基于嵌入式服务器的实验室安防系统设计﹡

2013-10-31孙奎全陈向东张传武

通信技术 2013年7期

孙奎全，陈向东，张传武

(①西南交通大学信息科学与技术学院，四川成都 610031；②西南民族大学电气信息工程学院，四川成都 610041)

0 引言

随着信息技术的快速发展，国家对高校科研实验室的建设投入越来越大，因此对实验室贵重仪器和科研成果的安防措施也显得尤为重要。传统的安防系统普遍存在发现警情滞后、出警速度慢、布防撤防操作不便或易于破解等问题[1]，难以满足人们对安防系统越来越高的需求。本文针对传统安防系统存在的不足，利用ZigBee网络的自动组网、网络容量大、低功耗以及节点可灵活移动[2-3]等特点设计并实现了一种具有巡逻功能、快速出警、无线密码锁控制的实验室安防系统。

系统利用CC2530和ZigBee协议组建底层无线传感器网络，以ARM和Linux为核心并应用嵌入式Web服务器和SQlite服务器等技实现了嵌入式服务器，通过本地手持移动节点和远端监控平台对实验室进行实时监控。系统还具有设备安全检测机制，可实时了解设备运作状态，获取异常设备信息。

1 系统结构与工作原理

实验室安防系统是由协调器节点、监控节点、控制节点、移动节点以及嵌入式服务器组成。底层ZigBee无线传感器网络采用网状拓扑结构，该拓扑结构允许网络内任意两个节点之间都可以直接通信[4]。系统通过合理部署路由节点，有效避免了通信盲区的存在，确保信息的可靠传输。同时通过配置运行128位数据块的AES协处理器对网络内无线传输数据进行加密，有效提高了信息传输的安全性和抗干扰能力。具体的系统结构如图1所示。

图1 系统结构

当带有传感器的监控节点监测到危险信号时，会立即报警同时分别向保安手持的移动节点和嵌入式服务器发送危险信号。移动节点是随保安在ZigBee网络中移动的手持节点，可实时显示警情详细信息，以便巡逻的保安快速出警及时赶到现场。控制节点是安置在门外具有无线密码锁功能的路由节点，除了进行路径选择、实现信息多跳转发，还对室内监控节点起到控制作用例如布防/撤防等。嵌入式服务器是基于ARM9硬件平台和Linux软件平台设计的控制中心，通过串口与协调器连接，以获取底层无线数据，通过Web服务器和Sqlite数据库技术实现B/S架构的远程监控。管理员只需要通过联网 PC机访问嵌入式服务器即可实时获取实验楼宇的详细情况例如实验室状态、负责人姓名、联系电话、家庭住址等，还可以通过通用网关接口(CGI)技术向下发送控制命令。用户本人也可以通过自己的账号登录系统进行个人信息维护以及查询管理员信息。

2 系统硬件设计

2.1 嵌入式服务器硬件设计

嵌入式服务器的核心芯片采用三星的S3C2440，其外围硬件资源包括 SDRAM、Nand Flash、Nor Flash、串口以及一个100 Mb/s的以太网RJ-45接口（采用DM9000网络芯片）[5]，根据实际应用，若需要存储大量数据还可以通过 SD卡来扩展存储[6]。其主要功能是汇聚和处理ZigBee传输的数据并根据实际操作将处理结果存入数据库或动态嵌入网页提供给管理员和用户实现远程监控。

2.2 无线传感器网络节点硬件设计

系统中 ZigBee节点的核心均采用 CC2530芯片。该芯片具有一个高性能、低功耗8051兼容内核、8KB超低功耗SRAM和一个支持IEEE802.15.4协议的无线收发器[7]。系统利用双元型热释红外探头LHI778配合菲涅尔透镜采集信息，经过BIS0001处理传入处理器。系统控制部分是由具有矩阵键盘的无线密码锁完成。传统的矩阵键盘需要占用8个I/O口来扫描按键，该设计通过采用MM74C922键盘扫描芯片节省了一半的I/O资源。

