基于ZigBee的无线网络室内远程监测系统及方法

基于zigbee的无线网络室内远程监测系统及方法
技术领域
1.本发明涉及物联网技术领域，具体设计一种基于zigbee的无线网络室内远程监测系统及方法。


背景技术：

2.当今社会，随着科技的不断发展，生活水平的提高，人们越来越重视室内环境。房间的装修以及新添的家具都含有有害气体，厨房炒菜的烟雾导致室内空气污染影响着人们的健康。当前，大部分室内监测系统都存在少许不足，在现实环境中，部署在各个房间内的传感器数据采集容易受到环境和人为等因素干扰，加之无线传感器网络中传感器节点的能量与数据处理能力十分有限，使得无线传感器网络感知和传输的数据精度不高且数据之间存在高度冗余。因此，如何降低室内环境噪声、传感器测量的异常数据和高度冗余数据以及人为因素等对监测结果的影响，以降低数据传输量并提高数据的可信度。现有的zigbee网络中会受到第三方人的攻击来窃取传输的数据或恶意利用帧计数器伪造最大值为0xffffffff的帧来拒绝更多的帧并产生拒绝服务。吕沙提出了基于zigbee无线网络的安全消息传输应用研究采用非对称加密算法rsa的密钥体制对zigbee数据加密进行改进，非对称加密虽然提高了安全性，但该算法计算量偏大，并不适合zigbee设备。


技术实现要素：

3.本发明针对当前现有的家居监测系统的不足之处，设计了一种基于zigbee无线传感器网络的室内远程监测系统及方法，采用zigbee组网技术在数据采集端，通过对采集节点的布置有效的采集所需的环境数据，加上滤波优化算法处理数据，提高数据精确度，通过主控制器将数据传输到pc端并可以实时查看数据。能够满足居家系统对高效、实时、低成本的要求。具体地，基于zigbee的无线传感器网络模块，主控制器采用stm32f103zet6单片机，外接gprs无线网络收发模块进行远程传输，监控中心采用qt技术开发界面实时显示数据，并通过控制继电器调控室内环境。在数据处理方面，对三次指数平滑法进行改进，再用该算法前先对数据进行预处理。在zigbee无线传输方面对zigbee的加密技术进行改进。
4.鉴于此，本发明采用的技术方案是，基于zigbee的无线网络室内远程监测系统，包括zigbee无线传感器网络模块、stm32主控平台、远程监控中心；
5.所述zigbee无线传感器网络模块包括一个协调器和多个终端节点，终端节点用于采集居家环境数据，协调器用于网络启动、配置信道和网络标识符，并采用改进的安全加密方法对居家环境数据进行传输。
6.所述stm32主控平台接收居家环境数据，先采用滑动滤波算法进行滤波处理，然后将滤波后的结果用三次指数平滑法优化居家环境数据，及对人体睡眠质量进行检测，并根据环境情况调用继电器适当改变环境。
7.所述远程监控中心包括上位机软件、手机用户和数据库，上位机软件实时显示被检测者睡眠质量及室内环境状况和实现用户管理、服务器和数据管理，手机用户实时查询
上位机的数据，数据库存储监控端采集的睡眠数据和室内环境数据。
8.本发明还提供了一种基于zigbee的无线网络室内远程监测方法，包括以下步骤：
9.终端节点采集居家环境数据，采用改进的安全加密方法与协调器建立通信，然后将居家环境数据传输到stm32主控平台。
10.stm32主控平台接收居家环境数据，先采用滑动滤波算法进行滤波处理，然后将滤波后的结果用三次指数平滑法优化居家环境数据，及对人体睡眠质量进行检测，并根据环境情况调用继电器适当改变环境；stm32主控平台通过gprs技术将环境数据发送到远程监控中心。
11.远程监控中心通过上位机软件或手机用户实时显示被检测者睡眠质量及室内环境状况。
12.本发明采用上述技术方案具有如下有益效果：
13.1、本发明提出了改进的zigbee加密方案，方案中包括了信任中心、发数据方、接数据方，基于时间戳、哈希算法、临时会话密钥的方式设计方案，该方案是在aes算法的基础上进行的，符合了计算量小的同时也具有安全性。
