基于物聯(lián)網(wǎng)的水資源環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究

歐 軍

（海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海南 571400）

0 引言

在傳統(tǒng)的水資源監(jiān)測系統(tǒng)中，一直存在著諸多的不足：比如，監(jiān)測結(jié)點(diǎn)分散，數(shù)據(jù)無法及時傳遞、信息滯后，人工進(jìn)行數(shù)據(jù)取樣，有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊?。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，水資源環(huán)境實時監(jiān)測技術(shù)得以實現(xiàn)。該系統(tǒng)結(jié)合傳感器技術(shù)、ZigBee技術(shù)、Android技術(shù)實現(xiàn)水資源環(huán)境的實時監(jiān)測及查詢。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中第一層是感知層，該層最重要的要素就是傳感器，傳感器是一種能感受到被測量信息，能夠檢測到感受到的信息，并能將探知的信息傳遞給其他裝置的物理裝置。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，傳感器的功能是對各種參量進(jìn)行信息采集和簡單加工處理。第二層是網(wǎng)絡(luò)層，該層由短距離傳輸?shù)腪igBee網(wǎng)絡(luò)組成，ZigBee具用功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、工作頻段靈活等特點(diǎn)。第三層是應(yīng)用層，該層將感知層和傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，做出正確的控制和決策，并通過各種設(shè)備實現(xiàn)人機(jī)交互，進(jìn)行智能化的管理、應(yīng)用和服務(wù)。

1 傳感器

我國傳感器產(chǎn)業(yè)相對國外來說，比較落后，生產(chǎn)的傳感器穩(wěn)定性差、價格高，當(dāng)前在一些高端的應(yīng)用上，仍需要采用國外的傳感器。通常傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成，如圖2所示。

圖2 傳感器原理圖

敏感元件是直接感受被測量，并且輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件；敏感元件的輸出是轉(zhuǎn)換元件的輸入，把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量；基本轉(zhuǎn)換電路把敏感元件的輸出經(jīng)轉(zhuǎn)換元件的輸出再轉(zhuǎn)換成電量輸出。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展與完善，傳感器也由普通型轉(zhuǎn)換成智能型。智能傳感器擁有微處理器，集成了采集、處理、交換信息的能力，是傳感器與微處理機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。智能傳感器由被測量、傳感器、信號調(diào)用電路、微處理器、輸出接口、數(shù)字量輸出六部分組成。它具有精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、可信度高、信噪比高、分辨率高、自適應(yīng)性強(qiáng)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，部署后很難及時進(jìn)行電能補(bǔ)充，如何利用有效能量，延長傳感器節(jié)點(diǎn)及其網(wǎng)絡(luò)的生命周期是傳感器網(wǎng)絡(luò)所要解決的關(guān)鍵問題。采用Delaunay三角剖分對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分割，刪除覆蓋區(qū)域的冗余節(jié)點(diǎn)，平衡能量消耗。假設(shè)V是二維實數(shù)域上的有限點(diǎn)集，邊e是由點(diǎn)集中的點(diǎn)作為端點(diǎn)構(gòu)成的封閉線段，E為e的集合。那么該點(diǎn)集V的一個三角剖分T=（V，E）是一個平面圖G，該平面圖滿足條件：（1）除了端點(diǎn)，平面圖中的邊不包含點(diǎn)集中的任何點(diǎn)；（2）沒有相交邊；（3）平面圖中所有的面都是三角面，且所有三角面的合集是散點(diǎn)集V的凸包。Delaunay三角剖分要求網(wǎng)絡(luò)中的每個三角形的外接圓在其內(nèi)部不包含給定集合的任何點(diǎn)，從而使Delaunay三角剖分不但唯一而且最優(yōu)。在初步部署形成的節(jié)點(diǎn)位置集上，采用三角剖分算法生成探測區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)部署候選位置。在所生成的三角外接圓中，有一部分圓不包含已有的節(jié)點(diǎn)，這些圓心將按外接圓的半徑大小降序排列，成為新增節(jié)點(diǎn)的候選部署位置。通過三角剖分的節(jié)點(diǎn)，能夠反映網(wǎng)絡(luò)連接的優(yōu)劣。以Delaunay三角剖分形成的各邊為結(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，是最優(yōu)地降低了能耗，如圖3所示。

圖3 Delaunay三角剖分優(yōu)化對比圖

2 傳感網(wǎng)絡(luò)

