基于物联网技术的一氧化碳监测报警系统

技术创新
《微计算机信息》2012年第28卷第10期
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《现场总线技术应用200例》
网络与通信
基于物联网技术的一氧化碳监测报警系统
A Carbon Monoxide Monitoring and Alarming System Based on the Internet of Things
Technology
(北京时代凌宇科技有限公司)
司博章樊勇任燕
SI Bo-zhang FAN Yong REN Yan
摘要:本文提出一种基于物联网技术的一氧化碳监测报警系统,可以实时感知一氧化碳浓度,预防事故发生。

在发生事故时,系统能及时获得相关信息,加快事件的应急处理。

系统的可靠性、实时性、自组织性、抗毁性、自诊断性等性能,打造了全面预防一氧化碳中毒事件的“预警--报警--辅助救助”新模式。

关键词:一氧化碳监测报警;物联网技术;实时感知中图分类号：TP 文献标识码：B
Abstract:This paper presents a carbon monoxide monitoring and alarming system based on the Internet of things technology.The system can real-time perceive the concentration of carbon monoxide,and prevent the accident.In the event of an accident,the sys -tem can obtain the relevant information in time to accelerate the emergency treatment.The capabilities of the system,such as relia -bility,real-time,self-organization,attack tolerance,self-diagnosability create a new pattern "warning -alarming -assistant rescue"for preventing the carbon monoxide poisoning.
Key words:Carbon monoxide monitoring and alarming;Internet of things technology;Real time perceive
文章编号:1008-0570(2012)10-0354-02
1引言
一氧化碳(CO)是炭、燃气等不完全燃烧的产物之一,是一种重要有害气体,它不仅能消耗人体内的血红蛋白使人体出现中毒症状,而且在达到一定浓度时还会造成爆炸、燃烧等安全事故,对人们生产生活都有着极大的危害。

整个北方地区在入冬以后,有大约四个月的时间需要采取各种方式进行人工取暖。

由于北京市有若干城中村或村庄,冬天没有集中供暖设备,各家采用煤炉取暖,存在CO 中毒的危险。

因此,及时准确地对CO 进行浓度监控成为保障群众生命安全和国家财产的一项必不可少的工作。

2现有技术比较及系统优势分析
目前,国内外制造CO 报警器设备的厂家不少,主要分为以下几类:
(1)独立式气体报警器。

优点:声光报警和探测功能集中在一起,直接安装在现场,适合小范围内的监测。

缺点:范围覆盖面小,不联网,采集到的信息不能上传。

(2)便携式检漏仪。

优点:操作简便,移动范围大,比较灵活;缺点:需要人工操作,工作量大。

(3)点型气体报警器。

优点:把多路报警器放到一个控制箱中,可靠性非常高;缺点:只适合所需探测节点较少的情况,且价格较昂贵。

(4)RS-485总线式报警器。

优点:可实现较多节点的集中监控;缺点:系统稳定性差,当一个节点发生故障时,整个系统就会瘫痪。

(5)CAN 总线式报警器。

优点:网络内的节点个数在理论上
不受限制,系统稳定性、实时性较好;缺点:线路铺设工程量大,对于监测点分布较分散的区域不利于大规模实施。

较之上述CO 报警器,基于物联网技术的一氧化碳监测报警系统运用无线传感网络实时监测[6]、感知和采集网络分布区域内的CO 浓度,可根据现场实际情况灵活组网,有利于规模实施。

3系统构成及组网方式
基于物联网技术的一氧化碳监测报警系统由多个无线局域网构成,每个无线局域网是一个三级设备、两层网络的架构。

每个无线局域网由一个微型通讯站(以下简称“微通站”)、若干个一级集中器以及若干个CO 无线报警器三级设备组成。

一个一级集中器与多个CO 无线报警器之间为星状网络结构,多个一级集中器之间形成MESH 网络,一个微通站以GPRS 和800M 无线传输链路的通讯方式实现无线局域网与广域网的接入。

两层网络即为下层星型网络和上层MESH 网络。

系统设备组网示意图如图1所示:
图1系统设备组网示意图
司博章:工程师
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网络与通信
《PLC 技术应用200例》
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该系统主要包括以下设备:
1.CO 无线报警器。

通过监测CO 浓度进行报警。

2.一级集中器指房东家报警显示终端和普通一级集中器。

房东家报警显示终端,一方面起到连接微通站和CO 无线报警器的作用,另一方面接收数据中心下发的报警显示信息,并在液晶显示屏上进行显示。

在终端节点无法只通过房东家报警显示终端将信号传输到微通站的情况下,需要部署普通一级集中器,普通一级集中器具有除房东家报警显示终端的报警显示功能之外的所有功能。

3.微通站的主要功能模块包含2.4GHz 、GPRS 、800MHz 3种无线模块。

2.4GHz 无线模块和一级集中器进行通信;微通站通过GPRS 无线模块实现与数据中心的常态通信和报警通信,主要包括心跳包等常态数据和报警信息的上传,以及接收数据中心对各个设备的命令和配置信息。