14.2、在对居家环境进行数据采集时，本发明充分利用的zigbee网络的优势，有针对性去采集监测时所需要的数据，降低系统的成本，提高监测效率。同时考虑到环境噪声在采集数据时带来的误差，采用改进的三次指数平滑法来减小环境噪声的影响，提高数据的精确度。减少系统对环境监测时的错误警报和遗漏警报的情况发生。
15.3、在对睡眠期间是否进行有效翻滚判断时，本发明采用姿态传感器mpu6050，mpu6050传感器可以直接测出睡眠期间x,y,z轴三个方向的加速度和三个姿态角，分别是俯仰角、偏航角、翻滚角。由于本系统主要检测用户的翻转情况，因此只需用到横滚角，将相邻时间的横滚角角度值进行相减，为了防止出现负值，将得到的差值进行绝对值化，最终得到横滚角角度差异，设定一个阈值，当翻滚角的角度大于这个阈值时，则满足了有效翻滚的第一个判定条件；与清醒状态相比，人在睡眠期间的肢体运动会明显地减少，因此，重力加速度是睡眠期间的平均加速度值的主要影响因素，通过相邻两时间点的各轴向平均加速度变化来计算姿势差异，姿势差异体现在前后1分钟各轴向的平均加速度变化。将姿势差异值大于所设定阈值作为睡眠过程中发生有效翻转的第二个判定条件，翻转时的姿势差异和角度变化同时满足上述的两个判定条件，则认为发生了一次有效翻转。本发明采用三次指数平滑法之后再用双阈值联合判别的方法，可以很大程度上降低误判的现象出现。
附图说明
16.图1为本发明实施例的室内远程监测系统的整体框图；
17.图2为本发明实施例的zigbee环境终端节点结构示意图；
18.图3为本发明实施例的zigbee睡眠检测终端节点结构示意图；
19.图4为本发明实施例的主控终端结构示意图；
20.图5为本发明实施例的zigbee加密算法改进流程图；
21.图6为本发明实施例的远程监控中心软件设计架构图；
22.图7为本发明实施例的用户操作软件数据管理显示示意图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.图1为本发明的一种基于zigbee的无线网络室内远程监测系统的整体框图，该系统由三部分构成：zigbee无线传感器网络模块、stm32主控平台、远程监控端。zigbee无线传感器网络模块通过传感器获取居家环境数据，并将数据发送给stm32主控平台，stm32主控平台通过gprs技术将环境数据发送到远程监控中心。远程监控中心将接收到的数据存储到mysql数据库中，通过qt开发的用户操作软件来进行数据的增删改查和实时，手机用户也可以实时查询信息了解情况。
25.zigbee无线传感器网络模块包括一个协调器和多个终端节点(路由器)，协调器需要负责网络启动、配置信道和网络标识符，并且需要完成地址分配等工作，终端节点常分布在监控区域内，与监控设备绑定并将数据通过zigbee网络传给协调器，路由器很多时候还需要协助终端节点进行工作，如缓存子节点数据等，整个zigbee网络是在zig bee协议栈开发的，z-stack采用分层式结构，从下到上由phy层、mac层、nwk层、app层构成，每层为其上层通过服务接入点sap提供服务接口。
26.所述协调器包括：主芯片和外围电路，外围电路包括串口、led指示灯、oled屏幕、看门狗模块、电源模块，串口用于和主控终端模块传输数据，led指示灯用于指示工作状态，oled屏幕用于显示当前zigbee网络连接状态，看门狗模块用于zigbee网络出故障时无线接入点快速复位重新组网，电源模块用于给无线接入点供电。
27.优选的，zigbee模块采用cc2530芯片为主芯片，ti(texas instruments，德州仪器)公司生产的cc2530是在zigbee基础上的一个片上系统解决方案，其可以利用很低的材料成本在zigbee无线传感器网络中建立性能强大的节点。它的传输距离可达400米，最高传输速率可达250kbps，拥有51内核和射频芯片，并且其功耗低、稳定可靠满足系统设计的需求。
