CN114258014B - 物联网传感器信息处理系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种物联网传感器信息处理系统。本申请能够对在物联网传感器网络中实现物理数据的加密传输，并能通过信息汇总传输节点实现对不同传感器的不同格式的物理数据实现统一处理和传输，提高了物联网网络中数据传输的稳定性和安全性。所述系统包括：加密节点、传感器节点和信息汇总传输节点；其中，加密节点，用于构建密钥矩阵，根据密钥矩阵生成密钥，将密钥分配给传感器节点；传感器节点，用于采集物理数据，利用密钥对物理数据进行加密，生成密文数据；并将密文数据传输至信息汇总传输节点；信息汇总传输节点，用于针对密文数据，利用协作通信模式实现传感器节点与基站之间的数据交互。
Description
技术领域
本申请涉及智能电网技术领域，特别是涉及一种物联网传感器信息处理系统。
背景技术
随着物联网技术的发展，各行各业都开始接入物联网设备，这些物联网设备以传感器为主，主要用于采集环境数据，例如在数字电网中，需要将各种电压、电流传感器收集网络节点中的各种电力数据，并将这些数据汇总并发送至云端或其他控制节点进行分析和计算，以便实现对数字电网的全面智能化。
其中，传感器就是把自然界中的各种物理量、化学量、生物量转化为可测量的电信号的装置与元件,可见传感器的众多和纷杂。传感器的定义决定了它本身的复杂性和众多品种。
由于各传感器设备品牌众多，尤其在大型的数字电网中，由于各种不同的传感器的通信协议不同，难以保障数字电网的数据安全。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种物联网传感器信息处理系统。
本申请提供了一种物联网传感器信息处理系统，所述系统包括加密节点、传感器节点和信息汇总传输节点；其中，
所述加密节点，用于构建密钥矩阵，根据所述密钥矩阵生成密钥，将所述密钥分配给所述传感器节点；
所述传感器节点，用于采集物理数据，利用所述密钥对所述物理数据进行加密，生成密文数据；并将所述密文数据传输至所述信息汇总传输节点；
所述信息汇总传输节点，用于针对所述密文数据，利用协作通信模式实现所述传感器节点与基站之间的数据交互。
在其中一个实施例中，所述信息汇总传输节点，用于将所述密文数据同时发送至目的端和中继节点；其中，所述中继节点用于对所述密文数据进行中继处理，得到中继处理后的密文数据，并将所述中继处理后的密文数据发送至所述目的端，以使所述目的端将所述信息汇总传输节点直接发送的密文数据与所述中继处理后的密文数据进行整合，得到整合后的密文数据。
在其中一个实施例中，所述中继处理包括功率放大和解码处理。
在其中一个实施例中，所述信息汇总传输节点，进一步用于获取所述密文数据的源端地址和目的端地址，将所述源端地址和所述目的端地址输入预先构建的深度神经网络进行预测，得到所述密文数据所属的信道的目标功率，并将所述目标功率分配给所述信道。
在其中一个实施例中，所述传感器节点包括环境传感器节点；所述环境传感器节点包括光传感器节点、温度传感器节点、湿度传感器节点和震动传感器节点中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述传感器节点还包括图像信息传感器节点；所述图像传感器节点，用于在所述环境传感器节点为唤醒状态下，采集图像数据，并将所述图像数据直接传输至所述信息汇总传输节点。
在其中一个实施例中，所述传感器节点还包括图像信息传感器节点；所述图像传感器节点，用于在所述环境传感器节点为唤醒状态下，采集图像数据，并将所述图像数据发送至所述环境传感器节点，以使所述环境传感器节点将所述图像数据转发至所述信息汇总传输节点。
在其中一个实施例中，所述密文数据包括多种格式的密文数据；所述信息汇总传输节点，还用于利用统一物模型对所述多种格式的密文数据进行转换，得到预设格式的密文数据。
在其中一个实施例中，所述信息汇总传输节点，还用于利用所述统一物模型对所述多种格式的密文数据进行数据有效性校验，得到有效数据，并将所述有效数据转换为可编程数据。
在其中一个实施例中，所述信息汇总传输节点，还用于对所述可编程数据进行的持久化存储。
上述物联网传感器信息处理系统，包括加密节点、传感器节点和信息汇总传输节点；其中，加密节点，用于构建密钥矩阵，根据密钥矩阵生成密钥，将密钥分配给传感器节点；传感器节点，用于采集物理数据，利用密钥对物理数据进行加密，生成密文数据；并将密文数据传输至信息汇总传输节点；信息汇总传输节点，用于针对密文数据，利用协作通信模式实现传感器节点与基站之间的数据交互。本申请能够对在物联网传感器网络中实现物理数据的加密传输，并能通过信息汇总传输节点实现对不同传感器的不同格式的物理数据实现统一处理和传输，提高了物联网网络中数据传输的稳定性和安全性。
附图说明
图1为一个实施例中物联网传感器信息处理系统的应用环境图；
