时间：2022-02-09 00:51:25
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇网络监测系统，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词：GPRS；热网；远程监测
中图法分类号：TP309文献标识码：A文章编号：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
当前，众多的热电企业实行热电联产，向周边地区集中供热。各热电厂的供热系统大都存在用户众多、位置分散、管线长、管损大等问题，甚至出现人情汽、不法用户偷汽现象。致使热电企业日常管理工作量大，出现纠纷难以解决，经济效益受损，严重阻碍热电企业的发展。依据多年的流量计生产应用经验，充分考虑到流量测量工程中的问题，分析多家热电企业的需求，结合多家热电企业在热网管理中的成功经验，提出基于GPRS的热网远程监测系统。
2 热网管理现状与需求
用户规模从几十户到上百户
供汽范围可达10公里左右，小范围在2～3公里
人工抄表，工作量大
人工统计报表，繁琐，准确度难以保证
无法及时监控供汽质量
无法了解各用户用汽实时状态
用户端出现故障不能及时发现
无法控制人情汽
无法及时发现用户作弊
需要最大限度降低管损
要做到易收款，无贸易结算纠纷
要求保留几年的供热数据，为查询提供有效保障
3 方案设计
可以把热网远程监测系统分成上位机软件、通信网络、现场终端仪表三部分。上位机软件根据实际情况和厂家需求，分单机版和网络版。单机版实现数据采集、存储、查询、报表等基本功能，网络版充分考虑了系统的安全性、可靠性、分散性，功能更加强大。现场终端仪表大都采取孔板、差压变送器或涡街频率变送器加智能流量积算仪。通信网络采用GPRS网络。
3.1系统基本功能
(1)通过通信网络的数据传输，获取各用户流量、温度、压力、累计流量；
(2)实现对各用户参数的监测，如监测变送器设定参数值，用户蒸汽状态等；
(3)对用户蒸汽温度、压力、瞬时流量、累计流量等每秒～每三十分钟记录一次，能生成供汽报表及历史曲线，可以打印输出，操作员可任意查询历史记录；
(4)用户停电、线路不通、电池损坏时，发出报警信号；
(5)数据库无限量容纳热网记录数据供工厂查询；
(6)支持开放式关系型数据库；
(7)基于客户机/服务器模式，支持网络操作；
(8)设定分级权限，授权的部门可以通过局域网查询热网数据；
(9)全图形界面操作，简洁、实用，今后用户扩展、维护方便。
图1 系统网络示意图
3.2 GPRS网络技术优势
GPRS（General Packet Radio Service）是建立在GSM 基础上的、被称为2.5G的无线数字蜂窝网络，它将分组传输的技术引入GSM 网络，为无线设备接入Internet 提供了一种有效且费用低廉的手段，被广泛应用于移动计算、手持设备的Internet 互联、远程数据采集与监控等众多场合。
GPRS用于无线数据传输具有多方面的优势：一是接入范围广，可充分利用全国范围的移动网络，方便、快速、低成本地为用户数据终端提供远程接入网络的部署；二是传输速率高，数据传输速度可达57.6kbps，最高可达到171kbps[1]，是常用有线56k Modem 理想速率的两倍，下一代GPRS 业务的速度甚至可以达384kbps，完全可以满足更多的应用需求；三是接入时间短，GPRS 接入等待时间短，可快速建立连接，平均耗时为两秒；四是提供实时在线功能，现在用GPRS DTU上网，用户将始终处于连线和在线状态，这将使访问服务变得非常简单、快速；五是按流量计费，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，用户可以一直在线，按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用，用户即使挂在网上也是不收费的。以上优势使GPRS 非常适用于小规模数据量的远程无线接入应用。
3.3通过GPRS网络建立远程数据通道
利用GPRS网络构建数据的远程无线传输通道必须有协议栈的支持。GPRS终端利用PPP协议（Point-to-Point Protocol）与中国移动公司服务器建立点对点的数据连接。PPP是为在同等单元之间传输数据包这样的简单链路设计的链路层协议。这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据包。设计目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据。
PPP协议中提供了一整套方案来解决链路建立、维护、拆除、上层协议协商、认证等问题，其包含3大部分：链路控制协议LCP（Link Control Protocol）；认证协议，最常用的包括口令验证协议PAP（Password Authentication Protocol）和挑战握手验证协议CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol）；网络控制协议NCP（Network Control Protocol）。在GPRS终端设备与移动服务器建立连接的过程中，LCP负责创建，维护或终止与服务器的物理连接；CHAP负责处理服务器的口令验证；NCP负责从服务器获得一个IP地址，和两个DNS域名服务器地址。 GPRS终端设备与移动服务器的PPP协商的成功，标志着网络数据连路层的建立，此后将移动的服务器设为网关，可利用TCP/IP协议访问Internet或其他GPRS终端。这样GPRS终端之间、GPRS终端和Internet之间的数据通道得以建立，数据即可在此通道上按需流动。
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3.4 GPRS组网方案
组网方案一，通过公共接入点CMNET接入网络。这种组网方案使GPRS DTU的IP地址不固定，所以需要用一台接入公网的固定IP地址的服务器，DTU上线后获得的动态IP地址发送到服务器，建立C/S结构的点对点连接，传送数据。
这种方案的优点是费用低。方案采用公共接入点和动态IP地址，而非专用接入点和与SIM卡绑定的固定IP地址，只需要为SIM卡开通按流量计费的GPRS CMNET服务。缺点是DTU的IP如果变动，就会出现掉线，拨号重新建立连接，重新获取IP。另外，服务器端的安全保障工作需要全面规划。这种方案适合对网络安全性要求不是特别高，费用控制严格的应用。
组网方案二，从移动公司申请专用的APN（Access Point Name），组建专用网。申请了专用的APN后，移动公司可以为SIM卡分配固定的IP号（即DTU固定IP号）。DTU采用固定IP地址的方式接入专用网，进行数据通信。
这种方案的优点是网络安全性高。域内的用户只能相互访问，服务器也与外界完全隔离，可以提供非常高的安全性。DTU的IP地址固定，也很少出现重新拨号连接的情况。本方案的缺点是费用高，要支付向移动公司租用APN的费用。
3.5 GPRS网络主要工作流程
图2 网络工作流程示意图
4 结束语
热电厂热用户具有多而分散的特点，传统的人工抄表、人工巡视繁琐费时，还容易受到一些人为因素的影响。本文提出了一种基于GPRS的热网远程监测系统，可以向监控中心提供精确、及时的数据，利于热电企业掌控生产。GPRS网络拥有广阔的覆盖范围，可以方便的接入Internet，使得数据可以在多种平台上自由传输。目前，该方案在多家热电厂得到应用，成功地实现了热网数据的远程采集、存储、实时显示、任意查询，大大减轻了热电企业的工作强度。
参考文献：
[1]Xavier Lagrange,Philippe Godlewski,Sami Tabbane,顾肇基.译.GSM网络与GPRS[M].北京:电子工业出版社,2002.222-227.
[2]R.J.(Bud)Bates.朱洪波.等.译.通用分组无线业务(GPRS)技术与应用[M].北京:人民邮电出版社,2004.
[3]韩斌杰.GPRS原理及其网络优化[M].北京:机械工业出版社,2003.
[4](美)Uyless Black.TCP/IP 及相关协议.北京:电子工业出版社,1998.
关键词：蜜罐原理 开源软件 网络攻击源
中图分类号： TP393.08文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016） 04（c）-0000-00
一、引言
近年来随着社会的进步，计算机网络变得发达，人们之间的沟通变得方便了许多。而随之而来的就是网络安全的问题，其影响足以引发每个人的关注。本文将围绕网络安全问题对网络攻击源进行有针对性的信息搜集和监测。
本文针对网路攻击源主要对其攻击行为进行搜集和监测工作，包括仿冒低安全性的主机并搜集监测攻击者的登录信息（攻击时间，攻击者IP，攻击者输入的用户名、密码等）和攻击行为[1]。
二、监测系统原理
本系统根据攻击者的攻击行为在Linux系统上制定了一系列的监测防御措施，采用Linux Shell，php，curl，python等脚本语言对总系统进行编写。
此系统总共分为两部分：监测搜集信息部分和信息处理部分。监测搜集信息部分旨在将含有攻击行为的举动进行搜集，并能够实时监测其举动，达到未受到攻击先进行预防的目的。信息处理部分将会对搜集的攻击信息进行实时分析处理，录入数据库，并能够对数据库进行分组排序，实时统计，最终呈现在客户端， 清晰明了，简单实用[2]。
三、监测系统应用范围
此监测系统可以对有攻击行为的攻击源进行搜集和监测。其功能能够搜集攻击源的攻击时间，攻击IP，记录攻击者输入的用户名，密码，最终能够对这些搜集的信息以某种媒体的方式呈现出来。
四、系统流程
下面是监测系统总的流程：
搜集攻击源信息-远程上传至中心服务器-分析攻击源信息-中心数据库进行处理-中心数据库数据统计-攻击源监测客户端呈现。
五、信息搜集服务器工作原理
信息搜集服务器为分散在各地的子服务器，专门用来搜集具有攻击行为的攻击源。
其中中心处理服务器将负责收集由各地子服务器上传上来的攻击信息，进行选取实时录入数据库。
六、基于蜜罐原理的信息搜集系统的设计
1.蜜罐技术的发展背景
网络与信息安全技术的核心问题是对计算机系统和网络进行有效的防护，而蜜罐技术可以采取主动的方式来进行防护。顾名思义，就是用特有的特征吸引攻击者，同时对攻击者的各种攻击行为进行分析并找到有效的对付办法 [3]。
2.kojoney开源软件介绍
Kojoney是一套仿SSH 服务器的低阶互动式诱补系统。本软件是以Python 所写的daemon，使用Twisted Conch 函数库。
3.文件上传部分的设计
上传部分代码主要分为两部分：upload.sh和upload.php。
upload.sh负责在子服务器上将含有攻击信息的文本文件attacklist.txt上传到中心处理服务器，upload.php负责将上传上来的文件转移到其他的目录下，等待中心服务器来进行处理。
以下为upload.sh主要代码：
#To upload file to remote service
curl -F userfile=@attacklist.txt -F username=$usr -F password=$pass $URL
下面介绍upload.php主要流程和代码：
upload.php流程分两部分：数据库验证部分和文件转移部分。
下面是upload.php的主要代码：
//put the file where we like it
$upfile ='/uploads/'.$_FILES['userfile']['name']；
4.数据处理和统计部分的设计
将攻击信息录入数据库，通过shell脚本将attacklist.txt中的攻击信息录入到MySQL数据库中，其关键代码为：
INSERT INTO info（datetime，ip，user，pass） VALUES（'$J'，'$K'，'$L'，'$M'）
以下为mysql_in.sh中主要循环遍历的代码：
for J in ${datetime[@]}
do
mysql -uroot -proot -e "INSERT INTO info（datetime，ip，user，pass） VALUES（'$J'，'$K'，'$L'，'$M'）" attack[18]
done
5.数据库实时统计
需要有一定的MySQL数据库命令经验，选取相对数据信息进行分组并降序排序，取前10位记录量最多的元素进行显示，其中主要MySQL代码为：
select pass，count（pass） as count from info group by pass order by count desc limit 0，10
select user，count（user） as count from info group by user order by count desc limit 0，10
以下为mysql_count.sh的主要代码：
mysql -uroot -proot -e "select pass，count（pass） as count from info group by pass order by count desc limit 0，10；" attack | grep -v count > pass
mysql_in.sh负责将上传上来的攻击信息逐条录入数据库，mysql_count.sh负责将数据库中录入的攻击信息进行分组排序，实时汇总。
七、信息部分的设计
平台是以Javascript+flash结合，通过对含有攻击信息的xml文件或文本文件进行读取，将信息以饼状图或云图的形式实时显示出来。本人通过编写脚本将密码，用户名，攻击IP记录量最多的前10位的记录载入平台的攻击信息记录文本文件中，最后形成了数据库信息与平台的交互过程。
以下是数据库中攻击信息传递给饼状图过程的主要代码：
echo "" > "$pass_file"
cat pass | sed -e 's/＼t/">/g' | sed 's@^@
echo "" >> "$pass_file"
本部分利用javascript+flash的饼状图结合自己编写的程序，将数据库中统计的攻击信息传递给饼状图程序，使其能够形象直观的显示出来。
参考文献
1. 王登第， 柴乔林， 孙翔飞. 新的传感器网络假冒攻击源检测方案[J].计算机应用， 2010， 08： 65-70.