28.在本发明中，zigbee网络中有若干个终端节点布置家庭的不同的房间，每个终端节点依据所布置的位置来采集相应的环境数据，并将数据传给无线接入点。如图2所示，终端节点包括主芯片和外围电路。其中外围电路包括电源模块、传感器、第一串口、led指示灯，电源模块用于整个终端节点供电，为了灵活轻便采用12v干电池给终端节点供电。第一串口负责提供串口通信，也便于开发时调试终端节点，led指示灯用于指示终端节点的工作状态。其他模块可根据需求进行添加设计。
29.在居家环境数据采集的终端节点处，可以选用以下各种传感器，使用dht11传感器来采集温湿度数据，使用zph01粉尘传感器来采集粉尘浓度。
30.所述温湿度传感器使用dht11传感器系统，采用dht11温湿度传感器对室内温湿度进行检测，其工作电压3.3-5v，温度-20～+60℃，误差范围
±
2℃，湿度5～95％rh，误差范围
±
5％，其与一个高性能8位单片机相连接，每次传输包括8bit温度整数部分数据、8bit温度小数部分数据、8bit湿度整数部分数据、8bit湿度小数部分数据和8bit校验和，因此dht11传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点，满足室内的检测。所述
粉尘浓度传感器使用zph01粉尘传感器，工作电压为5v，每一段时间发送一个数据包，对数据进行解析。
31.为了确保数据传输安全，本发明采用改进的安全加密方案对数据进行传输。每个zigbee无线传感器网络模块中的发起节点和响应节点生产时都固有一个mac地址，将mac地址作为每个节点的身份标识符idi,并为每个节点分配一个私钥ki。时间戳t用于确保会话密钥的新鲜度，防止重放攻击。哈希算法将任意长度的二进制值映射为较短的固定长度的二进制值，这个小的二进制值称为哈希值。哈希值是一段数据唯一且极其紧凑的数值表示形式。如果散列一段明文而且哪怕只更改该段落的一个字母，随后的哈希都将产生不同的值。要找到散列为同一个值的两个不同的输入，在计算上是不可能的，所以数据的哈希值可以检验数据的完整性。这里将私钥ki和时间戳t作为哈希算法的输入，转换为压缩散列值后发送给信任中心(即协调器)，信任中心储存了所有节点的私钥ki和身份idi，收到节点的压缩列值后进行对比判断节点身份是否伪造，确定身份合法后用各自节点的私钥对两个节点的临时会话密钥km进行加密发送给节点，使用通信期间共享的一次性临时会话密钥km对数据进行加密和解密，这样大大提高了无线通信的安全性。如图5所示。
32.该方案的具体步骤如下：
33.1、x(发起节点)与y(响应节点)建立通信，x向y发送身份id
x
、时间戳t
x
和哈希值h
x
，其中h
x
＝h(k
x
,t
x
)。因为哈希函数是不可逆的，所以攻击者无法通过h
x
得到k
x
，节点的私钥只有信任中心和节点知道。
34.2、y重复步骤1，得到hy，将收到x传来的身份id
x
、时间戳t
x
和哈希值h
x
和自己产生的身份idy、时间戳ty和哈希值hy发送至信任中心。
35.3、信任中心首先对y发来的身份id
x
对比数据库得到k
x
，再与时间戳t
x
进行哈希运算得到h
x*
，同理可得h
y*
，将h
x*
和h
y*
分别与h
x
和hy进行对比，假若数值都相等就表明x与y的身份是合法的，说明没受到攻击，可以发送临时会话密钥。
36.4、通过验证后信任中心生成会话密钥km并分别使用k
x
和ky以加密形式发送给x和y，同时也使用时间戳t
x
和ty提供针对重放攻击的保护。
37.5、x和y各自收到k
x
和ky加密的文件，用各自的私钥进行解密得到临时会话的密钥km，后面就可以用km对要发送的数据进行加密传输了。
38.6、进行下一次通信时重复上面5个步骤，这样就能做到防止攻击者读取传输数据和重放攻击。
39.为了提高所采集的环境数据的准确性、稳定性，本发明采用相应算法对采集的环境数据进行优化处理。相比于概率模型和加权平均算法，神经网络算法有着较好的精确度，但是神经网络算法不容易建立规模且运算量大，复杂度高，不易于系统的设计。本发明采用三次指数平滑法对数据进行处理，但是在环境干扰较大时，数据的波动会明显增加，若仅用三次指数平滑法会导致数据收敛速度变慢，稳定性变差。因此通过滑动均值滤波算法对三次指数平滑法进行改进，能较好的消除波动较大、瞬时的脉冲信号。