图2为一个实施例中物联网传感器信息处理系统的系统架构图；
图3为另一个实施例中物联网传感器信息处理系统的系统结构图；
图4为一个实施例中计算机设备的内部结构图；
图5为另一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请实施例提供的物联网传感器信息处理系统，可以应用于如图1所示的应用环境中。其中，终端101通过网络与信息汇总传输节点102进行通信，信息汇总传输节点102可将信息通过无线通信方式传送至基站103。信息汇总传输节点可以有多个，每个信息汇总传输节点可控制多个传感器节点的数据；其中，数据存储系统可以存储信息汇总传输节点102需要处理的数据。数据存储系统可以集成在信息汇总传输节点102上，也可以放在云上或其他网络服务器上。其中，终端101可以但不限于是各种携带有传感器的物联网设备，例如可为温度传感器、智能音箱、智能电视、智能空调、智能车载设备等。信息汇总传输节点102可以用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现。
在一个实施例中，如图2所示，提供了物联网传感器信息处理系统的系统架构图，该系统包括加密节点201、传感器节点202和信息汇总传输节点203；其中，所述加密节点，用于构建密钥矩阵，根据所述密钥矩阵生成密钥，将所述密钥分配给所述传感器节点；所述传感器节点，用于采集物理数据，利用所述密钥对所述物理数据进行加密，生成密文数据；并将所述密文数据传输至所述信息汇总传输节点；所述信息汇总传输节点，用于针对所述密文数据，利用协作通信模式实现所述传感器节点与基站之间的数据交互。
其中，物理数据包括温度、湿度、声音、图像等数据。
具体地，加密节点201，可以是各种计算机设备，用于构建密钥矩阵并分配密钥给传感器节点202。传感器节点使用密钥对采集到的物理数据进行加密生成密文数据，并将所述密文数据传输至所述信息汇总传输节点203，信息汇总传输节点203可以是各种网关设备，用于通过通信协议连接基站与上述传感器节点，实现传感器节点与基站的信息交互。
可选地，在针对传输数据的数据包进行加密的过程中，为了保证无线传感器网络通讯的机密性和认证性，在数据包由发送节点传输给接收节点之前，每个数据包的数据负载部分(数据负载部分指的是包含采集的物理实质信息的部分，即有效数据)都应该先被加密，然后再和数据包头(例如发送和接收节点编号)一起进行认证。在认证模式中多使用一个摘要字段，用于降低对整个密文进行认证的消耗。其中，消息认证码包含可调消息认证码算法。
在设计节点前预先设计密钥管理方案，进行预分配。在密钥的预分配方案中，首先要生成一个加密节点，其包含了可能被用来加密节点间通信的密钥。在构建一个对称的密钥矩阵K，随机生成一个上三角矩阵U，矩阵U的元素可以不在加密节点之中。将密钥矩阵K乘以上三角矩阵U的逆，结果矩阵记为M，即M＝KU-1。一般地，矩阵M不是一个下三角矩阵。分配密钥信息给传感器节点。每个节点将被随机分配矩阵M的一行和矩阵U的对应的一列，例如矩阵M的第i行(记为Mr i)和矩阵U的第i列(记为Uc i)应被分配给同一个节点。密钥信息应当在节点被布置在工作网络中之前就分配好。当第i号节点和第j号节点要建立一个公共密钥，它们先交换相互拥有的矩阵U的列向量信息，例如Uc i和Uc j。
上述实施例，包括：加密节点，用于构建密钥矩阵，根据密钥矩阵生成密钥，将密钥分配给传感器节点；传感器节点，用于采集物理数据，利用密钥对物理数据进行加密，生成密文数据；并将密文数据传输至信息汇总传输节点；信息汇总传输节点，用于针对密文数据，利用协作通信模式实现传感器节点与基站之间的数据交互。本实施例能够对在物联网传感器网络中实现物理数据的加密传输，并能通过信息汇总传输节点实现对不同传感器的不同格式的物理数据实现统一处理和传输，提高了物联网网络中数据传输的稳定性和安全性。
在一实施例中，如图3所示，图3为一物联网传感器信息处理系统的系统架构图，其中，上述传感器节点201包括环境传感器节点和图像信息传感器节点；上述环境传感器节点包括光传感器节点、温度传感器节点、湿度传感器节点和震动传感器节点中的一种或多种；上述图像传感器节点，用于在所述环境传感器节点为唤醒状态下，采集图像数据，并将所述图像数据直接传输至所述信息汇总传输节点。
具体地，上述图像信息传感器节点，配备图像采集设备，在环境传感器节点唤醒下进行图像等信息的采集和传输；图像信息传感器节点对图像进行压缩编码，通过环境传感器节点作为中继或直接传输给信息汇总传输节点中的一种方式进行传输。环境传感器节点，配备光传感器、温度传感器、湿度传感器和震动传感器中的一种或多种，储存自身采集信息数据同时对其他节点数据进行转发；环境传感器节点一方面向信息汇总传输节点进行数据传输，另一方面，在收到图像信息传感器节点数据传输请求后，协助图像信息传感器节点向信息汇总传输节点进行数据传输；信息汇总传输节点，通过通信协议连接基站与外部的环境传感器节点和图像信息传感器节点，实现环境传感器节点和图像传感器节点与基站的信息交互；所述环境传感器节点、图像信息传感器节点和信息汇总传输节点数量逐类减少，所述环境传感器节点、图像信息传感器节点和信息汇总传输节点形成多层网络拓扑结构，用于感知、采集和传输数据。
