基于WSN的電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安全性分析

榮雪琴

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215104)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力電子技術(shù)也得到了長足的發(fā)展，各種用電設(shè)備成為生產(chǎn)生活中不可或缺的角色。而這些電力電子設(shè)備的運(yùn)行，無一例外地會(huì)應(yīng)用到電源系統(tǒng)。而各種精密設(shè)備的使用，對電源的供電質(zhì)量和穩(wěn)定性提出了更高的要求，這也使電源的安全運(yùn)行與否直接影響到了生產(chǎn)過程。正常操作、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測、故障的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理成為保證電源系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要手段。

現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可能將監(jiān)視、控制、遠(yuǎn)動(dòng)、保護(hù)等功能統(tǒng)一管理。而計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的完善更使建立綜合性的電源監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。

本系統(tǒng)利用嵌入式技術(shù)迅速而完整地獲得電源系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)時(shí)信息，利用計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至中央控制中心，從而使電源管理人員隨時(shí)掌握電源實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電源設(shè)備運(yùn)行的故障并做出相應(yīng)的決策和處理，實(shí)現(xiàn)對電源系統(tǒng)的現(xiàn)代化安全管理。

傳統(tǒng)的電源監(jiān)控系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)通信方式大多都采用有線形式，布線繁瑣，維護(hù)成本高，且靈活性差。為了解決以上的弊端，本系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)的方式來完成底層通信網(wǎng)的搭建，利用ZigBee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)無線數(shù)據(jù)傳輸功能，具有經(jīng)濟(jì)、可靠性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定迅速的特點(diǎn)。

1 無線傳感網(wǎng)(WSN)的基本特點(diǎn)

電源監(jiān)控系統(tǒng)所使用的網(wǎng)絡(luò)屬于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，是一種涉及局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、分布式計(jì)算等多方面技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)。在很多工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中還要包含現(xiàn)場檢測和控制系統(tǒng)。因此，此類網(wǎng)絡(luò)具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安全性高等特點(diǎn)。

WSN 是無線Ad-Hoc 網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要研究分支，是隨著微機(jī)電系統(tǒng)、無線通信和數(shù)字電子技術(shù)的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新的信息獲取和處理模式。它是由隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小結(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，借助于結(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的形式多樣的傳感器測量周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號(hào)，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分及移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的物理現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對所在環(huán)境的監(jiān)測。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從20 世紀(jì)90 年代開始出現(xiàn)到現(xiàn)在，已經(jīng)從最初的節(jié)點(diǎn)研制到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)，再到智能群體的研究階段，已成為國內(nèi)外一個(gè)新的IT 熱點(diǎn)技術(shù)。作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，WSN 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有很大的不同。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以傳輸數(shù)據(jù)為目的，強(qiáng)調(diào)將一切與功能相關(guān)的處理都放在網(wǎng)絡(luò)低端系統(tǒng)上，中間結(jié)點(diǎn)僅僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)；而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中間結(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)處理雙重功能。因此，WSN 的體系結(jié)構(gòu)與節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)都有很大的不同，圖1 是WSN 的體系結(jié)構(gòu)，圖2 為WSN 的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)[1]。

圖1 WSN的體系結(jié)構(gòu)

圖2 WSN的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2 監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是利用無線傳感網(wǎng)所構(gòu)建的電源監(jiān)控系統(tǒng)。如圖3所示，監(jiān)控系統(tǒng)由三大部分組成，分別為設(shè)備數(shù)據(jù)采集層、通信層、中央控制中心層。設(shè)備數(shù)據(jù)采集層的功能是實(shí)時(shí)采集電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。主要技術(shù)是無線傳感網(wǎng)，終端節(jié)點(diǎn)選用ZigBee 技術(shù)的CC2530，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上可以攜帶3 至4 個(gè)傳感器，例如電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等。位于無線傳感網(wǎng)中心的是協(xié)調(diào)器，也由CC2530 來擔(dān)當(dāng)，主要起到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的作用。協(xié)調(diào)器與嵌入式芯片采用串口相連，嵌入式芯片在本系統(tǒng)中選用飛凌嵌入式S3C6410 作為嵌入式系統(tǒng)，一方面擔(dān)當(dāng)網(wǎng)關(guān)的作用，另一方面作為數(shù)據(jù)處理的第一站；通信層是承接數(shù)據(jù)采集層與中央控制中心層的中間樞紐。在本系統(tǒng)可以有兩種選擇方式，一種為有線傳輸網(wǎng)，如以太網(wǎng)或Internet 網(wǎng)，特點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高；而另一種選擇是3G 或4G 的無線傳輸網(wǎng)。由于通信技術(shù)的進(jìn)步，3G 和4G 等網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率也已經(jīng)能夠滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求，成為工業(yè)控制領(lǐng)域中的一個(gè)重要信號(hào)通信方式；中央控制中心層是管理人員實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀察，故障實(shí)時(shí)處理、遠(yuǎn)程操控的中心。在中央控制中心設(shè)置大型數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中存放設(shè)備數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、故障處理數(shù)據(jù)等，以便為管理人員進(jìn)行遠(yuǎn)程操控提供可靠的依據(jù)。同時(shí)，中央控制中心層還具有智能化自動(dòng)控制功能，對已報(bào)警且延時(shí)未采取措施的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程的自動(dòng)控制。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)

ZigBee 技術(shù)協(xié)議支持幾種安全服務(wù)，包括訪問控制、數(shù)據(jù)加密、幀完整性和序列更新等。協(xié)議中還提供了3 種安全模式，即非安全模式、接入控制列表(ACL)模式和安全模式[2]。

本設(shè)計(jì)利用協(xié)議棧中的訪問控制與上位機(jī)相結(jié)合，構(gòu)建了基于數(shù)據(jù)庫角色的訪問控制功能，上位機(jī)負(fù)責(zé)角色的分配，驗(yàn)證等功能，ZigBee 協(xié)議棧對角色的操作功能進(jìn)行具體的限制。

整個(gè)系統(tǒng)基于AES-CCB-128 安全模式，安全方案是由一組在MAC 層的數(shù)據(jù)幀上所執(zhí)行的操作組成。AES 是一個(gè)新的可以用于保護(hù)電子數(shù)據(jù)的加密算法，它是一個(gè)迭代的、對稱密鑰分組的密碼，可以使用128、192 和256 位密鑰，并且用128位(16 字節(jié))分組加密和解密數(shù)據(jù)，具有強(qiáng)安全性、高性能、高效率、易用和靈活等優(yōu)點(diǎn)。具體的數(shù)據(jù)加密過程如圖4 所示，解密過程與加密過程相反。

圖4 AES數(shù)據(jù)加密過程

4 總結(jié)

隨著智能化的不斷發(fā)展，電源系統(tǒng)的智能化控制將成為電源監(jiān)控的必要一環(huán)。在本設(shè)計(jì)中，利用無線傳感網(wǎng)所構(gòu)建的電源監(jiān)控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，ZigBee節(jié)點(diǎn)中AES 加密算法的應(yīng)用又從數(shù)據(jù)源頭上提高了系統(tǒng)的安全性，為各種工業(yè)控制方式提供了良好的借鑒實(shí)例。

[1] 屈軍鎖.物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2011：124-125.

[2] 王韋偉.基于ZigBee 的智能家居無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].宿州學(xué)院學(xué)報(bào),2014,29(7):80-83.