基于物联网的水资源环境监测技术研究

欧 军

（海南软件职业技术学院 海南 571400）

0 引言

在传统的水资源监测系统中，一直存在着诸多的不足：比如，监测结点分散，数据无法及时传递、信息滞后，人工进行数据取样，有线网络数据传输等等。随着物联网技术的应用，水资源环境实时监测技术得以实现。该系统结合传感器技术、ZigBee技术、Android技术实现水资源环境的实时监测及查询。系统结构示意图如图1所示。

图1 系统结构示意图

物联网体系结构中第一层是感知层，该层最重要的要素就是传感器，传感器是一种能感受到被测量信息，能够检测到感受到的信息，并能将探知的信息传递给其他装置的物理装置。在物联网系统中，传感器的功能是对各种参量进行信息采集和简单加工处理。第二层是网络层，该层由短距离传输的ZigBee网络组成，ZigBee具用功耗低、成本低、网络容量大、工作频段灵活等特点。第三层是应用层，该层将感知层和传输来的数据进行分析和处理，做出正确的控制和决策，并通过各种设备实现人机交互，进行智能化的管理、应用和服务。

1 传感器

我国传感器产业相对国外来说，比较落后，生产的传感器稳定性差、价格高，当前在一些高端的应用上，仍需要采用国外的传感器。通常传感器由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，如图2所示。

图2 传感器原理图

敏感元件是直接感受被测量，并且输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件；敏感元件的输出是转换元件的输入，把输入转换成电路参量；基本转换电路把敏感元件的输出经转换元件的输出再转换成电量输出。随着物联网技术不断发展与完善，传感器也由普通型转换成智能型。智能传感器拥有微处理器，集成了采集、处理、交换信息的能力，是传感器与微处理机结合的产物。智能传感器由被测量、传感器、信号调用电路、微处理器、输出接口、数字量输出六部分组成。它具有精度高、稳定性强、可信度高、信噪比高、分辨率高、自适应性强。由于传感器节点一般采用电池供电，部署后很难及时进行电能补充，如何利用有效能量，延长传感器节点及其网络的生命周期是传感器网络所要解决的关键问题。采用Delaunay三角剖分对传感器网络进行分割，删除覆盖区域的冗余节点，平衡能量消耗。假设V是二维实数域上的有限点集，边e是由点集中的点作为端点构成的封闭线段，E为e的集合。那么该点集V的一个三角剖分T=（V，E）是一个平面图G，该平面图满足条件：（1）除了端点，平面图中的边不包含点集中的任何点；（2）没有相交边；（3）平面图中所有的面都是三角面，且所有三角面的合集是散点集V的凸包。Delaunay三角剖分要求网络中的每个三角形的外接圆在其内部不包含给定集合的任何点，从而使Delaunay三角剖分不但唯一而且最优。在初步部署形成的节点位置集上，采用三角剖分算法生成探测区域中的节点部署候选位置。在所生成的三角外接圆中，有一部分圆不包含已有的节点，这些圆心将按外接圆的半径大小降序排列，成为新增节点的候选部署位置。通过三角剖分的节点，能够反映网络连接的优劣。以Delaunay三角剖分形成的各边为结点进行数据传递，是最优地降低了能耗，如图3所示。

图3 Delaunay三角剖分优化对比图

2 传感网络

2.1 数据管理

在物联网体系中，分布式动态实时数据管理是以数据中心为特征的重要技术。传感网可作为分布式数据库独立存在，实现对数据的实时、动态管理。物联网数据处理方法和网络的具体实现方法分开。数据管理主要包括对感知数据的捕获、存储、查询、挖掘和操作。在传感器网络中利用感知数据的空间相关性进行数据融合，减少冗余数据的发送，从而延长网络生命周期。同时，当节点损坏或数据丢失时，可以利用相邻节点的数据进行查找。数据存储的方式可以采用集中式存储，节点捕获的数据都发送到固定节点，该节点进行集中存储数据，这种策略获得的数据比较完整，可以进行复杂的查询和处理。

2.2 网络安全

无线传感器网络(Wireless sensor network)是一种自组织网络，通过大量低成本、资源受限的传感器节点设备协同工作实现某一项任务。传感网在较为复杂的环境中部署大规模的网络，面临着传感器节点被人为物理操纵，获取存储在传感器节点中的所有信息，从而达到控制网络的目的。目前因为考虑传感器的成本，在实际使用中的传感器功能较单一，具有很大漏洞，入侵者通过这个漏洞可以方便地获取传感器节点中的私有信息，修改传感器节点中的代码使得传感器节点具有多个身份 ID，并且以这些身份在传感网中进行通信。入侵者可以读取传感器节点中的私有信息，伪造或伪装成合法节点加入到传感网中，一旦控制传感网中一部分节点，则可以监听网络信息，向传感网发送假的路由信息或传送假的传感信息，进行拒绝服务攻击。因此在进行WSN设计时，要充分考虑WSN的安全认证机制。