随着智能电网的发展和供电可靠性要求的不断提高，配电网运行面临巨大的挑战，而配电自动化是提高供电可靠性、供电质量和供电能力，实现配电网高效经济运行的重要手段。城区内日益庞大的管道光纤网络和复杂的运行环境，为通信运维部门快速维护光纤链路、消除通信光缆故障带来了巨大的挑战。对光纤链路资源的统一管理与维护，减少障碍时间、提升配电自动化系统运维水平，是配电运检部门正在面临的难题。通信运维部门迫切需要实现对配网光纤网络的监测维护、预检预修、故障定位与排除等工作的集中实时监测与管理。
1.全新的PON网络光纤集中监测系统概述
（1）ARD-OTDR是核心硬件，负责向被测光纤链路中发送光信号，并接受反射回的信号。一般安装于局端机房内。
（2）OSW（光开关）可通过级联方式，实现不在同一地理空间的多条光纤链路共享一个ARD-OTDR模块的功能，扩展整个系统的监测规模。并且可以通过切换主备纤远程控制开关，实现主备用光纤的远程自动倒换。WDM（合波器）的作用是将测试信号接入被监测光纤链路，同时与业务信号隔离。系统可以将光开关、合波器二者合在一个设备中（用户也可以单独采购合波器），安装于光纤链路所在的ODF架上。
（3）服务器和客户端，分为数据库服务器和应用服务器，服务器可设置在一台计算机上。应用服务器可以根据监控的网络规模配置多套计算机。客户端可以安装在各变电站、县级公司运维中心，操作员通过客户端连接到系统服务器，客户端可以向ARD-OTDR发起测试命令，查看测试结果和测试服务器上的数据。
系统包括硬件和软件两个部分，其硬件核心就是获得多项技术专利的ARD-OTDR。ARD-OTDR是主要利用光在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅耳反射所产生的背向散射而制成的一套技术先进、性能稳定的测试系统。
对普通OTDR而言，测试脉宽越大，动态范围越大，意味着如果被测是理想光纤的情况下，能测量的距离就越长。因此，对于全程衰耗大的光纤链路，通常会采用大脉宽来测。但是，大脉宽会使得测得的反射事件的盲区增大，分辨率会降低，无法区分开离得很近的两个事件，并且测试精度也会降低。所以在测试事件点离得很近，如PON网络时，只能采用小脉宽。然而小脉宽的功率小，动态范围小，被测光纤链路的全程损耗受到动态范围的限制，不可能很大。因而普通OTDR无法穿透多级、大分光比ODN网络。
通常，系统是在一条光纤链路正常的时候进行一次测试，保存这个测试结果作为参考数据，我们称之为这条光纤链路的健康档案。再次测试后的测试结果数据会跟这个健康档案相比较，后台专家分析系统通过比较各事件点的峰值、衰减等参数，自动分析出现在这台光纤链路是否正常。如果有变化，但并不影响业务，本成果会给出预警的提示，如果由于链路的原因会影响业务信号，就要给出告警，并进入故障处理的相应流程。这就要求监测系统自身要具有极好的稳定性与一致性。在OTDR中，激光源的稳定性决定了监测系统的稳定性，而决定激光源稳定性的主要因素是激光源温度。ARD-OTDR采用独特的技术手段，很好地控制了激光源的温度，使得监测试系统具有极强的稳定性与一致性，因而保证了测试结果的可靠性。
使用对现网正常业务没有影响的1650nm（或1625nm）的测试波长，经过90秒左右的测试时间，就可以诊断出光纤断（主干、分支），光纤老化/劣化，接头污损、接触不良，终端未接等PON网络常见故障。
系统的光开关可以采用级联方式，可以极大地延展被监测的光纤链路数量。比如一个36路的光开关，级联后，就可以监测1296条光纤链路。
2.系统的技术关键与难点
无需在ONU终端处安装任何光反射装置，可以穿透多级分光装置，并通过算法从微弱的反射信号中分离噪声、探测出测试光信号并且具有极强的稳定性与一致性。
由于系统无需在原有光纤线路上增加任何反射装置，不仅大幅度地降低了整个解决方案的成本，避免了由于反射器自身引入的故障，而且更易于部署，特别是对于FTTx存量用户，无需上门为每个用户加装反射器。
3.PON网络光纤集中监测系统在配网通信的应用
为了验证系统系统在配网中价值，温州电力信通公司部署了配网光纤集中测量系统。
3.1工程概况
一期工程覆盖市区1个局机房、9个变电站以及261个开闭所。其中部署光测量系统ARD-OTDR 2台，光开关10台（含WDM），ROSC 8台，安装FAST LIGHT软件系统1套。
按照设计方案，本次工程涉及温州局机房及9个变电站，变电站分别为：广场变、龙泉变、东门变、东屿变、杨府山变、九山变、站北变、雪山变、城中变。下图1为本次工程的全网连接图。
3.2工程意义
工程竣工后，对于覆盖的变电站和开闭所能实现光纤全自动化集中实时监测和统一集中管理，能准确定位故障、分析网元劣化趋势、主动及时地维护主用与备用光纤链路。工程可将目前分散的各输变电站（含配网）的在线或者备用光缆集中统一、自动化维护管理，彻底摒弃过去那种分段测试的检修模式。工程无需改变目前维护管理架构，系统部署之初，就能对整个配网进行一次全面的资源梳理。本文举例说明如下。比如礼府电室，在没部署系统之前，衰减比较大；通过部署系统后，就能发现此处的大衰减。对相关问题进行处理后，整条链路下降了约5dB，又比如在鹿城大厦电室出现大反射，直接导致后面事件点看不到，通过部署系统，对相关问题进行处理后，便能对后面事件点进行监测（广场变EA007- 1槽位5口-光缆第6芯，如图2-a优化前，图2-b优化后）。
3.3试验效果
据统计，该系统应用后，平均每月配电网通信光缆故障次数降低28%，平均故障消缺时间缩短43%，有效提高了配电光缆网络的运维和管理水平，减轻了运维人员的负担压力，为配网自动化系统安全稳定运行提供了有力保障。
关键词：zigBee；监测系统；LabWindows/CVI
中图分类号：G250.73 文献标识码：A
1 概述
随着大规模集成电路的发展，加工工艺越来越先进，对可靠性的要求也越来越高.相应的环境中静电对IC的危害变得也越来越显著，对静电的控制成为提高产品合格率的最重要措施之一。[1]为了使静电降低到安全水平，防静电手腕带广泛应用于组装工位上。随之，监测手腕带使用状况的监测仪器应运而生，但是目前市场上的监测仪器大部分均为单机版，只可在工位现场进行报警，不可避免的产生噪音以及人为因素影响等后果，从而制约了产品质量的提高。本文介绍一种新型的防静电手腕带监测系统，可以将多个区域内的防静电手腕带监测仪器进行联网实时监控，从根源上解决了单工位手腕带监测仪的问题，为产品质量的提高提供了保障，并方便了用户的管理工作。
2 监测系统介绍
2.1 系统组成和工作原理
防静电手腕带在线监测系统分为手腕带监测仪、数据采集模块、zigBee自组网通信模块以及配套的数据处理软件等几部分构成。安装在各个工位上的监测仪器将手腕带接地状况的信号转化为数据采集模块可以识别的电压信号，数据采集模块采集相应的信号，并通过zigBee无线网络上传至上位机数据处理软件处，上位机处理软件实现数据的实时显示，以上数据的报警、存储以及分析等功能。
2.2 ZigBee无线自组网技术
ZigBee是一种基于IEEE802.15.0标准的短距离、低速率无线网络技术，该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用，主要用于无线传感器网络和测量控制方面。国际上，IEEE802.15.4工作组及ZigBee联盟共同致力于该无线连接技术的推广工作，其中，IEEE802.15.4工作组主要负责制定ZigBee物理层及MAC层协议．其余协议主要参照和采用现有标准，以便于今后不同厂商设备的互联互通；ZigBee联盟则负责高层应用及市场推广工作。于2002年成立的ZigBee联盟如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司加入。此外，Freescale、TI等国际巨头也都已推出了比较成熟的ZigBee开发平台[2]。
ZigBee标准是基于802.15.4协议栈而建立的，它具备了强大的设备联网功能，并支持三种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree)，其中网状结构具有很强的网络健壮性和系统可靠性（如图1）。
在此系统中，将整个生产区域划分为多条线，每条线设置zigbee无线模块一个，各个监控机位将数据上传至无线模块处，而中控单元可以通过internet方式去有选择的查看各个线的状况，这样的设计一方面保证了数据上传的实时性，另外一方面方便了中控单元的管理人员，大大提高了效率。
3 上位机监控软件的设计
上位机监控端以当前流行的虚拟仪器Lab Windows CVI虚拟仪器为开发平台，利用其图形化的软面板、丰富的数字信号处理库和高级函数分析库资源，借助计算机的强大功能，实现与板卡之间的控制信息和采集信息之间的数据交换[3]。该系统具有报表、曲线、图形等屏幕显示、打印和绘图、数据存储调用、控制等多种功能，各分站既能与监控中心连接，又可独立工作。在监测防静电手腕大工作状况时，可以对其报警基准进行设置，比如可设置只有超过10s的报警信息才会被记录，这样过滤掉由于人体动作或者外界影响随机出现的非真实报警信息。其还可以调出历史实时数据，供决策者分析厂区整体防静电手腕带的使用状况，从根源上解决手腕带使用监控的问题，大大的提高产品质量。
结语
此系统中综合考虑了液晶、电子等行业工作区域实际工况以及成本控制方面因素， 通过合理系统优化设计，最终实现了实时监测防静电手腕带状况，并可在此系统基础上，进一步将平衡电压这个参数一并监测进来，构建整个厂区的防静电监测系统。这对生产过程中静电的生成并避免相应后果可以起到极大的预防作用，很好的提高产品质量。
参考文献
[1]孙玉荣等.新型平衡电压无偏离离子风机的设计[M].北京：理工大学学报，2009.
