Ανάπτυξη πλαισίου λειτουργιών για την ανίχνευση, αναγνώριση και κατηγοριοποίηση απειλών στο εσωτερικό αστικού δικτύου με την χρήση ασύρματων δικτύων αισθητήρων

Abstract

The subject of this Doctoral Thesis is to develop a general surveillance framework. This framework is based on manipulation of acoustic signals in order to detect and recognize threats. Also, this framework offers security functionalities. As, a key role on this framework plays a Wireless Sensors Network, its development is in accordance with network’s limitation and demands. The main functionality of a surveillance system is the early detection of potential threats. The system should be able to detect, identify and classify potential threats in time to appear. The effectiveness of such a system lies in early detection of a threat at a safe distance, before they become extremely dangerous for the security of the site. Surveillance application development, such as borders and large installations are challenging because their scope is often not welcoming and not provided the necessary infrastructure. For example, the existence of a permanent energy source is not always obvious in these spaces. The framework’s functionality described in this thesis effectively addresses these limitations through the use of wireless sensor networks. A Wireless Sensor Network could be described as a set of microelectronic devices with potential sighting and collection of environmental conditions. These nodes have processing capabilities while are able to storage and exchange data through the interconnection network of autonomous distributed and scalable manner over a wireless communication channel. In this case the sensors have wireless nodes for recording of acoustic waves, and various environmental conditions such as: temperature, relative humidity, atmospheric pressure and speed and wind direction. In the context of this thesis, wireless nodes have attached sensors capable to monitor acoustic signals and environmental conditions, such as temperature, humidity, atmospheric pressure and wind speed and direction. Within this thesis, first an analytic description of the physiology of acoustic waves and the impact of environmental conditions on their propagation is presented. The shape of the acoustic wave and its propagation way plays a crucial role in the accuracy of source identification and characterization. Specifically, what concerns the detection of threat, a full report on the existence of such threat detection methods is presented, while highlighted any weaknesses they have. Then, a detailed description of the methods being developed in this thesis. Their development takes into account the specificities of field conditions and characteristics of the wireless nodes themselves. The proposed methods are tested to simulation environments and real nodes, the Mica2. The energy saving techniques used for their development offer an efficient management of wireless nodes, improving them the maximum duration of 80%. What concerns the categorization of threats using their acoustic waves developed a set of methods which make use of simple heuristic rules and complex mathematical calculations to accurately identify the type of threat. The classification method aims to identify 3 main types: human footstep, explosions, and various types of vehicles (such as cars, trucks etc.). The