3 系统软件设计

3.1 嵌入式服务器软件设计

传统服务器是用于资源管理为用户提供服务的高配置 PC机或工作站，通过上位机软件的开发构成 C/S架构的远程访问系统[8]。本系统设计的嵌入式服务器集合了数据库和Web服务器，与传统基于PC机的服务器相比，其功耗低、体积小、价格低廉，在实际应用中更为灵活方便。其软件结构如图2所示。

图2 嵌入式服务器软件结构

嵌入式服务器是在PC宿主机和ARM模块的交叉编译环境中完成，其开发步骤如下有:①移植U-Boot；②裁剪并移植Linux2.6内核；③制作NFS启动的根文件系统；④移植Boa Web服务器和Sqlite数据库；⑤利用交叉工具链arm-linux-gcc-4.3.2编译应用程序。通过CGI编程和数据库编程实现B/S架构的远程监控系统。该系统设置了管理员权限和普通用户权限，同时具有易于操作的交互界面，并通过监控区域页面颜色的变化实现报警。

3.2 无线传感器网络节点软件设计

无线传感器网络节点基于Z-Stack平台开发，该协议栈由APL层、NWK层、MAC层和PHY层构成[9]。该系统严格按照该层次开发，确保软件的可维护性。网络中节点均采用128位AES算法进行加密，以防止被其他设备监听并增强其抗干扰能力。协议栈通过AES协处理器实现该算法，通过设置唯一的128位 key值，实现信息加密。

协调器节点负责汇聚底层网络的监控信息，将获取的信息通过串口与嵌入式服务器相连实现底层ZigBee数据帧和串口帧之间的转化，系统通过发送队列和循环队列等数据结构作为串口信息缓冲存储。其数据流向示意图如图3所示。为了确保串口数据的可靠传输，系统采用统一的串口帧格式以便于后续处理和防止乱码干扰。

图3 协调器数据流向示意

移动节点是针对提高出警效率而特别设计的ZigBee终端节点，该节点随巡逻保安在网络内自由移动。由于异常信号需要及时传给网络内多个移动节点，故通过组寻址方式将所有移动节点组成一个巡逻小组，统一接收异常信号。系统中该寻址方式的软件配置如下:设置小组的组ID为0x0002作为所有移动节点共用的网络地址即 SwjtApp_Group.ID=0x0002，设置小组名称为POLICE并通aps_AddGroup(SwjtAPP_ENDPOINT, SwjtApp_Group)函数入组。当有异常发生时，所有移动节点都会收到异常信号，进而产生声光报警同时显示出危险源位置并根据异常信号帧的类型字段判断是何种报警，系统具有非法入侵、节点异常、紧急报警三种异常类型。

监控节点对布防区域进行监控，传感器获取的信号通过处理电路以数字信号的形式传给CC2530，高电平表示发生非法入侵，低电平表示系统安全。系统通过软件定时器设定1s的轮询周期，当检测到异常时会延时再次扫描以防止误报，确定存在险情后会分别向移动节点和嵌入式服务器发送报警信号。

控制节点通过无线密码锁控制与其配对的监控节点。该节点具有一键布防、密码撤防、紧急报警和密码修改等功能。为了确保信息的可靠传输，系统设计了确认反馈机制，针对控制节点发送的命令帧，监控节点需要发送反馈信息以确认操作结果，当命令发送成功后会通过液晶显示Wait Open SYS或Wait Close SYS，监控节点收到命令后做出相应操作并向控制节点反馈操作结果，操作成功后控制节点会显示Open Success或Close Success等反馈信息。

3.3 设备安全检测机制的设计

系统中节点较多，若节点离网或损坏都将影响安防质量，针对控制节点和监控节点成对安置的特点，设计节点握手检测机制以实时了解节点状态。系统设置控制节点握手状态标志C_FLAG=0，监控节点握手状态标志M_FLAG=0，两种节点以1s间隔互发一次握手请求信号并等待应答信息，收到应答则表明握手成功并将握手状态标志设置为1。查看握手状态标志的频率是产生握手信号频率的1/5即5s，保证了检测机制的准确性，避免误报。握手状态标志为0时表明其握手对象离网，则向手持移动节点和嵌入式服务器发送报警信号，为1时表明其握手对象运作正常，则将握手状态标志更改为0并继续进行握手检测。其原理如图4所示。