并上傳各節(jié)點(diǎn)信息；路由器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信息的采集。

ZigBee各節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以通過(guò)軟件靈活地配置成傳感器終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)或者協(xié)調(diào)器，以監(jiān)測(cè)一棟住宅樓燃?xì)庑孤槔?，可以在住戶廚房配置一種帶燃?xì)鈾z測(cè)傳感器的終端節(jié)點(diǎn)或路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)備，在住宅樓的適當(dāng)位置配置一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，這些ZigBee各節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以自主形成一個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)（WSN）[2]。由于無(wú)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(shí)際的通信距離，為了保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)能可靠通信，在每個(gè)單元設(shè)置一個(gè)中部位置節(jié)點(diǎn)為簇頭節(jié)點(diǎn)，再將簇頭節(jié)點(diǎn)與靠協(xié)調(diào)器近的單元的某個(gè)節(jié)點(diǎn)相連，最終連接到協(xié)調(diào)器上，構(gòu)建一個(gè)典型的的樹型簇狀網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。這種網(wǎng)絡(luò)既可減少網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度和管理難度，又能保證每個(gè)信息點(diǎn)能與協(xié)調(diào)器進(jìn)行可靠、穩(wěn)定和高效地信息交互。

1.2 WSN路由算法設(shè)計(jì)

WSN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖只是一個(gè)物理上的樹型簇狀結(jié)構(gòu)，我們需考慮如何形成邏輯上的樹型簇狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并選擇最優(yōu)路由，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

本文采用Cluster-tree算法來(lái)進(jìn)行路由算法設(shè)計(jì)，Cluster-tree算法就是利用Cskip地址分配協(xié)議獲取網(wǎng)絡(luò)地址的方式來(lái)構(gòu)建樹型簇狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)這種結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行路由，節(jié)點(diǎn)中不用再存儲(chǔ)路由表，而是根據(jù)地址來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，這大大地減省了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的流量，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能。

當(dāng)協(xié)調(diào)器創(chuàng)建好網(wǎng)絡(luò)后，都會(huì)從其父節(jié)點(diǎn)獲取一個(gè)在網(wǎng)絡(luò)中惟一的16位網(wǎng)絡(luò)地址，每個(gè)新加入的節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)父結(jié)點(diǎn)，同時(shí)一個(gè)父結(jié)點(diǎn)可以有一個(gè)或多個(gè)子節(jié)，通過(guò)分布式地址分配算法（Cskip）分配地址來(lái)動(dòng)態(tài)生成樹型分簇結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，Cskip將按公式⑴進(jìn)行地址分配：

⑴

其中，Cm為父節(jié)點(diǎn)允許的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)，Rm為父節(jié)點(diǎn)允許的最大路由節(jié)點(diǎn)數(shù)，Lm為網(wǎng)絡(luò)最大深度，Cskip（d）是網(wǎng)絡(luò)深度為父節(jié)點(diǎn)為其子節(jié)點(diǎn)的地址之間的偏移量。只有Cskip（d）>0時(shí)，父節(jié)點(diǎn)才可以接收子節(jié)點(diǎn)。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)崩潰斷鏈時(shí)，節(jié)點(diǎn)將重新搜索新的父節(jié)點(diǎn)（路由器或協(xié)調(diào)器），獲取新的網(wǎng)絡(luò)地址，重新加入到網(wǎng)絡(luò)中恢復(fù)功能使用[3]。

1.3 WSN網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)

燃?xì)獗O(jiān)控系統(tǒng)的信息采集與控制功能由WSN完成，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都通過(guò)無(wú)線信號(hào)的方式通信，如果不對(duì)網(wǎng)絡(luò)加以保護(hù)，那么所有信息都將裸露，這會(huì)給系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣帶來(lái)很大的困擾。根據(jù)WSN網(wǎng)樹型分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用樹形密鑰管理和認(rèn)證機(jī)制相結(jié)合的密鑰管理方案，可提高密鑰管理效率，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)密鑰更新[4]。

1.3.1 樹型分簇密鑰管理

WSN按照協(xié)調(diào)器、簇頭和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分層管理，由R1、E1、E2、E3、E4、E5組成一個(gè)簇，簇頭為R1，由R2、E6、E7、E8、E9、E10組成一個(gè)簇，簇頭為R2，每個(gè)簇的成員都有一個(gè)自己通信的簇密鑰，如果協(xié)調(diào)器要與某簇通信，先將信息發(fā)送給簇頭，再由簇頭進(jìn)行加密處理后群發(fā)給簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)，具體如圖2所示。

1.3.2 密鑰認(rèn)證

為WSN中每個(gè)可信任節(jié)點(diǎn)（Ei）分配一個(gè)惟一的身份標(biāo)識(shí)號(hào)（）和一個(gè)初始密碼（KE），則E1節(jié)點(diǎn)可根據(jù)自己的身份標(biāo)識(shí)和初始密碼通過(guò)哈希函數(shù)f生成主密鑰：=，同理，E2也可產(chǎn)生自己的主密鑰=。每個(gè)鄰接節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)密鑰，E2 =，如果鄰接節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行通信，只需將自己的身份標(biāo)識(shí)號(hào)發(fā)送給對(duì)方，如果有惡意節(jié)點(diǎn)想侵入網(wǎng)絡(luò)，就可通過(guò)這個(gè)惟一的身份標(biāo)識(shí)號(hào)來(lái)識(shí)別[5]。

1.4 網(wǎng)關(guān)服務(wù)器設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)具有處理能力強(qiáng)、價(jià)格低、功耗低等特點(diǎn)，使它成為專用系統(tǒng)的服務(wù)器網(wǎng)關(guān)的首選方案。它與WSN中的協(xié)調(diào)器相連，通過(guò)串口將WSN網(wǎng)中采集到各種信息輸入系統(tǒng)存儲(chǔ)，通過(guò)應(yīng)用軟件進(jìn)行分析處理，當(dāng)采集信息超過(guò)預(yù)設(shè)指標(biāo)時(shí)，自動(dòng)完成以下幾個(gè)動(dòng)作：

⑴ 網(wǎng)關(guān)接收協(xié)調(diào)器收集的各終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，同時(shí)將信息通過(guò)WiFi或有線網(wǎng)絡(luò)上傳給上層應(yīng)用系統(tǒng)；

⑵ 通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)網(wǎng)關(guān)服務(wù)，向網(wǎng)關(guān)發(fā)出控制信號(hào)開關(guān)WSN燃?xì)忾y門；

⑶ 通過(guò)GPRS、3G、4G技術(shù)向用戶發(fā)送短信，其功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 總結(jié)

本方案是根據(jù)燃?xì)庥脩粜畔Ⅻc(diǎn)的整體分散、局部集中的特點(diǎn)，將每幢樓設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的WSN，再通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將每幢樓甚至每個(gè)小區(qū)連接到上層應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制。

本方案重點(diǎn)對(duì)WSN進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用Cluster-tree算法中分布式地址分配算法（Cskip）對(duì)各節(jié)點(diǎn)分布地址，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)獲取的網(wǎng)絡(luò)地址構(gòu)建了樹型分簇的WSN，節(jié)點(diǎn)不用再存儲(chǔ)路由表，大大地減少了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的流量，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能；同時(shí)，采用樹形密鑰管理和認(rèn)證機(jī)制相結(jié)合的密鑰管理方案，采用簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)密鑰管理方式，簇間分開加密的形式，為系統(tǒng)的安全可靠性提供了保障。

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