40.滑动均值滤波原理为：
[0041][0042]
式中p为均值滤波后的输出值，n为采集测量次数，i表示第i次，m为滑动均值滤波
窗口的大小，q为测量值。本公式中每测量一次数据，将新的测量数据放入队尾，删除队首测量数据，然后计算窗口里m个数据的平均值。
[0043]
常见的数据处理方法例如移动平均法，其中，一次移动平均法假设最近n期的数据对未来值有着相同的影响，即权重都为1/n；不考虑先验概率，也就是令n期之前的数据权重为0；相比于一次移动平均法，二次及高次移动平均法的权重不都是1/n，而是随着次数变高，权数的结构来越复杂，呈现中间项权数大、两端项权数小的特点，但室内环境的历史数据会随着时间的推移，对未来值的影响逐渐递减。本发明选择指数平滑法对预处理后的数据进行进一步处理。
[0044]
由于室内环境呈现二次曲线形式，本发明采用三次指数平滑法，递推计算公式为：
[0045][0046][0047][0048]
式中，α为加权系数，0《α《1，xi(t)为传感器节点i在t时刻采集的数据，分别为传感器i在t时刻采集测量数据的一次、二次和三次平滑值，分别为传感器i在t-1时刻采集测量数据的一次、二次和三次平滑值。
[0049]
在本发明中，先将采集的环境数据，经过滑动滤波算法处理之后，减低波动明显数据的干扰，将滤波后的结果作为三次指数平滑法的测量值，二次滤波之后，得到更加稳定精确的数据。
[0050]
终端节点与协调器之间的连接与传输数据包括：协调器开始工作建立好网络后，当有终端节点连接时，终端节点就可以将采集的数据传给无线接入点。
[0051]
当协调器收到终端节点传输过来的数据之后，协调器将数据传给主控终端，由主控终端完成远程发送。
[0052]
所述主控终端模块用于从协调器处接收环境数据和睡眠质量情况，并采用数据三次指数平滑法优化协调器所收到的环境数据和人体睡眠质量进行检测，并根据环境情况调用继电器适当改变环境，在整个过程中当网络出现故障即断开网络时终端采集节点会自动把采集的数据存储到sd卡中，将数据远程发送给远程监控中心。
[0053]
如图4所示主控终端模块包括处理器、串口、gprs模块、电源模块、sd模块、lcd显示器和蜂鸣器、继电器模块，处理器和zigbee网络的无线接入点进行串口通信，将数据传到处理器。gprs模块负责将zigbee网络无线接入点传输过来的环境数据和检测人体睡眠翻滚次数打包并远程发送到远程监控中心；电源模块负责给主控终端模块供电；lcd负责显示处理器接收到的数据；蜂鸣器则是当出现异常数据时发出警报，sd模块作用是当stm32在传输数据的时候发生断网或者断电时，需要将数据存储起来，恢复正常时再重新传输。由于sd卡不能直接和stm32连接，需要借用sd卡适配器连接stm32，它们是通过spi通信进行传输的。
[0054]
优选的，环境主控终端模块的核心处理器采用stm32芯片，它是标准的arm架构体系结构，具有高性能、低电压、低功耗、创新的内核及外设简单易用的优点，本实施例采用stm32芯片作为环境主控终端模块的核心处理器负责远程传输居家环境数据和睡眠数据，
可以达到低成本高效率的目的。
[0055]
zigbee睡眠检测终端节点如图3所示，在对睡眠质量检测和睡眠质量分析需要mpu6050传感器对人体进行检测，在睡眠期间人体的有效翻滚次数可以推断出睡眠质量的好坏。通过对mpu6050采集的数据处理，可以得到两类数据，第一类数据就是翻转过程中的加速度及其角速度的原始数据；第二类数据就是经过dmp处理后的数据，即姿态数据，也就是欧拉角数据。dmp可以将mpu6050采集的原始数据转换为相应的四元数输出，然后再将四元数进行一系列复杂计算之后即可得到对应的欧拉角。当得到欧拉角时，为判断用户在睡眠过程中产生的动作(如躺下、翻转、起床等)提供了很大方便。为获得较高的检测准确度，通过六轴加速度陀螺仪采集用户在睡眠过程中发生翻转运动时三个轴向加速度：分别为横滚轴(roll)、偏航轴(yaw)和俯仰轴(pitch)，通过最原始的加速度数据计算加速度的平均绝对差。