关键词： 无线传感网络；ZigBee；精准农业；远程监控
“精准农业”，是指将高新技术和农业需求相结合，实施一套现代化农业监控与管理系统。先进传感技术和智能信息处理是保证正确定量获取农业信息的重要手段。随着微电子技术、信号处理、无线通信技术等的发展，传统的传感器获取方式正从单一化模式向集成化、微型化进而智能化、网络化发展，成为农业应用过程中信息获取的最重要和最基本的技术之一。
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）正是在以上趋势下产生的新技术。结合微电子技术、嵌入式技术、无线网络等现代通信技术，能够实时地监测、感知和采集网络覆盖区域的环境参数信息，数据以自组织多跳的无线方式发送到汇聚中心，然后再由汇聚节点发送到远端的监控中心。监控中心能对接收到的数据进行处理，并返回相应的控制命令。无线传感网络低功耗、自组织、动态拓扑、设备低廉等特点，使其特别适用于大规模的监测场景。其在敌方军事战场、自然环境监测、医疗监护、工业生产控制、智能楼宇和消费电子等领域也都有广泛的应用[1]。如图1所示。
无线传感器网络为农业各领域的信息采集与处理提供了新的思路和有力手段，弥补以往传统数据监控的缺点，已经成为农业科技工作者的研究热点，其能够实时提供用户/农民地面信息（空气温湿度，风速风向、光照参数、CO2浓度）、土壤信息（土壤温湿度、张力、墒情）、营养信息（pH、EC值、离子浓度）、有害物监测与报警（动物疾病和植物病虫害）、生长信息（植物生理生态信息、动物健康监测）等，这些信息为用户调整相关策略，帮助农民及时发现问题，并准确地确定发生问题的位置，这样农业有可能渐渐的从以人为中心，依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、网络化生产设备，真正实现无处不在的数字农业，具有广阔的应用前景。
1 系统总体结构介绍
在本文中，采用Jennic公司的JN5139开发套件组建无线传感网络，采用华天正科技推出的REAL ARM6410开发板作为网关设备，任一台可联网的PC机作为监控中心的服务器。协调器节点和网关直接串口相连，网关将串口接收到的传感器数据，通过socket，走以太网或者Wi-Fi等无线方式，发送到远端的服务器。总体结构图参见图2：
系统主要由以下三部分构成：
1）ZigBee无线传感网络。主要由ZigBee协调器节点、路由节点和传感器节点构成。协调器节点是该网络的控制中心，负责创建维护网络，是无线传感网络和外界网络通信的出入口。传感器节点负责采集环境参数信息，并能通过路由节点，以多跳的方式将信息传送到协调器节点。综上叙述，ZigBee无线传感器测量网络主要负责数据的采集，并将数据通过ZigBee网络上传到ZigBee协调器节点，再由ZigBee协调器节点将数据通过无线或有线TCP/IP方式发送给远程监控中心。
2）网关接入Internet广域网。Internet网络可以通过有线或者无线接入方式，比如以太网、Wi-Fi、GPRS、TD等等。
3）远程监测中心。通过计算机网络技术、数据库技术和软件技术实现远程监控功能。在系统运行的过程中，监控中心可以对ZigBee监控节点的运行参数进行设定，同时实现对采集数据进行存储和SQL趋势图和报表查询，便于监测区域的数据信息进行观察和分析[2]。
2 系统各功能模块介绍
2.1 传感器节点组网流程
本文中的无线传感网络是采用的ZigBee技术，它是一种高可靠的无线网络，类似于CDMA和GSM网络，ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75米到几百米、几公里，并且支持无线扩展。它的特点是：低功耗、低数据量、低成本，使用免费频段2.4G，高抗干扰，高保密性，自动动态组网。
Jennic JN5139开发套件中，每个传感器板都烧制有相应的程序，其在网络中的角色就由烧制的程序而定。
ZigBee网络最初是由协调器建立。协调器首先扫描信道，选择一个空闲信道，并同时规定网络参数。其他普通节点加入网络时，只要将信道设置成与现有的协调器使用的信道相同，并提供正确的认证信息，即可请求加入网络。一个节点加入网络后，就可以从协调器节点得到自己的短地址、ZigBee网络地址以及协调器规定的拓扑参数。同理，一个节点如果要离开网络，只需向其协调器提出请求。任一个节点成功接收一个子节点，或者其子节点成功脱离网络，都必须向协调器汇报。因此，协调器节点可以即时掌握网络的所有节点信息，维护网络信息库。图3是传感器节点加入和离开网络的握手示意图。
2.2 网关开发介绍
本系统是将协调器节点和ARM设备结合在一起，作为无线传感网络和外部互联网的桥接网关。网关采用REAL6410 ARM开发板，板上集成有串口、以太网、Wi-Fi、GPRS等接口。本文中已实现通过以太网口和Wi-Fi来连接互联网。
ARM板和协调器节点是直接串口相连，ARM板通过串口读取协调器节点搜集的传感网络信息，然后通过socket和远端服务器建立连接，将数据发送过去。Socket是支持TC/IP协议的基本操作单元。Socket有两种不同的类型：流套接字（TCP）和数据报套接字（UDP）。对于TCP套接字，套接字之间建立连接的过程分为：服务器监听，客户端请求，连接确认。监听时，服务器处于等待客户端连接的状态；客户端请求时，客户端主动提出连接请求，以IP和端口号连接服务器端的套接字；连接确认时，服务器收到客户端的请求并响应，建立独立的连接线程，把服务器端套接字的描述发给客户端，连接就建立了。这样服务器和客户端就可以双向通信了。本文采用TCP的连接方式，ARM网关和远端服务器的通信流程如图4。
2.3 服务器程序开发
本文中，已实现ARM网关通过以太网和Wi-Fi两种方式来访问远端服务器。服务器可位于任何位置，只需要知道服务器的ip地址，网关就能通过搜寻ip和服务器建立连接，两者实现通信。
服务器端程序开启后，会在特定的端口监听，当监听到网关请求连接之后，服务器同意，然后两者建立连接，网关把自己搜集到的数据信息转发给服务器，在监控平台上显示信息[3]。图5是一个简单的服务器监控界面。
以湿度信息为例，当某个传感器节点提取出来的值小于最初设定的阈值时，监控中心就会通过网络向网关发送一个浇水控制命令，网关将该信息转发给协调器节点，协调器节点根据命令中的短地址信息，定位到相应传感器节点，传感器节点收到命令后就会控制其上的电磁阀打开，从而实现自动浇水。当湿度值恢复正常后，自动停止浇水。
3 结语
本文结合当今农业发展的需要，借助无线传感网络，搭建了一套农业墒情监测系统。由于农田需要监测的区域很大，传统的信息获取都是通过人工记录分析，效率很低。现在有了无线传感网络，可以直接在传感节点上布置土壤湿度、氮元素浓度、pH值等传感器，通过无线的方式，将这些信息发送到监控中心。监控中心借助其软件平台，对数据进行分析，并返回相应的控制命令，以实现自动化监控。科技和农业需求的结合，大大提高了农田的管理效率，部署方便，成本低廉，是农业信息测控的一个重要发展趋势。
参考文献：
[1]何成平、龚益民、林伟，基于无线传感网络的设施农业智能监控系统，安徽农业科学，2010，38（8）.
