基于Zig Be e技術(shù)的遙感數(shù)據(jù)傳輸完整度監(jiān)測(cè)研究

李金營(yíng) 王竹海 曹俊娥

（1.山東衛(wèi)測(cè)地理信息科技有限公司，山東 濱州 251900

2.無(wú)棣縣自然資源和規(guī)劃局，山東 濱州 251900）

0.引言

遙感數(shù)據(jù)都是從外界獲取并輸入的，但是在整個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸過程中，有各種各樣的隨機(jī)因素可能會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸造成干擾，使最終輸入的數(shù)據(jù)信息變成錯(cuò)誤信息。數(shù)據(jù)完整度就是針對(duì)這一問題提出的，具體指的就是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的可靠性和精準(zhǔn)性，為了徹底清除無(wú)效信息在數(shù)據(jù)庫(kù)中的存在，以及不符合語(yǔ)義規(guī)定等一系列問題的出現(xiàn)，就要采用各種方法對(duì)數(shù)據(jù)傳輸模式進(jìn)行優(yōu)化，監(jiān)測(cè)整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程，保障數(shù)據(jù)的完整傳輸，并保證最后數(shù)據(jù)庫(kù)中所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)安全準(zhǔn)確。

1.基于ZigBee技術(shù)的遙感數(shù)據(jù)傳輸完整度監(jiān)測(cè)方法研究

ZigBee技術(shù)是目前新興起的計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)，引領(lǐng)了監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，這幾年來(lái)ZigBee技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域之中，幾乎所有的相關(guān)信息技術(shù)公司都在研究ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)以分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，把網(wǎng)絡(luò)群應(yīng)用技術(shù)運(yùn)用到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程中，并將龐大的數(shù)據(jù)傳到云端加以保存，其中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理是整個(gè)技術(shù)的核心，兩者都是為了保證云端數(shù)據(jù)的安全。將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到遙感數(shù)據(jù)傳輸完整度監(jiān)測(cè)中，可以快速獲取遙感數(shù)據(jù)，并形成遙感影像，及時(shí)發(fā)展彌補(bǔ)在監(jiān)測(cè)中存在的不足。遙感采集的數(shù)據(jù)信息量十分大，數(shù)據(jù)類型非常多，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，沒辦法直接分析并利用，但是ZigBee技術(shù)的分布式管理與存儲(chǔ)剛好能夠?qū)b感傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和統(tǒng)一管理，讓遙感傳輸業(yè)務(wù)能夠不斷發(fā)展壯大。不過隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量也越來(lái)越大，數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測(cè)與管理難度也越來(lái)越高，所以，基于ZigBee技術(shù)的遙感傳輸數(shù)據(jù)完整度監(jiān)測(cè)方法研究有著重大意義。

1.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

要對(duì)ZigBee技術(shù)加以運(yùn)用就要先了解ZigBee技術(shù)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)。具體介紹（如圖1所示）：

圖1 ZigBee技術(shù)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

由圖1可以看出：ZigBee技術(shù)中各個(gè)環(huán)節(jié)的聯(lián)系都十分緊密，可以做到實(shí)時(shí)監(jiān)控遙感數(shù)據(jù)傳輸。為了保證能夠?qū)崟r(shí)高效地處理從外界采集到的遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)研究決定采用流式數(shù)據(jù)處理框架，依據(jù)實(shí)際情況，采取合適的編碼方式，把獲得的遙感數(shù)據(jù)信息，根據(jù)規(guī)定的編碼順序進(jìn)行排列。利用各個(gè)移動(dòng)基站，把獲取到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理平臺(tái)[1]，另外每個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都要根據(jù)ZigBee技術(shù)中的定界符對(duì)字段進(jìn)行劃分，并把劃分好的字段保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便監(jiān)測(cè)人員隨時(shí)隨地在監(jiān)測(cè)終端找到他們所需要的數(shù)據(jù)。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理主要由兩部分組成，通過遙感獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)端口，然后根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的框架，對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類存放。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理這一過程需要對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、大量存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等要求，其中，數(shù)據(jù)處理部分主要功能就是劃分和界定所采集到的信息。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)也可以對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，但是效率非常低，耗時(shí)極長(zhǎng)，面對(duì)如今的海量數(shù)據(jù)處理，沒辦法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理。而遙感數(shù)據(jù)的傳輸一般都需要在短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理并將信息呈現(xiàn)出來(lái)，這就需要用戶通過特定的瀏覽渠道訪問監(jiān)測(cè)網(wǎng)站[2-5]，向管理員發(fā)布監(jiān)測(cè)要求，當(dāng)要求通過審核后，就可以發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)，并從監(jiān)測(cè)終端獲取所需要的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)這一過程的操作需要數(shù)據(jù)完整度協(xié)議的幫助，對(duì)關(guān)鍵信息進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸完整度協(xié)議制定