加速度的平均绝对差是用来表示运动强度的指标，它指的是采集的相邻两段时间加速度的算术平均值的差的绝对值的平均。其与加速度的平均差相比，由于加速度的平均绝对差被绝对值化，不会出现正值与负值相互抵消的情况，所以，在本发明中采用加速度的平均绝对差作为判断翻转检测的标准之一，由于本系统主要检测用户的翻转情况，因此只需用到横滚角，将相邻时间的横滚角角度值进行相减，为了防止出现负值，将得到的差值进行绝对值化，最终得到横滚角角度差异，设定一个阈值，当翻滚角的角度差大于阈值时，则表示一次有效翻滚的第二个判定标准。
[0056]
所述的，判别有效翻滚的步骤如下：
[0057]
(1)与清醒状态相比，人在睡眠期间的肢体运动会明显地减少，因此，重力加速度是睡眠期间的平均加速度值的主要影响因素。因此，定义变量br,by,b
t
分别表示横滚轴、偏航轴、俯仰轴三个轴的平均加速度值，定义变量a为差异值。
[0058]at+1
＝(b
rt+1-b
rt
)2+(b
yt+1-b
yt
)2+(b
tt+1-b
tt
)2[0059]
式中，表示的a
t+1
是姿势差异，t表示的是时间，单位为min，通过相邻两时间点的各轴向平均加速度变化来计算姿势差异，姿势差异体现在前后1分钟各轴向的平均加速度变化。
[0060]
(2)mpu6050传感器直接测量的是角速度和加速度，其自带的数字运动处理引擎dmp可以将直接测量值转换为四元数q0，q1，q2，q3，得到的四元数利用四元数算法解姿态原理得到最终的姿态角，下面对姿态角与睡眠质量关系进行详述。
[0061]
四元数算法解得的姿态角如下：
[0062]
α＝-arcsin(2(q1q
3-q0q2))
[0063][0064][0065]
式中，α—横滚角，β—俯仰角，γ—偏航角。
[0066]
由于本系统主要检测用户的翻转情况，因此只需用到横滚角，将相邻时间的横滚角角度值进行相减，为了防止出现负值，将得到的差值进行绝对值化，最终得到横滚角角度差异，如公式所示：
[0067]
|n
rt+1-n
rt
|≤w
[0068]
式中：n
rt+1
和n
rt
分别表示t+1时刻和t时刻的横滚角，w表示翻滚的阈值，当翻滚角的角度差大于阈值时，则表示一次有效翻滚。
[0069]
远程监控中心在pc机上实现，利用qt软件开发根据开发用户操作软件，它采用c++语言开发。例如开发控制台、服务器程序等。
[0070]
远程监控中心包括用户操作软件、手机用户和mysql数据库，所述用户操作软件包括服务器模块、用户数据管理模块、数据管理模块；服务器模块主要用于接收主控终端传过来的数据；用户管理模块用于实现用户操作软件的用户注册、登录和信息修改功能；数据管理模块用于查看所采集到的环境数据和是否有摔倒行为。所述用户操作软件的功能包括：1.给主控终端模块提供传输接口，使主控终端可以向远程监控中心传输所采集的环境数据，这个过程可用socket编程来实现，主控终端作为客户端，pc作为服务端，用户操作软件的服务器程序收到数据后自动将数据处理存储到mysql数据库中。2.实现数据显示，便于用户查询、增删查改等相关数据。3.用户操作软件还包括用户的注册、登录、注销；所述手机用户是指手机安卓app与监控中心通过tcp/ip通信进行连接，实时查询室内环境。所述mysql数据库用于存储用户操作软件接收到的数据，通过mysql提供的接口访问数据，以便未来想查询历史数据时可以查询数据库来了解之前的记录。
[0071]
图6为实施例的远程监控中心软件设计架构图，在支持mysql的基础上，利用qt开发工具实现的用户操作软件有服务器模块、用户管理模块、数据管理模块、地图定位模块。如图7为远程监控中心用户操作软件截图，用户操作软件界面中显示模块分别是：服务器模块、用户管理模块、数据管理模块，在用户操作软件的界面点击数据管理模块按钮就能看到主控终端发送过来的数据。
[0072]
1)服务器模块
[0073]
