CN110996285A - 一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统及其设计方法，所述服务系统包括：数据采集层、数据传输层、数据控制层和系统应用层，通过6LoWPAN良好的互操作性，解决信息的孤立，6LoWPAN支持与其它IEEE 802.15.4设备的互通，也同时支持和其它IP网络的互联，通过设计基于消防大数据的数据控制层，对数据智能化分析，对消防设备智能化控制，建立可视化服务平台，通过对消防大数据的分析和挖掘，对消防形势进行预测并制定解决方案，提升火灾防控效能，实现服务平台的智能化，达到了设备管理集中化，消防构建底层数据管理智能化，管理系统平台化的目的，具有可行性高、组网方便、易于维护和升级的特点。

Description

一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统及设计方法
技术领域
本发明属于互联网技术领域，具体涉及一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统及其设计方法。
背景技术
随着国内“智慧城市”建设的不断推进，各级地方政府也在大力支持“智慧消防”的建设，努力在各大城市建设各自的智慧化消防监管平台中心，比较典型的有：山东烟台万余家单位接入应用“智慧消防安全服务云平台”，该平台，面向各级政府、各行业主管部门、公安机关消防机构和社会单位开放不同权限管理，较好地达到对火灾的监控和报警；虽然这些平台中心，在一定的范围内，达到了对火灾监管的目的，消除了一部分的火灾隐患，取得了不错的成果，但是智慧化、集中化管理、标准化程度往往效果不够理想，对于智慧消防建设中各级消防设备、各级应用的统一还没有很好的解决方案；与此同时，各级消防管理部门、企事业单位、高校等都在探索“智慧消防”的工作模式和运营推广方向，但是往往都是偏重单一垂直层面的理论研究，在水平层面“智慧消防”建设模式实际实施，还是比较薄弱；
黎山峰提出一种基于GPRS的社区环境检测系统，由于采集器依靠GPRS模块通信不利于大量节点的部署，需要支付通信费用，系统仅用于环境监测，功能单一；冯扬提出一种基于ZigBee的数据采集系统，但由于ZigBee协议限制，仅适应于小范围应用，不易与互联网融合；赵敏华等人提出一种基于CANBus技术的物联网智能数据采集系统方案，该方案底层采集网络基于总线技术，不易在高校多校区消防联动中使用；段宇提出一种基于6LoWPAN的大气环境监控系统，但系统功能单一，且没有给出解决监控终端和6LoWPAN节点之间IPv6通信问题的方法，也没有给出数据存储与提供数据资源服务的方案；
从国际环境来看，以美国智慧消防建设最为代表，其研究起源于信息物理系统(CPS)的发展和应用，在美国政府大力支持下发展迅速；美国消防研究基金会于2013年，开始对美国智慧消防研究路线图进行研究，制定了美国智慧消防研究的路线图，确立了实现智慧消防所需要科技基础，同时该路线图还明确了智慧消防建设将要遇到的难题和困难；目前，智慧消防已被美国消防研究基金会列为未来五年的研究重点，将持续开展相关研究，根据美国智慧消防建设的规划路线图，智慧消防的实现难点在于三大方面:消防数据的采集、消防数据的处理、消防数据的应用；美国智慧消防建设的大力发展，主要得益于信息物理系统的支持和应用，在政府和社会各界支持下，制定了多角度智慧消防建设路线，但是由于智慧消防建设涉及面太广、技术性太强、不同区域消防建设发展水平差别较大、标准化建设不够、缺乏统一所有消防设备设施标准化协议，很多工作仅停留在理论研究层面，与智慧消防的建设还是存在较大的差距；
当前国内外智慧消防建设取得了不少实际理论研究和实际工程经验成果，但是目前关于“智慧消防”建设还存在如下问题：
(1)信息孤立：各种类型消防应用系统建设非常多，但是大多功能类似，信息孤立，各类系统间消防设备互相通信效果较差，甚至系统内部消防设备互联互通的操作性都很差，百花齐放的同时，带来了社会资源的极大浪费，有悖于“智慧消防”理念的推广建设；