efficiency of categorization methods are tested to simulation environment and field conditions. Finally, the development adapted to the requirements of wireless nodes Mica2 thus giving them an improved management of their energy resources. Finally, special attention was paid to the security of wireless nodes themselves. Important role in creating an effective surveillance system is preservation of the system itself from hostile or malicious users. As mentioned above, the system is based on the use of nodes that are diffuse in space and on soldiers uniforms while these are communicating wirelessly, creating a wireless sensor network. This nodes integration in space made nodes easily accessible by hostile or malicious users who can access the system and affect or change the measurements, the accuracy of measurements and the proper operation of the whole system. The nodes and data prevention is ensured by the development of a security framework which makes use of specific cryptographic algorithms and security techniques.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη ενός γενικού πλαισίου λειτουργικότητας επιτήρησης χώρων. Το γενικό αυτό πλαίσιο περιλαμβάνει την χρήση ακουστικών αισθητήρων για την αναγνώριση και κατηγοριοποίηση των απειλών ενώ ταυτόχρονα παρέχει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο ασφάλειας των ίδιων των κόμβων. Η βασική πλατφόρμα εφαρμογής του συγκεκριμένου πλαισίου λειτουργικότητας είναι τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, οπότε και η ανάπτυξή του έχει γίνει με στόχο την ικανοποίηση των ιδιαίτερων απαιτήσεων τους όπως οι χαμηλές υπολογιστικές δυνατότητες που έχουν καθώς και η χαμηλή διαθεσιμότητα ενέργειά τους. Οι βασικές λειτουργίες ενός συστήματος ασφάλειας χώρων είναι ο έγκαιρος και ασφαλής εντοπισμός πιθανών απειλών αυτού. Το σύστημα θα πρέπει να είναι ικανό να ανιχνεύει, αναγνωρίζει και κατηγοριοποιεί έγκαιρα τις πιθανές απειλές που θα εμφανιστούν. Η αποτελεσματικότητα ενός τέτοιου συστήματος έγκειται στον έγκαιρο εντοπισμό μιας απειλής σε απόσταση ασφάλειας πριν αυτή γίνει εξαιρετικά επικίνδυνη για την ασφάλεια του χώρου. Η ανάπτυξη εφαρμογών επιτήρησης χώρων, όπως συνόρων και μεγάλων εγκαταστάσεων, αποτελούν πρόκληση, καθώς το πεδίο εφαρμογής τους πολλές φορές δεν είναι φιλόξενο και δεν παρέχονται οι απαραίτητες υποδομές. Για παράδειγμα η ύπαρξη μόνιμης πηγής ενέργειας δεν είναι πάντοτε αυτονόητη σε αυτούς του χώρους. Το πλαίσιο λειτουργιών που περιγράφεται στην συγκεκριμένη διατριβή αντιμετωπίζει αποτελεσματικά αυτούς τους περιορισμούς μέσω της χρήσης ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Με τον όρο ασύρματο δίκτυο αισθητήρων (Wireless Sensor Network) εννοούμε ένα σύνολο μικροηλεκτρονικών συσκευών με δυνατότητες κατόπτευσης και συλλογής πληροφοριών περί των συνθηκών του κείμενου περιβάλλοντος. Διαθέτουν ικανότητες επεξεργασίας αποθήκευσης και ανταλλαγής δεδομένων διαμέσου της διασύνδεσής τους σε δίκτυο με αυτόνομο κατανεμημένο και κλιμακούμενο τρόπο, πάνω από ένα ασύρματο κανάλι επικοινωνίας. Στην συγκεκριμένη περίπτωση οι αισθητήρες που φέρουν οι ασύρματοι κόμβοι του δικτύου αφορούν την καταγραφή των ακουστικών κυμάτων άλλα και διάφορων περιβαλλοντικών συνθηκών όπως είναι η θερμοκρασία, η σχετική υγρασία, η ατμοσφαιρική πίεση άλλα και η ταχύτητα και κατεύθυνση του άνεμου. Στο πλαίσιο της συγκεκριμένης διατριβής αρχικά γίνεται μια αναλυτική