2.1 數(shù)據(jù)管理

在物聯(lián)網(wǎng)體系中，分布式動態(tài)實時數(shù)據(jù)管理是以數(shù)據(jù)中心為特征的重要技術(shù)。傳感網(wǎng)可作為分布式數(shù)據(jù)庫獨(dú)立存在，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時、動態(tài)管理。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方法和網(wǎng)絡(luò)的具體實現(xiàn)方法分開。數(shù)據(jù)管理主要包括對感知數(shù)據(jù)的捕獲、存儲、查詢、挖掘和操作。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中利用感知數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，減少冗余數(shù)據(jù)的發(fā)送，從而延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。同時，當(dāng)節(jié)點(diǎn)損壞或數(shù)據(jù)丟失時，可以利用相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行查找。數(shù)據(jù)存儲的方式可以采用集中式存儲，節(jié)點(diǎn)捕獲的數(shù)據(jù)都發(fā)送到固定節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中存儲數(shù)據(jù)，這種策略獲得的數(shù)據(jù)比較完整，可以進(jìn)行復(fù)雜的查詢和處理。

2.2 網(wǎng)絡(luò)安全

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless sensor network)是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，通過大量低成本、資源受限的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備協(xié)同工作實現(xiàn)某一項任務(wù)。傳感網(wǎng)在較為復(fù)雜的環(huán)境中部署大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，面臨著傳感器節(jié)點(diǎn)被人為物理操縱，獲取存儲在傳感器節(jié)點(diǎn)中的所有信息，從而達(dá)到控制網(wǎng)絡(luò)的目的。目前因為考慮傳感器的成本，在實際使用中的傳感器功能較單一，具有很大漏洞，入侵者通過這個漏洞可以方便地獲取傳感器節(jié)點(diǎn)中的私有信息，修改傳感器節(jié)點(diǎn)中的代碼使得傳感器節(jié)點(diǎn)具有多個身份 ID，并且以這些身份在傳感網(wǎng)中進(jìn)行通信。入侵者可以讀取傳感器節(jié)點(diǎn)中的私有信息，偽造或偽裝成合法節(jié)點(diǎn)加入到傳感網(wǎng)中，一旦控制傳感網(wǎng)中一部分節(jié)點(diǎn)，則可以監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)信息，向傳感網(wǎng)發(fā)送假的路由信息或傳送假的傳感信息，進(jìn)行拒絕服務(wù)攻擊。因此在進(jìn)行WSN設(shè)計時，要充分考慮WSN的安全認(rèn)證機(jī)制。

WSN的安全目標(biāo)與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)安全目標(biāo)一樣都是要求機(jī)密性、完整性、可用性等。安全保護(hù)的對象是節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)安全指的是兩個節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)母鞣N報文安全；節(jié)點(diǎn)安全指的是針對傳感器節(jié)點(diǎn)被物理破解并被惡意偽裝，網(wǎng)絡(luò)能夠迅速發(fā)現(xiàn)異常結(jié)點(diǎn)，并能及時制止。采用公鑰加密算法對傳遞數(shù)據(jù)簡單加密已經(jīng)不能解決數(shù)據(jù)安全問題，因為當(dāng)節(jié)點(diǎn)被破解后，公鑰信息也將被破解。在數(shù)據(jù)安全防護(hù)中可以采動態(tài)加密及隨機(jī)數(shù)生成算法來進(jìn)行。隨機(jī)數(shù)進(jìn)行身份驗證，動態(tài)加密則解決了公鑰被竊后的加密問題，由于傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)容易被物理操縱是傳感網(wǎng)經(jīng)常遇到的問題,必須通過其他的技術(shù)方案來提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性能。比如在通信前進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的身份認(rèn)證，在傳感網(wǎng)的不同區(qū)域采用不同的密鑰，這樣一旦一個區(qū)域被攻破也不至于對其他區(qū)域造成巨大的破壞影響。傳感器網(wǎng)絡(luò)是以收集信息為主要目的，攻擊者可以通過竊聽的方式從多路信息中獲取有限信息，并通過特定的算法分析出其中的私有問題。一方面可以采取數(shù)據(jù)加密來保護(hù)可能被竊取的信息，同時通過訪問控制約束攻擊者的活動；另一方面可以限制網(wǎng)絡(luò)所發(fā)送信息的粒度，降低信息數(shù)據(jù)的細(xì)化程度，細(xì)化程度越低，破解的可能性就越小。