遙感傳輸數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)主要依賴多個(gè)副本來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)，從而來(lái)增加可用數(shù)據(jù)的數(shù)量，同時(shí)使用多個(gè)副本對(duì)數(shù)據(jù)的完整度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，既需要保證每個(gè)數(shù)據(jù)副本中的數(shù)據(jù)都是完整的，又要滿足每個(gè)副本都存儲(chǔ)在相應(yīng)的服務(wù)器當(dāng)中。但是這種情況可能會(huì)讓服務(wù)器與用戶之間產(chǎn)生一些問題，用戶可能會(huì)不滿，這時(shí)候就需要利用第三方數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。假設(shè)副本D1，D2……Dn與文件D大小相等，用戶將副本D1，D2……Dn存儲(chǔ)在一個(gè)多副本可證明數(shù)據(jù)持有系統(tǒng)中時(shí)，需要保證該系統(tǒng)的可使用存儲(chǔ)量是單個(gè)副本的a倍。此時(shí)，文件D即可看作若干個(gè)數(shù)據(jù)分塊文件組合而成的整體如式（1）所示：

在此基礎(chǔ)上，將其中每個(gè)單獨(dú)分塊的大小設(shè)定為g，將所生成的文件副本D1，D2，…，Dn存儲(chǔ)在1個(gè)服務(wù)器當(dāng)中。

在運(yùn)行Key Gen函數(shù)如式（2）所示：

經(jīng)過以上操作，用戶就能夠?qū)⒚總€(gè)副本存儲(chǔ)在所對(duì)應(yīng)的服務(wù)器里面，這樣一來(lái)就實(shí)現(xiàn)了原始文件的刪除備份以及整個(gè)副本的標(biāo)識(shí)驗(yàn)證。

在對(duì)計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，利用智能卡作為輔助工具幫助認(rèn)證，可以大幅度地提高遙感傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)安全。首先用戶需要在監(jiān)測(cè)服務(wù)器當(dāng)中進(jìn)行實(shí)名認(rèn)證并注冊(cè)賬號(hào)，利用得到的有效的ID和密碼，進(jìn)入監(jiān)測(cè)的調(diào)試階段，這時(shí)候用戶的認(rèn)證請(qǐng)求就會(huì)發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器，接收到用戶請(qǐng)求后，服務(wù)器會(huì)以實(shí)際情況為依據(jù)進(jìn)行判斷，來(lái)決定是否接受用戶請(qǐng)求。

此外，遙感數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程當(dāng)中很可能會(huì)受到服務(wù)器的佯裝攻擊，讓用戶丟失智能卡口令，這樣就會(huì)降低遙感傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)安全系數(shù)。為了杜絕這種現(xiàn)象的發(fā)生，抵御離線口令的佯裝攻擊，用戶和服務(wù)器之間要對(duì)彼此都進(jìn)行身份認(rèn)證。ZigBee技術(shù)會(huì)對(duì)用戶的訪問次數(shù)進(jìn)行限制，在特定時(shí)間范圍內(nèi)，只可以訪問某部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而來(lái)提高數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的可靠性，在這個(gè)基礎(chǔ)上就可以實(shí)現(xiàn)遙感傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完整度監(jiān)測(cè)。

1.3 遙感數(shù)據(jù)完整度監(jiān)測(cè)

由于遙感傳輸數(shù)據(jù)的完整度很容易受到外界環(huán)境的干擾，導(dǎo)致傳輸過程中會(huì)出現(xiàn)到達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)間不統(tǒng)一的情況[6]。另外在時(shí)域內(nèi)持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的混合傳輸過程中，無(wú)法直接對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。所以，為了保證對(duì)遙感數(shù)據(jù)完整度的監(jiān)測(cè)，要構(gòu)建一個(gè)濾波器，以濾波為基礎(chǔ)提取出數(shù)據(jù)的完整度特征，最后根據(jù)提取出來(lái)的特征情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。濾波器的工作流程（如圖2所示）：

圖2 濾波器的工作流程

依照遙感傳輸數(shù)據(jù)完整度協(xié)議，進(jìn)一步計(jì)算出遙感傳輸數(shù)據(jù)的濾波，然后除掉不符合完整度協(xié)議的數(shù)據(jù)，具體的計(jì)算公式如式（3）所示：

式（3）中，A為遙感傳輸數(shù)據(jù)完整度；f1為遙感傳輸數(shù)據(jù)終止傳輸時(shí)間；f0為遙感傳輸數(shù)據(jù)開始傳輸時(shí)間；T為整個(gè)濾波的時(shí)長(zhǎng)。

