CN101674573A - 无线体域网传感节点的安全唤醒装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线体域网传感节点的安全唤醒装置及方法，主要解决现有无线体域网传感节点能量消耗大和安全性差的问题。本发明的安全唤醒装置包括无线触发电路、唤醒认证码比较电路和主电路，无线触发电路从无线体域网控制器所发出的唤醒信号中获得能量，分别传输给唤醒认证码比较电路和主电路；唤醒认证码比较电路对唤醒信号中的唤醒认证码和无线体域网传感器节点所存储的唤醒认证码进行比较，判断是否触发主电路；主电路接收无线触发电路的触发信号与无线体域网控制器建立数据通信，并反馈新的唤醒认证码给唤醒认证码比较电路，待下次唤醒时使用。本发明具有能量消耗小，安全性强的优点，可用于无线体域网中传感节点的唤醒。

Description

无线体域网传感节点的安全唤醒装置及方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及安全唤醒装置和方法，适用于在无线体域网中节点唤醒。

背景技术

无线体域网(WBAN)，即Wireless Body Area Network，就是以人体为中心，由和人体相关的网络元素等组成的通信网络。通过WBAN，人可以和其身上携带的电子设备进行通信、同步等。WBAN将把人体变成通信网络的一部分，从而真正实现网络的泛在化。可穿戴的计算和普适计算也将随着WBAN的普及应用成为人们日常生活的基本特征。

基于低消耗的无线传感器网络技术的无线体域网中主要用来遥感和监控个人的生命活动，可以带给在医院、住所和工作环境下的个人健康检查极大的便利，提供高品质的生活。由于WBAN的重要性，国际上的标准组织，如IEEE，在积极推动WBAN和相关技术的标准的制定，IEEE802.15TG6在2007年11月初步成形。图1给出了一个无线体域网络的基本组成，一个无线体域网络，包括了一个无线体域网控制器BNC和多个无线体域网传感节点BN。无线体域网传感节点可以分布在生物体的各个角落，主要负责采集生物信息，并将采集到的信息发送给无线体域网控制器；无线体域网控制器负责控制无线体域网传感节点，给传感节点发送指令信息、收集处理传感节点传输的信号，除此之外，还负责与外部网络建立通信，将采集到的信息传输给外部网络并接收外部网络的信息。

传感器技术是WBAN的重要基础，小型化、智能化、高精度、低功率的各类传感器是支持WBAN的必要条件。尤其是低功率，对于植入到人体内部的传感器是非常关键的性能。这些传感器只能靠电池来驱动，有限的电池能量需要在相当长的传感器生命周期内支持传感器的正常工作。

原有的传感器节点工作方式主要有始终开启和周期开启两种，其中始终开启在无论传感器节点是否有信息传递的情况下，都保持传感器节点的开启，周期开启是通过时钟的控制，让传感器节点遵循一定的时间周期原则进行开启和关闭。这两种方法都会引起传感器节点电池能量的无谓消耗，因此，在无线体域网传感节点是不适用的。

为了延长无线体域网络节点的寿命，M.J.Miller和N.H.Vaidya在文献MinimizingEnergy Consumption in Sensor Networks Using a Wakeup Radio(Proc.WCNC 2004，2004，pp.2335-2340)提出了无线电唤醒技术；J.Ansari，D.Pankin和P.Mahonen在文献Radio-Triggered Wake-ups with Addressing Capabilities for Extremely Low Power SensorNetwork Applications(Proc.PIMRC 2008，2008，pp.1-5)提出了无线电触发唤醒方法。这些方法都可以用来实现无线体域网络节点“唤醒/休眠”过程，通过唤醒/休眠过程减少传感器节点工作时间，延长节点寿命。但是该方法没有考虑对无线唤醒电路的保护，如果外部用户，无论是有意的还是无意的，可以随意通过无线电信号唤醒无线体域网中的传感器件，造成信息的丢失、泄漏、电源的消耗、甚至是传感器节点的失灵。因此，安全问题是无线唤醒方法亟待解决的一个重要问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术方案的不足，提供一种针对无线体域网的基于双无线结构的安全唤醒装置及方法，以实现无线体域网传感节点可被正确地唤醒和工作，保证系统的安全，减小系统能量的消耗。