(2)共性基础核心平台建设不够：消防行业综合性强、技术难度大，导致跟随式发展居多，自主创新能力差，忽视基础平台建设，资源过多用在垂直消防应用系统建设，共性基础创新不够。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统及设计方法，通过6LoWPAN良好的互操作性，解决信息的孤立，6LoWPAN支持与其它IEEE 802.15.4设备的互通，也同时支持和其它IP网络的互联；通过设计基于消防大数据的数据控制层，对数据智能化分析，对消防设备智能化控制，实现服务系统的智能化；同时，通过调用高校中原有的消防和安保设备，集合成大安全概念网，对高校师生和财产进行全面的保护，构建组网方便、功能完善、易于维护和系统升级的创新型高校智慧消防服务系统。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统的设计方法，包括以下步骤：
步骤一：构建数据采集层：利用传感器对消防设备、设备的消防状态进行监控，形成不同类型的监控数据，无线传输至6LoWPAN协议栈，利用6LoWPAN协议栈，构建异构网络，实现不同IP网络之间的互联，形成可以实现不同IP网络之间数据互通的数据采集层；
步骤二：构建数据传输层：
S1.通过融合网关实现6LoWPAN网络与以太网的融合，利用OpenWRT配置融合网关的系统层；
S2.通过在IPv6静态分配基础上使用DHCP动态分配，搭建纯IPv6网络环境；
S3.通过6to4隧道技术使IPv6的信息能通过IPv4网络进行通信，搭建可以实现IPv4网络与IPv6网络融合的数据传输层，实现IPv4网络与IPv6网络的融合；
步骤三：构建数据控制层：
S1.利用数据服务器对融合网关传来的数据进行处理，形成底层数据，并在Linux下Java环境搭建Oracle数据库，存储底层数据；
S2.同时基于Spring Boot框架配置服务器，搭建GIS应用服务与WEB应用服务，在GIS与WEB服务上衍生出报警、视频、运行状态信息等子服务，结合Oracle数据库建立数据控制层，并将各自服务的接口连接到系统应用层，以便系统应用层对数据进行调用；
步骤四：搭建系统应用层：
S1.通过对底层数据建模，建立可视化界面,搭建专业应用层，使得用户能通过服务平台或手机APP直接得到各消防设备的运行状态与高校内重点消防安全部位的火灾报警信息；
S2.基于Hadoop框架建立大数据平台，搭建综合应用平台，通过消防大数据研判统计分析处置信息，为高校管理层、各二级学院、维保单位提供详实的高校消防物联网运行数据。
步骤五：验证6LoWPAN网络的性能：
S1.设计占空比分别为0.12、0.25的6LoWPAN网络，与占空比分别为0.06、0.12、0.25的Zigbee网络；
S2.通过测试拟合各组端到端时延的累积分布函数(CDF)与数据包投递率来判断其优劣；
S3.得到6LoWPAN协议的端到端延时明显小于Zigbee协议，且Zigbee网络部分数据包会出现丢失，由于存在同步故障，当信标参数越低时，丢包率增加，6LoWPAN网络在接受数据包方面性能优越。
进一步的，步骤一所述的数据采集层分为三部分:
第一部分为消防设备的状态检测，通过服务器不断发送心跳包获取来自底层设备的响应，从而得知消防设备是否工作正常，一旦出现响应异常，即设备出现问题，需派专员检修；
第二部分为消防状态监控，通过烟感设备、温感设备、视频摄像头等传感器第一时间发现火情，达到早发现早处理，甚至防范于未然,通过消防等级分级，对不同的建筑，房屋部署适量的传感器，如机房、实验室、食堂等易发生危险的地区重点监控；
第三部分为消防部门巡查数据，通过定期巡查，查漏补缺，进一步提高消防安全的级别。
进一步的，步骤一所述的6LoWPAN协议栈是一种基于IPv6的协议，6LoWPAN协议栈主要通过增加适配层来实现IPv6与IEEE802.15.4的融合，主要功能为压缩、分片与重组、Mesh路由，从而能够在低性能嵌入式设备上传输IPv6数据包。
进一步的，所述的步骤一还包括基于6LoWPAN的智慧消防服务平台安全机制的搭建，具体步骤为：
S1.6LoWPAN通过使用IEEE802.15.4安全机制来保护相邻节点直接的通信安全，这种机制是在物联网链路层实现安全保护的；
S2.通过AH对数据源地址进行认证和数据完整性验证，防止数据在传输过程中被非法篡改、监听和嗅探，同时可以有效地识别IP地址和确认数据的一致性；
S3.然后利用ESP实现对数据加密，从而满足国家互联网应急响应中心对于信息安全等级的要求。
进一步的，步骤二S1所述的融合网关的系统层采用Linux OpenWrt操作系统，使用时，可以直接通过WEB界面对网关进行配置。