上述实施例，通过设计传感器接入层使各类同构异构传感器接入，并负责区域内数据采集、转换、调理、放大等，设计接入层时要考虑传感器多样性，设计常见接口接入方案以适应具体复杂环境的实际需求。
在一实施例中，上述信息汇总传输节点，用于将所述密文数据同时发送至目的端和中继节点；其中，所述中继节点用于对所述密文数据进行中继处理，得到中继处理后的密文数据，并将所述中继处理后的密文数据发送至所述目的端，以使所述目的端将所述信息汇总传输节点直接发送的密文数据与所述中继处理后的密文数据进行整合，得到整合后的密文数据。
具体地，上述信息汇总传输节点对图像信息进行解码重构，再通过协作通信模式发送给基站。第一阶段，直接传输阶段，源节点将信息发送到信道中，这些信息就会被目的节点接收到，于此同时，也会被某些中继节点接收到；第二阶段，协作传输阶段，接收到源端信息的中继节点对该信息进行一定处理(放大或解码)然后转发给目的端。目的端将接收到的来自源端和中继端的信息进行整合，从而提高了传感器网络中信息传输的可靠性，降低了信道衰落对有用信息的不利影响。
上述实施例，将协作通信技术引入，通过协调多个传感器之间的信息传输，能够有效扩大覆盖范围，实现对复杂场景的采集、处理和传输，提高网络的监测能力，从而更好地满足网络功能需求。
在一实施例中，上述中继处理也使用了协作通信模式，包括放大转发和解码转发两种模式。图像信息传感器节点对图像进行压缩编码，通过环境传感器节点作为中继或直接传输给信息汇总传输节点中的一种方式进行传输。针对图像压缩编码过程中，出现频率高的数据使用短位数表示，出现频率低的数据使用长位数表示。在信息采集过程中，图像信息传感器节点作为系统中的信源，环境传感器节点与图像信息传感器节点之间协作来对抗信道衰落。
上述实施例，通过环境传感器节点、图像信息传感器节点和信息汇总传输节点相互协作方式同时进行，作为一种适应变化的协作模式，可以提高整个网络的稳定性和可靠性。
在一实施例中，上述信息汇总传输节点，进一步用于获取所述密文数据的源端地址和目的端地址，将所述源端地址和所述目的端地址输入预先构建的深度神经网络进行预测，得到所述密文数据所属的信道的目标功率，并将所述目标功率分配给所述信道。
具体地，电力物联网传感器信息架构系统的建立方法，根据环境传感器节点数量和网络拓扑距离确定物联网层级；在信息汇总传输节点对图形进行编码并通过协作通信模式发送给基站；训练一个深度神经网络，学习信道状态与最优功率分配策略的映射。提出一种新的功率分配算法，通过在不同的源-目的端、源-中继端、中继-目的端三条信道的不同衰落情况下，训练深度神经网络以适应不同的信道状态，给源端与中继端分配合适的功率，从而达到优化数据传输速率即遍历容量的目的。
可选地，无线传感器网络的功率控制主要集中在网络层功率控制、链路层功率控制和混合功率控制。网络层的功率控制主要是根据动态调整发射功率来改善整个网络的拓扑结构和路由选择，使其达到最优性能，进而提高网络的整体性能。链路层的功率控制主要是根据报文从当前节点到达下一节点之间的距离、信道状态等条件动态的改变发射功率，来提高网络容量、降低网络能耗。混合功率控制是将网络层的功率控制与链路层的功率控制相结合的一种功率控制，通过网络层的功率控制进行拓扑结构的调整和路由的选择，然后再利用链路层的功率控制进行数据的传输。
上述实施例，通过预先构建的深度神经网络对信道传输功率进行分配，能够节约能耗，并提高信号传输质量。
在一实施例中，所述传感器节点包括多层节点；其中，下层节点被上层节点控制。
具体地，本系统设置多层网络体系，每层设置对应的传感器节点，下层节点通过上层节点控制，系统通过调节节点的睡眠或者活跃状态来减少能耗。
上述实施例，通过设置多层传感器节点，实现了系统的资源优化。
在一实施例中，上述密文数据包括多种格式的密文数据；所述信息汇总传输节点，还用于利用统一物模型对所述多种格式的密文数据进行转换，得到预设格式的密文数据。所述信息汇总传输节点，还用于利用所述统一物模型对所述多种格式的密文数据进行数据有效性校验，得到有效数据，并将所述有效数据转换为可编程数据。所述信息汇总传输节点，还用于对所述可编程数据进行的持久化存储。
具体地，由于传感器各式各样，传感器节点获取的数据复杂多样，例如温湿度、PM2.5浓度、光照强度、图像数据等等，而且每种传感器的采样传输规则不一，因此，需要统一的物模型对数据进行统一格式，物模型运行于各传感器节点上，也可运行于信息汇总传输节点，当运行于传感器节点上时，可以处理异构的原始数据流，对接入层感知数据进行抽象建模，统一数据格式，使其便于机器语言进行处理。其具体包括了数据校验，抽象建模和数据存储等工作，主要将因传输丢失而造成的无效数据进行过滤，实现接收数据的有效性校验。并利用拓展性环境标记语言将有效数据进行抽像建模将原始数据转换为可编程数据。当运行于信息汇总传输节点，可对各传感器节点发送的密文数据进行统一数据格式，除上述数据校验，抽象建模和数据存储等工作外，最后还需要在数据库与抽象数据间建立键值映射关系，对抽象数据进行持久化存储。