关键词：无线传感器网络；设施农业；监测；低功耗
中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：16727800（2013）003008202
0 引言
近年来我国以大棚和温室为主体的设施农业正在迅速发展，但与国外相比，我国的设施农业普遍存在科技含量低、生产水平和效益低下等缺点，因此，迫切需要提高我国设施农业的整体水平。信息技术在农业领域中的应用是提高设施农业科技水平的重要环节。我国作为一个农业大国，农业分布呈“小而散”的特点，存在很多小型化的温室生产模式。因此，研制成本低廉、操作简单、可靠性高的设施农业环境监测控制系统是我国现代化设施农业的一个关键。
目前，传统的农业领域自动监测方法通常是通过有线方式将传感器采集的信号传到监测中心。由于农业生产环境分布范围广、地形复杂、环境温度变化大、空气潮湿等因素的影响，极易导致信号传输电缆的老化，从而降低监测系统的可靠性。随着无线通信技术的日趋多元化结合，ZigBee 作为一种近距离、低功耗、低传输速率、低成本、高可靠性的无线通信技术，特别适用于现代设施农业的无线环境数据采集与监测。
1 系统结构
结合设施农业环境监测应用需求，本文构建的基于Zigbee传感器网络的农业环境监测系统的结构如图1所示。
该系统整个监测网络由传感器节点、路由节点、协调器节点和监测平台四部分组成。监测平台是系统的管理中心和数据汇聚中心，协调器节点负责协调和管理网络通信，初始化和启动整个网络后控制路由节点的数据传输。传感器节点位于最前端，用于采集农业环境物理量信息，并通过网络把数据传输至路由节点；路由节点再将收到的各种数据传送给协调器节点。
2 监测传感器节点设计
2.1 节点硬件设计
传感器节点的主要功能是负责采集设施农业生产环境监测区温湿度、光照强度、土壤pH值等物理量信息，并将采集的数据传输给路由节点。整个传感器节点系由传感器模块、处理器模块、无线射频模块、电源管理模块等四部分组成。监测传感器节点结构框图如图2所示。
传感器节点各硬件模块功能简介如下：
（1）传感器模块。该模块主要集成了各种传感器，对温度、湿度、光照强度、土壤PH值等物理量进行采集，由 AD 转换器将模拟电信号转换成数字信号。其中温湿度传感器采用的是数字温湿度传感器DHT21，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器；本方案中选择TSL2561作为光强度传感器，它具备高速、低功耗、宽量程、可编程且可以根据用户灵活配置等优势；CO2浓度传感器采用超低功耗红外二氧化碳传感器COZIR-A，其他传感器接口已经留出，方便以后进行扩展。
（2）处理器模块。该模块负责控制整个传感器节点的操作、数据的存储和处理，是传感器节点的核心。在农业环境监测系统中根据低功耗和处理能力的需要，本系统采用TI公司生产的16位超低功耗单片机MSP430F149。它具有RISC CPU内核，内部集成了12Bit模数转换器、内部温度传感器、16位定时器A和定时器B、串行异步通信端口UART0和UART1（软件可选择UART/SPI模式）、硬件乘法器，多达48位的通用IO端口、60kB的FLASH程序空间和2kB的数据空间等诸多外设，可直接用JTAG仿真调试。MSP430F149具有多种模式可选，在设施农业环境监测系统中，可根据不同的需要，切换模式以降低系统功耗。
（3）无线射频模块。无线射频模块主要是控制信息的无线收发。无线通信模块消耗了整个传感器节点的绝大部分能量，故选择低功耗、高性能的射频模块是整个系统的关键之一。基于现代设施农业环境监测的实际情况，本系统无线射频模块采用CC2430无线射频芯片。无线射频模块采用TICHIPCON公司的CC2430芯片。CC2430内部集成了RF收发模块，利用2.4GHz公共频率，应用于监视、控制网络时具有低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势；该芯片性能稳定，具有良好的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力；在休眠模式时仅0.9μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统；CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，正常工作时需要的外部元器件极少，与主控制器接口简单，特别适合低功耗的无线传感器网络的应用。
（4）电源管理模块。电源管理模块为系统其它各模块提供持续、稳定的能量供应，由于此监测终端为户外不间断工作，为降低功耗，电源管理模块加入低功耗的管理和控制，通过软件机制实现多种工作模式（包含正常模式和休眠模式），当节点不工作时系统即进入休眠模式。考虑到系统将长期使用，可以通过外接电源或外接蓄电池和太阳能电池板以保证系统的持续供电。
2.2 节点软件设计
基于环境监测系统长时间工作的需要，传感器节点软件系统设计的关键是在保证能有效实现必要功能的前提下最大限度地减小节点的能耗。无线传感器网络中监测节点的能耗主要集中在通信能耗和传感器模块的能耗，而通信能耗要远大于传感器模块能耗。因此，节点电源打开后，完成ZigBee模块和传感器模块的初始化，建立通信链路后，设置唤醒时钟并进入休眠模式。节点软件设计程序流程如图3 所示。
3 网络拓扑结构
一般设施农业监测的规模和范围不大，因此本系统的网络拓扑选择简单的星型网络结构，通过对多个监测节点发送的数据进行分析可以判断环境监测区域的状态。系统启动后，根据网络协议组建网络，为节点分配地址。当监控平台查询数据时，系统根据地址分配执行数据采集。
4 结语
将无线传感器网络应用于现代设施农业环境信息检测具有传统农业监测方式无法比拟的优势。本文提出了基于ZigBee传感器网络的设施农业环境信息实时监测系统的设计方案。介绍了系统的总体结构和传感器节点的硬件及软件系统设计。本文提出的这一无线传感器监测系统，具有低成本、低功耗、可靠性强等特点，为现代设施农业生产环境信息监测提供了一种有效的解决方案。
参考文献：
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关键词:nRF905 低功耗 TDMA 无线传感器网络
随着计算机控制技术、电子信息技术和网络通信技术的广泛应用,现代监测系统的自动化程度越来越高。现代监测系统需要采集传感器所获取的数据,并将采集的数据传送到主机进行数据分析和处理。但随着监测环境的不断拓展,在无法或不便实现明线连接的场合,采用传统的有线数据传输已不能满足系统的需要。无线传感器网络具有组网快捷、灵活,不受有线网络约束的优点,可应用于多种场合,有着广阔的应用前景[1]。
本文根据无线网络监测系统的特点,采用模块化设计方式,设计了基于无线芯片nRF905的无线传感器网络节点,研究网络通信协议。该无线传感器网络监测系统能够通过各类传感器协作地实时监测、感知和采集各种监测对象的数据,数据通过无线方式发送至用户监控终端,从而实现人们监测各种对象的目的。
1 系统硬件设计
系统由传感器数据采集节点和中心数据传递节点构成。传感器数据采集模块连接传感器,负责现场数据采集,该节点通过无线方式与中心数据传递节点通信,中心节点通过串口或其他总线方式连接到用户监控终端。中心节点与传感器节点之间采用无线通信的方式,一个中心节点可以与多个传感器节点进行通信。为了避免多个传感器节点在同一时间发送数据而产生冲突,系统通信采用基于TDMA (Time Division Multiple Access)控制协议。
传感器节点由数据采集模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分组成。其中数据采集模块的主要功能是对环境信息(如温度、湿度、加速度、光电、液位、电磁感应、压力)进行感知、采集并做一定的数据转换;处理器模块的主要功能是负责控制整个传感器节点的操作,其核心任务包括从数据采集单元中获取各种数据,对数据进行标定,对数据收发单元进行初始化及其参数设置,以及收发数据流程的控制等;无线收发模块主要的功能是负责与中心节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集数据;电源模块主要负责为传感器节点提供运行所需的能量,通常采用电池供电。
中心节点实现两个通信网络(无线通信网络和485总线网络)之间数据的交换,实现两种协议(TDMA协议和RS-485协议)之间的通信协议转换,它监测计算机的监测任务,并把收集到的数据转发到监测计算机。其既可以说是一个增强功能的传感器节点,也可以是没有监测功能仅带无线通信接口的特殊网关设备。中心节点包括电源模块、处理器模块、无线通信模块、存储模块和串行通信模块。
1.1 电源模块
电源模块为整个传感器节点提供电压。根据传感器节点各芯片的选择,整个系统采用3.3V供电即可。而二节干电池只能提供3V电压,又考虑到硬件系统要求电源具有稳压功能和文波小等特点,另外考虑到硬件系统低功耗的特点,电源模块采用TI公司的TPS60100芯片即可。该芯片能很好的满足硬件系统的要求,另外该芯片具有很小的封装,能有效的节约传感器节点设计的面积。
1.2 微处理器模块
微处理器的功能,一方面负责数据采集,另一方面负责将采集到数据通过无线通信的方式传输给中心节点。系统设计要求单片机运行速度快、功耗低、集成高精度A/ D 转换器等。无线传感器网络的应用受能量有限限制,要求网络节点尽可能节能,选用TI公司超低功耗16位单片机MSP430F149作为核心处理器。MSP430系列微控制器将大量模块整合到片内,适合开发低功耗高性能的系统[2]。
1.3 存储模块