WSN的安全目标与互联网络安全目标一样都是要求机密性、完整性、可用性等。安全保护的对象是节点和数据。数据安全指的是两个节点之间传输的各种报文安全；节点安全指的是针对传感器节点被物理破解并被恶意伪装，网络能够迅速发现异常结点，并能及时制止。采用公钥加密算法对传递数据简单加密已经不能解决数据安全问题，因为当节点被破解后，公钥信息也将被破解。在数据安全防护中可以采动态加密及随机数生成算法来进行。随机数进行身份验证，动态加密则解决了公钥被窃后的加密问题，由于传感网节点容易被物理操纵是传感网经常遇到的问题,必须通过其他的技术方案来提高传感器网络的安全性能。比如在通信前进行节点的身份认证，在传感网的不同区域采用不同的密钥，这样一旦一个区域被攻破也不至于对其他区域造成巨大的破坏影响。传感器网络是以收集信息为主要目的，攻击者可以通过窃听的方式从多路信息中获取有限信息，并通过特定的算法分析出其中的私有问题。一方面可以采取数据加密来保护可能被窃取的信息，同时通过访问控制约束攻击者的活动；另一方面可以限制网络所发送信息的粒度，降低信息数据的细化程度，细化程度越低，破解的可能性就越小。

Dos攻击主要用于破坏网络的可用性，减少、降低执行网络或系统执行某一功能能力的任何事件。入侵者可以发起快速消耗传感器节点能量的攻击，比如，向目标节点连续发送大量无用信息，目标节点就会消耗能量处理这些信息，并把这些信息传送给其他节点。如果入侵者物理复制传感器节点，那么可以伪装或伪造成合法节点发起Dos攻击。比如，产生一个循环路由，耗尽这个循环中节点的能量。针对Dos攻击可以通过对传感器节点软件的合法性认证来确认节点本身的真假，减少假节点数目，降低产生Dos攻击的机率。

3 ZigBee技术

ZigBee是 ZigBee联盟制定的面向低速无线个人区域的双向无线通信技术标准。它是基于OSI 七层模型的，包括高层应用规范、应用汇聚层、网络层、媒体接入层和物理层。其中物理层和数据链路层使用IEEE802.15.4标准，网络层和应用层由ZigBee联盟定义。ZigBee是一种低成本、低能耗的无线通信协议或技术标准。采用物理层及MAC层规范，规定了网络层和应用层规范。网络层能够支持星形、树形以及对等形多跳网络拓扑，实现网络拓扑的建立和维护，以及设备的查找和路由等功能。ZigBee数据传输可靠性高，采用碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留专用时隙，避免发送数据时的竞争和冲突。中间访问控制层采用完全确认的数据传输机制，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，一个ZigBee网络可以容纳最多65536个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。ZigBee由中心节点控制进行终端与中心控制点的数据传输。当终端节点要进行数据传输时，发出入网请求电位，由中心节点进行分配给终端唯一标识的网络地址。当终端得到网络地址后，进行数据传输。如果终端到中心节点的距离过多，则数据需要ZigBee路由节点进行路由转发。ZigBee网络包括两种无线设备：全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)，其中FFD可以与FFD、RFD通信，而RFD只能和FFD通信，不能与RFD之间通信。RFD在传感器网络中，只负责将采集到的数据信息发送给它的协调点，不具备数据转发、路由发现和维护的功能。在一个ZigBee网络中，至少存在一个FFD来承担网络的协调点，即PAN协调点。PAN协调点只能有一个，它具有强大的功能，是整个网络的主要控制者，负责建立新的网络，发送网络信标、管理网络中的节点以及存储网络信息等。

在ZigBee组网过程中，只有PAN协调点可以建立一个新的ZigBee网络。当PAN要建立新的网络时，首先要扫描信道，查找网络中一个空闲信道来建立新的网络，如果找到了合适的信道，协调点会为新的网络选择一个唯一的PAN标识符。一旦选定了 PAN标识符，就表明已经建立了新的网络。如果其它ZigBee协调点扫描该信道，这个网络协调点会响应表明已建立网络。当协调点建立网络后，就开始接收新的节点加入其网络，当一个节点想加入该网络时，它首先会通过信道扫描来查找它周围的网络，如果找到了网络，它会进行关联过程加入网络，只有具备路由功能的节点才能允许别的节点通过它关联网络。网络中每个具备路由功能的节点才能进行数据包的转发、路由发现和维护，以及关联其他节点来扩展网络。

