家用燃气监控系统中信息采集控制WSN方案

颜谦和 刘剑峰 颜珍平

摘 要： 提出了家用燃气监控系统的信息采集与控制WSN设计方案，采用Cluster-tree算法中的分布式地址分配算法（Cskip）对各节点分布地址，各节点通过获取的网络地址构建树型分簇的WSN，同时采用树形密钥管理和认证机制相结合的密钥管理策略。该方案减少了网络数据流量，提高了网络性能、系统安全性和可靠性，可以应用于智慧城市建设项目中。

关键词： WSN； ZigBee技术； Cluster-tree算法； 密钥管理； 认证机制

中图分类号：TP87 文献标志码：A 文章编号：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

燃气的安全防范监控系统是确保住宅、住户安全极为重要的途径，也是智能家居的重要组成部分。

本方案采用基于ZigBee技术的WSN实现家用燃气监控系统的信息采集与控制，能解决因燃气使用环境隐蔽而造成安装麻烦，以及整体分散局部集中，用户没有预置网络而造成的布线困难等问题。ZigBee技术作为一种近距离、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术[1]，可对每幢楼的燃气用户进行24小时监控采集信息并通过无线汇聚到网关，利用网关与互联网通信相结合的技术，可将燃气信息传送到互联网，燃气监控数据可方便、及时的呈现在使用者和管理者面前，及时、安全的对燃气进行控制和管理。

1 WSN方案设计

1.1 ZigBee网络拓扑结构设计

网络拓扑结构是决定网络性能和数据稳定性的重要保证，要根据信息点的位置特征和特点来进行设计。

ZigBee网络中的设备在逻辑上按功能可分为三种节点类型：协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端节点（EndDevice）。其中协调器负责网络的创建，其作用在于：网络初始化、组织网络节点和存储，并上传各节点信息；路由器负责数据的路由和转发，终端节点负责信息的采集。

ZigBee各节点设备可以通过软件灵活地配置成传感器终端节点、路由器节点或者协调器，以监测一栋住宅楼燃气泄漏为例，可以在住户厨房配置一种带燃气检测传感器的终端节点或路由器节点设备，在住宅楼的适当位置配置一个协调器节点，这些ZigBee各节点设备可以自主形成一个无线通信网络（WSN）[2]。由于无线通信的理论距离有60多米，并且中间有多堵墙的隔离，大大减小了实际的通信距离，为了保证每个节点能可靠通信，在每个单元设置一个中部位置节点为簇头节点，再将簇头节点与靠协调器近的单元的某个节点相连，最终连接到协调器上，构建一个典型的的树型簇状网络，其拓扑结构如图1所示。这种网络既可減少网络复杂度和管理难度，又能保证每个信息点能与协调器进行可靠、稳定和高效地信息交互。

1.2 WSN路由算法设计

WSN拓扑结构图只是一个物理上的树型簇状结构，我们需考虑如何形成逻辑上的树型簇状结构网络，并选择最优路由，提高网络性能。

本文采用Cluster-tree算法来进行路由算法设计，Cluster-tree算法就是利用Cskip地址分配协议获取网络地址的方式来构建树型簇状结构，根据这种结构来进行路由，节点中不用再存储路由表，而是根据地址来进行数据的传输，这大大地减省了网络数据的流量，提高了网络的性能。

当协调器创建好网络后，都会从其父节点获取一个在网络中惟一的16位网络地址，每个新加入的节点都有一个父结点，同时一个父结点可以有一个或多个子节，通过分布式地址分配算法（Cskip）分配地址来动态生成树型分簇结构的网络，Cskip将按公式⑴进行地址分配：

⑴

其中，Cm为父节点允许的最大节点数，Rm为父节点允许的最大路由节点数，Lm为网络最大深度，Cskip（d）是网络深度为父节点为其子节点的地址之间的偏移量。只有Cskip（d）>0时，父节点才可以接收子节点。当某个节点的父节点出现崩溃断链时，节点将重新搜索新的父节点（路由器或协调器），获取新的网络地址，重新加入到网络中恢复功能使用[3]。

1.3 WSN网络安全设计

燃气监控系统的信息采集与控制功能由WSN完成，整个网络都通过无线信号的方式通信，如果不对网络加以保护，那么所有信息都将裸露，这会给系统的应用和推广带来很大的困扰。根据WSN网树型分簇网络结构特点，采用树形密钥管理和认证机制相结合的密钥管理方案，可提高密钥管理效率，并实现动态密钥更新[4]。

1.3.1 树型分簇密钥管理

WSN按照协调器、簇头和节点进行分层管理，由R1、E1、E2、E3、E4、E5组成一个簇，簇头为R1，由R2、E6、E7、E8、E9、E10组成一个簇，簇头为R2，每个簇的成员都有一个自己通信的簇密钥，如果协调器要与某簇通信，先将信息发送给簇头，再由簇头进行加密处理后群发给簇内所有节点，具体如图2所示。

1.3.2 密钥认证

为WSN中每个可信任节点（Ei）分配一个惟一的身份标识号（）和一个初始密码（KE），则E1节点可根据自己的身份标识和初始密码通过哈希函数f生成主密钥：=，同理，E2也可产生自己的主密钥=。每个邻接节点的点对密钥，E2 =，如果邻接节点要进行通信，只需将自己的身份标识号发送给对方，如果有恶意节点想侵入网络，就可通过这个惟一的身份标识号来识别[5]。

1.4 网关服务器设计

嵌入式系统具有处理能力强、价格低、功耗低等特点，使它成为专用系统的服务器网关的首选方案。它与WSN中的协调器相连，通过串口将WSN网中采集到各种信息输入系统存储，通过应用软件进行分析处理，当采集信息超过预设指标时，自动完成以下几个动作：

⑴ 网关接收协调器收集的各终端节点采集的数据进行显示，同时将信息通过WiFi或有线网络上传给上层应用系统；

⑵ 通过互联网访问网关服务，向网关发出控制信号开关WSN燃气阀门；

⑶ 通过GPRS、3G、4G技术向用户发送短信，其功能结构如图3所示。

2 总結

本方案是根据燃气用户信息点的整体分散、局部集中的特点，将每幢楼设计成一个独立的WSN，再通过互联网将每幢楼甚至每个小区连接到上层应用系统进行管理和控制。

本方案重点对WSN进行了设计，采用Cluster-tree算法中分布式地址分配算法（Cskip）对各节点分布地址，各节点通过获取的网络地址构建了树型分簇的WSN，节点不用再存储路由表，大大地减少了网络数据的流量，提高了网络的性能；同时，采用树形密钥管理和认证机制相结合的密钥管理方案，采用簇内节点动态密钥管理方式，簇间分开加密的形式，为系统的安全可靠性提供了保障。

参考文献：

[1] 张平等.甚低功耗无线通信技术——Zigbee[J].中兴通讯技术，2006.8.

[2] 崔莉等.无线传感器网络标准化工作进展[J].信息技术快报，2008.3.

[3] 周武斌.ZigBee无线组网技术研究[D].中南大学硕士学位论文，2009.5：34-40

[4] 于海霞，余梅生，吴晓娟.关键基于树型结构的WSN密钥管理方案[J].计算机工程，2010.20：14-16

[5] 王习，王黎明，韩剡.基于ZigBee无线传感器网络技术的管理监测系统[J].传感器与微系统，2011.30（12）：23-24