进一步的，所述的Linux OpenWrt操作系统直接通过WEB界面对网关进行配置的具体过程为：使用Netfilter框架构成内核空间,对数据包进行过滤与处理，实现IPv6数据包的网络地址转换，并在Netfilter框架通过在网络中设置若干HOOK来实现对数据包的控制，通过分别在IPv4网络与IPv6网络中设置HOOK，构建可以实现IPv4网络与IPv6网络融合的数据传输层，实现IPv4网络与IPv6网络的融合。
进一步的，所述的数据采集层与数据控制层之间底层数据的上传通过Client/Server方式，数据控制层作为客户端，数据采集层作为数据服务器端，需要获取数据时，数据控制层向采集层发送请求，数据采集层接收并响应请求后，为控制层提供相应的数据服务，按照实际的数据需求，通过请求一次数据服务，控制层即可获取采集层的所有数据。
进一步的，在步骤三数据采集层的搭建过程中：利用“云盾”对DDOS攻击的流量进行清洗，阻断分布式拒绝服务攻击，并在业务网的边缘部署相应的出、入口防火墙和入侵防御系统，对威胁核心业务数据安全的攻击手段及时报警并记录日志，实现对各类攻击的溯源；同时，在web应用程序与移动端app安全方面，加强基于黑箱的渗透测试和白箱的代码审计工作，解决运营过程中出现的各类黑客入侵、注入攻击、数据泄露和非法抓取问题。
进一步的，步骤五所述的6LoWPAN网络的占空比(DC)定义为：
Figure BDA0002275349690000071
其中：AI为活动间隔；SI为睡眠间隔；Tpkt为数据包传输时间；Dtx为数据包传输之后的延时，通常设置为20ms；Tsend为数据包发送周期。
一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统的设计方法，建立的基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统包括数据采集层、数据传输层、数据控制层和系统应用层：
数据采集层通过传感器对消防设备、消防状态和消防部门的数据进行收集，构建底层数据；
数据传输层利用6to4隧道技术，设计融合网关，连接6LoWPAN通信网络与IPv4通信网络，完成协议转换，实现6LoWPAN网络与以太网的融合；
数据控制层包括数据服务器，通过数据服务器对融合网关传来的数据进行处理，形成消防数据，基于Linux下Java环境搭建Oracle数据库，存储消防数据；同时搭建GIS应用服务与WEB应用服务，并在GIS与WEB服务上衍生出消防设备各个状态信息的子服务；
系统应用层通过对底层数据建模，建立可视化界面，保证用户能通过服务平台或手机APP直接得到各消防设备的运行状态与高校内重点消防安全部位的火灾报警信息，实现智能的监控、分类、辨别、定位和管理等实际应用。
本发明的有益效果是：本发明公开了一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统及其设计方法，与现有技术相比，本发明的改进之处在于：
(1)通过6LoWPAN良好的互操作性，解决信息的孤立，6LoWPAN支持与其它IEEE802.15.4设备的互通，也同时支持和其它IP网络的互联，通过设计基于消防大数据的数据控制层，对数据智能化分析，对消防设备智能化控制，实现服务平台的智能化；
(2)通过Client/Server方式上传底层数据，将数据控制层作为客户端，数据采集层作为数据服务器端，在需要获取数据时，控制层向采集层发送请求，采集层接收并响应请求后，为控制层提供相应的数据服务，按照实际的数据需求，通过请求一次数据服务，控制层即可获取采集层的所有数据，具有灵活性高并降低了通信流量的特点；
(3)应用层通过对底层数据建模，建立可视化界面，使得用户能通过服务平台或手机APP直接得到各消防设备的运行状态与高校内重点消防安全部位的火灾报警信息，并为高校管理层、各二级学院、维保单位提供详实的高校消防物联网运行数据，基于Hadoop框架建立大数据平台，通过消防大数据研判，统计分析处置信息，实现服务平台的智能化；
(4)利用6to4隧道技术设计高适应性的融合网关，确保6LoWPAN协议与IPv4协议的融合，建立可视化服务平台，通过对消防大数据的分析和挖掘，对消防形势进行预测并制定解决方案，提升火灾防控效能。
附图说明
图1为本发明高校智慧消防服务平台整体框架图。
图2为本发明6LoWPAN协议栈控制图。
图3为本发明融合网关硬件框图。
图4为本发明融合网关数据包转发机制框图。
图5为本发明智慧消防物联网系统安全体系框图。
图6为本发明分而治之下的核心业务网安全体系框图。
图7为本发明Zigbee与6LoWPAN的数据包端到端时延的累积分布函数分布图。