περιγραφή της φυσιολογίας των ακουστικών κυμάτων καθώς και των επιπτώσεων που έχουν οι περιβαλλοντικές συνθήκες στον τρόπο διάδοσής τους. Η μορφή του ακουστικού κύματος καθώς και ο τρόπος διάδοσής του παίζει καθοριστικό ρόλο στον ακριβή εντοπισμό και χαρακτηρισμό της πηγής του κύματος. Συγκεκριμένα, όσων αφορά την ανίχνευση μιας απειλής με την χρήση των ακουστικών κυμάτων που αυτή παράγει, αρχικά γίνεται μια πλήρη αναφορά στην ύπαρξη παρόμοιων μεθόδων ανίχνευση απειλών ενώ ταυτόχρονα τονίζονται οι όποιες αδυναμίες αυτές έχουν. Έπειτα παρουσιάζεται μια αναλυτική περιγραφή των μεθόδων που αναπτύχτηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Η ανάπτυξή τους λαμβάνει υπόψη τις ιδιαιτερότητες του πεδίου εφαρμογής, καθώς και τις ιδιαιτερότητες των ίδιων των ασυρμάτων κόμβων. Οι προτεινόμενες μέθοδοι εντοπισμού των απειλών δοκιμάζονται σε περιβάλλον προσημείωσης καθώς σε πραγματικούς κόμβους, τους Mica2. Οι τεχνικές εξοικονόμησης ενέργειας που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξή τους προσφέρουν μια αποδοτική διαχείριση των πόρων των ασύρματων κόμβων βελτιώνοντας τους έτσι την μέγιστη διάρκεια λειτουργίας τους σε ποσοστό 80%. Στον τομέα της κατηγοριοποίησης των απειλών με χρήση των ακουστικών κυμάτων που αυτές παράγουν αναπτύχθηκε ένα σύνολο μεθόδων το οποίο κάνει χρήση απλών ευρετικών κανόνων άλλα και πολύπλοκων μαθηματικών υπολογισμών προκειμένου να αναγνωρίσει με ακρίβεια τον τύπο της απειλής. Το σύνολο των μεθόδων κατηγοριοποίησης στοχεύει στην αναγνώριση 3 κύριων τύπων: του ανθρωπίνου βηματισμού, των εκρήξεων, και των διάφορων τύπων οχημάτων (όπως είναι τα αυτοκίνητα, τα φορτηγά, κλπ.). Η αποδοτικότητα των μεθόδων κατηγοριοποίησης ελέγχτηκε σε περιβάλλον προσομοίωσης άλλα και σε πραγματικές συνθήκες. Τέλος η ανάπτυξη τους προσαρμόστηκε στις απαιτήσεις των ασύρματων κόμβων Mica2 παρέχοντάς τους έτσι μια βελτιωμένη διαχείριση των ενεργειακών τους πόρων. Τέλος ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στην ασφάλεια των ίδιων των ασύρματων κόμβων. Σημαντικό ρόλο στην δημιουργία ενός αποτελεσματικού συστήματος επιτήρησης χώρων αποτελεί και η διαφύλαξη του ίδιου του συστήματος από εχθρικούς ή κακόβουλους χρήστες. Όπως αναφέραμε παραπάνω το σύστημα θα βασίζεται στην χρήση κόμβων που θα βρίσκονται διάχυτοι στον χώρο και πάνω στις στολές των στρατιωτών και θα επικοινωνούν ασύρματα δημιουργώντας ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων. Αυτή η ενσωμάτωση των κόμβων στον προς επιτήρηση χώρο έχει σαν αποτέλεσμα οι κόμβοι να είναι εύκολα προσβάσιμοι από εχθρικούς ή κακόβουλους χρήστες οι οποίοι μπορούν να αποκτήσουν πρόσβαση στο σύστημα και να επηρεάσουν ή να αλλάξουν τις μετρήσεις, την ακρίβεια των μετρήσεων καθώς και την εύρυθμη λειτουργία ολοκλήρου του συστήματος. Η διαφύλαξη της ακεραιότητας των κόμβων αλλά και της ασφάλειας των μετρήσεών τους εξασφαλίζεται με την ανάπτυξη και χρήση ενός πλαισίου λειτουργιών το οποίο κάνει χρήση ειδικών αλγορίθμων κρυπτογραφίας και τεχνικών ασφάλειας. Στην περίπτωση που κάποιο μη εξουσιοδοτημένο πρόσωπο καταφέρει και αποκτήσει πρόσβαση υπάρχει μηχανισμός έγκαιρης ειδοποίησης για την αποφυγή λήψης αλλοιωμένων μετρήσεων και την έκδοση λάθος συμπερασμάτων από το σύστημα. Το πλαίσιο αυτό έχει αναπτυχτεί με γνώμονα την παροχή λειτουργιών ασφαλείας, εφαρμόζοντας παράλληλα μια αποδοτική ενεργειακά πολιτική για την διαχείριση των πόρων των ασύρματων κόμβων.