２０１２年第５期 山西电子技术 应用实践 文章编号：１６７４—４５７８（２０１２）０５．００４３．０２ 基于ＷＳＮ的工厂安防管理系统木 郭晓乐，杨瑞峰，贾建芳 （中北大学信息与通信工程学院，山西太原０３００５１） 摘要：从传统报警系统的局限性出发，将入侵检测技术与身份识别技术相结合，通过对同一时刻检测的信号 的辨析及入侵探测设备的发出信号来辨别非法入侵与合法进入。结合实际，设计一套基于无线传感器网络的人体 探测、身份识别和定位应用于工厂等大型场所的智能安防监测系统。 关键词：无线传感器；安防系统；人体探测；身份识别 中图分类号：ＴＰ２７７ 文献标识码：Ａ １ 引 言 用数学方法计算出未知节点的自身位置坐标。目前常用的 １．１基于ＷＳＮ的身份识别技术 未知节点自身位置坐标的算法已基本成熟，现阶段研究在于 如何求出网络中未知节点到信标节点之间的距离或角度 Ｊ。 随着计算机技术、自控技术及现代通信技术的高速发展 和多技术的融合，安防系统也逐渐趋于智能化发展，并逐渐 常用计算定位的方法分为基于测距的和不基于测距的。在 将电子地图、多媒体、管理和控制软件逐步引入到系统中…。 基于测距的算法中典型方法有四种：到达时间、到达时间差、 到达角度和接收信号强度指示的算法等 Ｊ。这些测量方法 但现有安防系统还存人体探测精度低、存在误报、漏报现象。 测量了节点间的距离或角度，一般数据相对准确，定位精度 究其原因，在于探测技术只能在分辨现场物理量的变化，不 高，但对节点的硬件配置要求较高，易受外界环境因素的影 能清晰分辨“敌”我。与此同时现有系统一般均为点监控， 响。不基于测距的方法是利用节点间的连通性和多跳路由 无法实现面监控，对入侵人员出现的入侵位置无法精确定位 信息交换等方法来估计节点间的距离或角度，受外界环境因 和跟踪。此外还存在施工周期长，监控设备大、复杂，能耗 素的影响小，对硬件要求不高，这种方法更多的得到人们的 高，不灵活。因此，高探测精度，明辩双方，智能、简洁、低耗 使用。不基于测距的典型算法有质心算法、ＤＶ—Ｈｏｐ算法 的安防系统是今后的发展方向。 等多种。这些算法成本低、效率高，但存在着一定的误差 Ｊ。 １．２无线传感器网络的概念 ２基于ＷＳＮ的工厂安防管理系统设计 无线传感器网络是一种由部署在监测区域内大量的微 型智能的传感器节点通过无线通信形成的一个多跳的自组 ２．１建立基于ＷＳＮ的工厂安防管理系统总模型 织网络系统构成的网络应用系统。各节点间连接是采用无 目前，安防监控技术飞速发展，在一些较大厂区，由于无 线信道，采用对等、多跳通信方式，自组织网络拓扑结构；传 线终端节点传输距离无法满足工厂安防及监控的要求， 感器节点间协同，协作感知、采集和处理网络覆盖区域里被 因此可采用网络协调器及多个路由节点，如图１所示，路由 监测对象的信息，通过对数据局部采集、预处理及节点间数 节点与各终端节点组成子网，负责监控区域内的一部分，各 据交换从而完成全局任务并发送给观察者 】。 子网间相互，在终端节点上安装各种传感器，负责所需 的测量，数据采集及确定所属的路由节点。子网内的终端节 １．３基于ＺｉｇＢｅｅ技术的无线传感器网络 点再同时与路由节点构成网络，进行数据采集 Ｊ。首先给终 ＺｉｇＢｅｅ是一种低速率、低功耗、短距离无线接人技术，是 端节点布置固定的位置，负责采集信息及发送信息到路由节 专为低速率传感器和控制网络设计的短距离无线通信技术 点，此过程通过无线网络实现。网络协调器协调网络中路由 无线网络协议。与其他无线协议相比，由于具有路径选择、 节点，与各路由节点进行通信，实现对工厂安防的网络化管 自动连结网络及自我回复等主要功能，适和用于监控、控制 理；监控中心对系统全部功能进行管理，是整个安防管理及 与感测式网络应用。ＺｉｇＢｅｅ是一种经济、安全、可靠的选择。 预警系统的数据中心及监控网络的总控制台。 在自动化领域，ＺｉｇＢｅｅ技术有助于改进安全性和访问控 以某个子网为例，组网成功后，终端节点处于休眠状态； 静Ｊ［ 。 网络协调器每隔一定时间发出一次指令，指令被路由节点接 １．４无线传感器网络定位算法分类 收后，先是传递给下一级路由节点，之后传送给自身子网内 大多数无线传感器网络定位算法分为两个步骤：第一步 的各终端节点。终端节点收到路由节点的指令后停止休眠， 计算网络中未知节点到信标节点的距离或角度。第二步，利 进行数据采集并将信息通过无线网络传送给路由节点；路由 收稿日期：２０１２—０９—０５ 基金项目：山西省科技攻关项目（２０１００３２１０５６—０１） 作者简介：郭晓乐（１９８７－），男，山西孝义人，硕士研究生。主要研究方向为仪器仪表工程、自动化测试与控制技术。 杨瑞峰（１９６９一），男，山西代县人，教授，博士，主要研究方向：计算机测控技术、现代传感技术与系统等。 贾建芳（１９７３－），男，山西长治人，副教授，博士，主要研究方向为计算机测控技术、非线性系统故障诊断与容错控制。 