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

李金營 王竹海 曹俊娥

（1.山東衛(wèi)測地理信息科技有限公司，山東 濱州 251900

2.無棣縣自然資源和規(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，但是在整個數(shù)據(jù)的傳輸過程中，有各種各樣的隨機因素可能會對數(shù)據(jù)傳輸造成干擾，使最終輸入的數(shù)據(jù)信息變成錯誤信息。數(shù)據(jù)完整度就是針對這一問題提出的，具體指的就是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的可靠性和精準性，為了徹底清除無效信息在數(shù)據(jù)庫中的存在，以及不符合語義規(guī)定等一系列問題的出現(xiàn)，就要采用各種方法對數(shù)據(jù)傳輸模式進行優(yōu)化，監(jiān)測整個數(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)庫中所儲存的數(shù)據(jù)安全準確。

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

ZigBee技術(shù)是目前新興起的計算機監(jiān)測技術(shù)，引領(lǐng)了監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢，這幾年來ZigBee技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各個領(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)以分布式存儲系統(tǒng)為基礎(chǔ)，把網(wǎng)絡(luò)群應(yīng)用技術(shù)運用到數(shù)據(jù)存儲過程中，并將龐大的數(shù)據(jù)傳到云端加以保存，其中，數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)管理是整個技術(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)測中，可以快速獲取遙感數(shù)據(jù)，并形成遙感影像，及時發(fā)展彌補在監(jiān)測中存在的不足。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剛好能夠?qū)b感傳輸數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和統(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)總量也越來越大，數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測與管理難度也越來越高，所以，基于ZigBee技術(shù)的遙感傳輸數(shù)據(jù)完整度監(jiān)測方法研究有著重大意義。

1.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

要對ZigBee技術(shù)加以運用就要先了解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)中各個環(huán)節(jié)的聯(lián)系都十分緊密，可以做到實時監(jiān)控遙感數(shù)據(jù)傳輸。為了保證能夠?qū)崟r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)定的編碼順序進行排列。利用各個移動基站，把獲取到的實時數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理平臺[1]，另外每個監(jiān)測數(shù)據(jù)都要根據(jù)ZigBee技術(shù)中的定界符對字段進行劃分，并把劃分好的字段保存到數(shù)據(jù)庫中，方便監(jiān)測人員隨時隨地在監(jiān)測終端找到他們所需要的數(shù)據(jù)。

監(jiān)測數(shù)據(jù)處理主要由兩部分組成，通過遙感獲得實時數(shù)據(jù)會通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測數(shù)據(jù)端口，然后根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的框架，對數(shù)據(jù)流進行分類存放。監(jiān)測數(shù)據(jù)處理這一過程需要對遙感數(shù)據(jù)進行實時處理、大量存儲和數(shù)據(jù)準確等要求，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)庫也可以對海量數(shù)據(jù)進行處理，但是效率非常低，耗時極長，面對如今的海量數(shù)據(jù)處理，沒辦法對數(shù)據(jù)進行高效處理。而遙感數(shù)據(jù)的傳輸一般都需要在短時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理并將信息呈現(xiàn)出來，這就需要用戶通過特定的瀏覽渠道訪問監(jiān)測網(wǎng)站[2-5]，向管理員發(fā)布監(jiān)測要求，當要求通過審核后，就可以發(fā)布監(jiān)測任務(wù)，并從監(jiān)測終端獲取所需要的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)這一過程的操作需要數(shù)據(jù)完整度協(xié)議的幫助，對關(guān)鍵信息進行驗證。

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)測主要依賴多個副本來進行存儲，從而來增加可用數(shù)據(jù)的數(shù)量，同時使用多個副本對數(shù)據(jù)的完整度進行監(jiān)測，既需要保證每個數(shù)據(jù)副本中的數(shù)據(jù)都是完整的，又要滿足每個副本都存儲在相應(yīng)的服務(wù)器當中。但是這種情況可能會讓服務(wù)器與用戶之間產(chǎn)生一些問題，用戶可能會不滿，這時候就需要利用第三方數(shù)據(jù)進行驗證。假設(shè)副本D1，D2……Dn與文件D大小相等，用戶將副本D1，D2……Dn存儲在一個多副本可證明數(shù)據(jù)持有系統(tǒng)中時，需要保證該系統(tǒng)的可使用存儲量是單個副本的a倍。此時，文件D即可看作若干個數(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，將其中每個單獨分塊的大小設(shè)定為g，將所生成的文件副本D1，D2，…，Dn存儲在1個服務(wù)器當中。

在運行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€副本存儲在所對應(yīng)的服務(wù)器里面，這樣一來就實現(xiàn)了原始文件的刪除備份以及整個副本的標識驗證。