为实现上述目的，本发明的安全唤醒装置，包括：

无线触发电路：用以从无线体域网控制器所发出的唤醒信号中获得能量，并将该能量的一部分传输给唤醒认证码比较电路，另一部分通过触发器触发主电路；

唤醒认证码比较电路：用以比较唤醒信号中的唤醒认证码和无线体域网传感器节点所存储的唤醒认证码是否匹配，若匹配，则利用从唤醒信号中获得的能量通过无线触发电路中的触发器触发主电路，若不匹配，不做任何操作；

主电路：用于接收无线触发电路的触发信号，与无线体域网控制器建立数据通信，并反馈新的唤醒认证码给唤醒认证码比较电路。

所述的安全唤醒装置，其中主电路包括：

存储器：用以存储各个模块采集的数据信息；

生物传感器模块：用以采集各种生物信息并进行模数转换；

通信模块：用以与无线体域网控制器进行数据通信，负责生物传感数据的发送与无线体域网控制器指令信息的接收；

安全模块：根据无线体域网传感器节点和无线体域网控制器的地址以及计数器数值，计算新的唤醒认证码，并通过微处理器反馈给唤醒认证码比较电路的存储单元，在下次唤醒时使用；

微处理器：用以分别与通信模块、安全模块和生物传感器模块双向连接，控制与协调各模块的正常工作，并处理交换各个模块的数据信息；

能量供给模块：分别为微处理器、存储器、生物传感器模块、通信模块和安全模块提供工作时所需要的能量。

所述的安全模块，包括：

计数器：用于在每一次计算新的唤醒认证码时，计数器取值加1，完成与无线体域网控制器的同步；

存储器：用于存储共享密钥、无线体域网控制器的地址值和无线体域网传感节点的地址值；

唤醒认证码生成器：利用计数器数值、共享密钥、无线体域网控制器的地址值和无线体域网传感节点的地址值，采用现代分组加密算法计算新的唤醒认证码。

为实现上述目的，本发明的安全唤醒方法，包括如下步骤：

(1)处于休眠状态的无线体域网传感节点接收到无线体域网控制器发送的唤醒认证码和唤醒信号；

(2)无线体域网传感节点的唤醒电路检查接收到的唤醒认证码与所存储的认证码是否匹配；若匹配，无线体域网传感节点进入工作状态；若不匹配，则不做任何操作，无线体域网传感节点保持休眠状态；

(3)无线体域网传感节点采集生物信息，进行模数转换，并将模数转换后的生物信息发送给无线体域网控制器；

(4)无线体域网传感节点计算新的唤醒认证码并对其进行更新；

(5)无线体域网控制器计算新的唤醒认证码并存储，以在下次唤醒无线体域网传感节点时使用；

(6)无线体域网传感节点进入休眠状态，等待再次被唤醒。

所述新的唤醒认证码计算，是先在计数器取值加1；再将计数器取值、共享密钥、无线体域网控制器地址和无线体域网传感节点地址送入唤醒认证码生成器；最后由唤醒认证码生成器利用接收到的四个参数和初始向量值采用现代分组加密算法生成长度为128bit的序列，并根据系统要求，截取该序列的部分比特作为新的唤醒认证码。

本发明由于采用无线触发电路，利用无线唤醒信号为唤醒电路提供能量，从而避免了消耗无线体域网传感节点内部的能量供给，例如电池；由于利用了唤醒认证码这一安全设置，避免了其他用户有意或者无意地唤醒无线体域网传感节点，不仅防止了其他非认证用户获得有用数据，使系统具有很高的安全性，而且也避免了无谓地消耗无线体域网传感节点能量，延长了无线体域网传感节点的寿命。

附图说明

图1是现有无线体域网络结构模型图；

图2是本发明的安全唤醒装置图；

图3是是本发明的安全唤醒方法流程图；

图4是本发明计算新的唤醒认证码的流程图；

图5是本发明实验1的性能仿真图；

图6是本发明实验2的性能仿真图。

具体实施方式

参照图2，本发明的无线体域网传感节点安全唤醒装置主要由无线触发电路、唤醒认证码比较电路和主电路组成。其中主电路由存储器、通信模块、生物传感模块、安全模块、微处理器和能量供给模块组成，该安全模块包括计数器、存储器和唤醒认证码计算器。

无线触发电路：用以从无线体域网控制器所发出的唤醒信号中获得能量，并将该能量的一部分传输给唤醒认证码比较电路，以唤醒认证码比较电路的能量消耗；另一部分能量传输给无线触发电路中的触发器，用于触发主电路中的微处理器，开启休眠的主电路；