山西电节点接收信息，传送到上一级路由节点，多跳后传递到网络 协调器，数据到达网络协调器后再由网络协调器传送到监测 中心，监测中心负责对数据进行接收及建数据库存储等。监 测中心的数据或某子网的实时工作情况管理者查询后可制 定相应的方案 ］。通过这种方式，使预防警戒监控区域全部 连接在一起，实现了监测面积的扩大，厂区的大型化和分区 管理。 图１ 基于ＺｉｇＢｅｅ的工厂安防预警监控系统ＷＳＮ数据采集系统 ２．２厂区固定及移动式传感器节点分系统设计 厂区外围以及厂区内固定节点的安防管理功能主要是 利用无线传感器网络技术与微波探测技术、人体的热红外感 应技术相结合来实现。厂区外围分系统由四部分组成，分别 为：固定感应节点、通信基站、控制中心、个人身份识别卡。 系统结构见图２。流动布控分系统由四部分组成，分别为： 移动感应节点、通信基站、控制中心、身份识别卡。系统结构 见图３。 图２固定节点系统结构图 图３移动式节点系统结构图 子技术 ２０１２年 ２．３厂区安防管理系统中所涉及到的器件 ２．３．１ 子网系统的核心元器件 ・ＣＣ２４３０无线芯片ＣＣ２４３０芯片在单个芯片上整合 了ＺｉｇＢｅｅ射频（ＲＦ）前端、内存和微控制器。在接收和发射 模式下，电流损耗分别低于２７ ｍＡ或２５ ｍＡ。ＣＣ２４３０的休 眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些 要求电池寿命非常长的应用。 ・三鉴探测器三鉴探测器：包含被动式红外探测器 和微波探测器，二者相结合作为系统中的感应模块，提高人 体探测精度。 微处理器 模 式 确 认 图４三鉴探测器的基本电路组成方框图 ・监控探头采用夜视监控探头，可以方便晚上或环 境昏暗条件下进行监控或图像录取。在普通车间及一些非 重要的厂房的房檐四周和厂区道路上安装可以旋转的摄像 头，当有情况时可以通过所报警指示的具体位置，控制中心 控制摄像头的旋转，查看周围的环境，也可以查看车间或厂 区道路周围的摄像头可视范围内的场景，减少摄像头的安装 数量，节约系统的成本。对于重点监控的车间仓库和厂区外 围监控可以安装固定式摄像头，对摄像头所监控区域全时段 重点监控。当有突发事件时可以直接进行对所监控区域内 的环境进行摄像取证。对于车辆进出的区域入口安装带有 可拍照时摄像头，摄像头采用有线布防，因为摄像头的能耗 较高，摄像头也可以与固定传感器节点相组网，当有人员或 车辆非法闯入时，当探测器检测到有人或车辆即将进入该子 网监控系统，唤醒该子网的身份识别传感器与终端连接查询 人员身份，当查无此身份或者身份不符时，对监控中心发出 警示，监控中心终端唤醒监控探头，进行监控拍照取证。这 样可以减少监控探头的能耗，高效地利用好探头，避免能源 的不必要浪费。由于监控探头所需能耗高，图像的质量所需 的空间很大，不利于无线网络的传输，因此采用有线传输，通 过终端与子网系统组网。 ・车辆出入管理系统厂区内部车辆按照员工车辆和 厂区工作车辆分为不同警戒级别，临时进入厂区的车辆发放 临时识别卡；依照车辆的身份识别卡，系统对进入区域的车 辆进行识别并放行或禁止其驶入该区域，实现对车辆的有效 监管，使厂区车辆行驶、停放有序，便于管理。 ・电磁或红外门禁系统作为固定感应节点的探测和 感应模块，当有人非法撬动门窗时，安装在门窗上的电磁或 红外感应门禁系统感应到环境的变化，则迅速向子网终端发 出警示警报，终端唤醒监控探头进行监控和拍照取证，与此 同时子网终端向控制中心报告发出警示，控制中心终端按照 事先做出的突发处置预案程序，启动该程序。 ２．４系统能耗的解决方式 鉴于无线传感器网络能耗有限，因此对于固定传感器节 点可以与探测器、监控探头或者路边的路灯的电源相连作为 固定传感器的直接长期能源供给以防传感器因能量耗尽而 影响网络的安防监控能力。身份识别卡的电源由纽扣式电 池提供，由于识别卡多数情况下处于休眠状态因此能耗不会 （下转第６７页） 第５期 崔钰：关于计算机网络安全中的应用信息加密技术 ６７ 半导体存储器等等。密钥的管理技术主要包括密钥的产生、 密算法常采用序列密码。由于ＰＤＵ中的协议控制信息和数 分配、保存、更换与销毁等各环节上的保密措施。网络信息 据都被加密，这就掩盖了源结点和目的结点的地址。 确认加密技术是通过严格限定信息的共享范围来防止信息 端到端加密是在源结点和目的结点中对传送的ＰＤＵ进 被非法伪造、篡改和假冒。一个安全的信息确认方案应该可 行加密和解密，因此报文的安全性不会因中间结点的不可靠 以保证以下几点：使合法的接收者能够验证他收到的消息是 而受到影响。 否真实；发信者无法抵赖是自己发出的消息；除合法发信者 ３结束语 外，别人无法伪造消息；发生争执时可以由第三人仲裁。按 照其具体目的，信息确认系统可分为身份确认、消息确认和 在计算机网络安全中应用信息加密技术，是保障当前形 数字签名。数字签名是由于公开密钥和私有密钥之间存在 势下我们安全传递与信息交流的基本技术，对于计算机网络 的数学关系，使用其中一个密钥加密的信息数据只能用另一 安全是至关重要的。 