图8为本发明Zigbee与6LoWPAN的数据包投递率柱状图。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
参照附图1-8所示，一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统及其设计方法，所述基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统包括：数据采集层、数据传输层、数据控制层和系统应用层：
数据采集层通过传感器对消防设备、消防状态和消防部门的数据进行收集，构建底层数据；
数据传输层利用6to4隧道技术，设计融合网关，连接6LoWPAN通信网络与IPv4通信网络，完成协议转换，实现6LoWPAN网络与以太网的融合；
数据控制层包括数据服务器，通过数据服务器对融合网关传来的数据进行处理，形成消防数据，基于Linux下Java环境搭建Oracle数据库，存储消防数据；同时搭建GIS应用服务与WEB应用服务，并在GIS与WEB服务上衍生出消防设备各个状态信息的子服务；
系统应用层通过对底层数据建模，建立可视化界面，保证用户能通过服务平台或手机APP直接得到各消防设备的运行状态与高校内重点消防安全部位的火灾报警信息，实现智能的监控、分类、辨别、定位和管理等实际应用。
如附图1所示，数据采集层所述的传感器包括：喷淋装置传感器，监控喷淋装置的工作以及使用情况并发出信号，消防水泵传感器，监控校园消防水泵的工作以及使用情况并发出信号，火灾警报器传感器，监控校园火灾警报器的工作以及使用情况并发出信号，应急疏散灯传感器，监控校园应急疏散灯的工作以及使用情况并发出信号，气体灭火装置传感器，监控校园气体灭火装置的工作以及使用情况并发出信号，消防应急车辆，监控校园消防应急车辆的工作以及使用情况并发出信号，消防可视化监控设施的传感器，监控校园消防可视化监控设施的工作以及使用情况并发出信号；烟感设备传感器，监控校园烟感设备的工作以及使用情况并发出信号，温感设备传感器，监控校园温感设备的工作以及使用情况并发出信号，视频摄像头，监控校园各个消防设备的工作以及使用情况，消防可视化监控设施传感器，监控校园消防可视化监控设施的工作以及使用情况并发出信号；数据采集层所述的消防部门的数据包括：消防监控中心值班员记录的数据，消防设备巡查人员记录的数据，消防监管工作人员记录的数据，上级消防主管部门记录的数据，高校消防监督部门记录的数据，消防设施维保部门记录的数据，通过对上述数据进行收集分析，构建底层数据；
所述数据控制层：包括GIS应用服务、WEB应用服务和数据服务库等服务子模块，通过搭建GIS应用服务与WEB应用服务，并在GIS与WEB服务上衍生出消防设备各个状态信息的子服务；仿真计算和智能判断等计算子模块，通过对步骤二传输过来的数据进行仿真计算和智能判断等计算，实现将步骤二传输过来的数据进行分类，并传输到下一层计算模型中；模型库、算法库、专题库和知识库等数据库子模块，接收上一步传输过来的数据包，并将不同的数据包对应到相应的模型库、算法库、专题库和知识库中进行匹配计算，将计算结果发送到各个管理端；用户管理、资源管理、任务管理和安全管理等管理子模块接收数据结果进行储存并显示；所述的消防设备各个状态信息的子服务包括报警服务、视频服务、状态分析服务、智能判断服务、终端控制服务、报表服务、决策支持服务、态势分析服务、信息发布服务以及其他服务等子服务模块接收各类数据信息，并将其归类分析，呈现的对应的服务端；
所述系统应用层包括：专业应用层和综合应用层，所述专业应用层包括火灾报警处理、消防设施状态监控、消防安全监督检查、消防设施维护保养、用户服务和消防安全管理等子模块，通过对消防设备进行监控、检查、维护，实现消防服务系统的智能化服务；综合应用层包括科学消防决策分析、消防综合信息发布、消防大数据研判、综合消防应急智慧、智慧消防文化和消防物联网联动等子模块，实现消防服务系统对消防形势进行预测并制定解决方案，提升火灾防控效能。
所述基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统的设计方法，具体包括以下步骤：
步骤一：搭建数据采集层：
由于消防服务平台采集的数据种类繁多，所需的传感器种类、信号类型等各不相同，需对不同消防设备进行分类，使用不同传感器进行监控，如使用智能水表，监控消防喷淋是否有水，水压状况和消防水泵的开合状态；使用智能标签定位消防水枪、灭火器、消防急救箱的位置；使用温感、烟感设备确保设备楼栋的状态正常等；