唤醒认证码比较电路：是将接收到的唤醒认证码序列的每一比特与存储单元中存储的唤醒认证码的每一比特异或相加，取非后进行“与”运算。若与门输出为1，则匹配，利用从唤醒信号中获得的能量通过无线触发电路中的触发器触发主电路；若与门输出为0，则不匹配，不做任何操作；

主电路：用于接收无线触发电路的触发信号，与无线体域网控制器建立数据通信，并反馈新的唤醒认证码给唤醒认证码比较电路。其中的存储器，用以存储各个模块采集的数据信息；其中的微处理器，用以分别与通信模块、安全模块和生物传感器模块双向连接，控制与协调各模块的正常工作，并处理交换各个模块的数据信息；其中的生物传感器模块，受微处理器的控制，根据无线体域网控制器的指令信息，采集各种生物信息，这些生物信息包括生物体内的各个信号指标，例如体温、血压、脉搏、心跳等等，在信息采集完成后，进行模数转换；并将数模转换后的信息传输给微处理器；其中的通信模块，受微处理器的控制，通过微处理器获得生物传感器模块采集到的生物信息，将生物信息发送给无线体域网控制器，并接收无线体域网控制器的指令信息反馈给微处理器；其中的安全模块，用于计算新的唤醒认证码，并通过微处理器反馈给唤醒认证码比较电路的存储单元，在下次唤醒时使用；其中的能量供给模块：分别为微处理器、存储器、生物传感器模块、通信模块和安全模块提供工作时所需要的能量。

参照图3，本发明的无线体域网传感节点安全唤醒方法按照以下步骤进行：

步骤1，无线体域网控制器发送唤醒信号和唤醒认证码给处于休眠状态的无线体域网传感节点；

步骤2，唤醒信号给无线体域网节点的唤醒电路充电；

步骤3，无线体域网传感节点检查接收到的唤醒认证码和已存储的唤醒认证码是否匹配，若匹配，则无线触发电路利用从唤醒信号中所获得能量，触发无线体域网传感节点进入工作状态；若不匹配，则不做任何操作；

步骤4，无线体域网传感节点采集生物信息，该信息包括体内的各种信号指标，例如体温、血压、脉搏和心跳，将采集到的信息进行模数转换，并将模数转换后的生物信息发送给无线体域网控制器；

步骤5，无线体域网传感节点计算出新的唤醒认证码并对其进行更新。新的唤醒认证码的产生的具体过程参照图4如下：

首先，由计数器取值加1；再由存储器将共享密钥、无线体域网控制器的地址值和无线体域网传感节点的地址值送入唤醒认证码生成器；然后，唤醒认证码生成器利用计数器数值、共享密钥、无线体域网控制器的地址值和无线体域网传感节点的地址值这四个参数，结合初始向量值，采用现代分组加密算法AES计算出长度为128比特的序列，该序列是下次生成新的唤醒认证码时的初始向量；根据系统要求，截取该序列的部分比特作为新的唤醒认证码，例如，截取该序列的前32位。最后通过微处理器将新的唤醒认证码反馈给唤醒认证码比较电路的存储单元，待下次无线体域网传感节点被唤醒时使用。

步骤6，无线体域网控制器计算新的唤醒认证码，其计算方法与无线体域网传感节点的新的唤醒认证码的计算方法相同，以在下次唤醒无线体域网传感节点时使用。

需要指出的是，新的唤醒认证码是在无线体域网传感节点和无线体域网控制器分别生成的，而且如上所采用的新的唤醒认证码的生成方法保证了无线体域网传感节点和无线体域网控制器所生成的新的唤醒认证码的一致性。

步骤7，无线体域网传感节点向无线体域网控制器传输完本次开启工作所采集的数据信息后，自动进入休眠状态，等待接收新的唤醒认证码和唤醒信号，再次被唤醒。

本发明能量消耗效果可通过以下2个实验进一步说明：

实验一：

1.实验条件：

选定CC2430芯片设计无线体域网传感节点，其功率参数参照表1。

无线体域网传感节点采用一个电压为3.0V的2000mAh的电池，当该节点从睡眠模式转换到发送信号/接收信号模式时，会有强度约为30mA，持续时间为645μS的电流。

表1        CC2430参数表

参数	数值	单位
			微处理器(MCU)活动模式	5.1	毫安(mA)
MCU活动+接收信号(RX)模式	26.7	毫安(mA)
			MCU活动+发射信号(TX)模式(0dBm)	26.9	毫安(mA)
睡眠模式	0.3	微安(μA)
			睡眠模式转换至MCU工作模式	120	微秒(μS)
MCU工作模式转换至TX或RX模式	525	微秒(μS)