上述实施例，通过设置统一物模型对不同格式的传感器数据进行处理，提高了整个系统的数据处理效率。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
上述物联网传感器信息处理系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，用于实现上述信息汇总传输节点的功能，其内部结构图可以如图4所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储传感器节点采集到的物理数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是物联网终端，用于实现上述信息汇总传输节点的功能，其内部结构图可以如图5所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、移动蜂窝网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图4至5中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(ReRAM)、磁变存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)、铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)、相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种物联网传感器信息处理系统，其特征在于，所述系统包括加密节点、传感器节点和信息汇总传输节点；其中，
所述加密节点，用于构建密钥矩阵，根据所述密钥矩阵生成密钥，将所述密钥分配给所述传感器节点；
所述传感器节点，用于采集物理数据，利用所述密钥对所述物理数据进行加密，生成密文数据；并将所述密文数据传输至所述信息汇总传输节点；所述传感器节点包括环境传感器节点和图像信息传感器节点，所述图像信息传感器节点用于在所述环境传感器节点为唤醒状态下，采集图像数据，并通过所述环境传感器节点作为中继将所述图像数据转发至所述信息汇总传输节点；
所述信息汇总传输节点，用于针对所述密文数据，利用协作通信模式实现所述传感器节点与基站之间的数据交互；所述密文数据包括多种格式的密文数据；所述信息汇总传输节点还用于利用统一物模型对所述多种格式的密文数据进行转换，得到预设格式的密文数据。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信息汇总传输节点，用于将所述密文数据同时发送至目的端和中继节点；其中，所述中继节点用于对所述密文数据进行中继处理，得到中继处理后的密文数据，并将所述中继处理后的密文数据发送至所述目的端，以使所述目的端将所述信息汇总传输节点直接发送的密文数据与所述中继处理后的密文数据进行整合，得到整合后的密文数据。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述中继处理包括功率放大和解码处理。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述信息汇总传输节点，进一步用于获取所述密文数据的源端地址和目的端地址，将所述源端地址和所述目的端地址输入预先构建的深度神经网络进行预测，得到所述密文数据所属的信道的目标功率，并将所述目标功率分配给所述信道。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述环境传感器节点包括光传感器节点、温度传感器节点、湿度传感器节点和震动传感器节点中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述传感器节点包括多层节点；其中，下层节点被上层节点控制。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信息汇总传输节点，还用于利用所述统一物模型对所述多种格式的密文数据进行数据有效性校验，得到有效数据，并将所述有效数据转换为可编程数据。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述信息汇总传输节点，还用于对所述可编程数据进行的持久化存储。
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