存储模块选用AT24C02芯片,它是美国ATMEL公司推出AT24C系列两线制(串口型)电可擦除E2PROM芯片,这些芯片体积小,工作电压低,连线简单,工作可靠。这种E2PROM既具有ROM的长期非易失性,又具有RAM的随机可读性,因而广泛地用于信息记录和数据保护等方面。
1.4 无线通信模块
无线通信模块使用的芯片是nRF905,图2是nRF905电路图。其电路主要包含与微处理器芯片MSP430F149接口电路、晶振电路和天线部分电路三部分。nRF905 采用抗干扰能力强的高斯频移键控(GFSK)调制方式;内置完整的通信协议和CRC 校验电路,曼彻斯特编码/ 解码由片内硬件完成;使用SPI 接口与微控制器通信,配置非常方便;其功耗非常低,内建空闲模式与关机模式,易于实现节能,适合系统长期工作的要求。
nRF905可以支持多个频段, 其中选择那个频段是由nRF905的配置寄存器中的CH_NO和HFREQ_PLL来设置。计算公式如下 :
(1)
式中,HFREQ_PLL为1位寄存器:0为工作在433MHz频段;1为工作在868/915MHz频段。CH_ON是9位的寄存器,用来选择具体的频道。还有PA_PWR可以设置发送的功率(默认值为00):00为-10dBm;01为-2dBm;10为+6dBm;11为+10dBm。
图1无线通信模块电路
1.5 接口电路
微处理器MSP430F149通过控制nRF905 的PWR、TXEN和TRX_CE这三个引脚的电平高低设置nRF905是在工作模式还是节能模式。nRF905有3个引脚CD(载波检测)、AM(地址匹配)和DR(数据就绪),用于状态输出,反馈信息给处理器。MSP430F149通过SPI总线配置nRF905的内部寄存器,实现nRF905的数据收发。nRF905的SPI总线包括4个引脚: SCK(SPI时钟)、MISO(主入从出)、MOSI(主出从入)和CSN(SPI使能),他们别与MSP430F149的P5.0、P5.1、P5.2和P5.3相连。
2 系统软件设计
2.1 微处理器工作流程
微处理器负责各功能模块的初始化,数据的接收及处理,模块相应状态的设置。其工作流程包括:
(1) 对各功能模块进行初始化(包括各功能接口的初始化、节点地址的读取),使nRF905进入数据接收模式,等待并接收中心节点发的同步信号,对接收到的同步信号进行解析,确定是返回数据命令还是返回地址命令,并确定返回数据或命令的时隙。
(2)采集数据:通过MSP430F149发送命令给传感器数据采集点采集数据,在采集数据期间,使nRF905处于掉电模式,充分节约节点耗电。
(3)延时发送数据:采样结束后,根据同步信号确定的时隙设置定时器,做相应延时,MSP430F149处于休眠状态,延时时间到达,使nRF905处于发送模式,在属于自己的时隙发送温度数据。
(4)进入休眠状态:nRF905发送完数据,关闭nRF905, nRF905休眠,MSP430F149休眠,等待下一个中心节点的同步命令,进入下一个时帧周期。
2.2 无线通信协议
为了避免多个传感器节点在同一时间发送数据而产生冲突,系统通信采用基于TDMA (Time Division Multiple Access)控制协议。为了使TDMA网络按时分多址方式正确地工作,网内所有节点对时元和时隙的划分必须有统一的标准,使每一次数据收发都以统一的时钟起点作定时基准[3]。
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本系统中,中心节点在T0时刻(时帧的起始时刻)开始发同步信号,到T1时刻同步信号发完。设同步信号帧长为P(bit),发送速率为R(bit/s),则发完报头所需的时间为T = T1 T0 = P /R。传感器节点在t0时刻开始接收报头,到t1时刻报头收完。对于传感器节点来说,自己并不知道在t0时刻已经开始接收同步信号,但到t1时刻,当同步信号收完时,经相关运算,该传感器节点能判定已经收到同步信号。换句话说,传感器节点可以知道t1时刻的位置,此时传感器节点就可以设置自身的定时器,开始采集温度数据,并计算出给中心节点发送数据的时隙,在属于自己的时隙发送出采集到的温度数据。
TDMA网络时隙的划分方法应根据实际的通信过程来决定。网络的时隙划分必须满足通信的实时性需要,同时也应考虑网络的效率。本系统的时隙按传感器节点数来分配,同时考虑传感器节点采集到的温度数据变化率。
传感器节点将信道按时间轴划分成周期性的时元,每个时元划分成4个时间长短不一的时帧:接收同步信号时帧、采集温度数据时帧、延时发送数据时帧和休眠时帧。
传感器节点一个时帧周期的运行过程是:在没有进入时帧周期前,传感器节点处于休眠状态,等待中心节点的命令;在接收到中心节点传来的同步信号后,传感器节点启动自身时钟和定时器,并进入采集数据时帧,采集数据,准备好向中心节点发送数据;延时时间(由微处理器和定时器控制)到达,启动无线射频发射天线发送数据,数据发送完成,进入休眠时帧。
3 结语
无线网络监控系统相比传统有线监测系统有着很大优势。本文基于无线数据收发芯片nRF905和微处理器MSP430F149技术,设计的无线网络节点模块硬件电路简单、可靠性强,软件设计合理、效率高,数据传输速度快,而且具有易扩展、易安装等特性。实验表明,系统能长时间连续工作,误码率低,可靠性高,通信距离能满足要求。
参考文献
[1] 李晓维.无线传感器网络技术.北京:北京理工大学出版社.2007.8.
[2] 沈建华,杨艳琴,翟骁曙. MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计.北京:清华大学出版社,2005.
【关键词】网络结构；网络监测；故障定位
1.研究背景
XX钢铁企业下设六个车间、六个车站以及一些重要科室，铁路线路覆盖范围在厂区内达到90%以上，具有部门分布广、铁路线路长等特点。
2009年以来，XX钢铁企业先后引入并完善了信息化系统，包括物流系统、车地联控系统、车号识别、电子添乘系统等。
为了方便各部门之间快捷地收发文件，实现无纸化办公，以及信息化系统在各车间、车站得到充分的应用，发挥它们对铁路运输的最大作用，XX钢铁企业组织人员建立了一个双环网络结构，将所有部门的网络都连接到XX钢铁企业中心机房，以便更好的进行数据传输，双环网络结构如图1所示。
从图1可以看出，现有网络的拓扑结构为规则的双环形结构。这种网络结构，普遍应用于局域网中。
目前，这种网络结构的运行和管理遇到以下一些问题，这些问题如不妥善解决，将影响网络的运行水平和效益，从而影响运输保产工作的完成。
1.1 故障及时报警问题
光缆故障对光通信的影响较大，尤其是断纤故障，将直接导致通信的中断。及时故障报警，对迅速排除故障，减少故障的影响、保障通信的服务质量都有十分重要的意义。目前，光缆故障大多依靠光通信系统中光接收终端设备的报警或数据通信中断的报警来发现，这些报警中混杂了许多非光缆的因素，并不能准确反映光缆故障，而且许多光通信设备并不具备接收光信号报警的能力。
1.2 故障定位问题
光缆网络涉及的地域广泛，网络路由复杂，而且许多部分埋在地下，因此，在故障发生后及时、准确地进行故障定位非常困难。故障定位要确定的是故障在光缆线路路由上精确的位置及精确的地理位置，光缆线路的长度与光学长度有显著差别，这个差别是造成故障定位误差的主要原因。实际工作中，通过查询线路资料和计算相对距离的方法进行误差的矫正，从而确定故障点，通过进一步查询线路图纸和地图进行精确地点定位，定位后进行现场验证，整个过程可能会反复进行，最终精确地确定故障位置，实践证明，在查询资料、图纸和进行计算的过程中，由于种种人为原因造成位置判断的误差，从而增加了定位过程中反复的次数，延长了故障定位的时间，扩大了故障对通信的影响。除去资料、图纸不准确等因素，线路长度与光学长度相对应的误差，参考地标不一致、地标地理定位不准确等因素都会影响故障的精确定位。
2.研究意义
现代企业都有自己的局域网，在网络中的用户可以通过网络收发文件，汇报工作，甚至可以实现网上办公，可以说，网络已经成为企业必不可少的一部分，对于XX钢铁企业来说，尤其是新OA系统开始启用以后，实现了领导网上批复文件、传阅文件，包括会议通知、请假申请等，都要在网上进行。更重要的是信息化系统，信息化系统是目前XX钢铁企业引用的最大的系统，不仅覆盖面广、涉及部门多，而且已经成为运输生产必不可少的工具之一，信息化系统的使用效率，将直接影响到XX钢铁企业生产任务的完成情况，继而影响到公司全年任务的完成情况。
因此，保证信息化系统的正常运转，不但是我们日常工作的重点，更是一个提升企业效率的突破点，全区域网络监控系统的开发，就是要让信息化系统畅通、高效的运行，从而提高各岗位的工作效率。
为了能够较好的解决上述问题，需要一套高效、全面、应用方便的网络监测系统。在分析了XX钢铁企业现有网络结构特点并参考网络管理方面的成功经验之后，决定研究、开发XX钢铁企业网络监测系统，并付诸实践。
3.系统功能
3.1 可以对企业内的网络进行监测（如图2所示）
图2中绿色的线表示网络正常，红色的线表示网络不通。当出现红色时，首先需要判断光纤是否有人为破坏的可能；是否停电；如果不是这两种情况，需要到现场进行处理。
3.2 实现对交换机的状态监测
企业现运行交换机类型有H3C S75 03E，状态监测图如图3所示。
图3中灰色的端口表示端口未使用，或设备未开机；绿色的端口表示交换机此端口工作正常；如出现红色的端口，则表示此端口出现故障。
4.结束语
通过全区域网络监测系统设计与开发的实践，能够及时掌握网络状态，并在出现问题时作出应对。此次系统开发让我深刻体会到了团体合作精神的重要性，进一步提高了自己软件设计、开发的能力。
参考文献
[1]谢希仁.计算机网络[M].北京：电子工业出版社（第5 版.），2008.
[2]tere’parnell.构建高速网络[M].人民邮电出版社，2000，6.
[3]陈涛.基于SNMP 的网络流量监控系统设计与实现[J].煤炭技术，2010，29（2）：229-231.