2.实验内容：分别计算无线体域网传感节点在安全唤醒方式、始终开启方式和周期开启方式这三种情况下的单位时间能量消耗。

3.实验结果：

引入如下几个参数：

T＝86400s：一天所具有的秒数，

T_sleep：无线体域网传感节点处于睡眠模式的时间，

T_R：无线体域网传感节点处于接收信号模式的时间，

T_T/R：无线体域网传感节点处于接收/发送信号模式的时间，

T_S→T/R：无线体域网传感节点从睡眠模式转换到接收/发送信号模式的时间，

T_S→A：无线体域网传感节点从睡眠模式转换到主电路工作模式的时间，

T_A→T/R：无线体域网传感节点的主电路MCU工作模式转换至TX或RX模式的时间，

N：每天的事件数，即无线体域网传感节点被唤醒的次数。

(1)在现有的始终开启方式的条件下，单位时间所消耗的能量计算：

当无线体域网传感节点处于始终开启方案时，单位时间所消耗的能量，即功率P_Always-On为：

$P_{\mathrm{Always}-\mathrm{On}}=\frac{T\·26.8\mathrm{mA}\·3V}{T}=80.4\mathrm{mW}---\left(1\right)$

(2)在现有的周期开启方式的条件下，单位时间所消耗的能量计算：

有N个事件，假设每次事件的持续时间为120s，其余时间无线体域网传感节点每2秒钟侦测一次看有无需求，其持续时间为0.1秒，在其余1.9秒内，无线体域网传感节点处于睡眠状态，即T_sleep＝1900ms。T＝86400s，则每天有(T-120N)/2次循环周期。在每个周期内，T_sleep＝1900ms，T_S→T/R＝120+525＝645μs，T_R＝100-0.645＝99.355ms，对于每个事件，T_T/R＝120s-T_S→T/R＝119.999355ms，则无线体域网传感节点单位时间内消耗能量P_cycle可按下式计算：

$P_{\mathrm{Cycle}}=\frac{\frac{T-120N}{2}\·(T_{\mathrm{Sleep}}\·0.3\mathrm{\μA}\·3V+T_R\·26.7\mathrm{mA}\·3V+T_{S->T/R}\·30\mathrm{mA}\·3V)}{T}$

$+\frac{N(T_{T/R}\·26.8\mathrm{mA}\·3V+T_{S\→T/R}\·30\mathrm{mA}\·3V)}{T}$

$=4023.951+106.079\mathrm{N\μW}$

(3)在本发明的安全唤醒方式的条件下，单位时间内所消耗的能量计算：

在该方案中，无线体域网传感节点仅当接收到正确的唤醒认证码时才被激活，其余时间都处于睡眠状态。事件数为N，每次事件持续时间为120s。则T_sleep＝T-120N，无线体域网传感节点的单位时间内消耗的能量P_SWS可按照下式计算：

$P_{\mathrm{SWS}}=\frac{T_{\mathrm{Sleep}}\·0.3\mathrm{\μA}\·3V+N(T_{T/R}\·26.8\mathrm{mA}\·3V+T_{S->T/R}\·30\mathrm{mA}\·3V)}{T}$

$=0.9+111.666\mathrm{N\μW}$

图5给出了在这3种条件下的能量损耗比较图。由图5可以看出，本发明所设计的无线体域网传感节点安全唤醒装置和方法在能量消耗上要比现有的无线体域网传感节点始终开启方法和周期开启方法大大降低，大大延长了无线体域网传感节点的寿命；

实验二

1)实验条件：选定CC2430芯片设计无线体域网传感节点，无线体域网传感节点采用一个电压为3.0V的2000mAh的电池，当该节点从睡眠模式转换到发送信号/接收信号模式时，会有强度约为30mA，持续时间为645μS的电流。无线体域网传感节点受到敌方攻击的次数是标准事件数的9倍。

2)实验内容：计算无线体域网传感节点采用安全唤醒方案和采用非安全唤醒方案这两种情况下无线体域网传感节点的使用寿命。

3)实验结果：

(a)在采用现有的非安全的唤醒方式的条件下，无线体域网传感节点的寿命计算：

在该条件下，无线体域网传感节点只要接收到一个唤醒数据包，无线体域网传感节点的主电路就开始工作，无线体域网传感节点单位时间内消耗的能量P_NSWS＝0.9+N(1+9)·111.666mW。则无线体域网传感节点的使用寿命L_NSWS为：

