Search

Son zamanlarda nesnelerin interneti (Internet of Things – IoT) alanında yaşanan gelişmeler; kritik sistemlerin gerçek zamanlı gözlem ve yönetimine imkan veren güvenilir ve ucuz olay yönetim ve karar destek sistemlerinin geliştirilmesini mümkün kılmıştır. Nesnelerin internetinin geleneksel gözlemleme sistemlerine göre hata toleransı, güç yönetimi ve mobilite gibi birçok avantajı bulunmaktadır. Bu sebeplerle nesnelerin interneti, çeşitli afet yönetimi uygulamaları için (volkanik, taşkın, orman yangını, heyelan, deprem, kentsel afet yönetimi, terörist saldırı yönetimi ve mağdur konumlama gibi) çeşitli düşük maliyetli ve düşük güçlü kablosuz iletişim çözümleri sunmaktadır.Bununla birlikte, bir felaketin ortaya çıkma zamanı tahmin edilemediğinden ve bu kritik uygulamaların sistem bütünlüğü büyük önem taşıdığından; şu anda tasarlanmış ya da tasarlanması planlanan nesnelerin interneti tabanlı afet yönetimi uygulamalarınında; sahada kanıtlanmış donanım, güvenli ve güvenilir iletişim yetenekleri ve uzun pil ömrü gibi özelliklerin bulunması gerekir.Bu tezde, afet sonrası yönetim uygulamalarında kullanılmak üzere yukarıda belirtilen hedeflere ulaşmak için yeni tip iletişim, güvenlik ve pil tüketim yöntemlerinin gerekli olduğunu savunuyoruz. Türkiye büyük bir deprem bölgesinde yer aldığından ve can kayıplarının çoğu deprem sebepli olması nedeniyle, nesnelerin interneti tabanlı gerçek bir deprem afet yönetimi sistemi tez kapsamında geliştirmesi hedeflenmiştir. Geliştirilen bu sistem üzerinde tezde önerilen katkılar su üç aşamada incelenmiştir: İletişim yeteneklerinin arttırılması, pil ömrünün uzatılması, ve güvenlik ve veri bütünlüğünün arttırılması için gerekli yeni metotların geliştirilmesi. Tez kapsamında bir deprem sonrası Yapısal Sağlık İzleme (YSİ) sensörü geliştirilmiş ve sensörün doğruluğu inşaat mühendisleri ile birlikte deprem laboratuarında yapılan testler ile doğrulanmıştır. Interdisipliner çalışmalar ile farklı alanlarda başka nesnelerin interneti tabnlı başka çözümlerin üretilmesi mümkün olduğu gösterilmektedir. YSİ sensörleri, tezin diğer bütün katkılarının üzerinde test edildiği bir test ortamı olarak kullanılmıştır ve bu kapsamda enerji tasarruflu Optimize Link Durumu Yönlendirme (OLSR) protokülü, gelişmiş düşük güç gerektiren şifrelemesiz güvenlik sistemi denemeleri bu sistem üzerinde gerçeklenmiştir.Bir felaket durumunda gerçek hayattaki zorlukların üstesinden gelebilecek OLSR protokolünün geliştirilmiş bir sürümü önerilmiş ve gerçek bir donanım üzerinde uygulanmıştır. Önerilen Zaman Bölmeli Çoklu Erişim (TDMA) çözümü, arama kurtarma ekiplerinin iletişimi için önemli olabilecek paralel çoklu ortam akışına izin vermektedir. Frekans atlama şeması, kablosuz ağın esnekliğini artırır ve kirletme saldırılarını önler.Genellikle, nesnelerin interneti tabanlı sensörlerinin kablosuz güvenliğini sağlayabilmek için şifreleme anahtarını gerektiren yöntemler kullanılmakta ve bu sebeple sensör üzerinde bu şifreyi saklayabilmek için nispeten pahalı bileşenler gerekmektedir. Bu durum maliyete duyarlı uygulamalar için güvenlik sorunlarının gözardı edilmesine neden olmaktadır veya verileri işlerken ve iletirken daha fazla güç tüketen kriptografik mesaj kimlik doğrulama protokolleriyle sağlanır. Sensörler tarafından üretilen verilerin gizli olmadığı, ancak veri bütünlüğünün çok kritik olduğu bazı durumlar vardır. Bu tezde, maliyeti düşük ve pil sınırlı olan nesnelerin interneti tabanlı afet yönetimi cihazlarının güvenilir iletişimini ele alan bir güvenlik yöntemi de öneriyoruz. Recent advances in IoT have allowed reliable and cost-effective event management and decision support systems, that has the potential of real-time monitoring and management of the critical systems. IoT has many benefits over traditional monitoring systems including fault tolerance, power management and mobility. In this respect; IoT provides low-cost and low-power wireless communication solutions for diverse sets of disaster management applications, volcanic disaster management, flood disaster management, forest fire disaster management, landslide disaster management, earthquake disaster management, industrial disaster management, urban disaster management, terrorist attack management, victim localization. However, since the time of occurrence of a disaster cannot be predicted and the system integrity of these critical applications are utmost importance; the realization of these currently designed and envisioned IoT based disaster management applications needs field proven hardware, secure and reliable communication capabilities and long battery lifetime.In this thesis, we argue that new types of communication, security and battery preserving methods are needed to achieve the aforementioned goals for post-disaster management applications. Since Turkey lies on a big earthquake zone and many lives are lost because of earthquake type disasters, this thesis focuses on increasing communication capabilities and battery lifetime and enhancing security and integrity on a real earthquake disaster management IoT system. The contribution of this thesis is three-fold, which are explained in the following three paragraphs.First, we have developed a post-earthquake Structural Health Monitoring (SHM) sensor and the accuracy of the sensor is tested in an earthquake laboratory with the help of civil engineering scientists. This shows that IoT can be used in different post-disaster related areas with the contribution of other related domains. The SHM sensors are used during all phases of the thesis for development and testing i.e., power efficient Optimized Link State Routing (OLSR), enhanced low-power non-cryptography based security and in other parts of the thesis. In addition, we have proposed an improved version of OLSR protocol and implemented it on real hardware to overcome real-life difficulties in a disaster situation. The proposed Time Division Multiple Access (TDMA) solution allows parallel multimedia streaming which can be important for the communication of first responders. The frequency hopping schema improves the resilience of the wireless network and to prevent jamming attacks. Finally, we have proposed a battery-efficient protocol for ensuring integrity in IoT communications. Usually, wireless security of IoT sensors is provided by cryptographic message authentication protocols, which requires relatively expensive components for storing and processing the encryption key on the sensor and consumes more power while processing and transmitting data which results in the renunciation of security issues for cost-sensitive applications. There are some cases where the data generated by IoT sensors is not confidential, but the data integrity is very critical. In this thesis, we propose a method which addresses reliable communication of IoT devices that are cost constrained and battery limited. 109