Dos攻擊主要用于破壞網(wǎng)絡(luò)的可用性，減少、降低執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)執(zhí)行某一功能能力的任何事件。入侵者可以發(fā)起快速消耗傳感器節(jié)點(diǎn)能量的攻擊，比如，向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)連續(xù)發(fā)送大量無用信息，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)就會消耗能量處理這些信息，并把這些信息傳送給其他節(jié)點(diǎn)。如果入侵者物理復(fù)制傳感器節(jié)點(diǎn)，那么可以偽裝或偽造成合法節(jié)點(diǎn)發(fā)起Dos攻擊。比如，產(chǎn)生一個循環(huán)路由，耗盡這個循環(huán)中節(jié)點(diǎn)的能量。針對Dos攻擊可以通過對傳感器節(jié)點(diǎn)軟件的合法性認(rèn)證來確認(rèn)節(jié)點(diǎn)本身的真假，減少假節(jié)點(diǎn)數(shù)目，降低產(chǎn)生Dos攻擊的機(jī)率。

3 ZigBee技術(shù)

ZigBee是 ZigBee聯(lián)盟制定的面向低速無線個人區(qū)域的雙向無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它是基于OSI 七層模型的，包括高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、媒體接入層和物理層。其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層使用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟定義。ZigBee是一種低成本、低能耗的無線通信協(xié)議或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。采用物理層及MAC層規(guī)范，規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層規(guī)范。網(wǎng)絡(luò)層能夠支持星形、樹形以及對等形多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕⒑途S護(hù)，以及設(shè)備的查找和路由等功能。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，采用碰撞避免機(jī)制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留專用時隙，避免發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。中間訪問控制層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多65536個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。ZigBee由中心節(jié)點(diǎn)控制進(jìn)行終端與中心控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，發(fā)出入網(wǎng)請求電位，由中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分配給終端唯一標(biāo)識的網(wǎng)絡(luò)地址。當(dāng)終端得到網(wǎng)絡(luò)地址后，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果終端到中心節(jié)點(diǎn)的距離過多，則數(shù)據(jù)需要ZigBee路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括兩種無線設(shè)備：全功能設(shè)備(FFD)和精簡功能設(shè)備(RFD)，其中FFD可以與FFD、RFD通信，而RFD只能和FFD通信，不能與RFD之間通信。RFD在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，只負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給它的協(xié)調(diào)點(diǎn)，不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)的功能。在一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，至少存在一個FFD來承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)點(diǎn)，即PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)。PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)只能有一個，它具有強(qiáng)大的功能，是整個網(wǎng)絡(luò)的主要控制者，負(fù)責(zé)建立新的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)以及存儲網(wǎng)絡(luò)信息等。

在ZigBee組網(wǎng)過程中，只有PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)可以建立一個新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)PAN要建立新的網(wǎng)絡(luò)時，首先要掃描信道，查找網(wǎng)絡(luò)中一個空閑信道來建立新的網(wǎng)絡(luò)，如果找到了合適的信道，協(xié)調(diào)點(diǎn)會為新的網(wǎng)絡(luò)選擇一個唯一的PAN標(biāo)識符。一旦選定了 PAN標(biāo)識符，就表明已經(jīng)建立了新的網(wǎng)絡(luò)。如果其它ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)掃描該信道，這個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)會響應(yīng)表明已建立網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)協(xié)調(diào)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)后，就開始接收新的節(jié)點(diǎn)加入其網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)想加入該網(wǎng)絡(luò)時，它首先會通過信道掃描來查找它周圍的網(wǎng)絡(luò)，如果找到了網(wǎng)絡(luò)，它會進(jìn)行關(guān)聯(lián)過程加入網(wǎng)絡(luò)，只有具備路由功能的節(jié)點(diǎn)才能允許別的節(jié)點(diǎn)通過它關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中每個具備路由功能的節(jié)點(diǎn)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，以及關(guān)聯(lián)其他節(jié)點(diǎn)來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。

4 前端查詢

在應(yīng)用層中，可以通過智能手機(jī)、平板電腦、電腦終端訪問水資源環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)查詢當(dāng)日水質(zhì)情況。為了方便查詢，以現(xiàn)在普及使用的智能手機(jī)為訪問終端，開發(fā)前端訪問平臺，查詢測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 水質(zhì)監(jiān)測查詢結(jié)果