如附图2所示，针对高校智慧消防服务平台的功能需求，本发明设计数据采集层利用传感器对消防设备、设备的消防状态进行监控，形成不同类型的监控数据，利用6LoWPAN协议栈，构建异构网络，实现不同IP网络之间的互联，形成可以实现不同IP网络之间数据互通的数据采集层；
所述6LoWPAN协议是一种低功耗、短距离、低硬件需求的无线传感网络协议，在6LoWPAN协议栈中，物理层与MAC层采用IEEE802.15.4标准，网络层采用IPv6协议，在MAC层和网络层之间增加一个适配层来实现两个标准的融合，主要功能为压缩、分片与重组、Mesh路由，以实现在IEEE802.15.4网络、低功耗设备中传输IPv6数据包，由于6LoWPAN是一种基于IPv6的协议，拥有广阔的地址空间，可以满足大量节点的部署需要，构建异构网络，并且方便不同IP网络数据之间的互通，形成可以实现不同类型数据互通的数据采集层，实现数据互通；
所述数据采集层分为三部分:
第一部分为消防设备的状态检测，通过服务器不断发送心跳包获取来自底层设备的响应，从而得知消防设备是否工作正常，一旦出现响应异常，即设备出现问题，需派专员检修；
第二部分为消防状态监控，通过烟感设备、温感设备、视频摄像头等传感器第一时间发现火情，达到早发现早处理，甚至防范于未然,通过消防等级分级，对不同的建筑，房屋部署适量的传感器，如机房、实验室、食堂等易发生危险的地区重点监控；
第三部分为消防部门巡查数据，通过定期巡查，查漏补缺，进一步提高消防安全的级别；
步骤一还包括基于6LoWPAN的智慧消防服务平台安全机制的搭建，具体步骤为：
S1.6LoWPAN通过使用IEEE802.15.4安全机制来保护相邻节点直接的通信安全，这种机制是在物联网链路层实现安全保护的；
S2.通过AH对数据源地址进行认证和数据完整性验证，防止数据在传输过程中被非法篡改、监听和嗅探，同时可以有效地识别IP地址和确认数据的一致性；
S3.然后利用ESP实现对数据加密，从而满足国家互联网应急响应中心对于信息安全等级的要求；
所述底层数据的上传通过Client/Server方式上传至数据控制层，数据控制层作为客户端，而数据采集层作为数据服务器端，在需要获取数据时，控制层向采集层发送请求，采集层接收并响应请求后，为控制层提供相应的数据服务，按照实际的数据需求，通过请求一次数据服务，控制层即可获取采集层的所有数据，因此，采用Client/Server模式上传数据提高了灵活性并降低了通信流量；
步骤二：搭建数据传输层：
S1.通过融合网关实现6LoWPAN网络与以太网的融合，利用OpenWRT配置融合网关的系统层；
S2.通过在IPv6静态分配基础上使用DHCP动态分配，搭建纯IPv6网络环境；
S3.通过6to4隧道技术使IPv6的信息能通过IPv4网络进行通信，搭建可以实现IPv4网络与IPv6网络融合的数据传输层，实现IPv4网络与IPv6网络的融合；
如附图3所示，所述融合网关的硬件基于MIPS微处理器的智能网关接口类型为：(1)局域网内部接口：无线(802.11，比如Wi-Fi)，有线以太网，USB，6LoWPAN；(2)局域网外部接口：ADSL，有线以太网；
如附图4所示，所述网关的系统层采用的是Linux OpenWrt操作系统，OpenWrt是用于路由器和嵌入式设备的GNU/Linux发行版操作系统，也是一种高度模块化、高度自动化的嵌入式Linux系统，可以直接通过WEB界面对网关进行配置；在融合网关使用时，使用Netfilter框架构成内核空间，对数据包进行过滤与处理，实现IPv6数据包的网络地址转换，具体为Netfilter框架通过在网络中设置若干HOOK来实现对数据包的控制：即通过分别在IPv4网络与IPv6网络中设置HOOK，即可在网络层中根据需要来处理IPv4数据包与IPv6数据包，构建可以实现IPv4网络与IPv6网络融合的数据传输层，实现IPv4网络与IPv6网络的融合；
其中，在附图4中：虚线表示由6LoWPAN网络节点发往以太网节点数据包的处理过程；实线表示由以太网双栈主机发往6LoWPAN网络节点数据包的转发过程；
步骤三：搭建数据控制层：
S1.利用数据服务器对融合网关传来的数据进行处理，形成底层数据，并在Linux下Java环境搭建Oracle数据库，存储底层数据；