設(shè)s（t）代表遙感傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，構(gòu)建一個(gè)與s（t）相匹配濾波器，其中，濾波器的長(zhǎng)度要與遙感傳輸數(shù)據(jù)s（t）相同，不設(shè)置延時(shí)；h（t）代表與濾波器相對(duì)應(yīng)的濾波回響，具體的計(jì)算公式如式（4）所示:

原數(shù)據(jù)的共軛線性就是與之相匹配的濾波器對(duì)應(yīng)的濾波響應(yīng)h（t）。采用匹配濾波器來(lái)采集遙感傳輸數(shù)據(jù)完整度y（t）特征；表達(dá)式如式（5）所示:

經(jīng)過以上過程采集到的遙感傳輸數(shù)據(jù)完整度特征，與ZigBee技術(shù)相結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其完整度的監(jiān)測(cè)。首先要把需要采集的遙感傳輸數(shù)據(jù)完整度特征儲(chǔ)存到ZigBee技術(shù)領(lǐng)域中，在整個(gè)存儲(chǔ)過程中，減小對(duì)完整度特征值產(chǎn)生的影響。然后,在卷積定理的基礎(chǔ)上,對(duì)遙感傳輸數(shù)據(jù)完整度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)表達(dá)式如式（6）所示：

公式（6）中，通過監(jiān)測(cè)公式計(jì)算得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果g（t）就是遙感傳輸數(shù)據(jù)完整度特征，從而說明對(duì)ZigBee技術(shù)加以運(yùn)用就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感傳輸數(shù)據(jù)完整度的監(jiān)測(cè)，以此通過上述過程實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾缺O(jiān)測(cè)。

2.實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的遙感數(shù)據(jù)傳輸完整度監(jiān)測(cè)方法的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并為了保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，將傳統(tǒng)方法與此次研究方法做對(duì)比。實(shí)驗(yàn)過程中，建立了模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬遙感傳輸數(shù)據(jù)完整性監(jiān)測(cè)過程。這一過程需要大量的遙感數(shù)據(jù)采集和傳輸，且實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要求較高，所以選用了ISPC-2082數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。為了進(jìn)行服務(wù)器擴(kuò)展，其相關(guān)參數(shù)（如表1所示）:

表1 實(shí)驗(yàn)服務(wù)器參數(shù)

基于以上硬件結(jié)構(gòu)，建立了由數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器組成的網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)。其具體組織（如圖3所示）：

圖3 物理結(jié)構(gòu)圖

在交換過程中，由應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)外部數(shù)據(jù)信息交換，由監(jiān)控服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?。可以在同一物理服?wù)器中部署這兩種類型的服務(wù)器。建立橫向可擴(kuò)展的分布式緩存系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)服務(wù)總線提供外部訪問接口，保證數(shù)據(jù)交換的順利進(jìn)行。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸丟失率對(duì)比

對(duì)比此次研究的監(jiān)測(cè)方法與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的數(shù)據(jù)傳輸丟失率，其對(duì)比結(jié)果（如圖4所示）：

圖4 數(shù)據(jù)傳輸丟失率對(duì)比

通過分析圖4能夠發(fā)現(xiàn)，此次研究的基于ZigBee技術(shù)的遙感數(shù)據(jù)傳輸完整度監(jiān)測(cè)方法較傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)傳輸丟失率低，較傳統(tǒng)方法應(yīng)用效果好。

2.2 監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間對(duì)比

通過對(duì)比圖5能夠看出，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法滿足當(dāng)前遙感數(shù)據(jù)傳輸完整度監(jiān)測(cè)需求，與此次研究的監(jiān)測(cè)方法相比可知，此次研究的方法響應(yīng)市場(chǎng)明顯較少，能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性需求（如圖5所示）：

綜上所述，此次研究的基于ZigBee技術(shù)的遙感數(shù)據(jù)傳輸完整度監(jiān)測(cè)方法解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法存在的問題，獲得較好監(jiān)測(cè)效果的原因是，此次研究的方法充分運(yùn)用了ZigBee技術(shù)，并制定了數(shù)據(jù)傳輸完整度協(xié)議，從而很大程度上提高了數(shù)據(jù)完整度監(jiān)測(cè)效果。

3.結(jié)束語(yǔ)

近幾年來(lái)遙感技術(shù)飛速發(fā)展，所需要進(jìn)行采集的遙感數(shù)據(jù)信息總量越來(lái)越多，許多相關(guān)行業(yè)和科研部門對(duì)于遙感數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笊?，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)水平不能滿足他們的要求。為此將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到遙感傳輸數(shù)據(jù)完整度的監(jiān)測(cè)過程當(dāng)中，充分發(fā)揮分布式處理方式的優(yōu)勢(shì)，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證最后抽取出的遙感數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性?；赯igBee技術(shù)的遙感數(shù)據(jù)傳輸完整度監(jiān)測(cè)可以滿足現(xiàn)在對(duì)于遙感數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>