800MHz 无线收发模块只用来向数据中心发送报警信息。

4.地址转换服务器。

实现无线局域网内设备ID 号和广域网数据传输协议中设备ID 号的转换服务,微通站发送给数据中心的数据和数据中心发送给无线局域网的数据首先要通过地址转换服务器进行设备ID 号转换。

5.数据中心。

计算机、
数据库服务器等相关硬件和系统应用的相关软件。

4系统的无线信道配置
本系统的短距无线局域网使用三个信道,分别是报警信道,心跳信道和中继信道。

所有信道都工作于半双工模式。

为了保证报警信号的传输通畅,报警信号是优先级最高的,其除了使用报警信道外,也可以占用其他信道。

报警信道平时大多数时间处于空闲状态,其它信息不得占用报警信道。

当产生报警时,传感器首先在该信道发送报警信息,然后在心跳信道重发同样的信息,或者两个信道交替发送若干次。

心跳信道主要用于发送心跳信息,当传感器定时时间到(这个定时时间每次都会有个随机的偏差),传感器在该信道发送一次心跳信号,发送前进行退避算法运算,以降低空中和其它心跳信号碰撞的概率。

心跳信道也可以传送报警信息。

中继信道是专用于信号中继的。

当一级集中器收到报警信息或心跳信息时,就切换到这个信道将同样的信息转发出去。

转发前也要进行退避算法,以减少信道压力。

而且一级集中器不再转发其它一级集中器发送的数据包。

5系统功能及工作流程
基于物联网技术的一氧化碳监测报警系统可以实时感知CO 浓度,预防事故发生;在发生事故时,系统能及时获得相关信息,加快事件的应急处理。

系统的可靠性、实时性、自组织性、抗毁性、自诊断性等性能,打造了全面的预防CO 中毒事件的“预警--报警--辅助救助”新模式。

本系统主要实现以下功能:
(1)出现CO 浓度超标,本地采用蜂鸣器报警,提醒村民自救。

(2)将CO 超标,CO 传感器故障,求助等重要信息上传到数据中心。

(3)数据中心将救助信息及时下发到房东,村委等有关人员和单位,通过声光报警,提醒房东等人员实施救助。

(4)报警解除。

(5)没有报警时,发送心跳信号,让数据中心通过延时计算,判断CO 无线报警器是否工作正常。

从CO 无线报警器到数据中心的通路称为上行,反之称为下行。

下面分别从上行和下行两路对系统的工作流程进行描述,如图2所示,其中虚线为上行,实线为下行。

上行流程(见虚线数字标识的路径):CO 无线报警器发送给数据中心的数据主要有四类:心跳包等常态信息、CO 浓度超标报警信息、设备故障报警信息、求救报警信息。

四类数据经上行路径(1)、(2)、(3)、(4)到达微通站,微通站将四类数据通过GPRS 通路(5)发送给地址转换服务器,同时CO 浓度超标报警信息会通过800M 传输链路(6)发送到数据中心。

地址转换服务器将无线局域网内使用的设备ID 号转换成广域网传输协议使用的设备ID 号后,通过路径(7)将数据发送到数据中心。

其中(1)工作在433MHz,(2)、(3)、(4)工作在2.4GHz 。

下行流程(见实线数字标识的路径):数据中心下发的命令、配置数据经路径(1)到达地址转换服务器,将广域网传输协议使用的设备ID 号转换成无线局域网内使用的设备ID 号后,命令和配置数据包通过GPRS 经路径(2)到达微通站,再经由(3)、(4)、(5)、(6)到达目的CO 无线报警器。

以房东家报警信息显示为例,进一步说明系统的工作流程。

某CO 无线报警器探测到CO 浓度超标,发送CO 浓度超标报警信息,经上行路径中的(1)、(2)、(3)、(4)到达微通站,微通站将报警信息经由GPRS(上行路径(5))和800M(上行路径(6))分别发送给地址转换服务器和数据中心,在地址转换服务器进行设备ID 号转换后,再经由上行路径(7)发送到数据中心,数据中心的监控平台进行相关处理后,根据发出报警信息的CO 无线报警器的广域网设备ID 号,查找到其安装地址和房东家报警终端ID,将报警显示信息、CO 无线报警器对应的房东家报警显示终端的ID 号信息等封装成包,经下行路径(1)发送给地址转换服务器,完成设备ID 转换后,经由GPRS 下行路径(2)、2.4GHz 的下行路径(3)、(4)到达房东家报警显示终端,房东家报警显示终端经过包解析后在液晶显示屏进行报警显示,并进行声光报警。