个密钥解开。发送者用自己的私有密钥加密信息数据传给 参考文献 接收者，接收者用发送者的公钥解开信息数据后，就可确定 ［１］ 曾莉红．基于网络的信息包装与信息数据加密［Ｊ］．包 消息来自谁。这就保证了发送者对所发信息不能抵赖，从而 装工程，２００７（８）：２１６—２１７． 更好地维护网络安全。 ［２］ 华硕升级光盘加密技术［Ｊ］．消费电子商讯，２００９ ２．３网络传输的加密策略 （１１）：８２． 链路加密网络中，每条通信链路上的加密都是实现 ［３］ 谢希仁．计算机网络［Ｍ］．第４版，北京：电子．ｖ－，＿ｌｋ出版 的。通常每条链路都会使用不同的加密钥匙。这使得当某 社．２０ｏ４． 条链路受到破坏时，其他链路上传送的信息不会被析出。加 Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｓａｆｅｔｙ Ｃｕｉ Ｙｕ （Ｓｔａｔｅ—ｏｗｎｅｄ ７８５ Ｐｌａｎｔ，Ｔａｉｙｕａｎ Ｓｈａｎｘｉ ０３００２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｒａｐｉｄｌｙ ｉｎ ｍｏｄｅｍ ｓｏｃｉｅｔｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄａｔａ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｉｓ ａｌｓｏ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｆｉｒｓｔ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ’Ｓ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｎｔｅｍｅｔ ｓａｆｅｔｙ，ａｎｄ ｔｈｅｎ，ｉｔ ｍａｉｎｌｙ ｅｘｐｏｕｎｄｓ ｉｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｆｏｕｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｔｈａｔ ａｒｅ ｔｈｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｋｅｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｆｉｍｒ ｅｎｅｒｙｐｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｂｙ ｄｅｅｐｌｙ ｈａｒｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｅ－ ｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｉｄｅ，ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｆａｓｔｅｒ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｉｄｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｆｎｏｒｍａｔｉｏｎ；ｓａｆｅｔｙ ｄａｔａ；ｅｎｅｒｙｐｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （．Ｉ－接第４４页） ［２］ 王殊，阎毓杰，胡富平，等．无线传感器网络的理论及 过大，电池不用常换。对于移动式传感器节点的能量供给可 应用［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００７：２４一 由安保人员的巡逻车的电瓶供给或安保人员手持控制器的 ３６． 电池提供。对于摄像头的工作能耗，可以让探头处于休眠状 ［３］ 刘福铭．ＲＦＩＤ与无线传感器网络集成技术研究与开发 态，保持低功耗，当受到控制中心或者子网终端的命令则被 ［Ｄ］．上海交通大学，２００７． 唤醒进行工作。这样可以使该套安防管理系统处于低能耗 ［４］Ｐｅｒｉｌｌｏ Ｍ，Ｃｈｅｎｇ Ｚ，Ｈｅｉｎｚｅｌｍａｎ Ｗ．Ｏｎ ｔｈｅ Ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ 状态，节约能源ｏ Ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ Ｌｏａｄ Ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｉｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔ． ３小结 ｗｏｒｋｓ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＥＥＥ ＧＬＯＢＥＣＯＭ Ｗｏｒｋｓｈｏｐｓ 本文从应用角度出发设计了一套基于无线传感器网络 ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｄ Ｈｏｃ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，Ｄａｌｌｓａ，１’）（， 的工厂安防监控管理系统。