2011年我國的手機(jī)用戶已經(jīng)超過了11億，在電話用戶總數(shù)中所占的比重達(dá)到 80.0%。中國移動、中國電信、中國聯(lián)通三家通信運(yùn)營商所采用的移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)也不相同，分別為TD SCDMA（注：為我國研發(fā)的 3G標(biāo)準(zhǔn)）、CDMA2000、WCDMA?，F(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡(luò)分2G和3G兩種，3G網(wǎng)絡(luò)比2G網(wǎng)絡(luò)支持的數(shù)據(jù)帶寬更高，理論的最高上網(wǎng)速度可達(dá)14.4Mbit/s。3G網(wǎng)絡(luò)支持的業(yè)務(wù)也更廣泛：可視電話、高速數(shù)據(jù)上網(wǎng)、WAP、彩信、話音、短信等業(yè)務(wù)。伴隨著網(wǎng)速提升，相應(yīng)開發(fā)平臺也得以快速發(fā)展。移動開發(fā)平臺以Android為主流方向，它是Google公司于2007年11月宣布的基于Linux平臺的開源手機(jī)操作系統(tǒng)，該平臺由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件組成。Android產(chǎn)品線較為豐富，覆蓋到商務(wù)、時尚、娛樂、中低端市場等各種人群。Android的優(yōu)勢在于對第三方軟件完全開放，免費(fèi)向開發(fā)人員提供，而且集成了大量的Google應(yīng)用：Google地圖、Gmail郵箱等。Android主要支持的開發(fā)語言為Java和C++。搭建開發(fā)平臺必須

安裝JDK（Java Development Kit），它是為Java開發(fā)者提供的一組開發(fā)工具包，包括了Java運(yùn)行環(huán)境（JRE，Java Runtime Environment），一組Java工具和Java標(biāo)準(zhǔn)API類庫；其次還要安裝集成開發(fā)環(huán)境（IDE, Integrated Development Environment），它旨在提供一個綜合的圖形用戶開發(fā)環(huán)境，方便程序員進(jìn)行軟件開發(fā)。一般集成了程序生成器、代碼編輯器、編譯器、調(diào)試器和發(fā)布器等，具有代碼編寫、管理、分析、編譯、調(diào)試和發(fā)布等功能。開發(fā) Java程序常用的 IDE工具有Eclipse、MyEclipse、NetBeans，在移動通訊軟件開發(fā)中通常使用Eclipse+JDK組合。

5 結(jié)束語

在水資源環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中需要大量的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，如PH值、電導(dǎo)率、含氧量等，采用Delaunay算法解決了傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的節(jié)點(diǎn)數(shù)選取，采用Delaunay三角剖分對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分割，刪除覆蓋區(qū)域的冗余節(jié)點(diǎn)，以Delaunay三角剖分形成的各邊為結(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞平衡能量消耗。傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)管理與網(wǎng)絡(luò)布署分開進(jìn)行，把傳感器網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)邏輯視圖和網(wǎng)絡(luò)的物理實現(xiàn)分離開來，使用戶和應(yīng)用程序只需關(guān)心查詢的邏輯結(jié)構(gòu)，而無須關(guān)心傳感網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。通過身份驗證和動態(tài)口令加密對傳感器在物理上和數(shù)據(jù)上設(shè)置安全過濾機(jī)制，以防竊聽、防 Dos、防定位、防偽造。在傳輸層，使用近距離低成本的 ZigBee技術(shù)，在實際運(yùn)行中經(jīng)常會交替使用一些傳輸手段，比如，當(dāng)要求長距離傳輸和高速傳輸時就會采用 GPRS（General Packet Radio Service），該技術(shù)是一種無線分組交換技術(shù)，提拱端到端的、廣域的無線IP連接。GPRS是一項高速數(shù)據(jù)處理技術(shù)，其廣泛用于信息查詢、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。

本系統(tǒng)針對分布范圍廣、布局復(fù)雜的水資源提出一種監(jiān)測方法，在實際的監(jiān)測運(yùn)行中取得了一些成效。在本系統(tǒng)的運(yùn)行中，感知層的作用極其重要，是整個監(jiān)測系統(tǒng)能否良好運(yùn)行的基石。感知層的核心部件傳感器的性能就決定著監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。傳感器技術(shù)國產(chǎn)化需求迫切，作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸，傳感器成為整個產(chǎn)業(yè)鏈中的優(yōu)勢環(huán)節(jié)，不可缺少的。物聯(lián)網(wǎng)的安全機(jī)制也需要進(jìn)一步加強(qiáng)，特別是信息在發(fā)送和接收的過程需要加密和解密，加密算法的研究是物聯(lián)網(wǎng)前進(jìn)的動力。RFID電子標(biāo)簽的身份認(rèn)證也同樣需要不斷完善，確保入網(wǎng)的設(shè)備不是偽造或偽裝，防止被欺騙。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在未來的研究工作仍會是不斷提高傳感器節(jié)點(diǎn)的時效性、數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，信息數(shù)據(jù)的安全性。

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