关键词:无线传感器网络;LM3S1138;CC2420;路由协议
中图分类号:TN915文献标识码:A
文章编号: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
随着现代化大生产的发展和科学技术的进步,核电装备的结构越来越复杂,功能越来越完善,自动化程度也越来越高。因此对核电设备运行状态进行监测就变得很重要。例如1979年3月美国发生的三里岛核电站事故和1986年4月前苏联发生的切尔诺贝利核电站事故,再三地向人们诠释了安全操作的重要性[1]。传统的监测系统要么是离线监测,要么是基于有线的设计。然而有线存在很多不可避免的缺点,主要体现在:
(1) 网络维护困难,新增或者减少传感器都很麻烦,消耗大量人力物力资源;
(2) 人难以接近的位置,如核电站的深层设备、旋转机械转动部分、危险区域及运动的设备,无法对传感器进行有线连接;
(3) 有线一般公用电源,如果没有良好的有线隔离,将导致一个传感器故障引发整个系统的崩溃;
(4) 大量传感器的安装往往受到电缆重量和费用的限制,大量布线增加了系统潜在危险和不可控性[2]。
为了解决这些问题,迫切需要引入一种新型的、无需布线的网络。一种可行的方案是将无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)应用到核电装备状态监测系统。
1 无线传感器网络
WSN是无线Ad-Hoc网络的一个重要研究分支,是随着MEMS、传感技术、无线通讯和数字电子技术的迅速发展而出现的一种新的信息获取和处理模式。它是由随机分布的传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成的网络(如图1所示),WSN具有造价低、规模大、分布式模式、无需布线、节约成本、面向具体应用、配置灵活、工作频段无需申请和付费、支持硬件加密等特点[3],现在已经在很多领域进行了成功的应用,比如军事应用[4];环境监测,比较典型的例子是生物学家借助WSN对美国缅因州大鸭岛上的一种海燕的生活习性进行细微观察[5];工业监控,英特尔公司为美俄勒冈的一家芯片制造厂安装200个无线传感器节点,来监控设备的振动情况 [6]。2003年,美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时,无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。我国于2006年初的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》[7]为信息技术确定了三个前沿方向,其中两个与WSN的研究直接相关,足见对无线传感器网络的重视程度。
图1 无线节点的结构
核电站设备冗余多、系统复杂,其监测数据和诊断技术与常规电厂有很大的不同,长期以来,对机械运行状态的监测与诊断是采用传统的阈值方法。针对以上特点,本文将WSN应用到核电设备状态监测系统中来,用无线网络代替有线网络,不失为一种可行的方案。本文设计了基于LM3S1138和CC2420的无线传感器网络,设计了双电源系统,并且在实时性很高的TEEN路由算法基础上设置了信号采集周期。应用该系统可以达到很好的数据采集效果。
2 WSN硬件设计
由于核电站的特殊性,对于某些部位的取电很方便,因此采取双节点的方法,即信号采集节点与汇聚节点[8]。节点的设计如图1所示,由传感器、微处理单元、通信模块、电源模块组成。信号采集节点用普通高能干电池供电,而汇聚节点则采用干电池与220 V双电源设计方案(如图2所示),220 V的电压经过低压变压器降压至5 V左右,整流后输入到Vin,经过SPX1117稳压电路以后,就可以在Vout输出3.3 V的稳压电[9]。这样的话,可以大大增强汇聚节点的运算能力,最大限度地延长网络的工作时间。同样信号采集节点的干电池也可以采用这种稳压方式。
图2 电源稳压电路
微处理器采用美国Luminary Micro公司的LM3S1138[10],该芯片采用的是内核设计公司ARM最新推出的先进CortexTM-M3处理器。官方免费提供了基于C语言(符合ANSI C标准)的驱动库软件包,并且源代码是公开的,因此用户完全可以摒弃晦涩难懂的汇编语言,也不需要掌握底层寄存器的操作细节,只要懂C语言就能轻松开发。它有3种工作模式:运行模式(Run-Mode)、睡眠模式(Sleep-Mode)、深度睡眠模式(Deep-Sleep-Mode),其极低的功耗保证了系统的长久运行。它有32位ARM CortexTM-M3内核(ARM v7M架构);兼容Thumb的Thumb-2指令集,提高代码密度25%以上;50 MHz运行频率,1.25 DMIPS/MHz,加快35%以上; 64 KB单周期FLASH,16 KB单周期SRAM。在设备方面,它提供了3路全双工UART,位速率高达3.125 Mb/s,16单元接收FIFO和发送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射频芯片实现连接。LM3S1138强大的功能,不到1美元的价格,完全能够满足大规模布置节点的要求。
射频芯片采用TI-Chipcon公司生产的CC2420[11],CC2420是为无线传感器网络设计的,符合2.4 GHz IEEE802.15.4的一款射频芯片。它基于Chipcon公司的smartRF03技术,以0.18 μm CMOS工艺制成,只需极少外部元器件(如图3所示),性能稳定且超低电流消耗(RX:19.7 mA,TX:17.4 mA)。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求,抗邻频道干扰能力强(39 dB),可确保短距离通信的有效性和可靠性。
图3 CC2420的电路
CC2420采用O-QPSK调制方式,图4为O-QPSK信号产生电路,Tb/2的延迟电路是为了保证I,Q两路码元偏移半个码元周期。BPF的作用是形成QPSK信号的频谱形状,保持包络恒定。O-QPSK信号的数学表达式为:
ZO-QPSK(t)=U2kcos ωct+U2k-1sin ωct,
2kTb≤t≤(2k+1)Tb
U2kcos ωct+U2k+1sin ωct,
(2k-1)Tb≤t≤2kTb
OQPSK信号可以采用正交相干解调方式解调,如图5所示,Q支路在时间上偏移了Tb/2,所以抽样判决时刻也应偏移Tb/2,以保证对两支路交错抽样。由此可以看出,O-QPSK克服了180°的相位跳变,信号通过BPF后包络起伏小,性能得到了改善,由此受到了广泛重视。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250 Kb/s,可以实现多点对多点的快速组网。
图4 O-QPSK信号的产生
图5 O-QPSK信号的解调
CC2420与LM3S1138的连接十分简单,通过连接4线(SI,SO,SCLK,CSn)的同步串行接口SSI就可以方便设置芯片的工作模式,并实现读/写缓存数据、读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。
对于传感器的使用,微处理器内嵌了温度传感器,拥有8通道10位ADC,采样速率可达1 MSPS,ADC模块含有一个可编程的序列发生器,它可在无需控制器干涉的情况下对多个模拟输入源进行采样。每个采样序列均对完全可配置的输入源、触发事件、中断的产生和序列优先级提供灵活的编程。如果单采集温度信号,那么微处理器可以轻松地实现信号的采集,如需采集机械振动信息,那么只要接入相应的加速度传感器与电荷放大器就可以实现,为了试验方便,本课题先以温度的测量来验证算法的效果。由于篇幅原因,仅简单介绍ADC初始化:
SysCtlPeripheralEnable(SYSCTLPERIPHADC);
//使能ADC模块
SysCtlADCSpeedSet(SYSCTLADCSPEED125KSPS);
//设置ADC采样速率
ADCSequenceDisable(ADCBASE,3);//配置前先禁止采样序列
ADCSequenceConfigure(ADCBASE,3,ADCTRIGGERPROCESSOR,0);
//采样序列配置:ADC基址、采样序列编号、触发事件、采样优先级
ADCSequenceStepConfigure(ADCBASE,3,0,ADCCTLTS |ADCCTLEND |ADCCTLIE);
//采样步进设置:ADC基址、采样序列编号、步值、通道设置
ADCIntEnable(ADCBASE,3)//使能ADC中断
IntEnable(INTADC3);//使能ADC采样序列中断
IntMasterEnable();//使能处理器中断
ADCSequenceEnable(ADCBASE,3);//使能采样序列
至于基站的设计,由于主流电脑大多都没有串口或并口,都是用USB 2.0接口来实现通信。为此本系统采用FTDI公司的FT2232D与串行CMOS E2PROM芯片CAT93C46结合,如图6所示,通过这种方式,只需要一根USB线,就可以实现对基站的供电、下载程序到基站、与基站实现双边通信。这样就大大简化了电路的设计[9]。
图6 基站与上位机接口电路
3 WSN的网络支持
路由协议解决的是数据传输的问题,是WSN的核心技术之一。WSN的路由协议与传统的Internet网络不同,WSN要求网络在使用有限的硬件资源和能量的前提下完成数据的采集功能,由于无线信道的不稳定性,节点的移动和失效以及工厂环境等综合因素的影响,WSN的拓扑结构随时可能发生变化,而且变化的趋势是随机的,再加上网络中存在大量的数据冗余,所以设计一款适合WSN的路由协议非常必要。
针对核动力设备的特殊要求,采纳一种实时性很高的路由算法TEEN[12]。TEEN是一种分层结构路由协议,该思想下网络通常划分为簇,每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。簇头节点负责簇内成员的管理,并且完成簇内信息的收集和融合操作,同时还负责簇间数据的转发。TEEN网络简化结构(可以建立更多的分簇)如图7所示,由于事先已经确定了双电源系统的个数以及位置,所以选择靠近基站的双电源系统作为路由的簇头,簇头确定好了以后,簇头节点通过广播告知整个网络自己成为簇头的事实,网络中的非簇头节点根据接受信号的强度决定从属的簇,并通知相关的簇。簇头通过TDMA 方法实现数据的调度,还向簇内成员广播有关数据的硬阈值(Hard Threshold,HT)和软阈值(Soft Threshold,ST)两个参数。硬阈值是开始进行数据传输的最低限度,软阈值则规定被检测数据的变动范围。在簇的稳定阶段,节点通过传感器不断地感知其周围环境。当节点首次检测到数据到达硬阈值,便打开收发器进行数据传送,同时将该检测值存入节点保存为监测值(Sensed Value,SV)。节点再次进行数据传送时要满足两个条件:当前的检测值大于硬阈值;当前的检测值与SV的差异等于或大于软阈值。只要节点发送数据,变量SV便置为当前的的检测值。TEEN协议的优点是实时性比较高;通过设置硬阈值和软阈值两个参数,TEEN能够大大地减少数据传送的次数;由于软阈值可以改变,监控者通过设置不同的软阈值可以方便地平衡监测准确性与系统节能性两项指标;随着簇首的变化,用户可以根据需要重新设定两个参数的值,从而控制数据传输的次数。但是TEEN不能对数据进行连续的采集,不适合数据在线监测,为此在TEEN的基础上再向数据采集节点广播一个计数时间,这样的话哪怕没有达到所需要的一个阈值,只要计数时间一到,将无条件采集所需的数据[13],从而达到在线监测的目的。
图7 路由网络结构
4 试验结果
设置系统的硬阈值为10 ℃,软阈值为0,计数器计数时间为0.1 s,系统采集一次数据的时间为0.01 s。由于温度采集数据量庞大,不一一列举,用Matlab把试验所采集的数据用曲线的形式标记出来,如图8所示,采集到的数据在10 ℃以下呈点状分布;而超过10 ℃时,呈曲线分布;25~42 ℃之间与现场电子温度计测得的温度基本一致,而10~25 ℃之间出现了小偏差,原因可能为外界系统的干扰。
图8 试验数据
5 结 语
核电装备监测系统采用WSN,在满足低功耗和系统可靠性的前提下,能够对温度数据实现有效的采集。该系统成本低廉、布网方便,通过试验表明,此系统完全能够满足工业的需要。在机电系统监测、安全控制方面将会有很大的发展空间。在以后的研究中,重点研究数据的融合与机械震动信号的采集,并对采集信号进行特征提取,以便对有效数据进行处理。
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关键词：ZigBee技术；环境监测；传感器
0 引言
ZigBee技术是近几年发展起来的自组网无线通信技术，节点之间可很方便的进行组网通信，有效的解决了单点无线传输的距离问题。诸多事故的发生都源于未知，室内环境的监测对于生产和生活都具有重大意义。本文为室内环境参数的监测提供了一套完整的解决方案，并给出了相应的阐述。
1 系统整体设计方案
室内环境监测系统主要包括监测节点和数据接收处理主机。节点主要负责室内各项环境参数的数据采集和监测，包括温湿度检测模块、烟雾检测模块、可燃气体检测模块以及PM2.5检测模块；采用单片机负责检测的控制，并将采回的数据通过ZigBee模块送出。ZigBee每个节点都自动分配唯一的ID，每一个节点可管理254个子节点，一共可扩展管理多达65000个节点。数据处理主机主要负责接收每个监测节点的数据，对数据进行处理，包含显示模块、人机交互设置模块、报警输出模块和联动控制模块。系统整体设计方案如图1所示，给出了单个节点的组成框图和主机的组成框图，节点的个数可根据用户需求进行扩展。
2 系统硬件设计
基于ZigBee技术的数据采集节点 主要采用了DHT11温湿度传感器、烟雾传感器、可燃气体传感器、夏普PM2.5灰尘传感器。
2.1 温湿度传感器
设计采用数字温湿度传感器DHT11进行温度和湿度的检测。DHT11是一款复合型温湿度传感器，采用单总线方式直接送出温度和湿度值，使用时只需要电源和任意一个I/O口配合上拉电阻便可对其操作和访问。DHT11供电范围为3.3-5.5V，可以很方便的应用于各种单片机和嵌入式系统。DHT温度测量范围为0-50度，湿度为20%-90%RH，完全满足室内环境的监测。
DHT11接口电路如图2所示。
2.2 气体传感器
设计采用电阻型MQ-2气体传感器对空气中的烟雾和可燃气体进行检测。MQ-2气体传感器采用二氧化锡气敏材料进行气体的检测。二氧化锡在纯净的空气中电导率很低，一旦空气中有其他气体的存在，其电导率随空气中气体的浓度增加而增加，通过简单的电路便可将气体浓度信号转换成对应的电信号。MQ-2传感器不但对如液化气、甲烷、氢气等可燃气体灵敏度很高，而且对烟雾也有着理想的响应曲线。
MQ-2气体传感器测试电路如图3所示。传感器需要提供加热电压进行预热，加热过程大概30秒，然后便可以正常输出。加热电压和电源可采用统一电源供电，选择合适的负载电阻即可。
2.3 PM2.5灰尘传感器
PM2.5检测采用了日本夏普公司的GP2Y1010AU0F灰尘传感器，该传感器电压输出与灰尘浓度具有良好的线性关系。传感器采用光学方式进行灰尘的检测，通过控制内部LED发光时间然后检测对应光学腔内接受到的光强，经过内部相应的放大处理从而得到对应的电压。传感器采用5V供电，输出电压范围为0.75-3.5V，对应的灰尘浓度为0-0.5mg/m3，输出电压和浓度成一次线性关系。GP2Y1010AU0F传感器输出为模拟电压，所以需要配合AD转换器进行数据的采集，传感器接口电路如图4所示。
3 系统软件设计
基于ZigBee自组网的特性，无线部分程序设计变得相对容易，只需要记录和校验每个节点的ID即可进行数据的交互。节点的主要负责数据的采集和等待主机的数据发送请求，当收到请求时进行ID验证，若为本机ID则发送数据，否则继续等待，节点程序流程如图5所示。主机的程序设计主要负责数据的请求和接收处理，进行显示、报警、人机交互和联动控制，主机程序流程如图6所示。
4 结论
本文给出了基于ZigBee技术的室内环境监测方案，详细的分析了系统的整体设计方案，对系统的传感器电路设计做出了相应的介绍，分析了系统的可行性。最终对系统进行了整体数据采集和通信测试，良好的验证了系统的稳定性和可靠性，对室内环境的监测具有一定的指导意义和参考价值。
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[4]景军锋，李嘉琨.基于ZigBee技术的无线温度采集系统[J]. 微型机与应用， 2009（23）：33-35.
关键词：智能家居；神经网络；ZigBee；传感器
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）04-00-03
0 引 言
随着科学技术的发展，人们对电子消费品的需求正逐步增长，电子产品的智能化程度正在飞速提高，尤其在计算机技术、嵌入式系统和无线通信技术的发展下，物联网在实际生产生活中的应用越来越广泛，遍布智能家居、智能交通、智能医疗、环境监测、物流快递、教育、国防、工业、农业等行业[1，2]。
智能家居的出现让人们体验到了舒适、快捷的智能生活，还能更有效、更精确地控制家中家电设备，以达到节省能源和资源的目的[3]。但在实际智能家居系统设计中，由于无线传感器网络中的节点分布相对密集，且相邻节点所采集的环境参数数据具有较高的相似性，使得网络中传输的数据存在一定冗余，在通信过程中消耗过多的能量[4]。相关研究表明，消耗能量主要在数据传输过程中，应用数据融合技术可以减少网络中的冗余信息，降低通信能耗，提高数据的传输效率[5]。因此，在智能家居系统中引入数据融合技术是十分必要的，有很高的研究价值。
本文以智能家居的温湿度环境参数为检测对象，采用ZigBee通信模式，设计了一套智能家居环境监测系统，通过融合神经网络优化，降低功耗，实现节能、延长使用寿命的目的。
1 系统的总体设计
智能家居环境监测系统包括数据采集前端和数据接收终端两个部分，数据采集前端由传感器、微控制器、ZigBee无线通信模块、电源组成，数据接收终端由ZigBee接收模块、上位机组成。系统硬件原理图如图1所示。
根据智能家居环境监测系统的设计要求和Zigbee技术通信模式的特点，本文的传感器网络模型由协调器节点、路由器节点和传感器终端节点3类节点组成，采用树形拓扑结构，系统组网结构如图2所示。
系统的主要工作流程如下：
（1）组建网络，将节点放置在智能家居中，协调器通过USB与上位机相连接。协调器上电，组建一个新的网络；
（2）将各个节点上电，根据无线传感器网络的低功耗自适应集簇分层型协议（LEACH），在整个无线传感器网络中按照一定的规则来选取簇首（路由器节点），构成分簇结构。在这种结构下，传感器节点采集到的原始环境参数数据将首先发送给自己所在簇的簇首节点，再利用BP神经网络算法在簇首节点和成员节点间对采集到的原始数据应用到基于神经网络的数据融合算法中进行处理，将处理后的数据发送给协调器节点。
2 系统硬件设计
2.1 ZigBee模块及电路设计
ZigBee模块是系统组网和控制的核心，采用TI公司的CC2530射频芯片，CC2530能够提供较高的通信链路质量，具有较高的接收器灵敏度和较强的抗干扰性。此外，CC2530还提供了丰富的外设，包括2个USART，12位的ADC和21个GPIO。设计的ZigBee模块及电路原理图如图3所示。
2.2 温湿度传感器与通信模块的连接设计
温湿度传感器采用DHT11数字温湿度传感器，与ZigBee模块连接如图4所示。
DHT11数字温湿度传感器是直流供电，电压为3.5～5.5V，当连接线的长度小于20 cm时，应选用3.5 V进行供电，否则线路压降导致传感器供电不足，造成测量数据的偏差；当连接线的长度短于20 m时，需要用5.1 kΩ的上拉电阻；大于20 m时，则根据实际情况使用上拉电阻，并且采用5.5 V电压供电。
3 系统算法的设计
3.1 基于神经网络的数据融合算法
由于传感器网络具有以数据为中心、节点能量有限且不能补充、通讯能力弱、网络节点规模大、自组织性与应用密切相关等特点，所以对无线传感器网络的工作周期和寿命有很高的要求，传输1字节数据所需的能量可以用来执行数千条CPU指令[6]。应用神经网络的数据融合算法虽然在一定程度上增加了CPU的计算量，但减少了网络中的数据通信量，可以有效延长网络的工作周期。把神经网络应用到无线传感器网络能够实现降低通信成本和能源保护、提高无线传感器网络性能的目的。
