基于嵌入式服務器的實驗室安防系統設計﹡

孫奎全，陳向東，張傳武

(①西南交通大學信息科學與技術學院，四川 成都 610031；②西南民族大學電氣信息工程學院，四川 成都 610041)

0 引言

隨著信息技術的快速發展，國家對高?？蒲袑嶒炇业慕ㄔO投入越來越大，因此對實驗室貴重儀器和科研成果的安防措施也顯得尤為重要。傳統的安防系統普遍存在發現警情滯后、出警速度慢、布防撤防操作不便或易于破解等問題[1]，難以滿足人們對安防系統越來越高的需求。本文針對傳統安防系統存在的不足，利用ZigBee網絡的自動組網、網絡容量大、低功耗以及節點可靈活移動[2-3]等特點設計并實現了一種具有巡邏功能、快速出警、無線密碼鎖控制的實驗室安防系統。

系統利用CC2530和ZigBee協議組建底層無線傳感器網絡，以ARM和Linux為核心并應用嵌入式Web服務器和SQlite服務器等技實現了嵌入式服務器，通過本地手持移動節點和遠端監控平臺對實驗室進行實時監控。系統還具有設備安全檢測機制，可實時了解設備運作狀態，獲取異常設備信息。

1 系統結構與工作原理

實驗室安防系統是由協調器節點、監控節點、控制節點、移動節點以及嵌入式服務器組成。底層ZigBee無線傳感器網絡采用網狀拓撲結構，該拓撲結構允許網絡內任意兩個節點之間都可以直接通信[4]。系統通過合理部署路由節點，有效避免了通信盲區的存在，確保信息的可靠傳輸。同時通過配置運行128位數據塊的AES協處理器對網絡內無線傳輸數據進行加密，有效提高了信息傳輸的安全性和抗干擾能力。具體的系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

當帶有傳感器的監控節點監測到危險信號時，會立即報警同時分別向保安手持的移動節點和嵌入式服務器發送危險信號。移動節點是隨保安在ZigBee網絡中移動的手持節點，可實時顯示警情詳細信息，以便巡邏的保安快速出警及時趕到現場?？刂乒濣c是安置在門外具有無線密碼鎖功能的路由節點，除了進行路徑選擇、實現信息多跳轉發，還對室內監控節點起到控制作用例如布防/撤防等。嵌入式服務器是基于ARM9硬件平臺和Linux軟件平臺設計的控制中心，通過串口與協調器連接，以獲取底層無線數據，通過Web服務器和Sqlite數據庫技術實現B/S架構的遠程監控。管理員只需要通過聯網 PC機訪問嵌入式服務器即可實時獲取實驗樓宇的詳細情況例如實驗室狀態、負責人姓名、聯系電話、家庭住址等，還可以通過通用網關接口(CGI)技術向下發送控制命令。用戶本人也可以通過自己的賬號登錄系統進行個人信息維護以及查詢管理員信息。

2 系統硬件設計

2.1 嵌入式服務器硬件設計

嵌入式服務器的核心芯片采用三星的S3C2440，其外圍硬件資源包括 SDRAM、Nand Flash、Nor Flash、串口以及一個100 Mb/s的以太網RJ-45接口（采用DM9000網絡芯片）[5]，根據實際應用，若需要存儲大量數據還可以通過 SD卡來擴展存儲[6]。其主要功能是匯聚和處理ZigBee傳輸的數據并根據實際操作將處理結果存入數據庫或動態嵌入網頁提供給管理員和用戶實現遠程監控。

2.2 無線傳感器網絡節點硬件設計

系統中 ZigBee節點的核心均采用 CC2530芯片。該芯片具有一個高性能、低功耗8051兼容內核、8KB超低功耗SRAM和一個支持IEEE802.15.4協議的無線收發器[7]。系統利用雙元型熱釋紅外探頭LHI778配合菲涅爾透鏡采集信息，經過BIS0001處理傳入處理器。系統控制部分是由具有矩陣鍵盤的無線密碼鎖完成。傳統的矩陣鍵盤需要占用8個I/O口來掃描按鍵，該設計通過采用MM74C922鍵盤掃描芯片節省了一半的I/O資源。

3 系統軟件設計

3.1 嵌入式服務器軟件設計

傳統服務器是用于資源管理為用戶提供服務的高配置 PC機或工作站，通過上位機軟件的開發構成 C/S架構的遠程訪問系統[8]。本系統設計的嵌入式服務器集合了數據庫和Web服務器，與傳統基于PC機的服務器相比，其功耗低、體積小、價格低廉，在實際應用中更為靈活方便。其軟件結構如圖2所示。

