物聯網（IoT）是一種新興技術，通過互聯網能夠連接由傳感器、執行器、軟件等組成的諸多對象。物聯網設備可以感知環境并基于傳感器數據執行操作。隨著物聯網的普及，截止2020年該網絡已連接超300億個物聯網設備。物聯網的出現給包括農業、醫療、智能電網、智能家居在內的各個領域帶來了巨大利益，然而物聯網設備仍然存在諸如連接性、低計算能力和電池壽命不足等挑戰。

無人機的誕生在工業界和學術界都引起了極大關注。雖然無人機最初是為軍事目的設計的，但由于其良好的功能，如易于部署、低維護成本和可用性，它們已被廣泛應用于民用領域。無人機群的出現進一步拓展了無人機的應用領域，其覆蓋范圍更大，部署成本更低。然而，無人機與物聯網之間、無人機與服務器之間的通信充滿了網絡威脅，包括中間人攻擊、重放攻擊等。此外，累積的數據可能在服務器中遭到非法更改，從而引發完整性問題。因此，需要一種方案來確保數據采集過程的安全并保持數據的完整性。

區塊鏈是一種分布在對等方之間的數字賬本，每個對等方持有相同的數據副本。向區塊鏈添加數據后，不能進行任何修改。如果有人試圖在塊中進行更改，塊的哈希也會更改并斷開塊鏈。要重建鏈，所有驗證程序都必須同意此更改，從而保證區塊鏈中的數據安全。因此，借助區塊鏈功能可能是應對上述安全威脅（即網絡攻擊、數據完整性問題）的潛在解決方案。

本文提出了一種基于區塊鏈的安全數據采集方案，該方案利用無人機集群從物聯網設備上采集數據，并存儲在服務器端的區塊鏈中。目前，利用區塊鏈通過無人機集群獲取物聯網設備的數據，提供安全性和數據完整性尚未得到探索。如圖1所示，我們設計了一個支持區塊鏈的數據采集方案（稱為“總線”），以支持在無人機群的協助下從物聯網設備采集數據。

圖1 基于區塊鏈的無人機群安全數據采集

總線由以下組件組成：

物聯網設備：物聯網設備從環境中收集數據，并在無人機集群的協助下將這些數據傳輸到服務器。

無人機集群：無人機集群從物聯網設備收集數據，并將這些數據傳輸到最近的服務器。

服務器：服務器保存物聯網設備的數據，每個數據都存儲在區塊鏈中。

衛星：在移動網絡不可用的位置，總線利用衛星從物聯網設備獲取數據，無人機群可以通過衛星與PC保持通信。

總線的目的是安全地從物聯網設備收集數據，并將這些數據存儲到保持其完整性的服務器中。在總線中，每個參與者（包括物聯網設備和無人機）都必須在參與總線之前向服務器注冊。部署無人機集群之前，服務器創建一個任務，并利用智能合約（SC）將該任務信息存儲在區塊鏈中。然后，所有的無人機群必須在任務中注冊他們的公鑰，無人機集群中的每個無人機創建一個共享密鑰并與物聯網設備共享。總線在實體（即物聯網無人機、無人機-無人機、無人機服務器）之間使用不同的鏈路，每個鏈路具有不同的信道狀態。當一個數據到達無人機時，無人機會對其進行處理，處理后無人機會將其添加到隊列中，然后再轉發給下一個實體。總線雖然有不同的鏈路，但在數據采集過程中保持了一致性。在總線中，每個塊在同一塊中包含多個數據，例如（1）Header和（2）Body，如圖2所示。標頭包含塊的哈希、nonce、timestamp、Merkle根和前一個塊的哈希。正文包含從物聯網設備收集的數據。正文中可能存儲一個或多個數據。

圖2 區塊鏈內部的數據管理

仿真結果表明，總線成功地利用了hash-bloom過濾器，能夠完全過濾惡意設備。通過對結果和安全性分析表明，利用無人機作為物聯網設備的輔助，不僅擴展了物聯網的連通性，而且有助于降低物聯網的能耗。

飛思集群研發平臺

飛思集群研發平臺是飛思實驗室專為無人系統集群協同研究而開發的研發平臺。飛思集群研發平臺一個可以在多種定位系統環境下（光學定位、UWB 定位、RTK 定位等）實現無人機、無人車或兩者之間的集群控制平臺。本平臺支持多種定位系統和集群通信技術，在統一控制接口下實現無人機、無人車的按照規劃路線運動，驗證多機、多車編隊和協同控制等算法的有效性。本實驗平臺可提供一套完整的集群控制開發、調試及驗證環境。實驗系統基于ROS/Matlab 開發，開放性強，用戶不需要掌握太多的底層編程技術即可完成算法的修改和驗證。為無人系統控制及多機集群控制等教學演示及二次開發提供核心設備支撐。
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