4 前端查询

在应用层中，可以通过智能手机、平板电脑、电脑终端访问水资源环境监测系统查询当日水质情况。为了方便查询，以现在普及使用的智能手机为访问终端，开发前端访问平台，查询测试结果如图4所示。

图4 水质监测查询结果

2011年我国的手机用户已经超过了11亿，在电话用户总数中所占的比重达到 80.0%。中国移动、中国电信、中国联通三家通信运营商所采用的移动网络通信技术也不相同，分别为TD SCDMA（注：为我国研发的 3G标准）、CDMA2000、WCDMA。现有移动通信网络分2G和3G两种，3G网络比2G网络支持的数据带宽更高，理论的最高上网速度可达14.4Mbit/s。3G网络支持的业务也更广泛：可视电话、高速数据上网、WAP、彩信、话音、短信等业务。伴随着网速提升，相应开发平台也得以快速发展。移动开发平台以Android为主流方向，它是Google公司于2007年11月宣布的基于Linux平台的开源手机操作系统，该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成。Android产品线较为丰富，覆盖到商务、时尚、娱乐、中低端市场等各种人群。Android的优势在于对第三方软件完全开放，免费向开发人员提供，而且集成了大量的Google应用：Google地图、Gmail邮箱等。Android主要支持的开发语言为Java和C++。搭建开发平台必须

安装JDK（Java Development Kit），它是为Java开发者提供的一组开发工具包，包括了Java运行环境（JRE，Java Runtime Environment），一组Java工具和Java标准API类库；其次还要安装集成开发环境（IDE, Integrated Development Environment），它旨在提供一个综合的图形用户开发环境，方便程序员进行软件开发。一般集成了程序生成器、代码编辑器、编译器、调试器和发布器等，具有代码编写、管理、分析、编译、调试和发布等功能。开发 Java程序常用的 IDE工具有Eclipse、MyEclipse、NetBeans，在移动通讯软件开发中通常使用Eclipse+JDK组合。

5 结束语

在水资源环境监测系统中需要大量的数据采集节点，如PH值、电导率、含氧量等，采用Delaunay算法解决了传感网络覆盖区域的节点数选取，采用Delaunay三角剖分对传感器网络进行分割，删除覆盖区域的冗余节点，以Delaunay三角剖分形成的各边为结点进行数据传递平衡能量消耗。传感网中的数据管理与网络布署分开进行，把传感器网络上数据逻辑视图和网络的物理实现分离开来，使用户和应用程序只需关心查询的逻辑结构，而无须关心传感网络的实现细节。通过身份验证和动态口令加密对传感器在物理上和数据上设置安全过滤机制，以防窃听、防 Dos、防定位、防伪造。在传输层，使用近距离低成本的 ZigBee技术，在实际运行中经常会交替使用一些传输手段，比如，当要求长距离传输和高速传输时就会采用 GPRS（General Packet Radio Service），该技术是一种无线分组交换技术，提拱端到端的、广域的无线IP连接。GPRS是一项高速数据处理技术，其广泛用于信息查询、远程监控等。

本系统针对分布范围广、布局复杂的水资源提出一种监测方法，在实际的监测运行中取得了一些成效。在本系统的运行中，感知层的作用极其重要，是整个监测系统能否良好运行的基石。感知层的核心部件传感器的性能就决定着监测数据的准确度，是整个系统的关键所在。传感器技术国产化需求迫切，作为物联网发展的瓶颈，传感器成为整个产业链中的优势环节，不可缺少的。物联网的安全机制也需要进一步加强，特别是信息在发送和接收的过程需要加密和解密，加密算法的研究是物联网前进的动力。RFID电子标签的身份认证也同样需要不断完善，确保入网的设备不是伪造或伪装，防止被欺骗。物联网技术在未来的研究工作仍会是不断提高传感器节点的时效性、数据的精准性，信息数据的安全性。

[1]熊茂华.等.物联网技术与开发应用[M].陕西西安：西安电子科技大学出版社，2012.

[2]熊茂华.等.物联网技术及应用开发[M].北京：清华大学出版社，2014.

[3]马震,一种无线传感器网络的能耗平衡覆盖模型，[J]．电子与信息学报，2008(9):2250-2253

[5]欧军.黄地龙. 逐点插入法在三维地质可视化系统中的应用研究[J]. 微计算机信息，2006(4).230-232