本文设计的工厂安防监控管理 ２００４：７４—７９． 系统低功耗、低成本，可实现自我识别定位，并可以随时随地 ［５］ 柳婵娟，张征，蕾鹏．基于ＺｉｇＢｅｅ的无线传感器网络及 实现布防，实用性强，是对传统安防报警系统的重大改进，运 应用［Ｊ］．计算机技术与应用，２００８，３３（５）：１３—１７． 用本论文的理论基础还可以设计小区的职能安全管理系统， ［６］ 徐金星．无线传感器网络研究与设计［Ｄ］．浙江大学， 小区停车管理系统，驻防预警系统等其他智能安保预警 ２００５・ 系统，大大提高安保的工作效率，节约大量的人力物力。 ［７］ 闫沫．ＺｉｇＢｅｅ协议栈的分析与设计［Ｄ］．厦门大学， 参考文献 ２００７． ［１］ 孙克立．提高微波／被动红外双鉴探测可靠性所采取 ［８］ 孙静，陈佰红．ＺｉｇＢｅｅ协议栈及应用实现［Ｊ］．通化师 的技术措施［Ｊ］．大学学报，１９９９，３５（３）：９３—９７． 范学院学报，２００７，３２（３）：５３—５５． Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｆａｃｔｏｒｙ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＷＳＮ Ｇｕｏ Ｘｉａｏ・ｌｅ，Ｙａｎｇ Ｒｕｉ ｆｅｎｇ，Ｊｉａ Ｊｉａｎ－ｆａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆｏＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ Ｓｈａｎｘｉ ０３００５１，Ｃｈｉａｎ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｖｉｅｗｐｏｉｎｔ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ａｌａｒｍ ｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｍｂｉｎｅｓ ｔｈｅ ｉｎｔｒｕｓｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｄｅｎｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ ｈｔｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｓｅｎｄ ｂｙ ｉｎｔｕｒｓｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｔ ｔｌｌｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｔｏ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ｉｌｌｅｇａｌ ｉｎｖａｓｉｏｎ ｏｒ ｌｅｇａｌ ｅｎｔｅｒｉｎｇ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｉｔ ｄｅｓｉｎｇｓ ａ ｓｅｔ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｖｓ． ｔｅｒｎ ｆｏｒ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｉｄｅｎｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＷＳＮ ｉｎ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｙ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｌａｒｇｅ ｐｌａｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＷＳＮ；ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｓｙｓｔｅｍ；ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ：ｐｅｒｓｏｎａｌ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ
