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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇網絡監測系統，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：GPRS；熱網；遠程監測
中圖法分類號：TP309文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2007)18-31524-01
Steam Remote Monitoring System Based on GPRS
SHI Wen-yang
(Xunda Automatic System Co.Ltd,wuxi 214155,China)
Abstract:To reducing energy saving, environmental protection, all over the implementation of cogeneration, central heating. Power Plant Steam users located in every corner of the city, the traditional practice of meter reading, artificial inspections, the workload is very large. GPRS (General Packet Radio Service) network with the wider coverage, and convenient Internet access, long-distance transmission of data. Established in GPRS networks on the basis of the thermal remote network monitoring system, remote meter reading can be achieved, on-line monitoring of the heating network status.
Key words:GPRS;Steam;Remote Monitoring
1 引言
當前，眾多的熱電企業實行熱電聯產，向周邊地區集中供熱。各熱電廠的供熱系統大都存在用戶眾多、位置分散、管線長、管損大等問題，甚至出現人情汽、不法用戶偷汽現象。致使熱電企業日常管理工作量大，出現糾紛難以解決，經濟效益受損，嚴重阻礙熱電企業的發展。依據多年的流量計生產應用經驗，充分考慮到流量測量工程中的問題，分析多家熱電企業的需求，結合多家熱電企業在熱網管理中的成功經驗，提出基于GPRS的熱網遠程監測系統。
2 熱網管理現狀與需求
用戶規模從幾十戶到上百戶
供汽范圍可達10公里左右，小范圍在2～3公里
人工抄表，工作量大
人工統計報表，繁瑣，準確度難以保證
無法及時監控供汽質量
無法了解各用戶用汽實時狀態
用戶端出現故障不能及時發現
無法控制人情汽
無法及時發現用戶作弊
需要最大限度降低管損
要做到易收款，無貿易結算糾紛
要求保留幾年的供熱數據，為查詢提供有效保障
3 方案設計
可以把熱網遠程監測系統分成上位機軟件、通信網絡、現場終端儀表三部分。上位機軟件根據實際情況和廠家需求，分單機版和網絡版。單機版實現數據采集、存儲、查詢、報表等基本功能，網絡版充分考慮了系統的安全性、可靠性、分散性，功能更加強大。現場終端儀表大都采取孔板、差壓變送器或渦街頻率變送器加智能流量積算儀。通信網絡采用GPRS網絡。
3.1系統基本功能
(1)通過通信網絡的數據傳輸，獲取各用戶流量、溫度、壓力、累計流量；
(2)實現對各用戶參數的監測，如監測變送器設定參數值，用戶蒸汽狀態等；
(3)對用戶蒸汽溫度、壓力、瞬時流量、累計流量等每秒～每三十分鐘記錄一次，能生成供汽報表及歷史曲線，可以打印輸出，操作員可任意查詢歷史記錄；
(4)用戶停電、線路不通、電池損壞時，發出報警信號；
(5)數據庫無限量容納熱網記錄數據供工廠查詢；
(6)支持開放式關系型數據庫；
(7)基于客戶機/服務器模式，支持網絡操作；
(8)設定分級權限，授權的部門可以通過局域網查詢熱網數據；
(9)全圖形界面操作，簡潔、實用，今后用戶擴展、維護方便。
圖1 系統網絡示意圖
3.2 GPRS網絡技術優勢
GPRS（General Packet Radio Service）是建立在GSM 基礎上的、被稱為2.5G的無線數字蜂窩網絡，它將分組傳輸的技術引入GSM 網絡，為無線設備接入Internet 提供了一種有效且費用低廉的手段，被廣泛應用于移動計算、手持設備的Internet 互聯、遠程數據采集與監控等眾多場合。
GPRS用于無線數據傳輸具有多方面的優勢：一是接入范圍廣，可充分利用全國范圍的移動網絡，方便、快速、低成本地為用戶數據終端提供遠程接入網絡的部署；二是傳輸速率高，數據傳輸速度可達57.6kbps，最高可達到171kbps[1]，是常用有線56k Modem 理想速率的兩倍，下一代GPRS 業務的速度甚至可以達384kbps，完全可以滿足更多的應用需求；三是接入時間短，GPRS 接入等待時間短，可快速建立連接，平均耗時為兩秒；四是提供實時在線功能，現在用GPRS DTU上網，用戶將始終處于連線和在線狀態，這將使訪問服務變得非常簡單、快速；五是按流量計費，用戶只有在發送或接收數據期間才占用資源，用戶可以一直在線，按照用戶接收和發送數據包的數量來收取費用，用戶即使掛在網上也是不收費的。以上優勢使GPRS 非常適用于小規模數據量的遠程無線接入應用。
3.3通過GPRS網絡建立遠程數據通道
利用GPRS網絡構建數據的遠程無線傳輸通道必須有協議棧的支持。GPRS終端利用PPP協議（Point-to-Point Protocol）與中國移動公司服務器建立點對點的數據連接。PPP是為在同等單元之間傳輸數據包這樣的簡單鏈路設計的鏈路層協議。這種鏈路提供全雙工操作，并按照順序傳遞數據包。設計目的主要是用來通過撥號或專線方式建立點對點連接發送數據。
PPP協議中提供了一整套方案來解決鏈路建立、維護、拆除、上層協議協商、認證等問題，其包含3大部分：鏈路控制協議LCP（Link Control Protocol）；認證協議，最常用的包括口令驗證協議PAP（Password Authentication Protocol）和挑戰握手驗證協議CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol）；網絡控制協議NCP（Network Control Protocol）。在GPRS終端設備與移動服務器建立連接的過程中，LCP負責創建，維護或終止與服務器的物理連接；CHAP負責處理服務器的口令驗證；NCP負責從服務器獲得一個IP地址，和兩個DNS域名服務器地址。 GPRS終端設備與移動服務器的PPP協商的成功，標志著網絡數據連路層的建立，此后將移動的服務器設為網關，可利用TCP/IP協議訪問Internet或其他GPRS終端。這樣GPRS終端之間、GPRS終端和Internet之間的數據通道得以建立，數據即可在此通道上按需流動。
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3.4 GPRS組網方案
組網方案一，通過公共接入點CMNET接入網絡。這種組網方案使GPRS DTU的IP地址不固定，所以需要用一臺接入公網的固定IP地址的服務器，DTU上線后獲得的動態IP地址發送到服務器，建立C/S結構的點對點連接，傳送數據。
這種方案的優點是費用低。方案采用公共接入點和動態IP地址，而非專用接入點和與SIM卡綁定的固定IP地址，只需要為SIM卡開通按流量計費的GPRS CMNET服務。缺點是DTU的IP如果變動，就會出現掉線，撥號重新建立連接，重新獲取IP。另外，服務器端的安全保障工作需要全面規劃。這種方案適合對網絡安全性要求不是特別高，費用控制嚴格的應用。
組網方案二，從移動公司申請專用的APN（Access Point Name），組建專用網。申請了專用的APN后，移動公司可以為SIM卡分配固定的IP號（即DTU固定IP號）。DTU采用固定IP地址的方式接入專用網，進行數據通信。
這種方案的優點是網絡安全性高。域內的用戶只能相互訪問，服務器也與外界完全隔離，可以提供非常高的安全性。DTU的IP地址固定，也很少出現重新撥號連接的情況。本方案的缺點是費用高，要支付向移動公司租用APN的費用。
3.5 GPRS網絡主要工作流程
圖2 網絡工作流程示意圖
4 結束語
熱電廠熱用戶具有多而分散的特點，傳統的人工抄表、人工巡視繁瑣費時，還容易受到一些人為因素的影響。本文提出了一種基于GPRS的熱網遠程監測系統，可以向監控中心提供精確、及時的數據，利于熱電企業掌控生產。GPRS網絡擁有廣闊的覆蓋范圍，可以方便的接入Internet，使得數據可以在多種平臺上自由傳輸。目前，該方案在多家熱電廠得到應用，成功地實現了熱網數據的遠程采集、存儲、實時顯示、任意查詢，大大減輕了熱電企業的工作強度。
參考文獻：
[1]Xavier Lagrange,Philippe Godlewski,Sami Tabbane,顧肇基.譯.GSM網絡與GPRS[M].北京:電子工業出版社,2002.222-227.
[2]R.J.(Bud)Bates.朱洪波.等.譯.通用分組無線業務(GPRS)技術與應用[M].北京:人民郵電出版社,2004.
[3]韓斌杰.GPRS原理及其網絡優化[M].北京:機械工業出版社,2003.
[4](美)Uyless Black.TCP/IP 及相關協議.北京:電子工業出版社,1998.
關鍵詞：蜜罐原理 開源軟件 網絡攻擊源
中圖分類號： TP393.08文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016） 04（c）-0000-00
一、引言
近年來隨著社會的進步，計算機網絡變得發達，人們之間的溝通變得方便了許多。而隨之而來的就是網絡安全的問題，其影響足以引發每個人的關注。本文將圍繞網絡安全問題對網絡攻擊源進行有針對性的信息搜集和監測。
本文針對網路攻擊源主要對其攻擊行為進行搜集和監測工作，包括仿冒低安全性的主機并搜集監測攻擊者的登錄信息（攻擊時間，攻擊者IP，攻擊者輸入的用戶名、密碼等）和攻擊行為[1]。
二、監測系統原理
本系統根據攻擊者的攻擊行為在Linux系統上制定了一系列的監測防御措施，采用Linux Shell，php，curl，python等腳本語言對總系統進行編寫。
此系統總共分為兩部分：監測搜集信息部分和信息處理部分。監測搜集信息部分旨在將含有攻擊行為的舉動進行搜集，并能夠實時監測其舉動，達到未受到攻擊先進行預防的目的。信息處理部分將會對搜集的攻擊信息進行實時分析處理，錄入數據庫，并能夠對數據庫進行分組排序，實時統計，最終呈現在客戶端， 清晰明了，簡單實用[2]。
三、監測系統應用范圍
此監測系統可以對有攻擊行為的攻擊源進行搜集和監測。其功能能夠搜集攻擊源的攻擊時間，攻擊IP，記錄攻擊者輸入的用戶名，密碼，最終能夠對這些搜集的信息以某種媒體的方式呈現出來。
四、系統流程
下面是監測系統總的流程：
搜集攻擊源信息-遠程上傳至中心服務器-分析攻擊源信息-中心數據庫進行處理-中心數據庫數據統計-攻擊源監測客戶端呈現。
五、信息搜集服務器工作原理
信息搜集服務器為分散在各地的子服務器，專門用來搜集具有攻擊行為的攻擊源。
其中中心處理服務器將負責收集由各地子服務器上傳上來的攻擊信息，進行選取實時錄入數據庫。
六、基于蜜罐原理的信息搜集系統的設計
1.蜜罐技術的發展背景
網絡與信息安全技術的核心問題是對計算機系統和網絡進行有效的防護，而蜜罐技術可以采取主動的方式來進行防護。顧名思義，就是用特有的特征吸引攻擊者，同時對攻擊者的各種攻擊行為進行分析并找到有效的對付辦法 [3]。
2.kojoney開源軟件介紹
Kojoney是一套仿SSH 服務器的低階互動式誘補系統。本軟件是以Python 所寫的daemon，使用Twisted Conch 函數庫。
3.文件上傳部分的設計
上傳部分代碼主要分為兩部分：upload.sh和upload.php。
upload.sh負責在子服務器上將含有攻擊信息的文本文件attacklist.txt上傳到中心處理服務器，upload.php負責將上傳上來的文件轉移到其他的目錄下，等待中心服務器來進行處理。
以下為upload.sh主要代碼：
#To upload file to remote service
curl -F userfile=@attacklist.txt -F username=$usr -F password=$pass $URL
下面介紹upload.php主要流程和代碼：
upload.php流程分兩部分：數據庫驗證部分和文件轉移部分。
下面是upload.php的主要代碼：
//put the file where we like it
$upfile ='/uploads/'.$_FILES['userfile']['name']；
4.數據處理和統計部分的設計
將攻擊信息錄入數據庫，通過shell腳本將attacklist.txt中的攻擊信息錄入到MySQL數據庫中，其關鍵代碼為：
INSERT INTO info（datetime，ip，user，pass） VALUES（'$J'，'$K'，'$L'，'$M'）
以下為mysql_in.sh中主要循環遍歷的代碼：
for J in ${datetime[@]}
do
mysql -uroot -proot -e "INSERT INTO info（datetime，ip，user，pass） VALUES（'$J'，'$K'，'$L'，'$M'）" attack[18]
done
5.數據庫實時統計
需要有一定的MySQL數據庫命令經驗，選取相對數據信息進行分組并降序排序，取前10位記錄量最多的元素進行顯示，其中主要MySQL代碼為：
select pass，count（pass） as count from info group by pass order by count desc limit 0，10
select user，count（user） as count from info group by user order by count desc limit 0，10
以下為mysql_count.sh的主要代碼：
mysql -uroot -proot -e "select pass，count（pass） as count from info group by pass order by count desc limit 0，10；" attack | grep -v count > pass
mysql_in.sh負責將上傳上來的攻擊信息逐條錄入數據庫，mysql_count.sh負責將數據庫中錄入的攻擊信息進行分組排序，實時匯總。
七、信息部分的設計
平臺是以Javascript+flash結合，通過對含有攻擊信息的xml文件或文本文件進行讀取，將信息以餅狀圖或云圖的形式實時顯示出來。本人通過編寫腳本將密碼，用戶名，攻擊IP記錄量最多的前10位的記錄載入平臺的攻擊信息記錄文本文件中，最后形成了數據庫信息與平臺的交互過程。
以下是數據庫中攻擊信息傳遞給餅狀圖過程的主要代碼：
echo "" > "$pass_file"
cat pass | sed -e 's/＼t/">/g' | sed 's@^@
echo "" >> "$pass_file"
本部分利用javascript+flash的餅狀圖結合自己編寫的程序，將數據庫中統計的攻擊信息傳遞給餅狀圖程序，使其能夠形象直觀的顯示出來。
參考文獻
1. 王登第， 柴喬林， 孫翔飛. 新的傳感器網絡假冒攻擊源檢測方案[J].計算機應用， 2010， 08： 65-70.
隨著智能電網的發展和供電可靠性要求的不斷提高，配電網運行面臨巨大的挑戰，而配電自動化是提高供電可靠性、供電質量和供電能力，實現配電網高效經濟運行的重要手段。城區內日益龐大的管道光纖網絡和復雜的運行環境，為通信運維部門快速維護光纖鏈路、消除通信光纜故障帶來了巨大的挑戰。對光纖鏈路資源的統一管理與維護，減少障礙時間、提升配電自動化系統運維水平，是配電運檢部門正在面臨的難題。通信運維部門迫切需要實現對配網光纖網絡的監測維護、預檢預修、故障定位與排除等工作的集中實時監測與管理。
1.全新的PON網絡光纖集中監測系統概述
（1）ARD-OTDR是核心硬件，負責向被測光纖鏈路中發送光信號，并接受反射回的信號。一般安裝于局端機房內。
（2）OSW（光開關）可通過級聯方式，實現不在同一地理空間的多條光纖鏈路共享一個ARD-OTDR模塊的功能，擴展整個系統的監測規模。并且可以通過切換主備纖遠程控制開關，實現主備用光纖的遠程自動倒換。WDM（合波器）的作用是將測試信號接入被監測光纖鏈路，同時與業務信號隔離。系統可以將光開關、合波器二者合在一個設備中（用戶也可以單獨采購合波器），安裝于光纖鏈路所在的ODF架上。
（3）服務器和客戶端，分為數據庫服務器和應用服務器，服務器可設置在一臺計算機上。應用服務器可以根據監控的網絡規模配置多套計算機。客戶端可以安裝在各變電站、縣級公司運維中心，操作員通過客戶端連接到系統服務器，客戶端可以向ARD-OTDR發起測試命令，查看測試結果和測試服務器上的數據。
系統包括硬件和軟件兩個部分，其硬件核心就是獲得多項技術專利的ARD-OTDR。ARD-OTDR是主要利用光在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅耳反射所產生的背向散射而制成的一套技術先進、性能穩定的測試系統。
對普通OTDR而言，測試脈寬越大，動態范圍越大，意味著如果被測是理想光纖的情況下，能測量的距離就越長。因此，對于全程衰耗大的光纖鏈路，通常會采用大脈寬來測。但是，大脈寬會使得測得的反射事件的盲區增大，分辨率會降低，無法區分開離得很近的兩個事件，并且測試精度也會降低。所以在測試事件點離得很近，如PON網絡時，只能采用小脈寬。然而小脈寬的功率小，動態范圍小，被測光纖鏈路的全程損耗受到動態范圍的限制，不可能很大。因而普通OTDR無法穿透多級、大分光比ODN網絡。
通常，系統是在一條光纖鏈路正常的時候進行一次測試，保存這個測試結果作為參考數據，我們稱之為這條光纖鏈路的健康檔案。再次測試后的測試結果數據會跟這個健康檔案相比較，后臺專家分析系統通過比較各事件點的峰值、衰減等參數，自動分析出現在這臺光纖鏈路是否正常。如果有變化，但并不影響業務，本成果會給出預警的提示，如果由于鏈路的原因會影響業務信號，就要給出告警，并進入故障處理的相應流程。這就要求監測系統自身要具有極好的穩定性與一致性。在OTDR中，激光源的穩定性決定了監測系統的穩定性，而決定激光源穩定性的主要因素是激光源溫度。ARD-OTDR采用獨特的技術手段，很好地控制了激光源的溫度，使得監測試系統具有極強的穩定性與一致性，因而保證了測試結果的可靠性。
使用對現網正常業務沒有影響的1650nm（或1625nm）的測試波長，經過90秒左右的測試時間，就可以診斷出光纖斷（主干、分支），光纖老化/劣化，接頭污損、接觸不良，終端未接等PON網絡常見故障。
系統的光開關可以采用級聯方式，可以極大地延展被監測的光纖鏈路數量。比如一個36路的光開關，級聯后，就可以監測1296條光纖鏈路。
2.系統的技術關鍵與難點
無需在ONU終端處安裝任何光反射裝置，可以穿透多級分光裝置，并通過算法從微弱的反射信號中分離噪聲、探測出測試光信號并且具有極強的穩定性與一致性。
由于系統無需在原有光纖線路上增加任何反射裝置，不僅大幅度地降低了整個解決方案的成本，避免了由于反射器自身引入的故障，而且更易于部署，特別是對于FTTx存量用戶，無需上門為每個用戶加裝反射器。
3.PON網絡光纖集中監測系統在配網通信的應用
為了驗證系統系統在配網中價值，溫州電力信通公司部署了配網光纖集中測量系統。
3.1工程概況
一期工程覆蓋市區1個局機房、9個變電站以及261個開閉所。其中部署光測量系統ARD-OTDR 2臺，光開關10臺（含WDM），ROSC 8臺，安裝FAST LIGHT軟件系統1套。
按照設計方案，本次工程涉及溫州局機房及9個變電站，變電站分別為：廣場變、龍泉變、東門變、東嶼變、楊府山變、九山變、站北變、雪山變、城中變。下圖1為本次工程的全網連接圖。
3.2工程意義
工程竣工后，對于覆蓋的變電站和開閉所能實現光纖全自動化集中實時監測和統一集中管理，能準確定位故障、分析網元劣化趨勢、主動及時地維護主用與備用光纖鏈路。工程可將目前分散的各輸變電站（含配網）的在線或者備用光纜集中統一、自動化維護管理，徹底摒棄過去那種分段測試的檢修模式。工程無需改變目前維護管理架構，系統部署之初，就能對整個配網進行一次全面的資源梳理。本文舉例說明如下。比如禮府電室，在沒部署系統之前，衰減比較大；通過部署系統后，就能發現此處的大衰減。對相關問題進行處理后，整條鏈路下降了約5dB，又比如在鹿城大廈電室出現大反射，直接導致后面事件點看不到，通過部署系統，對相關問題進行處理后，便能對后面事件點進行監測（廣場變EA007- 1槽位5口-光纜第6芯，如圖2-a優化前，圖2-b優化后）。
3.3試驗效果
據統計，該系統應用后，平均每月配電網通信光纜故障次數降低28%，平均故障消缺時間縮短43%，有效提高了配電光纜網絡的運維和管理水平，減輕了運維人員的負擔壓力，為配網自動化系統安全穩定運行提供了有力保障。
關鍵詞：zigBee；監測系統；LabWindows/CVI
中圖分類號：G250.73 文獻標識碼：A
1 概述
隨著大規模集成電路的發展，加工工藝越來越先進，對可靠性的要求也越來越高.相應的環境中靜電對IC的危害變得也越來越顯著，對靜電的控制成為提高產品合格率的最重要措施之一。[1]為了使靜電降低到安全水平，防靜電手腕帶廣泛應用于組裝工位上。隨之，監測手腕帶使用狀況的監測儀器應運而生，但是目前市場上的監測儀器大部分均為單機版，只可在工位現場進行報警，不可避免的產生噪音以及人為因素影響等后果，從而制約了產品質量的提高。本文介紹一種新型的防靜電手腕帶監測系統，可以將多個區域內的防靜電手腕帶監測儀器進行聯網實時監控，從根源上解決了單工位手腕帶監測儀的問題，為產品質量的提高提供了保障，并方便了用戶的管理工作。
2 監測系統介紹
2.1 系統組成和工作原理
防靜電手腕帶在線監測系統分為手腕帶監測儀、數據采集模塊、zigBee自組網通信模塊以及配套的數據處理軟件等幾部分構成。安裝在各個工位上的監測儀器將手腕帶接地狀況的信號轉化為數據采集模塊可以識別的電壓信號，數據采集模塊采集相應的信號，并通過zigBee無線網絡上傳至上位機數據處理軟件處，上位機處理軟件實現數據的實時顯示，以上數據的報警、存儲以及分析等功能。
2.2 ZigBee無線自組網技術
ZigBee是一種基于IEEE802.15.0標準的短距離、低速率無線網絡技術，該無線連接技術主要解決低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率、近距離的設備聯網應用，主要用于無線傳感器網絡和測量控制方面。國際上，IEEE802.15.4工作組及ZigBee聯盟共同致力于該無線連接技術的推廣工作，其中，IEEE802.15.4工作組主要負責制定ZigBee物理層及MAC層協議．其余協議主要參照和采用現有標準，以便于今后不同廠商設備的互聯互通；ZigBee聯盟則負責高層應用及市場推廣工作。于2002年成立的ZigBee聯盟如今已經吸引了上百家芯片公司、無線設備公司加入。此外，Freescale、TI等國際巨頭也都已推出了比較成熟的ZigBee開發平臺[2]。
ZigBee標準是基于802.15.4協議棧而建立的，它具備了強大的設備聯網功能，并支持三種主要的自組織無線網絡類型，即星型結構、網狀結構(Mesh)和簇狀結構(Cluster tree)，其中網狀結構具有很強的網絡健壯性和系統可靠性（如圖1）。
在此系統中，將整個生產區域劃分為多條線，每條線設置zigbee無線模塊一個，各個監控機位將數據上傳至無線模塊處，而中控單元可以通過internet方式去有選擇的查看各個線的狀況，這樣的設計一方面保證了數據上傳的實時性，另外一方面方便了中控單元的管理人員，大大提高了效率。
3 上位機監控軟件的設計
上位機監控端以當前流行的虛擬儀器Lab Windows CVI虛擬儀器為開發平臺，利用其圖形化的軟面板、豐富的數字信號處理庫和高級函數分析庫資源，借助計算機的強大功能，實現與板卡之間的控制信息和采集信息之間的數據交換[3]。該系統具有報表、曲線、圖形等屏幕顯示、打印和繪圖、數據存儲調用、控制等多種功能，各分站既能與監控中心連接，又可獨立工作。在監測防靜電手腕大工作狀況時，可以對其報警基準進行設置，比如可設置只有超過10s的報警信息才會被記錄，這樣過濾掉由于人體動作或者外界影響隨機出現的非真實報警信息。其還可以調出歷史實時數據，供決策者分析廠區整體防靜電手腕帶的使用狀況，從根源上解決手腕帶使用監控的問題，大大的提高產品質量。
結語
此系統中綜合考慮了液晶、電子等行業工作區域實際工況以及成本控制方面因素， 通過合理系統優化設計，最終實現了實時監測防靜電手腕帶狀況，并可在此系統基礎上，進一步將平衡電壓這個參數一并監測進來，構建整個廠區的防靜電監測系統。這對生產過程中靜電的生成并避免相應后果可以起到極大的預防作用，很好的提高產品質量。
參考文獻
[1]孫玉榮等.新型平衡電壓無偏離離子風機的設計[M].北京：理工大學學報，2009.
關鍵詞： 無線傳感網絡；ZigBee；精準農業；遠程監控
“精準農業”，是指將高新技術和農業需求相結合，實施一套現代化農業監控與管理系統。先進傳感技術和智能信息處理是保證正確定量獲取農業信息的重要手段。隨著微電子技術、信號處理、無線通信技術等的發展，傳統的傳感器獲取方式正從單一化模式向集成化、微型化進而智能化、網絡化發展，成為農業應用過程中信息獲取的最重要和最基本的技術之一。
無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）正是在以上趨勢下產生的新技術。結合微電子技術、嵌入式技術、無線網絡等現代通信技術，能夠實時地監測、感知和采集網絡覆蓋區域的環境參數信息，數據以自組織多跳的無線方式發送到匯聚中心，然后再由匯聚節點發送到遠端的監控中心。監控中心能對接收到的數據進行處理，并返回相應的控制命令。無線傳感網絡低功耗、自組織、動態拓撲、設備低廉等特點，使其特別適用于大規模的監測場景。其在敵方軍事戰場、自然環境監測、醫療監護、工業生產控制、智能樓宇和消費電子等領域也都有廣泛的應用[1]。如圖1所示。
無線傳感器網絡為農業各領域的信息采集與處理提供了新的思路和有力手段，彌補以往傳統數據監控的缺點，已經成為農業科技工作者的研究熱點，其能夠實時提供用戶/農民地面信息（空氣溫濕度，風速風向、光照參數、CO2濃度）、土壤信息（土壤溫濕度、張力、墑情）、營養信息（pH、EC值、離子濃度）、有害物監測與報警（動物疾病和植物病蟲害）、生長信息（植物生理生態信息、動物健康監測）等，這些信息為用戶調整相關策略，幫助農民及時發現問題，并準確地確定發生問題的位置，這樣農業有可能漸漸的從以人為中心，依賴于孤立機械的生產模式轉向以信息和軟件為中心的生產模式，從而大量使用各種自動化、智能化、網絡化生產設備，真正實現無處不在的數字農業，具有廣闊的應用前景。
1 系統總體結構介紹
在本文中，采用Jennic公司的JN5139開發套件組建無線傳感網絡，采用華天正科技推出的REAL ARM6410開發板作為網關設備，任一臺可聯網的PC機作為監控中心的服務器。協調器節點和網關直接串口相連，網關將串口接收到的傳感器數據，通過socket，走以太網或者Wi-Fi等無線方式，發送到遠端的服務器。總體結構圖參見圖2：
系統主要由以下三部分構成：
1）ZigBee無線傳感網絡。主要由ZigBee協調器節點、路由節點和傳感器節點構成。協調器節點是該網絡的控制中心，負責創建維護網絡，是無線傳感網絡和外界網絡通信的出入口。傳感器節點負責采集環境參數信息，并能通過路由節點，以多跳的方式將信息傳送到協調器節點。綜上敘述，ZigBee無線傳感器測量網絡主要負責數據的采集，并將數據通過ZigBee網絡上傳到ZigBee協調器節點，再由ZigBee協調器節點將數據通過無線或有線TCP/IP方式發送給遠程監控中心。
2）網關接入Internet廣域網。Internet網絡可以通過有線或者無線接入方式，比如以太網、Wi-Fi、GPRS、TD等等。
3）遠程監測中心。通過計算機網絡技術、數據庫技術和軟件技術實現遠程監控功能。在系統運行的過程中，監控中心可以對ZigBee監控節點的運行參數進行設定，同時實現對采集數據進行存儲和SQL趨勢圖和報表查詢，便于監測區域的數據信息進行觀察和分析[2]。
2 系統各功能模塊介紹
2.1 傳感器節點組網流程
本文中的無線傳感網絡是采用的ZigBee技術，它是一種高可靠的無線網絡，類似于CDMA和GSM網絡，ZigBee數傳模塊類似于移動網絡基站。通訊距離從標準的75米到幾百米、幾公里，并且支持無線擴展。它的特點是：低功耗、低數據量、低成本，使用免費頻段2.4G，高抗干擾，高保密性，自動動態組網。
Jennic JN5139開發套件中，每個傳感器板都燒制有相應的程序，其在網絡中的角色就由燒制的程序而定。
ZigBee網絡最初是由協調器建立。協調器首先掃描信道，選擇一個空閑信道，并同時規定網絡參數。其他普通節點加入網絡時，只要將信道設置成與現有的協調器使用的信道相同，并提供正確的認證信息，即可請求加入網絡。一個節點加入網絡后，就可以從協調器節點得到自己的短地址、ZigBee網絡地址以及協調器規定的拓撲參數。同理，一個節點如果要離開網絡，只需向其協調器提出請求。任一個節點成功接收一個子節點，或者其子節點成功脫離網絡，都必須向協調器匯報。因此，協調器節點可以即時掌握網絡的所有節點信息，維護網絡信息庫。圖3是傳感器節點加入和離開網絡的握手示意圖。
2.2 網關開發介紹
本系統是將協調器節點和ARM設備結合在一起，作為無線傳感網絡和外部互聯網的橋接網關。網關采用REAL6410 ARM開發板，板上集成有串口、以太網、Wi-Fi、GPRS等接口。本文中已實現通過以太網口和Wi-Fi來連接互聯網。
ARM板和協調器節點是直接串口相連，ARM板通過串口讀取協調器節點搜集的傳感網絡信息，然后通過socket和遠端服務器建立連接，將數據發送過去。Socket是支持TC/IP協議的基本操作單元。Socket有兩種不同的類型：流套接字（TCP）和數據報套接字（UDP）。對于TCP套接字，套接字之間建立連接的過程分為：服務器監聽，客戶端請求，連接確認。監聽時，服務器處于等待客戶端連接的狀態；客戶端請求時，客戶端主動提出連接請求，以IP和端口號連接服務器端的套接字；連接確認時，服務器收到客戶端的請求并響應，建立獨立的連接線程，把服務器端套接字的描述發給客戶端，連接就建立了。這樣服務器和客戶端就可以雙向通信了。本文采用TCP的連接方式，ARM網關和遠端服務器的通信流程如圖4。
2.3 服務器程序開發
本文中，已實現ARM網關通過以太網和Wi-Fi兩種方式來訪問遠端服務器。服務器可位于任何位置，只需要知道服務器的ip地址，網關就能通過搜尋ip和服務器建立連接，兩者實現通信。
服務器端程序開啟后，會在特定的端口監聽，當監聽到網關請求連接之后，服務器同意，然后兩者建立連接，網關把自己搜集到的數據信息轉發給服務器，在監控平臺上顯示信息[3]。圖5是一個簡單的服務器監控界面。
以濕度信息為例，當某個傳感器節點提取出來的值小于最初設定的閾值時，監控中心就會通過網絡向網關發送一個澆水控制命令，網關將該信息轉發給協調器節點，協調器節點根據命令中的短地址信息，定位到相應傳感器節點，傳感器節點收到命令后就會控制其上的電磁閥打開，從而實現自動澆水。當濕度值恢復正常后，自動停止澆水。
3 結語
本文結合當今農業發展的需要，借助無線傳感網絡，搭建了一套農業墑情監測系統。由于農田需要監測的區域很大，傳統的信息獲取都是通過人工記錄分析，效率很低。現在有了無線傳感網絡，可以直接在傳感節點上布置土壤濕度、氮元素濃度、pH值等傳感器，通過無線的方式，將這些信息發送到監控中心。監控中心借助其軟件平臺，對數據進行分析，并返回相應的控制命令，以實現自動化監控。科技和農業需求的結合，大大提高了農田的管理效率，部署方便，成本低廉，是農業信息測控的一個重要發展趨勢。
參考文獻：
[1]何成平、龔益民、林偉，基于無線傳感網絡的設施農業智能監控系統，安徽農業科學，2010，38（8）.
關鍵詞：無線傳感器網絡；設施農業；監測；低功耗
中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：16727800（2013）003008202
0 引言
近年來我國以大棚和溫室為主體的設施農業正在迅速發展，但與國外相比，我國的設施農業普遍存在科技含量低、生產水平和效益低下等缺點，因此，迫切需要提高我國設施農業的整體水平。信息技術在農業領域中的應用是提高設施農業科技水平的重要環節。我國作為一個農業大國，農業分布呈“小而散”的特點，存在很多小型化的溫室生產模式。因此，研制成本低廉、操作簡單、可靠性高的設施農業環境監測控制系統是我國現代化設施農業的一個關鍵。
目前，傳統的農業領域自動監測方法通常是通過有線方式將傳感器采集的信號傳到監測中心。由于農業生產環境分布范圍廣、地形復雜、環境溫度變化大、空氣潮濕等因素的影響，極易導致信號傳輸電纜的老化，從而降低監測系統的可靠性。隨著無線通信技術的日趨多元化結合，ZigBee 作為一種近距離、低功耗、低傳輸速率、低成本、高可靠性的無線通信技術，特別適用于現代設施農業的無線環境數據采集與監測。
1 系統結構
結合設施農業環境監測應用需求，本文構建的基于Zigbee傳感器網絡的農業環境監測系統的結構如圖1所示。
該系統整個監測網絡由傳感器節點、路由節點、協調器節點和監測平臺四部分組成。監測平臺是系統的管理中心和數據匯聚中心，協調器節點負責協調和管理網絡通信，初始化和啟動整個網絡后控制路由節點的數據傳輸。傳感器節點位于最前端，用于采集農業環境物理量信息，并通過網絡把數據傳輸至路由節點；路由節點再將收到的各種數據傳送給協調器節點。
2 監測傳感器節點設計
2.1 節點硬件設計
傳感器節點的主要功能是負責采集設施農業生產環境監測區溫濕度、光照強度、土壤pH值等物理量信息，并將采集的數據傳輸給路由節點。整個傳感器節點系由傳感器模塊、處理器模塊、無線射頻模塊、電源管理模塊等四部分組成。監測傳感器節點結構框圖如圖2所示。
傳感器節點各硬件模塊功能簡介如下：
（1）傳感器模塊。該模塊主要集成了各種傳感器，對溫度、濕度、光照強度、土壤PH值等物理量進行采集，由 AD 轉換器將模擬電信號轉換成數字信號。其中溫濕度傳感器采用的是數字溫濕度傳感器DHT21，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器；本方案中選擇TSL2561作為光強度傳感器，它具備高速、低功耗、寬量程、可編程且可以根據用戶靈活配置等優勢；CO2濃度傳感器采用超低功耗紅外二氧化碳傳感器COZIR-A，其他傳感器接口已經留出，方便以后進行擴展。
（2）處理器模塊。該模塊負責控制整個傳感器節點的操作、數據的存儲和處理，是傳感器節點的核心。在農業環境監測系統中根據低功耗和處理能力的需要，本系統采用TI公司生產的16位超低功耗單片機MSP430F149。它具有RISC CPU內核，內部集成了12Bit模數轉換器、內部溫度傳感器、16位定時器A和定時器B、串行異步通信端口UART0和UART1（軟件可選擇UART/SPI模式）、硬件乘法器，多達48位的通用IO端口、60kB的FLASH程序空間和2kB的數據空間等諸多外設，可直接用JTAG仿真調試。MSP430F149具有多種模式可選，在設施農業環境監測系統中，可根據不同的需要，切換模式以降低系統功耗。
（3）無線射頻模塊。無線射頻模塊主要是控制信息的無線收發。無線通信模塊消耗了整個傳感器節點的絕大部分能量，故選擇低功耗、高性能的射頻模塊是整個系統的關鍵之一。基于現代設施農業環境監測的實際情況，本系統無線射頻模塊采用CC2430無線射頻芯片。無線射頻模塊采用TICHIPCON公司的CC2430芯片。CC2430內部集成了RF收發模塊，利用2.4GHz公共頻率，應用于監視、控制網絡時具有低成本、低耗電、網絡節點多、傳輸距離遠等優勢；該芯片性能穩定，具有良好的無線接收靈敏度和強大的抗干擾能力；在休眠模式時僅0.9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統；CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，正常工作時需要的外部元器件極少，與主控制器接口簡單，特別適合低功耗的無線傳感器網絡的應用。
（4）電源管理模塊。電源管理模塊為系統其它各模塊提供持續、穩定的能量供應，由于此監測終端為戶外不間斷工作，為降低功耗，電源管理模塊加入低功耗的管理和控制，通過軟件機制實現多種工作模式（包含正常模式和休眠模式），當節點不工作時系統即進入休眠模式。考慮到系統將長期使用，可以通過外接電源或外接蓄電池和太陽能電池板以保證系統的持續供電。
2.2 節點軟件設計
基于環境監測系統長時間工作的需要，傳感器節點軟件系統設計的關鍵是在保證能有效實現必要功能的前提下最大限度地減小節點的能耗。無線傳感器網絡中監測節點的能耗主要集中在通信能耗和傳感器模塊的能耗，而通信能耗要遠大于傳感器模塊能耗。因此，節點電源打開后，完成ZigBee模塊和傳感器模塊的初始化，建立通信鏈路后，設置喚醒時鐘并進入休眠模式。節點軟件設計程序流程如圖3 所示。
3 網絡拓撲結構
一般設施農業監測的規模和范圍不大，因此本系統的網絡拓撲選擇簡單的星型網絡結構，通過對多個監測節點發送的數據進行分析可以判斷環境監測區域的狀態。系統啟動后，根據網絡協議組建網絡，為節點分配地址。當監控平臺查詢數據時，系統根據地址分配執行數據采集。
4 結語
將無線傳感器網絡應用于現代設施農業環境信息檢測具有傳統農業監測方式無法比擬的優勢。本文提出了基于ZigBee傳感器網絡的設施農業環境信息實時監測系統的設計方案。介紹了系統的總體結構和傳感器節點的硬件及軟件系統設計。本文提出的這一無線傳感器監測系統，具有低成本、低功耗、可靠性強等特點，為現代設施農業生產環境信息監測提供了一種有效的解決方案。
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關鍵詞:nRF905 低功耗 TDMA 無線傳感器網絡
隨著計算機控制技術、電子信息技術和網絡通信技術的廣泛應用,現代監測系統的自動化程度越來越高。現代監測系統需要采集傳感器所獲取的數據,并將采集的數據傳送到主機進行數據分析和處理。但隨著監測環境的不斷拓展,在無法或不便實現明線連接的場合,采用傳統的有線數據傳輸已不能滿足系統的需要。無線傳感器網絡具有組網快捷、靈活,不受有線網絡約束的優點,可應用于多種場合,有著廣闊的應用前景[1]。
本文根據無線網絡監測系統的特點,采用模塊化設計方式,設計了基于無線芯片nRF905的無線傳感器網絡節點,研究網絡通信協議。該無線傳感器網絡監測系統能夠通過各類傳感器協作地實時監測、感知和采集各種監測對象的數據,數據通過無線方式發送至用戶監控終端,從而實現人們監測各種對象的目的。
1 系統硬件設計
系統由傳感器數據采集節點和中心數據傳遞節點構成。傳感器數據采集模塊連接傳感器,負責現場數據采集,該節點通過無線方式與中心數據傳遞節點通信,中心節點通過串口或其他總線方式連接到用戶監控終端。中心節點與傳感器節點之間采用無線通信的方式,一個中心節點可以與多個傳感器節點進行通信。為了避免多個傳感器節點在同一時間發送數據而產生沖突,系統通信采用基于TDMA (Time Division Multiple Access)控制協議。
傳感器節點由數據采集模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分組成。其中數據采集模塊的主要功能是對環境信息(如溫度、濕度、加速度、光電、液位、電磁感應、壓力)進行感知、采集并做一定的數據轉換;處理器模塊的主要功能是負責控制整個傳感器節點的操作,其核心任務包括從數據采集單元中獲取各種數據,對數據進行標定,對數據收發單元進行初始化及其參數設置,以及收發數據流程的控制等;無線收發模塊主要的功能是負責與中心節點進行無線通信、交換控制消息和收發采集數據;電源模塊主要負責為傳感器節點提供運行所需的能量,通常采用電池供電。
中心節點實現兩個通信網絡(無線通信網絡和485總線網絡)之間數據的交換,實現兩種協議(TDMA協議和RS-485協議)之間的通信協議轉換,它監測計算機的監測任務,并把收集到的數據轉發到監測計算機。其既可以說是一個增強功能的傳感器節點,也可以是沒有監測功能僅帶無線通信接口的特殊網關設備。中心節點包括電源模塊、處理器模塊、無線通信模塊、存儲模塊和串行通信模塊。
1.1 電源模塊
電源模塊為整個傳感器節點提供電壓。根據傳感器節點各芯片的選擇,整個系統采用3.3V供電即可。而二節干電池只能提供3V電壓,又考慮到硬件系統要求電源具有穩壓功能和文波小等特點,另外考慮到硬件系統低功耗的特點,電源模塊采用TI公司的TPS60100芯片即可。該芯片能很好的滿足硬件系統的要求,另外該芯片具有很小的封裝,能有效的節約傳感器節點設計的面積。
1.2 微處理器模塊
微處理器的功能,一方面負責數據采集,另一方面負責將采集到數據通過無線通信的方式傳輸給中心節點。系統設計要求單片機運行速度快、功耗低、集成高精度A/ D 轉換器等。無線傳感器網絡的應用受能量有限限制,要求網絡節點盡可能節能,選用TI公司超低功耗16位單片機MSP430F149作為核心處理器。MSP430系列微控制器將大量模塊整合到片內,適合開發低功耗高性能的系統[2]。
1.3 存儲模塊
存儲模塊選用AT24C02芯片,它是美國ATMEL公司推出AT24C系列兩線制(串口型)電可擦除E2PROM芯片,這些芯片體積小,工作電壓低,連線簡單,工作可靠。這種E2PROM既具有ROM的長期非易失性,又具有RAM的隨機可讀性,因而廣泛地用于信息記錄和數據保護等方面。
1.4 無線通信模塊
無線通信模塊使用的芯片是nRF905,圖2是nRF905電路圖。其電路主要包含與微處理器芯片MSP430F149接口電路、晶振電路和天線部分電路三部分。nRF905 采用抗干擾能力強的高斯頻移鍵控(GFSK)調制方式;內置完整的通信協議和CRC 校驗電路,曼徹斯特編碼/ 解碼由片內硬件完成;使用SPI 接口與微控制器通信,配置非常方便;其功耗非常低,內建空閑模式與關機模式,易于實現節能,適合系統長期工作的要求。
nRF905可以支持多個頻段, 其中選擇那個頻段是由nRF905的配置寄存器中的CH_NO和HFREQ_PLL來設置。計算公式如下 :
(1)
式中,HFREQ_PLL為1位寄存器:0為工作在433MHz頻段;1為工作在868/915MHz頻段。CH_ON是9位的寄存器,用來選擇具體的頻道。還有PA_PWR可以設置發送的功率(默認值為00):00為-10dBm;01為-2dBm;10為+6dBm;11為+10dBm。
圖1無線通信模塊電路
1.5 接口電路
微處理器MSP430F149通過控制nRF905 的PWR、TXEN和TRX_CE這三個引腳的電平高低設置nRF905是在工作模式還是節能模式。nRF905有3個引腳CD(載波檢測)、AM(地址匹配)和DR(數據就緒),用于狀態輸出,反饋信息給處理器。MSP430F149通過SPI總線配置nRF905的內部寄存器,實現nRF905的數據收發。nRF905的SPI總線包括4個引腳: SCK(SPI時鐘)、MISO(主入從出)、MOSI(主出從入)和CSN(SPI使能),他們別與MSP430F149的P5.0、P5.1、P5.2和P5.3相連。
2 系統軟件設計
2.1 微處理器工作流程
微處理器負責各功能模塊的初始化,數據的接收及處理,模塊相應狀態的設置。其工作流程包括:
(1) 對各功能模塊進行初始化(包括各功能接口的初始化、節點地址的讀取),使nRF905進入數據接收模式,等待并接收中心節點發的同步信號,對接收到的同步信號進行解析,確定是返回數據命令還是返回地址命令,并確定返回數據或命令的時隙。
(2)采集數據:通過MSP430F149發送命令給傳感器數據采集點采集數據,在采集數據期間,使nRF905處于掉電模式,充分節約節點耗電。
(3)延時發送數據:采樣結束后,根據同步信號確定的時隙設置定時器,做相應延時,MSP430F149處于休眠狀態,延時時間到達,使nRF905處于發送模式,在屬于自己的時隙發送溫度數據。
(4)進入休眠狀態:nRF905發送完數據,關閉nRF905, nRF905休眠,MSP430F149休眠,等待下一個中心節點的同步命令,進入下一個時幀周期。
2.2 無線通信協議
為了避免多個傳感器節點在同一時間發送數據而產生沖突,系統通信采用基于TDMA (Time Division Multiple Access)控制協議。為了使TDMA網絡按時分多址方式正確地工作,網內所有節點對時元和時隙的劃分必須有統一的標準,使每一次數據收發都以統一的時鐘起點作定時基準[3]。
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本系統中,中心節點在T0時刻(時幀的起始時刻)開始發同步信號,到T1時刻同步信號發完。設同步信號幀長為P(bit),發送速率為R(bit/s),則發完報頭所需的時間為T = T1 T0 = P /R。傳感器節點在t0時刻開始接收報頭,到t1時刻報頭收完。對于傳感器節點來說,自己并不知道在t0時刻已經開始接收同步信號,但到t1時刻,當同步信號收完時,經相關運算,該傳感器節點能判定已經收到同步信號。換句話說,傳感器節點可以知道t1時刻的位置,此時傳感器節點就可以設置自身的定時器,開始采集溫度數據,并計算出給中心節點發送數據的時隙,在屬于自己的時隙發送出采集到的溫度數據。
TDMA網絡時隙的劃分方法應根據實際的通信過程來決定。網絡的時隙劃分必須滿足通信的實時性需要,同時也應考慮網絡的效率。本系統的時隙按傳感器節點數來分配,同時考慮傳感器節點采集到的溫度數據變化率。
傳感器節點將信道按時間軸劃分成周期性的時元,每個時元劃分成4個時間長短不一的時幀:接收同步信號時幀、采集溫度數據時幀、延時發送數據時幀和休眠時幀。
傳感器節點一個時幀周期的運行過程是:在沒有進入時幀周期前,傳感器節點處于休眠狀態,等待中心節點的命令;在接收到中心節點傳來的同步信號后,傳感器節點啟動自身時鐘和定時器,并進入采集數據時幀,采集數據,準備好向中心節點發送數據;延時時間(由微處理器和定時器控制)到達,啟動無線射頻發射天線發送數據,數據發送完成,進入休眠時幀。
3 結語
無線網絡監控系統相比傳統有線監測系統有著很大優勢。本文基于無線數據收發芯片nRF905和微處理器MSP430F149技術,設計的無線網絡節點模塊硬件電路簡單、可靠性強,軟件設計合理、效率高,數據傳輸速度快,而且具有易擴展、易安裝等特性。實驗表明,系統能長時間連續工作,誤碼率低,可靠性高,通信距離能滿足要求。
參考文獻
[1] 李曉維.無線傳感器網絡技術.北京:北京理工大學出版社.2007.8.
[2] 沈建華,楊艷琴,翟驍曙. MSP430系列16位超低功耗單片機實踐與系統設計.北京:清華大學出版社,2005.
【關鍵詞】網絡結構；網絡監測；故障定位
1.研究背景
XX鋼鐵企業下設六個車間、六個車站以及一些重要科室，鐵路線路覆蓋范圍在廠區內達到90%以上，具有部門分布廣、鐵路線路長等特點。
2009年以來，XX鋼鐵企業先后引入并完善了信息化系統，包括物流系統、車地聯控系統、車號識別、電子添乘系統等。
為了方便各部門之間快捷地收發文件，實現無紙化辦公，以及信息化系統在各車間、車站得到充分的應用，發揮它們對鐵路運輸的最大作用，XX鋼鐵企業組織人員建立了一個雙環網絡結構，將所有部門的網絡都連接到XX鋼鐵企業中心機房，以便更好的進行數據傳輸，雙環網絡結構如圖1所示。
從圖1可以看出，現有網絡的拓撲結構為規則的雙環形結構。這種網絡結構，普遍應用于局域網中。
目前，這種網絡結構的運行和管理遇到以下一些問題，這些問題如不妥善解決，將影響網絡的運行水平和效益，從而影響運輸保產工作的完成。
1.1 故障及時報警問題
光纜故障對光通信的影響較大，尤其是斷纖故障，將直接導致通信的中斷。及時故障報警，對迅速排除故障，減少故障的影響、保障通信的服務質量都有十分重要的意義。目前，光纜故障大多依靠光通信系統中光接收終端設備的報警或數據通信中斷的報警來發現，這些報警中混雜了許多非光纜的因素，并不能準確反映光纜故障，而且許多光通信設備并不具備接收光信號報警的能力。
1.2 故障定位問題
光纜網絡涉及的地域廣泛，網絡路由復雜，而且許多部分埋在地下，因此，在故障發生后及時、準確地進行故障定位非常困難。故障定位要確定的是故障在光纜線路路由上精確的位置及精確的地理位置，光纜線路的長度與光學長度有顯著差別，這個差別是造成故障定位誤差的主要原因。實際工作中，通過查詢線路資料和計算相對距離的方法進行誤差的矯正，從而確定故障點，通過進一步查詢線路圖紙和地圖進行精確地點定位，定位后進行現場驗證，整個過程可能會反復進行，最終精確地確定故障位置，實踐證明，在查詢資料、圖紙和進行計算的過程中，由于種種人為原因造成位置判斷的誤差，從而增加了定位過程中反復的次數，延長了故障定位的時間，擴大了故障對通信的影響。除去資料、圖紙不準確等因素，線路長度與光學長度相對應的誤差，參考地標不一致、地標地理定位不準確等因素都會影響故障的精確定位。
2.研究意義
現代企業都有自己的局域網，在網絡中的用戶可以通過網絡收發文件，匯報工作，甚至可以實現網上辦公，可以說，網絡已經成為企業必不可少的一部分，對于XX鋼鐵企業來說，尤其是新OA系統開始啟用以后，實現了領導網上批復文件、傳閱文件，包括會議通知、請假申請等，都要在網上進行。更重要的是信息化系統，信息化系統是目前XX鋼鐵企業引用的最大的系統，不僅覆蓋面廣、涉及部門多，而且已經成為運輸生產必不可少的工具之一，信息化系統的使用效率，將直接影響到XX鋼鐵企業生產任務的完成情況，繼而影響到公司全年任務的完成情況。
因此，保證信息化系統的正常運轉，不但是我們日常工作的重點，更是一個提升企業效率的突破點，全區域網絡監控系統的開發，就是要讓信息化系統暢通、高效的運行，從而提高各崗位的工作效率。
為了能夠較好的解決上述問題，需要一套高效、全面、應用方便的網絡監測系統。在分析了XX鋼鐵企業現有網絡結構特點并參考網絡管理方面的成功經驗之后，決定研究、開發XX鋼鐵企業網絡監測系統，并付諸實踐。
3.系統功能
3.1 可以對企業內的網絡進行監測（如圖2所示）
圖2中綠色的線表示網絡正常，紅色的線表示網絡不通。當出現紅色時，首先需要判斷光纖是否有人為破壞的可能；是否停電；如果不是這兩種情況，需要到現場進行處理。
3.2 實現對交換機的狀態監測
企業現運行交換機類型有H3C S75 03E，狀態監測圖如圖3所示。
圖3中灰色的端口表示端口未使用，或設備未開機；綠色的端口表示交換機此端口工作正常；如出現紅色的端口，則表示此端口出現故障。
4.結束語
通過全區域網絡監測系統設計與開發的實踐，能夠及時掌握網絡狀態，并在出現問題時作出應對。此次系統開發讓我深刻體會到了團體合作精神的重要性，進一步提高了自己軟件設計、開發的能力。
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關鍵詞:無線傳感器網絡;LM3S1138;CC2420;路由協議
中圖分類號:TN915文獻標識碼:A
文章編號:1004-373X(2009)19-151-04
Design of Nuclear Power Equipment Condition Monitoring System
Based on Wireless Sensor Network
LUO Binbin,ZHANG Chunliang,ZHANG Haoqiang
(School of Mechanical Engineering,University of South China,Hengyang,421001,China)
Abstract:Since the complex operating environment of nuclear power equipment,a wireless sensor network is applied to design a new type of nuclear power equipment.The system uses LM3S1138 and CC2420 as wireless sensor network′s hardware.Nuclear power equipment condition monitoring system for real-time requirement is particularly high,so Threshold sensitive Energy Effieient sensor Network (TEEN) protocol is adopted.And a counter is set up for each node.Through Matlab simulation platform and data collection show that the system can achieve efficient signal acquisition.