服务器模块主要用于实现socket通信，服务器模块运行服务器程序，创建ip地址和端口号，主控终端在gprs模块驱动程序处固定好服务器模块提供的ip地址和端口号，按照socket编程通信规则即可实现数据远程传输接收。服务器模块收到数据后将数据存储到本地mysql数据库中。
[0074]
2)用户管理模块
[0075]
用户管理模块负责实现使用操作软件的用户进行注册、登录、修改用户信息等功能，并将用户相关数据存储在mysql数据库中。
[0076]
3)数据管理模块
[0077]
数据管理模块主要用于将主控终端传过来的数据显示出来，便于用户查看。

技术特征：
1.基于zigbee的无线网络室内远程监测系统，其特征在于：包括zigbee无线传感器网络模块、stm32主控平台、远程监控中心；所述zigbee无线传感器网络模块包括一个协调器和多个终端节点，终端节点用于采集居家环境数据，协调器用于网络启动、配置信道和网络标识符，并采用改进的安全加密方法对居家环境数据进行传输；所述stm32主控平台接收居家环境数据，先采用滑动滤波算法进行滤波处理，然后将滤波后的结果用三次指数平滑法优化居家环境数据，及对人体睡眠质量进行检测，并根据环境情况调用继电器适当改变环境；所述远程监控中心包括上位机软件、手机用户和数据库，上位机软件实时显示被检测者睡眠质量及室内环境状况和实现用户管理、服务器和数据管理，手机用户实时查询上位机的数据，数据库存储监控端采集的睡眠数据和室内环境数据。2.根据权利要求1所述基于zigbee的无线网络室内远程监测系统，其特征在于：所述滑动滤波算法采用的公式为式中p为均值滤波后的输出值，n为采集测量次数，i表示第i次，m为滑动均值滤波窗口的大小，q为测量值。3.根据权利要求1所述基于zigbee的无线网络室内远程监测系统，其特征在于：所述三次指数平滑法的递推公式为：滑法的递推公式为：滑法的递推公式为：式中，α为加权系数，0<α<1，x
i
(t)为传感器节点i在t时刻采集的数据，分别为传感器i在t时刻采集测量数据的一次、二次和三次平滑值，分别为传感器i在t-1时刻采集测量数据的一次、二次和三次平滑值。4.根据权利要求1所述基于zigbee的无线网络室内远程监测系统，其特征在于：所述改进的安全加密方法将zigbee无线传感器网络模块中的发起节点和响应节点的mac地址作为每个节点的身份标识符id
i
，并为每个节点分配一个私钥k
i
，时间戳t用于确保会话密钥的新鲜度，将私钥k
i
和时间戳t作为哈希算法的输入，转换为压缩散列值后发送给协调器，协调器储存了所有节点的私钥k
i
和身份id
i
，收到节点的压缩散列值后进行对比判断节点身份是否伪造，确定身份合法后用各自节点的私钥对两个节点的临时会话密钥k
m
进行加密发送给节点，使用通信期间共享的一次性临时会话密钥k
m
对数据进行加密和解密。5.根据权利要求4所述基于zigbee的无线网络室内远程监测系统，其特征在于：所述改进的安全加密方法具体包括以下步骤：(1)x与y建立通信，x向y发送身份id
x
、时间戳t
x
和哈希值h
x
，其中h
x
＝h(k
x
,t
x
)；(2)y重复步骤(1)，得到h
y
，将收到x传来的身份id
x
、时间戳t
x
和哈希值h
x
和自己产生的身份id
y
、时间戳t
y
和哈希值h
y
发送至信任中心；
(3)信任中心首先对y发来的身份id
x
对比数据库得到k
x
，再与时间戳t
x
进行哈希运算得到h
x*
，同理可得h
y*
，将h
x*
和h
y*
分别与h
x
和h
y
进行对比，假若数值都相等就表明x与y的身份是合法的，可以发送临时会话密钥k
m
；(4)通过验证后信任中心生成临时会话密钥k
m
并分别使用k
x
和k
y
以加密形式发送给x和y，同时也使用时间戳t
x
和t
y
提供针对重放攻击的保护；(5)x和y各自收到k
x
和k
y
加密的文件，用各自的私钥进行解密得到临时会话的密钥k
m
，后面就可以用k
m