S2.同时基于Spring Boot框架配置服务器，搭建GIS应用服务与WEB应用服务，在GIS与WEB服务上衍生出报警、视频、运行状态信息等子服务，结合Oracle数据库建立数据控制层，并将各自服务的接口连接到系统应用层，以便系统应用层对数据进行调用；
在数据控制层，利用“云盾”对类似于DDOS攻击的流量进行清洗，阻断分布式拒绝服务攻击，并在业务网的边缘部署相应的出、入口防火墙和入侵防御系统，对威胁核心业务数据安全的攻击手段及时报警并记录日志，实现对各类攻击的溯源；同时，在web应用程序与移动端app安全方面，加强基于黑箱的渗透测试和白箱的代码审计工作，解决运营过程中出现的各类黑客入侵、注入攻击、数据泄露和非法抓取问题；
步骤四：搭建系统应用层：
S1.系统应用层通过对底层数据建模，建立可视化界面，使得用户能通过服务平台或手机APP直接得到各消防设备的运行状态与高校内重点消防安全部位的火灾报警信息；
S2.基于Hadoop框架建立大数据平台，搭建综合应用平台，通过消防大数据研判统计分析处置信息，为高校管理层、各二级学院、维保单位提供详实的高校消防物联网运行数据；
步骤五：验证6LoWPAN网络的性能：
S1.设计占空比分别为0.12、0.25的6LoWPAN网络，与占空比分别为0.06、0.12、0.25的Zigbee网络；
S2.通过测试拟合各组端到端时延的累积分布函数(CDF)与数据包投递率来判断其优劣；
S3.得到6LoWPAN协议的端到端延时明显小于Zigbee协议，且Zigbee网络部分数据包会出现丢失，由于存在同步故障，当信标参数越低时，丢包率增加，6LoWPAN网络在接受数据包方面性能优越；
实施例1：基于物联网的高校智慧消防安全体系的构建，智慧消防物联网安全体系的构架具体如图6和图7所示，包括以下三个方面：
感知层：利用感知设备在任何时间、对任何地点的物体实现识别，完成信息的采集。在该项目中，则重点体现在对火灾监控设备、温度传感设备和火灾报警设备的数据采集；
网络层：通过现有的通信和互联网络，将感知层采集到的数据可靠的传递给应用层，位于该层的IPSec协议能够很好的保障传输过程中的信息安全，同时通过协议中的认证；机制和加密机制，能有效防止数据被非法篡改、伪造和窃听；
应用层：利用云计算平台对用户的数据和信息进行智能处理，实现对物体的控制，完成物与物、人与物之间的信息交换；我们将从物理安全、系统安全、网络安全、数据库安全等方面做好防范工作，保证数据控制层平台本身具备抗攻击能力；另一方面，平台会向物联网用户证明自己具备数据隐私保护能力，使得攻击者无法破坏和理解往返于数据控制层和数据消费端的交互数据，具体体现在加密传输等方面；
安全体系模型是对整个智慧消防物联网安全的一个总括，在实际的应用中，我们将对照并融合传统的OSI安全模型进行针对性的设计，物联网云安全的实现更离不开OSI安全模型的指导，在这个大的安全体系模型下，我们分而治之，设计了数据控制层的安全模型，该模型旨在保护整个核心业务网；
核心业务网的安全设计：业务层的安全重点体现在数据库安全、web安全和移动app安全上；通过复合型防火墙来保障OSI分层体系模型中每层协议的安全性，实现一个安全的大框架，同时部署入侵防御系统，使业务系统的内部免受来自外部的攻击，这是第二道安全防线；加强各应用程序的安全测试工作，直接保障用户数据的安全性和终端的安全性，进而实现一个自顶向下、全方位、多层次的空间安全体系，来保证业务的正常进行。
实施例2：对基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统进行性能测试：
(1)测试用例：
为验证6LoWPAN网络的性能，测试五组实验，设Zigbee网络的占空比为0.06、0.12、0.25，6LoWPAN网络的占空比为0.12、0.25等5组对比试验，通过测试各组端到端时延的累积分布函数(CDF)与数据包投递率来判断其优劣；
Zigbee网络中允许选择性的使用超帧结构，其结构由信标参数BO(Beacon Order)与超帧参数SO(Superframe Order)确定，信标参数BO定义了两个连续信标之间的时间间隔，从而确定了超帧发送周期，这个间隔称为信标间隔BI(Beacon Interval)，超帧参数SO定义了超帧的活跃时间，即超帧持续时间SD(Superframe Duration)，超帧结构的工作周期及占空比(DC)的定义如式(1)所示。
Figure BDA0002275349690000181
6LoWPAN网络的占空比则定义为式(2)：