在對計算分析結(jié)果進行分析時，利用智能卡作為輔助工具幫助認證，可以大幅度地提高遙感傳輸?shù)谋O(jiān)測安全。首先用戶需要在監(jiān)測服務(wù)器當中進行實名認證并注冊賬號，利用得到的有效的ID和密碼，進入監(jiān)測的調(diào)試階段，這時候用戶的認證請求就會發(fā)送給遠程服務(wù)器，接收到用戶請求后，服務(wù)器會以實際情況為依據(jù)進行判斷，來決定是否接受用戶請求。

此外，遙感數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程當中很可能會受到服務(wù)器的佯裝攻擊，讓用戶丟失智能卡口令，這樣就會降低遙感傳輸?shù)谋O(jiān)測安全系數(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)器之間要對彼此都進行身份認證。ZigBee技術(shù)會對用戶的訪問次數(shù)進行限制，在特定時間范圍內(nèi)，只可以訪問某部分監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而來提高數(shù)據(jù)監(jiān)測的可靠性，在這個基礎(chǔ)上就可以實現(xiàn)遙感傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完整度監(jiān)測。

1.3 遙感數(shù)據(jù)完整度監(jiān)測

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)致傳輸過程中會出現(xiàn)到達數(shù)據(jù)庫時間不統(tǒng)一的情況[6]。另外在時域內(nèi)持續(xù)長時間的混合傳輸過程中，無法直接對傳輸數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。所以，為了保證對遙感數(shù)據(jù)完整度的監(jiān)測，要構(gòu)建一個濾波器，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)提取出來的特征情況進行監(jiān)測。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，進一步計算出遙感傳輸數(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)終止傳輸時間；f0為遙感傳輸數(shù)據(jù)開始傳輸時間；T為整個濾波的時長。

設(shè)s（t）代表遙感傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，構(gòu)建一個與s（t）相匹配濾波器，其中，濾波器的長度要與遙感傳輸數(shù)據(jù)s（t）相同，不設(shè)置延時；h（t）代表與濾波器相對應(yīng)的濾波回響，具體的計算公式如式（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應(yīng)的濾波響應(yīng)h（t）。采用匹配濾波器來采集遙感傳輸數(shù)據(jù)完整度y（t）特征；表達式如式（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，就可以實現(xiàn)對其完整度的監(jiān)測。首先要把需要采集的遙感傳輸數(shù)據(jù)完整度特征儲存到ZigBee技術(shù)領(lǐng)域中，在整個存儲過程中，減小對完整度特征值產(chǎn)生的影響。然后,在卷積定理的基礎(chǔ)上,對遙感傳輸數(shù)據(jù)完整度進行監(jiān)測，監(jiān)測表達式如式（6）所示：

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

2.實驗對比

為驗證上述設(shè)計的遙感數(shù)據(jù)傳輸完整度監(jiān)測方法的有效性，進行實驗驗證，并為了保證實驗的嚴謹性，將傳統(tǒng)方法與此次研究方法做對比。實驗過程中，建立了模擬實驗平臺，模擬遙感傳輸數(shù)據(jù)完整性監(jiān)測過程。這一過程需要大量的遙感數(shù)據(jù)采集和傳輸，且實驗平臺要求較高，所以選用了ISPC-2082數(shù)據(jù)存儲方式。為了進行服務(wù)器擴展，其相關(guān)參數(shù)（如表1所示）:

表1 實驗服務(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)仿真實驗。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)器負責(zé)外部數(shù)據(jù)信息交換，由監(jiān)控服務(wù)器負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴？梢栽谕晃锢矸?wù)器中部署這兩種類型的服務(wù)器。建立橫向可擴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)交換的順利進行。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸丟失率對比

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

圖4 數(shù)據(jù)傳輸丟失率對比

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)測響應(yīng)時間對比

通過對比圖5能夠看出，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法響應(yīng)時間較長，無法滿足當前遙感數(shù)據(jù)傳輸完整度監(jiān)測需求，與此次研究的監(jiān)測方法相比可知，此次研究的方法響應(yīng)市場明顯較少，能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測的實時性需求（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)測方法解決了傳統(tǒng)監(jiān)測方法存在的問題，獲得較好監(jiān)測效果的原因是，此次研究的方法充分運用了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)測效果。

3.結(jié)束語

近幾年來遙感技術(shù)飛速發(fā)展，所需要進行采集的遙感數(shù)據(jù)信息總量越來越多，許多相關(guān)行業(yè)和科研部門對于遙感數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笊撸F(xiàn)有的數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(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)測過程當中，充分發(fā)揮分布式處理方式的優(yōu)勢，對整個數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾冗M行實時監(jiān)控，保證最后抽取出的遙感數(shù)據(jù)的準確性。基于ZigBee技術(shù)的遙感數(shù)據(jù)傳輸完整度監(jiān)測可以滿足現(xiàn)在對于遙感數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>