Keywords:wireless sensor network;LM3S1138;CC2420;routing protocol
0 引 言
隨著現代化大生產的發展和科學技術的進步,核電裝備的結構越來越復雜,功能越來越完善,自動化程度也越來越高。因此對核電設備運行狀態進行監測就變得很重要。例如1979年3月美國發生的三里島核電站事故和1986年4月前蘇聯發生的切爾諾貝利核電站事故,再三地向人們詮釋了安全操作的重要性[1]。傳統的監測系統要么是離線監測,要么是基于有線的設計。然而有線存在很多不可避免的缺點,主要體現在:
(1) 網絡維護困難,新增或者減少傳感器都很麻煩,消耗大量人力物力資源;
(2) 人難以接近的位置,如核電站的深層設備、旋轉機械轉動部分、危險區域及運動的設備,無法對傳感器進行有線連接;
(3) 有線一般公用電源,如果沒有良好的有線隔離,將導致一個傳感器故障引發整個系統的崩潰;
(4) 大量傳感器的安裝往往受到電纜重量和費用的限制,大量布線增加了系統潛在危險和不可控性[2]。
為了解決這些問題,迫切需要引入一種新型的、無需布線的網絡。一種可行的方案是將無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network,WSN)應用到核電裝備狀態監測系統。
1 無線傳感器網絡
WSN是無線Ad-Hoc網絡的一個重要研究分支,是隨著MEMS、傳感技術、無線通訊和數字電子技術的迅速發展而出現的一種新的信息獲取和處理模式。它是由隨機分布的傳感器、數據處理單元和通信模塊的微小節點通過自組織的方式構成的網絡(如圖1所示),WSN具有造價低、規模大、分布式模式、無需布線、節約成本、面向具體應用、配置靈活、工作頻段無需申請和付費、支持硬件加密等特點[3],現在已經在很多領域進行了成功的應用,比如軍事應用[4];環境監測,比較典型的例子是生物學家借助WSN對美國緬因州大鴨島上的一種海燕的生活習性進行細微觀察[5];工業監控,英特爾公司為美俄勒岡的一家芯片制造廠安裝200個無線傳感器節點,來監控設備的振動情況 [6]。2003年,美國《技術評論》雜志論述未來新興十大技術時,無線傳感器網絡被列為第一項未來新興技術。我國于2006年初的《國家中長期科學與技術發展規劃綱要》[7]為信息技術確定了三個前沿方向,其中兩個與WSN的研究直接相關,足見對無線傳感器網絡的重視程度。
圖1 無線節點的結構
核電站設備冗余多、系統復雜,其監測數據和診斷技術與常規電廠有很大的不同,長期以來,對機械運行狀態的監測與診斷是采用傳統的閾值方法。針對以上特點,本文將WSN應用到核電設備狀態監測系統中來,用無線網絡代替有線網絡,不失為一種可行的方案。本文設計了基于LM3S1138和CC2420的無線傳感器網絡,設計了雙電源系統,并且在實時性很高的TEEN路由算法基礎上設置了信號采集周期。應用該系統可以達到很好的數據采集效果。
2 WSN硬件設計
由于核電站的特殊性,對于某些部位的取電很方便,因此采取雙節點的方法,即信號采集節點與匯聚節點[8]。節點的設計如圖1所示,由傳感器、微處理單元、通信模塊、電源模塊組成。信號采集節點用普通高能干電池供電,而匯聚節點則采用干電池與220 V雙電源設計方案(如圖2所示),220 V的電壓經過低壓變壓器降壓至5 V左右,整流后輸入到Vin,經過SPX1117穩壓電路以后,就可以在Vout輸出3.3 V的穩壓電[9]。這樣的話,可以大大增強匯聚節點的運算能力,最大限度地延長網絡的工作時間。同樣信號采集節點的干電池也可以采用這種穩壓方式。
圖2 電源穩壓電路
微處理器采用美國Luminary Micro公司的LM3S1138[10],該芯片采用的是內核設計公司ARM最新推出的先進CortexTM-M3處理器。官方免費提供了基于C語言(符合ANSI C標準)的驅動庫軟件包,并且源代碼是公開的,因此用戶完全可以摒棄晦澀難懂的匯編語言,也不需要掌握底層寄存器的操作細節,只要懂C語言就能輕松開發。它有3種工作模式:運行模式(Run-Mode)、睡眠模式(Sleep-Mode)、深度睡眠模式(Deep-Sleep-Mode),其極低的功耗保證了系統的長久運行。它有32位ARM CortexTM-M3內核(ARM v7M架構);兼容Thumb的Thumb-2指令集,提高代碼密度25%以上;50 MHz運行頻率,1.25 DMIPS/MHz,加快35%以上; 64 KB單周期FLASH,16 KB單周期SRAM。在設備方面,它提供了3路全雙工UART,位速率高達3.125 Mb/s,16單元接收FIFO和發送FIFO;2路I2C,支持400 Kb/s快速模式;2路SSI(兼容SPI),可以直接和CC2420射頻芯片實現連接。LM3S1138強大的功能,不到1美元的價格,完全能夠滿足大規模布置節點的要求。
射頻芯片采用TI-Chipcon公司生產的CC2420[11],CC2420是為無線傳感器網絡設計的,符合2.4 GHz IEEE802.15.4的一款射頻芯片。它基于Chipcon公司的smartRF03技術,以0.18 μm CMOS工藝制成,只需極少外部元器件(如圖3所示),性能穩定且超低電流消耗(RX:19.7 mA,TX:17.4 mA)。CC2420的選擇性和敏感性指數超過了IEEE802.15.4標準的要求,抗鄰頻道干擾能力強(39 dB),可確保短距離通信的有效性和可靠性。
圖3 CC2420的電路
CC2420采用O-QPSK調制方式,圖4為O-QPSK信號產生電路,Tb/2的延遲電路是為了保證I,Q兩路碼元偏移半個碼元周期。BPF的作用是形成QPSK信號的頻譜形狀,保持包絡恒定。O-QPSK信號的數學表達式為:
ZO-QPSK(t)=U2kcos ωct+U2k-1sin ωct,
2kTb≤t≤(2k+1)Tb
U2kcos ωct+U2k+1sin ωct,
(2k-1)Tb≤t≤2kTb
OQPSK信號可以采用正交相干解調方式解調,如圖5所示,Q支路在時間上偏移了Tb/2,所以抽樣判決時刻也應偏移Tb/2,以保證對兩支路交錯抽樣。由此可以看出,O-QPSK克服了180°的相位跳變,信號通過BPF后包絡起伏小,性能得到了改善,由此受到了廣泛重視。利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率高達250 Kb/s,可以實現多點對多點的快速組網。
圖4 O-QPSK信號的產生
圖5 O-QPSK信號的解調
CC2420與LM3S1138的連接十分簡單,通過連接4線(SI,SO,SCLK,CSn)的同步串行接口SSI就可以方便設置芯片的工作模式,并實現讀/寫緩存數據、讀/寫狀態寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態可設置發射/接收緩存器。
對于傳感器的使用,微處理器內嵌了溫度傳感器,擁有8通道10位ADC,采樣速率可達1 MSPS,ADC模塊含有一個可編程的序列發生器,它可在無需控制器干涉的情況下對多個模擬輸入源進行采樣。每個采樣序列均對完全可配置的輸入源、觸發事件、中斷的產生和序列優先級提供靈活的編程。如果單采集溫度信號,那么微處理器可以輕松地實現信號的采集,如需采集機械振動信息,那么只要接入相應的加速度傳感器與電荷放大器就可以實現,為了試驗方便,本課題先以溫度的測量來驗證算法的效果。由于篇幅原因,僅簡單介紹ADC初始化:
SysCtlPeripheralEnable(SYSCTLPERIPHADC);
//使能ADC模塊
SysCtlADCSpeedSet(SYSCTLADCSPEED125KSPS);
//設置ADC采樣速率
ADCSequenceDisable(ADCBASE,3);//配置前先禁止采樣序列
ADCSequenceConfigure(ADCBASE,3,ADCTRIGGERPROCESSOR,0);
//采樣序列配置:ADC基址、采樣序列編號、觸發事件、采樣優先級
ADCSequenceStepConfigure(ADCBASE,3,0,ADCCTLTS |ADCCTLEND |ADCCTLIE);
//采樣步進設置:ADC基址、采樣序列編號、步值、通道設置
ADCIntEnable(ADCBASE,3)//使能ADC中斷
IntEnable(INTADC3);//使能ADC采樣序列中斷
IntMasterEnable();//使能處理器中斷
ADCSequenceEnable(ADCBASE,3);//使能采樣序列
至于基站的設計,由于主流電腦大多都沒有串口或并口,都是用USB 2.0接口來實現通信。為此本系統采用FTDI公司的FT2232D與串行CMOS E2PROM芯片CAT93C46結合,如圖6所示,通過這種方式,只需要一根USB線,就可以實現對基站的供電、下載程序到基站、與基站實現雙邊通信。這樣就大大簡化了電路的設計[9]。
圖6 基站與上位機接口電路
3 WSN的網絡支持
路由協議解決的是數據傳輸的問題,是WSN的核心技術之一。WSN的路由協議與傳統的Internet網絡不同,WSN要求網絡在使用有限的硬件資源和能量的前提下完成數據的采集功能,由于無線信道的不穩定性,節點的移動和失效以及工廠環境等綜合因素的影響,WSN的拓撲結構隨時可能發生變化,而且變化的趨勢是隨機的,再加上網絡中存在大量的數據冗余,所以設計一款適合WSN的路由協議非常必要。
針對核動力設備的特殊要求,采納一種實時性很高的路由算法TEEN[12]。TEEN是一種分層結構路由協議,該思想下網絡通常劃分為簇,每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。簇頭節點負責簇內成員的管理,并且完成簇內信息的收集和融合操作,同時還負責簇間數據的轉發。TEEN網絡簡化結構(可以建立更多的分簇)如圖7所示,由于事先已經確定了雙電源系統的個數以及位置,所以選擇靠近基站的雙電源系統作為路由的簇頭,簇頭確定好了以后,簇頭節點通過廣播告知整個網絡自己成為簇頭的事實,網絡中的非簇頭節點根據接受信號的強度決定從屬的簇,并通知相關的簇。簇頭通過TDMA 方法實現數據的調度,還向簇內成員廣播有關數據的硬閾值(Hard Threshold,HT)和軟閾值(Soft Threshold,ST)兩個參數。硬閾值是開始進行數據傳輸的最低限度,軟閾值則規定被檢測數據的變動范圍。在簇的穩定階段,節點通過傳感器不斷地感知其周圍環境。當節點首次檢測到數據到達硬閾值,便打開收發器進行數據傳送,同時將該檢測值存入節點保存為監測值(Sensed Value,SV)。節點再次進行數據傳送時要滿足兩個條件:當前的檢測值大于硬閾值;當前的檢測值與SV的差異等于或大于軟閾值。只要節點發送數據,變量SV便置為當前的的檢測值。TEEN協議的優點是實時性比較高;通過設置硬閾值和軟閾值兩個參數,TEEN能夠大大地減少數據傳送的次數;由于軟閾值可以改變,監控者通過設置不同的軟閾值可以方便地平衡監測準確性與系統節能性兩項指標;隨著簇首的變化,用戶可以根據需要重新設定兩個參數的值,從而控制數據傳輸的次數。但是TEEN不能對數據進行連續的采集,不適合數據在線監測,為此在TEEN的基礎上再向數據采集節點廣播一個計數時間,這樣的話哪怕沒有達到所需要的一個閾值,只要計數時間一到,將無條件采集所需的數據[13],從而達到在線監測的目的。
圖7 路由網絡結構
4 試驗結果
設置系統的硬閾值為10 ℃,軟閾值為0,計數器計數時間為0.1 s,系統采集一次數據的時間為0.01 s。由于溫度采集數據量龐大,不一一列舉,用Matlab把試驗所采集的數據用曲線的形式標記出來,如圖8所示,采集到的數據在10 ℃以下呈點狀分布;而超過10 ℃時,呈曲線分布;25~42 ℃之間與現場電子溫度計測得的溫度基本一致,而10~25 ℃之間出現了小偏差,原因可能為外界系統的干擾。
圖8 試驗數據
5 結 語
核電裝備監測系統采用WSN,在滿足低功耗和系統可靠性的前提下,能夠對溫度數據實現有效的采集。該系統成本低廉、布網方便,通過試驗表明,此系統完全能夠滿足工業的需要。在機電系統監測、安全控制方面將會有很大的發展空間。在以后的研究中,重點研究數據的融合與機械震動信號的采集,并對采集信號進行特征提取,以便對有效數據進行處理。
參考文獻
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關鍵詞：ZigBee技術；環境監測；傳感器
0 引言
ZigBee技術是近幾年發展起來的自組網無線通信技術，節點之間可很方便的進行組網通信，有效的解決了單點無線傳輸的距離問題。諸多事故的發生都源于未知，室內環境的監測對于生產和生活都具有重大意義。本文為室內環境參數的監測提供了一套完整的解決方案，并給出了相應的闡述。
1 系統整體設計方案
室內環境監測系統主要包括監測節點和數據接收處理主機。節點主要負責室內各項環境參數的數據采集和監測，包括溫濕度檢測模塊、煙霧檢測模塊、可燃氣體檢測模塊以及PM2.5檢測模塊；采用單片機負責檢測的控制，并將采回的數據通過ZigBee模塊送出。ZigBee每個節點都自動分配唯一的ID，每一個節點可管理254個子節點，一共可擴展管理多達65000個節點。數據處理主機主要負責接收每個監測節點的數據，對數據進行處理，包含顯示模塊、人機交互設置模塊、報警輸出模塊和聯動控制模塊。系統整體設計方案如圖1所示，給出了單個節點的組成框圖和主機的組成框圖，節點的個數可根據用戶需求進行擴展。
2 系統硬件設計
基于ZigBee技術的數據采集節點 主要采用了DHT11溫濕度傳感器、煙霧傳感器、可燃氣體傳感器、夏普PM2.5灰塵傳感器。
2.1 溫濕度傳感器
設計采用數字溫濕度傳感器DHT11進行溫度和濕度的檢測。DHT11是一款復合型溫濕度傳感器，采用單總線方式直接送出溫度和濕度值，使用時只需要電源和任意一個I/O口配合上拉電阻便可對其操作和訪問。DHT11供電范圍為3.3-5.5V，可以很方便的應用于各種單片機和嵌入式系統。DHT溫度測量范圍為0-50度，濕度為20%-90%RH，完全滿足室內環境的監測。
DHT11接口電路如圖2所示。
2.2 氣體傳感器
設計采用電阻型MQ-2氣體傳感器對空氣中的煙霧和可燃氣體進行檢測。MQ-2氣體傳感器采用二氧化錫氣敏材料進行氣體的檢測。二氧化錫在純凈的空氣中電導率很低，一旦空氣中有其他氣體的存在，其電導率隨空氣中氣體的濃度增加而增加，通過簡單的電路便可將氣體濃度信號轉換成對應的電信號。MQ-2傳感器不但對如液化氣、甲烷、氫氣等可燃氣體靈敏度很高，而且對煙霧也有著理想的響應曲線。
MQ-2氣體傳感器測試電路如圖3所示。傳感器需要提供加熱電壓進行預熱，加熱過程大概30秒，然后便可以正常輸出。加熱電壓和電源可采用統一電源供電，選擇合適的負載電阻即可。
2.3 PM2.5灰塵傳感器
PM2.5檢測采用了日本夏普公司的GP2Y1010AU0F灰塵傳感器，該傳感器電壓輸出與灰塵濃度具有良好的線性關系。傳感器采用光學方式進行灰塵的檢測，通過控制內部LED發光時間然后檢測對應光學腔內接受到的光強，經過內部相應的放大處理從而得到對應的電壓。傳感器采用5V供電，輸出電壓范圍為0.75-3.5V，對應的灰塵濃度為0-0.5mg/m3，輸出電壓和濃度成一次線性關系。GP2Y1010AU0F傳感器輸出為模擬電壓，所以需要配合AD轉換器進行數據的采集，傳感器接口電路如圖4所示。
3 系統軟件設計
基于ZigBee自組網的特性，無線部分程序設計變得相對容易，只需要記錄和校驗每個節點的ID即可進行數據的交互。節點的主要負責數據的采集和等待主機的數據發送請求，當收到請求時進行ID驗證，若為本機ID則發送數據，否則繼續等待，節點程序流程如圖5所示。主機的程序設計主要負責數據的請求和接收處理，進行顯示、報警、人機交互和聯動控制，主機程序流程如圖6所示。
4 結論
本文給出了基于ZigBee技術的室內環境監測方案，詳細的分析了系統的整體設計方案，對系統的傳感器電路設計做出了相應的介紹，分析了系統的可行性。最終對系統進行了整體數據采集和通信測試，良好的驗證了系統的穩定性和可靠性，對室內環境的監測具有一定的指導意義和參考價值。
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關鍵詞：智能家居；神經網絡；ZigBee；傳感器
中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）04-00-03
0 引 言
隨著科學技術的發展，人們對電子消費品的需求正逐步增長，電子產品的智能化程度正在飛速提高，尤其在計算機技術、嵌入式系統和無線通信技術的發展下，物聯網在實際生產生活中的應用越來越廣泛，遍布智能家居、智能交通、智能醫療、環境監測、物流快遞、教育、國防、工業、農業等行業[1，2]。
智能家居的出現讓人們體驗到了舒適、快捷的智能生活，還能更有效、更精確地控制家中家電設備，以達到節省能源和資源的目的[3]。但在實際智能家居系統設計中，由于無線傳感器網絡中的節點分布相對密集，且相鄰節點所采集的環境參數數據具有較高的相似性，使得網絡中傳輸的數據存在一定冗余，在通信過程中消耗過多的能量[4]。相關研究表明，消耗能量主要在數據傳輸過程中，應用數據融合技術可以減少網絡中的冗余信息，降低通信能耗，提高數據的傳輸效率[5]。因此，在智能家居系統中引入數據融合技術是十分必要的，有很高的研究價值。
本文以智能家居的溫濕度環境參數為檢測對象，采用ZigBee通信模式，設計了一套智能家居環境監測系統，通過融合神經網絡優化，降低功耗，實現節能、延長使用壽命的目的。
1 系統的總體設計
智能家居環境監測系統包括數據采集前端和數據接收終端兩個部分，數據采集前端由傳感器、微控制器、ZigBee無線通信模塊、電源組成，數據接收終端由ZigBee接收模塊、上位機組成。系統硬件原理圖如圖1所示。
根據智能家居環境監測系統的設計要求和Zigbee技術通信模式的特點，本文的傳感器網絡模型由協調器節點、路由器節點和傳感器終端節點3類節點組成，采用樹形拓撲結構，系統組網結構如圖2所示。
系統的主要工作流程如下：
（1）組建網絡，將節點放置在智能家居中，協調器通過USB與上位機相連接。協調器上電，組建一個新的網絡；
（2）將各個節點上電，根據無線傳感器網絡的低功耗自適應集簇分層型協議（LEACH），在整個無線傳感器網絡中按照一定的規則來選取簇首（路由器節點），構成分簇結構。在這種結構下，傳感器節點采集到的原始環境參數數據將首先發送給自己所在簇的簇首節點，再利用BP神經網絡算法在簇首節點和成員節點間對采集到的原始數據應用到基于神經網絡的數據融合算法中進行處理，將處理后的數據發送給協調器節點。
2 系統硬件設計
2.1 ZigBee模塊及電路設計
ZigBee模塊是系統組網和控制的核心，采用TI公司的CC2530射頻芯片，CC2530能夠提供較高的通信鏈路質量，具有較高的接收器靈敏度和較強的抗干擾性。此外，CC2530還提供了豐富的外設，包括2個USART，12位的ADC和21個GPIO。設計的ZigBee模塊及電路原理圖如圖3所示。
2.2 溫濕度傳感器與通信模塊的連接設計
溫濕度傳感器采用DHT11數字溫濕度傳感器，與ZigBee模塊連接如圖4所示。
DHT11數字溫濕度傳感器是直流供電，電壓為3.5～5.5V，當連接線的長度小于20 cm時，應選用3.5 V進行供電，否則線路壓降導致傳感器供電不足，造成測量數據的偏差；當連接線的長度短于20 m時，需要用5.1 kΩ的上拉電阻；大于20 m時，則根據實際情況使用上拉電阻，并且采用5.5 V電壓供電。
3 系統算法的設計
3.1 基于神經網絡的數據融合算法
由于傳感器網絡具有以數據為中心、節點能量有限且不能補充、通訊能力弱、網絡節點規模大、自組織性與應用密切相關等特點，所以對無線傳感器網絡的工作周期和壽命有很高的要求，傳輸1字節數據所需的能量可以用來執行數千條CPU指令[6]。應用神經網絡的數據融合算法雖然在一定程度上增加了CPU的計算量，但減少了網絡中的數據通信量，可以有效延長網絡的工作周期。把神經網絡應用到無線傳感器網絡能夠實現降低通信成本和能源保護、提高無線傳感器網絡性能的目的。
根據無線傳感器網絡的低功耗自適應集簇分層型協議（LEACH），在整個網絡中按照一定的規則來選舉簇首（路由器節點），形成分簇結構。在這種結構下，傳感器節點所采集的環境參數數據將發送給所在簇的簇首節點；利用BP神經網絡算法在簇首節點和成員節點間對采集到的環境參數進行數據融合。該網絡結構由輸入層、隱層和輸出層組成，隱層可以有多層，本系統采用最常用的單隱層三層BP網絡，神經網絡數據融合算法的模型如圖5所示。
假設在該網絡中有N個神經元節點處于輸入層；只有一層隱層，具有L個節點；有M個神經元節點處于輸出層；普遍情況下L>N>M。輸入層的神經元數量可以根據實際應用進行調整，與簇成員節點沒有必然聯系，而隱層神經元數量L的確定與求解問題的要求、輸入輸出神經元數量都有直接的聯系。本文使用試湊法來確定隱層神經元數量L，選用經驗公式作為試湊法的初始值。
3.2 神經網絡的學習流程
本系統采用反向傳播網絡（BP網絡）進行數據融合，該網絡的監督學習算法采用誤差反向傳播算法。誤差反向傳播算法的學習過程主要有兩個，分別為信息的正向傳播和誤差的反向傳播。
4 系統測試
本文仿真實驗通過NS-2仿真軟件對神經網絡的數據融合算法進行仿真測試，主要從網絡節點的平均功耗、匯聚節點接收數據包數量等方面對該算法與不加入該算法的方案進行了對比。
仿真環境參數設置：在100 m×100 m的范圍內隨機分布100個相同的節點。設節點的初始能量為2 J，數據包的長度為500 B，無線信道的帶寬為1 Mb/s，無線信號的載頻為2.4GHz，收發數據所耗的能量為50 nJ/b，神經網絡的權值初始值設為1，閾值設為0.2，訓練次數為500次。
在房間環境100 m×100 m的范圍內隨機部署100個節點的分布圖如圖7所示，節點分布完成后，根據節點分布的狀況和試湊法經驗公式，可以粗略計算出簇的個數為6。
圖8所示是隨時間增長網絡節點的平均功耗的變化曲線。無線傳感器網絡的節點能量是有限的，能量消耗完的節點就會“死亡”，所以節點能量消耗的越少，存活的時間就越長，整個無線傳感器網絡的生命周期就越長。從圖8中得到的是LEACH算法和數據融合算法在網絡節點的平均功耗的對比，可以得出數據融合算法平均功耗低于LEACH算法的結論。數據融合算法對全部節點的分布狀況進行具體分區，使簇頭分布更加均勻合理，并考慮了節點剩余能量值，平衡所有節點功耗，讓整個網絡的能量消耗更加平均。
圖9所示是無線傳感器網絡中匯聚節點接收數據包的數量，可見數據包數量受網絡存活節點數目的影響，在節點開始“死亡”時，接收數據速率開始下降，直至整個無線傳感器網絡 “死亡”。通過對比，數據融合算法能將數據進行有效的融合，減少網絡的數據量，這也是數據融合算法有更長的生存周期的原因。隨著時間的增加，數據融合算法接收到的數據包會超過LEACH算法，傳輸更為穩定的數據包流量。
5 結 語
本文設計了一種基于神經網絡數據融合的ZigBee智能家居環境監測系統，將數據融合加入到監測系統可以減少網絡的數據量，降低網絡節點的平均功耗，提升整個無線傳感器網絡的性能，延長網絡壽命。通過對網絡節點的平均功耗、匯聚節點接收數據包數量等方面進行測試，結果表明，加入數據融合算法的網絡比LEACH算法的網絡平均功耗低，網絡壽命得以延長。
參考文獻
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關鍵詞 入侵監測系統；異常監測；神經網絡；資料監測；人工異常
中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0076-02
隨著互聯網系統的發展，使得系統隨時可能受到來自網絡的入侵，因此，如何保護系統與資料安全一直是一個重要的研究課題。近年來，由于資料監測技術的發展，將該技術應用于入侵監測領域，利用事先收集到的資料訓練出一個較為一般化的模型，再以該模型針對即時資料進行是否入侵的判斷。用來改變現行入侵監測系統使用有限的監測規則來判斷入侵跡象，而無法監測未出現過入侵現行的缺點[1，2]。
本文針對檔案傳輸協定（File Transfer Protocol；FTP）服務，利用神經網絡建立異常監測的入侵監測系統，其目的在于利用評估資料監測的方式建立入侵監測系統，實現未知入侵行為的監測，解決目前入侵監測研究領域所遇到的問題[3]。
1 入侵監測系統
1.1 入侵監測系統簡介
針對入侵監測系統的研究始于1980年，Jim將入侵定義為未經授權而存取、操作、修改或破壞資料，或使電腦系統不穩定，甚至無法使用的行為。而入侵監測系統的目的是監測上面提到的各種行為。大部分的入侵監測系統是根據入侵特征建立的監測規則專家系統，對已知的攻擊辨識能力較佳。由于這類入侵監測系統所建立的特征不具一般化，因此很難分辨新的入侵行為。
1.2 入侵監測系統分類
近年來提出了許多不同的監測模式系統，用以應對不同的系統行為，大致可分為模擬正常行為與異常行為兩種。入侵監測技術分為濫用監測：使用已知入侵攻擊模式判斷入侵行為；異常監測：將建立的正常使用模式變異到一定程度時視為不正常的存取行為（甚至是入侵）。
對于濫用監測系統。將具有入侵特征的動作加以編碼，然后與收集的檢查資料進行比對，以此方式發現入侵。其缺點是入侵特征均需編碼后進入系統，面對未知的入侵攻擊時，無法監測出來，這樣的系統稱為濫用監測系統。
入侵監測系統由早期的專家根據入侵特征建立系統監測規則，逐漸發展成以統計方式建立模型，監測使用行為與統計樣式差別過大的，即可判斷入侵方式。隨后進入以資料監測方式為主流的監測系統，以提高檢測率及降低誤報率的目標。
1.3 入侵監測系統結構
目前的入侵監測系統實際上以資料和數據為主，對該系統整體結構進行以下說明：
1）受監測系統/感測器：入侵監測系統的資料來源，也就是受到監測的電腦主機。
2）審查資料收集：通過感測器收集審查資料。網絡封包表頭資料、網絡封包流量統計、使用者鍵入命令，使用者登錄資料等等，均為審查資料范圍。
3）監測處理：通過各種算法，監測收集所得到的資料，找到疑似入侵的行為，由上述觀點，監測處理是系統最核心的部分，監測入侵的準確與否，取決于此，處理的方式則有異常與濫用兩種。
4）處理中資料：入侵監測系統處理中的資料，如欲比對入侵模型，比對中的審查資料等。
1.4 檔案傳輸協定
本系統運行時，目的是為了對網絡入侵的監測，欲監測的入侵以FTP服務為主。選定FTP服務的原因，在于封包資料的可獲得性高、FTP命令可供判斷入侵行為、且其入侵形態多、容易看出監測效果。
FTP是檔案傳輸協定的縮寫，在網絡環境下傳輸檔案，亦可將檔案通過網絡從某系統傳輸至另一系統。使用此項服務需設定登入服務的賬戶。這個檔案傳輸協定支持不同操作系統、不同檔案結構主機，以ASCII編碼傳送或接收。FTP使用控制連線和資料連線兩個TCP連線來傳輸文檔。除了FTP命令外，該服務的網絡封包表頭亦為資料來源，這些資料經整理處理后，用以建立入侵監測模型。
1.5 神經網絡
神經網絡的目標是以計算系統模擬最簡單的生物神經網絡結構。整個計算系統由多個高度連接的處理單元構成，以此連接網絡間的訓練學習，并處理外部輸入數據。如果將神經網絡視為黑盒子，則此盒子由多個節點連接而成，一般可分為3層：輸入層、隱藏層及輸出層。
訓練過程中輸入訓練參數集，然后根據不同算法調整權重及偏權值，最后讓神經網絡可以映射輸入與輸出間的關系模式；模擬過程以測試數據集輸入并進行訓練后所得的神經網絡值為準。
2 系統結構原理
在整個系統主要由以下幾個部分組成，包括人工異常資料產生器，特征選取器，模型訓練器及模型評估器。人工異常資料產生器主要功能為產生與輸入資料不同的輸出資料，在異常監測概念中，任何與正常資料不同的資料均視為異常資料。因為FTP的封包資料很難完全收集，因此，異常資料產生器需根據正常資料人工產生異常資料。特征選取器針對FTP服務器端的封包資料，選具有代表性與辨別性的特征，根據選取的特征隨機產生人工異常資料至此系統資料前處理結束。模型訓練器首先選擇一部分資料作為訓練資料，一部分為測試資料。模型訓練器當模型訓練完成后，可使用測試資料集來評估分類模型的正確性。
3 系統運行機理
系統的運行部分包括：輸入資料、資料編碼方式、人工異常資料產生、特征選取方式，下面對各部分進行詳細介紹。
3.1 輸入資料
由于檔案傳輸協定（FTP）服務的攻擊行為多屬于網絡形式的攻擊，因此輸入資料應該選擇與網絡相關的特征，以有效分辨攻擊與非攻擊行為。初步選取的特征如下所示，數字代表資料編碼后產生的特征個數。
1）連接方式（1）：連線方向“1”表示連接至FTP服務器，“0”表示服務器向外連線。
2）響應編碼（5）：FTP響應為3個ASCII數字，第一個代表響應狀態，第二個代表錯誤種類，第三個為更進一步錯誤信息。
3）出現次數最多的字符（3）：統計封包資料中出現次數最多的字符作為特征輸入。
4）數據長度（3）：正常的FTP封包資料部分長度一般較短，較長的可能為異常封包資料。
3.2 資料編碼方式
1）連接方式（1）：連線方向“1”表示連接至FTP服務器，“0”表示服務器向外連線。
2）響應編碼（5）：以5個輸入點來表示響應碼的第一個數字，轉換方式如下：00001：1；00010：2；00100：3；01000：4；10000：5；00000：以上皆非時。
3）出現次數最多的字符（3）：根據封包資料字符出現次數最多的字符，以3個輸入節點表示輸入資料，編碼如下：001：1≤x≤5；011：6≤x≤10 ；111：x>10；000：以上皆非時。
4）數據長度（3）：以3個節點表示封包的資料長度，其轉換方式如下：001：1≤x≤48；011：49≤x≤96 ；111：x>96；000：以上皆非時。
4 結論
通過FTP服務收集的審查資料，以神經網絡訓練的入侵監測模型，驗證了資料監測方式監測入侵問題的可行性。資料監測方式實際應用于入侵監測時仍存在問題需要解決，最明顯的就是處理速度，網絡傳輸封包資料數量可能相當大，除收集審查資料外，還需對收集資料做前處理，并且以入侵監測算法來監測是否入侵，達到實時處理的要求。
參考文獻
[1]潘連根.數字檔案館研究[M].北京：中國檔案出版社，2005.