Figure BDA0002275349690000182
其中：AI为活动间隔；SI为睡眠间隔；Tpkt为数据包传输时间；Dtx为数据包传输之后的延时，通常设置为20ms；Tsend为数据包发送周期；
通过以上分析，设置数据包发送周期为20秒，对比Zigbee网络与6LoWPAN网络之间的端到端时延和数据包投递率；
得到Zigbee与6LoWPAN各组测试数据包端到端时延的累积分布函数如附图7所示：从附图7可以看出，在相同占空比下，6LoWPAN协议的端到端延时明显小于Zigbee协议；
得到Zigbee与6LoWPAN各组测试数据包投递率如附图8所示：从附图8可以看出，Zigbee网络部分数据包会出现丢失，由于存在同步故障，当信标参数越低时，丢包率增加，而6LoWPAN网络在接受数据包方面性能明显优于Zigbee网络。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：构建数据采集层：利用传感器对消防设备、设备的消防状态进行监控，形成不同类型的监控数据，无线传输至6LoWPAN协议栈，利用6LoWPAN协议栈，构建异构网络，实现不同IP网络之间的互联，形成实现不同IP网络之间数据互通的数据采集层；
步骤二：构建数据传输层：
S1.通过融合网关实现6LoWPAN网络与以太网的融合，利用OpenWRT配置融合网关的系统层；
S2.通过在IPv6静态分配基础上使用DHCP动态分配，搭建纯IPv6网络环境；
S3.通过6to4隧道技术使IPv6的信息能通过IPv4网络进行通信，搭建实现IPv4网络与IPv6网络融合的数据传输层，实现IPv4网络与IPv6网络的融合；
步骤三：构建数据控制层：
S1.利用数据服务器对融合网关传来的数据进行处理，形成底层数据，并在Linux下Java环境搭建Oracle数据库，存储底层数据；
S2.同时基于Spring Boot框架配置服务器，搭建GIS应用服务与WEB应用服务，在GIS与WEB服务上衍生出报警、视频、运行状态信息的各种子服务，结合Oracle数据库建立数据控制层，并将各自服务的接口连接到系统应用层，以便系统应用层对数据进行调用；
步骤四：搭建系统应用层：
S1.通过对底层数据建模，建立可视化界面,搭建专业应用层，使得用户能通过服务平台或手机APP直接得到各消防设备的运行状态与高校内重点消防安全部位的火灾报警信息；
S2.基于Hadoop框架建立大数据平台，搭建综合应用平台，通过消防大数据研判统计分析处置信息，为高校管理层、各二级学院、维保单位提供详实的高校消防物联网运行数据；
步骤五：验证6LoWPAN网络的性能：
S1.设计占空比分别为0.12、0.25的6LoWPAN网络，与占空比分别为0.06、0.12、0.25的Zigbee网络；
S2.通过测试拟合各组端到端时延的累积分布函数与数据包投递率来判断其优劣；
S3.得到6LoWPAN协议的端到端延时明显小于Zigbee协议，且Zigbee网络部分数据包会出现丢失，由于存在同步故障，当信标参数越低时，丢包率增加，6LoWPAN网络在接受数据包方面性能优越。
2.根据权利要求1所述的一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统的设计方法，其特征在于，步骤一所述的数据采集层分为三部分:
第一部分为消防设备的状态检测，通过服务器不断发送心跳包获取来自底层设备的响应，从而得知消防设备是否工作正常，一旦出现响应异常，即设备出现问题，需派专员检修；
第二部分为消防状态监控，通过烟感设备、温感设备、视频摄像头等传感器第一时间发现火情，达到早发现早处理，甚至防范于未然,通过消防等级分级，对不同的建筑，房屋部署适量的传感器，如机房、实验室、食堂等易发生危险的地区重点监控；
第三部分为消防部门巡查数据，通过定期巡查，查漏补缺，进一步提高消防安全的级别。
3.根据权利要求1所述的一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统的设计方法，其特征在于，步骤一所述的6LoWPAN协议栈是一种基于IPv6的协议，6LoWPAN协议栈主要通过增加适配层来实现IPv6与IEEE802.15.4的融合，主要功能为压缩、分片与重组、Mesh路由，从而能够在低性能嵌入式设备上传输IPv6数据包。