图2系统工作流程图
6结论
本文所介绍的CO 监测报警系统基于物联网技术,通过在屋内安装监控探测器和无线传输模块,对空气中的CO 浓度进行24小时实时监控。

一旦CO 浓度超标,系统就会自动报警。

系统建立了“五级报警、四级管理”的管理体系,当警情发生时,出租房屋的住户、房主、村级、乡级处置中心和企业呼叫中心五级可以按时间序列逐级报警。

即便出租房屋的住户和房主因为某种原因不能及时对问题现场进行处理.(下转第360页)
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《微计算机信息》2012年第28卷第10期
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《现场总线技术应用200例》
信息安全
表1本文探讨提出的S 盒替换表
表2本文探讨提出的逆S 盒替换表
从S 盒的代数性质定义及Mablab 编程运算的表1,表2得出如摘要所述:改进的S 盒的代数表达式项数达到253项,仿射变换周期为16,迭代输出周期达到256,严格雪崩准则距离逼近
370,而在平衡性、
差分均匀度,非线性度等方面保留了传统S 盒的代数性质。

5结论
AES 的S 盒是唯一的非线性结构,它的密码特性决定了密码算法的安全性。

从上面的S 盒构造方法可以看出,本文的S 盒在求元素逆元时比AES S 盒多进行了1次仿射变换,解决了AES 中S 盒表达式过于简单的问题,用拉格朗日插值公式的完全展开算法得到改进方案所构造的S 盒及逆S 盒的代数表达式分别达到253项和254项。

通过修改仿射变换对,使本文S 盒的仿射变换对周期为16,迭代输出周期为256,使S 盒更加接近严格雪崩准则,而在平衡性、差分均匀度、非零线性结构、非线性度和抗代数攻击阻力等性质方面与AES 的S 盒相同。

仿真结果表明,新构造的S 盒具有更好的代数性质。

通过对S 盒的构造算法研究分析,针对算法中一些潜在的问题,可进一步研究和改进以替代各类基于数学方法构造的S 盒,避免过于简单的表达式和输入/输出间的关联性,这将有待于后续研究工作的开展。

本文作者创新点:本文探讨提出了一种新的S 盒构造改进设计方法,该S 盒通过选择仿射变换对替换AES S 盒的仿射变换对,使严格雪崩准则距离
‘’逼近370。

改进的S 盒的运算顺序为先进行仿射运算,然后求乘法逆元,最后再进行一次仿射运算。

多进行的一次仿射变换运算能弥补S 盒代数表达式过于简单的不足。

相比传统的S 盒,改进的S 盒的代数表达式项数达到253项,仿射变换周期为16,迭代输出周期达到256。

而在平衡性、严格雪崩准则、非线性度等方面保留了传统S 盒的优良代数性质,使改进的S 盒抗代数攻击能力更强。

本文无抄袭,作者全权负责版权事宜参考文献:
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[7]吴燕仙,何妮.拉格朗日插值公式的完全展开[J].通化师范学院学报.2007,28(2):10-12.
作者简介:胡春燕(1985-),女(汉族),湖南衡阳人,湖南大学信息科学与工程学院硕士研究生,主要研究领域为数据处理、密码安全;易波(1958-),女(汉族),湖南衡阳人,湖南大学信息科学与工程学院副教授,主要研究领域为通信工程信息传输与编码。

Biography:HU Chun -yan (1985-),Woman (Han),Hunan,School of Information Science and Engineering,Hunan Universi -ty,Research area:Data processing,Password security .
(410082长沙湖南大学信息科学与工程学院)胡春燕易波通讯地址：(410082长沙湖南大学信息科学与工程学院)
胡春燕
(收稿日期:2011.10.28)(修稿日期:2012.01.28)
(上接第355页)
企业呼叫中心也可以电话通知村级、乡级处置中心,由专人负责前去处理,从而确保对CO 警情的及时发现和处置监管。

2010年冬季,该系统成功应用于北京市朝阳区3万多户出租屋,几个月内没有发生一起CO 中毒事故,使参加试点的居民安然度过了整个取暖季。

本文作者创新点:运用无线传感网络实时监测、感知和采集网络分布区域内的CO 浓度,可根据现场实际情况灵活组网,并采用多级报警机制。

本文无抄袭,作者全权负责版权事宜。

参考文献:
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作者简介:司博章,男,工程师,北京时代凌宇科技有限公司信息化市场部负责人,主要从事物联网技术的研究及应用。

Biography:SI Bo -zhang,male,engineer,director of the in -formatization marketing department of Beijing LOIT Technology Ltd.,major in researching and applying of the internet of things.(100096北京北京时代凌宇科技有限公司)司博章樊勇任燕通讯地址:(100096北京市海淀区西三旗建材城东路18号佰能大厦)任燕
(收稿日期:2011.10.28)(修稿日期:2012.01.28)
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