根据无线传感器网络的低功耗自适应集簇分层型协议（LEACH），在整个网络中按照一定的规则来选举簇首（路由器节点），形成分簇结构。在这种结构下，传感器节点所采集的环境参数数据将发送给所在簇的簇首节点；利用BP神经网络算法在簇首节点和成员节点间对采集到的环境参数进行数据融合。该网络结构由输入层、隐层和输出层组成，隐层可以有多层，本系统采用最常用的单隐层三层BP网络，神经网络数据融合算法的模型如图5所示。
假设在该网络中有N个神经元节点处于输入层；只有一层隐层，具有L个节点；有M个神经元节点处于输出层；普遍情况下L>N>M。输入层的神经元数量可以根据实际应用进行调整，与簇成员节点没有必然联系，而隐层神经元数量L的确定与求解问题的要求、输入输出神经元数量都有直接的联系。本文使用试凑法来确定隐层神经元数量L，选用经验公式作为试凑法的初始值。
3.2 神经网络的学习流程
本系统采用反向传播网络（BP网络）进行数据融合，该网络的监督学习算法采用误差反向传播算法。误差反向传播算法的学习过程主要有两个，分别为信息的正向传播和误差的反向传播。
4 系统测试
本文仿真实验通过NS-2仿真软件对神经网络的数据融合算法进行仿真测试，主要从网络节点的平均功耗、汇聚节点接收数据包数量等方面对该算法与不加入该算法的方案进行了对比。
仿真环境参数设置：在100 m×100 m的范围内随机分布100个相同的节点。设节点的初始能量为2 J，数据包的长度为500 B，无线信道的带宽为1 Mb/s，无线信号的载频为2.4GHz，收发数据所耗的能量为50 nJ/b，神经网络的权值初始值设为1，阈值设为0.2，训练次数为500次。
在房间环境100 m×100 m的范围内随机部署100个节点的分布图如图7所示，节点分布完成后，根据节点分布的状况和试凑法经验公式，可以粗略计算出簇的个数为6。
图8所示是随时间增长网络节点的平均功耗的变化曲线。无线传感器网络的节点能量是有限的，能量消耗完的节点就会“死亡”，所以节点能量消耗的越少，存活的时间就越长，整个无线传感器网络的生命周期就越长。从图8中得到的是LEACH算法和数据融合算法在网络节点的平均功耗的对比，可以得出数据融合算法平均功耗低于LEACH算法的结论。数据融合算法对全部节点的分布状况进行具体分区，使簇头分布更加均匀合理，并考虑了节点剩余能量值，平衡所有节点功耗，让整个网络的能量消耗更加平均。
图9所示是无线传感器网络中汇聚节点接收数据包的数量，可见数据包数量受网络存活节点数目的影响，在节点开始“死亡”时，接收数据速率开始下降，直至整个无线传感器网络 “死亡”。通过对比，数据融合算法能将数据进行有效的融合，减少网络的数据量，这也是数据融合算法有更长的生存周期的原因。随着时间的增加，数据融合算法接收到的数据包会超过LEACH算法，传输更为稳定的数据包流量。
5 结 语
本文设计了一种基于神经网络数据融合的ZigBee智能家居环境监测系统，将数据融合加入到监测系统可以减少网络的数据量，降低网络节点的平均功耗，提升整个无线传感器网络的性能，延长网络寿命。通过对网络节点的平均功耗、汇聚节点接收数据包数量等方面进行测试，结果表明，加入数据融合算法的网络比LEACH算法的网络平均功耗低，网络寿命得以延长。
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关键词 入侵监测系统；异常监测；神经网络；资料监测；人工异常
中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）172-0076-02
随着互联网系统的发展，使得系统随时可能受到来自网络的入侵，因此，如何保护系统与资料安全一直是一个重要的研究课题。近年来，由于资料监测技术的发展，将该技术应用于入侵监测领域，利用事先收集到的资料训练出一个较为一般化的模型，再以该模型针对即时资料进行是否入侵的判断。用来改变现行入侵监测系统使用有限的监测规则来判断入侵迹象，而无法监测未出现过入侵现行的缺点[1，2]。
本文针对档案传输协定（File Transfer Protocol；FTP）服务，利用神经网络建立异常监测的入侵监测系统，其目的在于利用评估资料监测的方式建立入侵监测系统，实现未知入侵行为的监测，解决目前入侵监测研究领域所遇到的问题[3]。
1 入侵监测系统
1.1 入侵监测系统简介
针对入侵监测系统的研究始于1980年，Jim将入侵定义为未经授权而存取、操作、修改或破坏资料，或使电脑系统不稳定，甚至无法使用的行为。而入侵监测系统的目的是监测上面提到的各种行为。大部分的入侵监测系统是根据入侵特征建立的监测规则专家系统，对已知的攻击辨识能力较佳。由于这类入侵监测系统所建立的特征不具一般化，因此很难分辨新的入侵行为。
1.2 入侵监测系统分类
近年来提出了许多不同的监测模式系统，用以应对不同的系统行为，大致可分为模拟正常行为与异常行为两种。入侵监测技术分为滥用监测：使用已知入侵攻击模式判断入侵行为；异常监测：将建立的正常使用模式变异到一定程度时视为不正常的存取行为（甚至是入侵）。
对于滥用监测系统。将具有入侵特征的动作加以编码，然后与收集的检查资料进行比对，以此方式发现入侵。其缺点是入侵特征均需编码后进入系统，面对未知的入侵攻击时，无法监测出来，这样的系统称为滥用监测系统。
入侵监测系统由早期的专家根据入侵特征建立系统监测规则，逐渐发展成以统计方式建立模型，监测使用行为与统计样式差别过大的，即可判断入侵方式。随后进入以资料监测方式为主流的监测系统，以提高检测率及降低误报率的目标。
1.3 入侵监测系统结构
目前的入侵监测系统实际上以资料和数据为主，对该系统整体结构进行以下说明：
1）受监测系统/感测器：入侵监测系统的资料来源，也就是受到监测的电脑主机。
2）审查资料收集：通过感测器收集审查资料。网络封包表头资料、网络封包流量统计、使用者键入命令，使用者登录资料等等，均为审查资料范围。
3）监测处理：通过各种算法，监测收集所得到的资料，找到疑似入侵的行为，由上述观点，监测处理是系统最核心的部分，监测入侵的准确与否，取决于此，处理的方式则有异常与滥用两种。
4）处理中资料：入侵监测系统处理中的资料，如欲比对入侵模型，比对中的审查资料等。
1.4 档案传输协定
本系统运行时，目的是为了对网络入侵的监测，欲监测的入侵以FTP服务为主。选定FTP服务的原因，在于封包资料的可获得性高、FTP命令可供判断入侵行为、且其入侵形态多、容易看出监测效果。
FTP是档案传输协定的缩写，在网络环境下传输档案，亦可将档案通过网络从某系统传输至另一系统。使用此项服务需设定登入服务的账户。这个档案传输协定支持不同操作系统、不同档案结构主机，以ASCII编码传送或接收。FTP使用控制连线和资料连线两个TCP连线来传输文档。除了FTP命令外，该服务的网络封包表头亦为资料来源，这些资料经整理处理后，用以建立入侵监测模型。
1.5 神经网络
神经网络的目标是以计算系统模拟最简单的生物神经网络结构。整个计算系统由多个高度连接的处理单元构成，以此连接网络间的训练学习，并处理外部输入数据。如果将神经网络视为黑盒子，则此盒子由多个节点连接而成，一般可分为3层：输入层、隐藏层及输出层。
训练过程中输入训练参数集，然后根据不同算法调整权重及偏权值，最后让神经网络可以映射输入与输出间的关系模式；模拟过程以测试数据集输入并进行训练后所得的神经网络值为准。
2 系统结构原理
在整个系统主要由以下几个部分组成，包括人工异常资料产生器，特征选取器，模型训练器及模型评估器。人工异常资料产生器主要功能为产生与输入资料不同的输出资料，在异常监测概念中，任何与正常资料不同的资料均视为异常资料。因为FTP的封包资料很难完全收集，因此，异常资料产生器需根据正常资料人工产生异常资料。特征选取器针对FTP服务器端的封包资料，选具有代表性与辨别性的特征，根据选取的特征随机产生人工异常资料至此系统资料前处理结束。模型训练器首先选择一部分资料作为训练资料，一部分为测试资料。模型训练器当模型训练完成后，可使用测试资料集来评估分类模型的正确性。
3 系统运行机理
系统的运行部分包括：输入资料、资料编码方式、人工异常资料产生、特征选取方式，下面对各部分进行详细介绍。
3.1 输入资料
由于档案传输协定（FTP）服务的攻击行为多属于网络形式的攻击，因此输入资料应该选择与网络相关的特征，以有效分辨攻击与非攻击行为。初步选取的特征如下所示，数字代表资料编码后产生的特征个数。
1）连接方式（1）：连线方向“1”表示连接至FTP服务器，“0”表示服务器向外连线。
2）响应编码（5）：FTP响应为3个ASCII数字，第一个代表响应状态，第二个代表错误种类，第三个为更进一步错误信息。
3）出现次数最多的字符（3）：统计封包资料中出现次数最多的字符作为特征输入。
4）数据长度（3）：正常的FTP封包资料部分长度一般较短，较长的可能为异常封包资料。
3.2 资料编码方式
1）连接方式（1）：连线方向“1”表示连接至FTP服务器，“0”表示服务器向外连线。
2）响应编码（5）：以5个输入点来表示响应码的第一个数字，转换方式如下：00001：1；00010：2；00100：3；01000：4；10000：5；00000：以上皆非时。
3）出现次数最多的字符（3）：根据封包资料字符出现次数最多的字符，以3个输入节点表示输入资料，编码如下：001：1≤x≤5；011：6≤x≤10 ；111：x>10；000：以上皆非时。
4）数据长度（3）：以3个节点表示封包的资料长度，其转换方式如下：001：1≤x≤48；011：49≤x≤96 ；111：x>96；000：以上皆非时。
4 结论
通过FTP服务收集的审查资料，以神经网络训练的入侵监测模型，验证了资料监测方式监测入侵问题的可行性。资料监测方式实际应用于入侵监测时仍存在问题需要解决，最明显的就是处理速度，网络传输封包资料数量可能相当大，除收集审查资料外，还需对收集资料做前处理，并且以入侵监测算法来监测是否入侵，达到实时处理的要求。
参考文献
[1]潘连根.数字档案馆研究[M].北京：中国档案出版社，2005.