$L_{\mathrm{NSWS}}=\frac{2000000\mathrm{\μAh}\·3V}{0.9+(1+9)\·111.666N}$

(b)在采用本发明的安全唤醒方式的条件下，无线体域网传感节点的寿命计算：

在该条件下，无线体域网传感节点的主电路只会在唤醒认证码匹配时被激活至工作状态，其使用寿命L_SWS为：

$L_{\mathrm{SWS}}=\frac{2000000\mathrm{\μAh}\·3V}{0.9+111.666N}$

在这两种情况下的无线体域网传感节点寿命比较图如图6所示。从图6可以看出本发明所设计的无线体域网传感节点安全唤醒装置和方法兼顾了安全性，避免了任意无线体域网控制器可随意唤醒无线体域网传感节点的情况的发生，保证了数据的安全性，同时，延长了无线体域网传感节点的寿命。

Claims (5)

1.一种无线体域网传感节点的安全唤醒装置，包括：

无线触发电路：用以从无线体域网控制器所发出的唤醒信号中获得能量，并将该能量的一部分传输给唤醒认证码比较电路，另一部分通过触发器触发主电路；

唤醒认证码比较电路：用以比较唤醒信号中的唤醒认证码和无线体域网传感器节点所存储的唤醒认证码是否匹配，若匹配，则利用从唤醒信号中获得的能量通过无线触发电路中的触发器触发主电路，若不匹配，不做任何操作；

主电路：用于接收无线触发电路的触发信号，与无线体域网控制器建立数据通信，并反馈新的唤醒认证码给唤醒认证码比较电路。

2.根据权利要求1所述的安全唤醒装置，其中主电路包括：

存储器：用以存储各个模块采集的数据信息；

生物传感器模块：用以采集各种生物信息并进行模数转换；

通信模块：用以与无线体域网控制器进行数据通信，负责生物传感数据的发送与无线体域网控制器指令信息的接收；

安全模块：根据无线体域网传感器节点和无线体域网控制器的地址以及计数器数值，计算新的唤醒认证码，并通过微处理器反馈给唤醒认证码比较电路的存储单元，在下次唤醒时使用；

微处理器：用以分别与通信模块、安全模块和生物传感器模块双向连接，控制与协调各模块的正常工作，并处理交换各个模块的数据信息；

能量供给模块：分别为微处理器、存储器、生物传感器模块、通信模块和安全模块提供工作时所需要的能量。

3.根据权利要求2所述的安全模块，包括：

计数器：用于在每一次计算新的唤醒认证码时，计数器取值加1，完成与无线体域网控制器的同步；

存储器：用于存储共享密钥、无线体域网控制器的地址值和无线体域网传感节点的地址值；

唤醒认证码生成器：利用计数器数值、共享密钥、无线体域网控制器的地址值和无线体域网传感节点的地址值，采用现代分组加密算法计算新的唤醒认证码。

4.一种无线体域网传感节点的安全唤醒方法，包括如下步骤：

(1)处于休眠状态的无线体域网传感节点接收到无线体域网控制器发送的唤醒认证码和唤醒信号；

(2)无线体域网传感节点的唤醒电路检查接收到的唤醒认证码与所存储的认证码是否匹配；若匹配，无线体域网传感节点进入工作状态；若不匹配，则不做任何操作，无线体域网传感节点保持休眠状态；

(3)无线体域网传感节点采集生物信息，进行模数转换，并将模数转换后的生物信息发送给无线体域网控制器；

(4)无线体域网传感节点计算新的唤醒认证码并对其进行更新；

(5)无线体域网控制器计算新的唤醒认证码并存储，以在下次唤醒无线体域网传感节点时使用；

(6)无线体域网传感节点进入休眠状态，等待再次被唤醒。

5.根据权利4所要求的安全唤醒方法，其中新的唤醒认证码是在无线体域网传感节点和无线体域网控制器分别生成的，其具体计算过程包括如下步骤：

(1)计数器取值加1；

(2)将计数器取值、共享密钥、无线体域网控制器地址和无线体域网传感节点地址送入唤醒认证码生成器；

(3)唤醒认证码生成器利用接收到的四个参数和初始向量值采用现代分组加密算法生成长度为128bit的序列，并根据系统要求，截取该序列的部分比特作为新的唤醒认证码。

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