对要发送的数据进行加密传输。6.基于zigbee的无线网络室内远程监测方法，其特征在于，包括以下步骤：终端节点采集居家环境数据，采用改进的安全加密方法与协调器建立通信，然后将居家环境数据传输到stm32主控平台；stm32主控平台接收居家环境数据，先采用滑动滤波算法进行滤波处理，然后将滤波后的结果用三次指数平滑法优化居家环境数据，及对人体睡眠质量进行检测，并根据环境情况调用继电器适当改变环境；stm32主控平台通过gprs技术将环境数据发送到远程监控中心；远程监控中心通过上位机软件或手机用户实时显示被检测者睡眠质量及室内环境状况。7.根据权利要求6所述基于zigbee的无线网络室内远程监测方法，其特征在于：所述改进的安全加密方法将zigbee无线传感器网络模块中的发起节点和响应节点的mac地址作为每个节点的身份标识符id
i
，并为每个节点分配一个私钥k
i
，时间戳t用于确保会话密钥的新鲜度，将私钥k
i
和时间戳t作为哈希算法的输入，转换为压缩散列值后发送给协调器，协调器储存了所有节点的私钥k
i
和身份id
i
，收到节点的压缩散列值后进行对比判断节点身份是否伪造，确定身份合法后用各自节点的私钥对两个节点的临时会话密钥k
m
进行加密发送给节点，使用通信期间共享的一次性临时会话密钥k
m
对数据进行加密和解密。8.根据权利要求7所述基于zigbee的无线网络室内远程监测方法，其特征在于：所述改进的安全加密方法具体包括以下步骤：(1)x与y建立通信，x向y发送身份id
x
、时间戳t
x
和哈希值h
x
，其中h
x
＝h(k
x
,t
x
)；(2)y重复步骤(1)，得到h
y
，将收到x传来的身份id
x
、时间戳t
x
和哈希值h
x
和自己产生的身份id
y
、时间戳t
y
和哈希值h
y
发送至信任中心；(3)信任中心首先对y发来的身份id
x
对比数据库得到k
x
，再与时间戳t
x
进行哈希运算得到h
x*
，同理可得h
y*
，将h
x*
和h
y*
分别与h
x
和h
y
进行对比，假若数值都相等就表明x与y的身份是合法的，可以发送临时会话密钥k
m
；(4)通过验证后信任中心生成临时会话密钥k
m
并分别使用k
x
和k
y
以加密形式发送给x和y，同时也使用时间戳t
x
和t
y
提供针对重放攻击的保护；(5)x和y各自收到k
x
和k
y
加密的文件，用各自的私钥进行解密得到临时会话的密钥k
m
，后面就可以用k
m
对要发送的数据进行加密传输。9.根据权利要求6所述基于zigbee的无线网络室内远程监测方法，其特征在于：所述滑动滤波算法采用的公式为
式中p为均值滤波后的输出值，n为采集测量次数，i表示第i次，m为滑动均值滤波窗口的大小，q为测量值。10.根据权利要求6所述基于zigbee的无线网络室内远程监测方法，其特征在于：所述三次指数平滑法的递推公式为：三次指数平滑法的递推公式为：三次指数平滑法的递推公式为：式中，α为加权系数，0<α<1，x
i
(t)为传感器节点i在t时刻采集的数据，分别为传感器i在t时刻采集测量数据的一次、二次和三次平滑值，分别为传感器i在t-1时刻采集测量数据的一次、二次和三次平滑值。

技术总结
本发明公开了一种基于ZigBee的无线网络室内远程监测系统及方法，包括ZigBee无线传感器网络模块、STM32主控平台、远程监控端。ZigBee网络包括协调器和终端节点，协调器和终端节点之间组网，当有终端节点连接时，可以向协调器发送数据进行通信；终端节点把采集的环境数据传输给协调器；主控终端模块从协调器处获取环境数据，同时还负责对人体的睡眠情况进行检测，并将环境数据和睡眠质量检测的信息发送到远程监控，另外根据环境情况调用环境调控设备进行环境调控；远程监控中心将接收到的数据存储到本地数据库中，并可以对数据进行增、删、改、查和实现显示等操作。本发明可以实现对居住环境和睡眠质量的实时监测，当环境数据异常状况时，以便能及时做出应对措施。以便能及时做出应对措施。以便能及时做出应对措施。


技术研发人员：郭晓金 刘煌 张哲
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：2022.01.28
技术公布日：2022/5/25