圖2 嵌入式服務器軟件結構

嵌入式服務器是在PC宿主機和ARM模塊的交叉編譯環境中完成，其開發步驟如下有:①移植U-Boot；②裁剪并移植Linux2.6內核；③制作NFS啟動的根文件系統；④移植Boa Web服務器和Sqlite數據庫；⑤利用交叉工具鏈arm-linux-gcc-4.3.2編譯應用程序。通過CGI編程和數據庫編程實現B/S架構的遠程監控系統。該系統設置了管理員權限和普通用戶權限，同時具有易于操作的交互界面，并通過監控區域頁面顏色的變化實現報警。

3.2 無線傳感器網絡節點軟件設計

無線傳感器網絡節點基于Z-Stack平臺開發，該協議棧由APL層、NWK層、MAC層和PHY層構成[9]。該系統嚴格按照該層次開發，確保軟件的可維護性。網絡中節點均采用128位AES算法進行加密，以防止被其他設備監聽并增強其抗干擾能力。協議棧通過AES協處理器實現該算法，通過設置唯一的128位 key值，實現信息加密。

協調器節點負責匯聚底層網絡的監控信息，將獲取的信息通過串口與嵌入式服務器相連實現底層ZigBee數據幀和串口幀之間的轉化，系統通過發送隊列和循環隊列等數據結構作為串口信息緩沖存儲。其數據流向示意圖如圖3所示。為了確保串口數據的可靠傳輸，系統采用統一的串口幀格式以便于后續處理和防止亂碼干擾。

圖3 協調器數據流向示意

移動節點是針對提高出警效率而特別設計的ZigBee終端節點，該節點隨巡邏保安在網絡內自由移動。由于異常信號需要及時傳給網絡內多個移動節點，故通過組尋址方式將所有移動節點組成一個巡邏小組，統一接收異常信號。系統中該尋址方式的軟件配置如下:設置小組的組ID為0x0002作為所有移動節點共用的網絡地址即 SwjtApp_Group.ID=0x0002，設置小組名稱為POLICE并通aps_AddGroup(SwjtAPP_ENDPOINT, SwjtApp_Group)函數入組。當有異常發生時，所有移動節點都會收到異常信號，進而產生聲光報警同時顯示出危險源位置并根據異常信號幀的類型字段判斷是何種報警，系統具有非法入侵、節點異常、緊急報警三種異常類型。

監控節點對布防區域進行監控，傳感器獲取的信號通過處理電路以數字信號的形式傳給CC2530，高電平表示發生非法入侵，低電平表示系統安全。系統通過軟件定時器設定1s的輪詢周期，當檢測到異常時會延時再次掃描以防止誤報，確定存在險情后會分別向移動節點和嵌入式服務器發送報警信號。

控制節點通過無線密碼鎖控制與其配對的監控節點。該節點具有一鍵布防、密碼撤防、緊急報警和密碼修改等功能。為了確保信息的可靠傳輸，系統設計了確認反饋機制，針對控制節點發送的命令幀，監控節點需要發送反饋信息以確認操作結果，當命令發送成功后會通過液晶顯示Wait Open SYS或Wait Close SYS，監控節點收到命令后做出相應操作并向控制節點反饋操作結果，操作成功后控制節點會顯示Open Success或Close Success等反饋信息。

3.3 設備安全檢測機制的設計

系統中節點較多，若節點離網或損壞都將影響安防質量，針對控制節點和監控節點成對安置的特點，設計節點握手檢測機制以實時了解節點狀態。系統設置控制節點握手狀態標志C_FLAG=0，監控節點握手狀態標志M_FLAG=0，兩種節點以1s間隔互發一次握手請求信號并等待應答信息，收到應答則表明握手成功并將握手狀態標志設置為1。查看握手狀態標志的頻率是產生握手信號頻率的1/5即5s，保證了檢測機制的準確性，避免誤報。握手狀態標志為0時表明其握手對象離網，則向手持移動節點和嵌入式服務器發送報警信號，為1時表明其握手對象運作正常，則將握手狀態標志更改為0并繼續進行握手檢測。其原理如圖4所示。

圖4 設備安全檢測原理

4 系統實現

完成各節點軟件設計和 PCB硬件制作，選用0101實驗室為實驗對象，在其布防狀態下觸動報警裝置，遠程監控頁面中該房間對應區域變為紅色以示報警。單擊紅色區域顯示該實驗室詳細信息（房間號、負責人姓名、電話、學院、聯系方式以及家庭住址等）如圖5所示。管理員可通過電話或短信等形式通知實驗室相關人員。

圖5 一樓監控頁面顯示

5 結語

本文介紹了一種基于無線傳感器網絡和嵌入式技術的實驗室安防系統，并通過實驗對其可行性進行驗證。實驗結果表明該系統報警及時、出警迅速、數據傳輸可靠、設備安全檢測機制運作正常，具有潛在的實用意義。該系統還具有較強的可擴展性，可以根據實際需求增加諸如危險藥品泄漏、火災等信息的監控。

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