4.根据权利要求3所述的一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统的设计方法，其特征在于，所述的步骤一还包括基于6LoWPAN的智慧消防服务平台安全机制的搭建，具体步骤为：
S1.6LoWPAN通过使用IEEE802.15.4安全机制来保护相邻节点直接的通信安全，这种机制是在物联网链路层实现安全保护的；
S2.通过AH对数据源地址进行认证和数据完整性验证，防止数据在传输过程中被非法篡改、监听和嗅探，同时可以有效地识别IP地址和确认数据的一致性；
S3.然后利用ESP实现对数据加密，从而满足国家互联网应急响应中心对于信息安全等级的要求。
5.根据权利要求1所述的一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统的设计方法，其特征在于，步骤二S1所述的融合网关的系统层采用Linux OpenWrt操作系统，使用时，可以直接通过WEB界面对网关进行配置。
6.根据权利要求5所述的一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统的设计方法，其特征在于，所述的Linux OpenWrt操作系统直接通过WEB界面对网关进行配置的具体过程为：使用Netfilter框架构成内核空间,对数据包进行过滤与处理，实现IPv6数据包的网络地址转换，并在Netfilter框架通过在网络中设置若干HOOK来实现对数据包的控制，通过分别在IPv4网络与IPv6网络中设置HOOK，构建可以实现IPv4网络与IPv6网络融合的数据传输层，实现IPv4网络与IPv6网络的融合。
7.根据权利要求1所述的一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统的设计方法，其特征在于，所述的数据采集层与数据控制层之间底层数据的上传通过Client/Server方式，数据控制层作为客户端，数据采集层作为数据服务器端，需要获取数据时，数据控制层向采集层发送请求，数据采集层接收并响应请求后，为控制层提供相应的数据服务，按照实际的数据需求，通过请求一次数据服务，控制层即可获取采集层的所有数据。
8.根据权利要求1所述的一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统的设计方法，其特征在于，在步骤三数据采集层的搭建过程中：利用“云盾”对DDOS攻击的流量进行清洗，阻断分布式拒绝服务攻击，并在业务网的边缘部署相应的出、入口防火墙和入侵防御系统，对威胁核心业务数据安全的攻击手段及时报警并记录日志，实现对各类攻击的溯源；同时，在web应用程序与移动端app安全方面，加强基于黑箱的渗透测试和白箱的代码审计工作，解决运营过程中出现的各类黑客入侵、注入攻击、数据泄露和非法抓取问题。
9.根据权利要求1所述的一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统的设计方法，其特征在于，步骤五所述的6LoWPAN网络的占空比(DC)定义为：
Figure FDA0002275349680000051
其中：AI为活动间隔；SI为睡眠间隔；Tpkt为数据包传输时间；Dtx为数据包传输之后的延时，通常设置为20ms；Tsend为数据包发送周期。
10.根据权利要求1所述的一种基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统的设计方法，其特征在于，建立的基于6LoWPAN的高校智慧消防服务系统包括数据采集层、数据传输层、数据控制层和系统应用层：
数据采集层通过传感器对消防设备、消防状态和消防部门的数据进行收集，构建底层数据；
数据传输层利用6to4隧道技术，设计融合网关，连接6LoWPAN通信网络与IPv4通信网络，完成协议转换，实现6LoWPAN网络与以太网的融合；
数据控制层包括数据服务器，通过数据服务器对融合网关传来的数据进行处理，形成消防数据，基于Linux下Java环境搭建Oracle数据库，存储消防数据；同时搭建GIS应用服务与WEB应用服务，并在GIS与WEB服务上衍生出消防设备各个状态信息的子服务；
系统应用层通过对底层数据建模，建立可视化界面，保证用户能通过服务平台或手机APP直接得到各消防设备的运行状态与高校内重点消防安全部位的火灾报警信息，实现智能的监控、分类、辨别、定位和管理等实际应用。
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