CN101833315B

CN101833315B - 基于无线通信的水处理远程监控系统

Info

Publication number: CN101833315B
Application number: CN2010101383474A
Authority: CN
Inventors: 徐新民; 黄圣铿; 周立南
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2010-04-02
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-04-02
Also published as: CN101833315A

Abstract

本发明公开了一种基于无线通信的水处理远程监控系统，包括若干无线终端、数据集中器和中央计算机，无线终端采集受监控的数据，经加密、转换格式后发送给数据集中器，数据集中器存储数据后传输给中央计算机；中央计算机发出水处理指令，对水处理指令进行明文校验、加密、格式转换后传输给无线集中器存储，最后发送给各个无线终端，无线终端还原、解密、验证通过后传输给执行机构。本发明系统采用无线方式采集、处理数据可以省去大量的传输线布线的繁杂施工，大大降低成本、简化其监控的架构形式。同时，通过对明文数据进行的特殊校验处理和加密技术，以及对密文数据的特殊格式处理，一定程度上提高了无线监控系统的可靠性和安全性。

Description

基于无线通信的水处理远程监控系统

技术领域

本发明涉及数据监视和控制技术领域，尤其涉及一种基于无线通信的水处理远程监控系统。

技术背景

目前，在水处理领域，数据收集和控制信号传输多数用有线方式，在工业检测和控制领域虽然已经存在已久，技术也相当成熟。但是，在很多场合，无疑造成很多不必要的浪费。首先是层次结构比较复杂，施工困难，工作繁重。其次，成本极高，因为使用成本较高的PLC控制器作为分层次的二级、三级控制器，PLC价格不菲；因为是有线传输，一般距离比较远，需要大量的信号传输线，这个价格不亚于PLC控制器。最后，就是维护难度高，传统的监控系统复杂，因此环节多，故障率增加，另外，信号线容易老化，或遭鼠害容易造成断线，又一般传输线安装在专门的传导盒中或地下通道或掩埋起来，检测故障点难度很高，给维护和维修造成很大困难。

而目前应用中的部分无线水处理设备优点是价格低廉，结构简单。增加的风险是抗干扰能力差，误码率高，以及未授权的访问，包括有意的和无意的入侵。

发明内容

本发明提供了一种基于无线通信的水处理远程监控系统，该系统结构简单，制造成本低廉。且无线传输过程中可靠性高，保密性强。

一种基于无线通信的水处理远程监控系统，包括：

若干无线终端：采集受监控的数据，经加密、转换格式后发送给数据集中器；接收数据集中器发出的经加密、转换格式后的水处理指令，还原、解密后传输给相应的执行机构；

数据集中器：接收各个无线终端发送的经加密、转换格式的数据并进行存储，传输给中央计算机；接收中央计算机发出的经加密、转换格式的水处理指令并进行存储，发送给各个无线终端；

中央计算机：读取数据集中器中存储的经加密、转换格式的数据，还原、解密后以数据库的形式进行管理；发出水处理指令，并对水处理指令进行加密、转换格式。

所述的数据和水处理指令加密方法优选为对称加密算法，增加系统安全性的同时不影响系统的执行处理速度。

优选地，所述的数据转换格式的方法为在经加密的数据两端添加引导码、权限、终端号、数据的明文校验码、校验码和终结码，经加密的数据以及数据的明文校验码位于中间位置，能有效保证数据传输的准确性。

所述的水处理指令转换格式的方法为在经加密的水处理指令两端添加引导码、权限、终端号、水处理指令的明文校验码、校验码和终结码，经加密的水处理指令以及水处理指令的明文校验码位于中间位置，能有效保证数据传输的准确性。

优选地，所述无线终端由终端处理器、外设接口和无线传输模块组成；终端处理器接收外部设备传输的受监控的数据，将其加密、转换格式后经无线传输模块发送给无线集中器；无线传输模块接收经加密、转换格式的水处理指令并传输给终端处理器，终端处理器对其进行解密、还原后传输给执行机构。

优选地，所述的数据集中器由处理器、存储器、与中央计算机的接口和无线传输模块组成；处理器读取存储在存储器中的经格式转换的水处理指令，经无线传输模块发送给无线终端，处理器经无线传输模块接收经加密和转换格式的数据，并存储在存储器中。

优选地，所述的终端处理器或处理器为PHILIPS LPC2103。

优选地，无线传输模块是由调制解调芯片CC1020和处理器Atmega8L组成。CC1020是一种理想的超高频单片收发器芯片，主要用于ISM频带和在426/429/433/868/915MHz频带的SRD(Short Range Device)中，也可经编程后用于频率为402MHz～470MHz和804MHz～940MHz的多信道设备。

本发明系统采用的是业余无线频道，调制方式GFSK/FSK，工作频率为433/868/915MHz，也可以使用GPRS/CDMA无线方式传输。

本发明系统采用无线方式采集、处理数据可以省去大量的传输线布线的繁杂施工，而且大大降低成本、简化其监控的架构形式。信息收集后保存在收集器中，需要时由中央计算机负责取回保存于其中的数据，当进行某种动作的时候，由中央计算机负责发送动作命令，交给无线集中器，再由无线集中器通过广播的形式，发送给各个不同的无线终端。当各个不同的终端接收来自集中器的命令后，经过验证数据，判断命令是发给本终端时，该终端再组织将此命令解密、还原并输出给相应的执行器或执行机构，非常简捷高效。

同样的道理，当某个终端或多个终端需要向中央计算机发送数据的时候，就由当时需要发送数据的终端负责组织数据，发送给无线数据集中器；如果是多个终端同时发送，就按需要的优化方式进行排队，以保证不会有数据传送丢失。集中器接收端收到此信息，按一定的格式进行保存，便于中央计算机来取数据。

中央计算机负责从集中器取回收集到的所有数据，然后对信息进行解密、还原、整理，使用数据库管理方式对其进行管理，非常便利和高效率。

附图说明

图1为本发明无线终端模块示意图；

图2为本发明无线数据集中器模块示意图；

图3为本发明无线数据监控系统的结构示意图；

图4为本发明数据解密、校验流程图。

具体实施方式

如图所示，一种基于无线传输的水处理终端，包括：

若干无线终端：采集受监控的数据，经加密、转换格式后发送给数据集中器；接收数据集中器发出的经加密、转换格式的水处理指令，还原、解密后传输给相应的执行机构，受监控的数据为污水的酸碱度、含氧量、温度以及传输管道的污水流量、压力等。

数据集中器：接收各个无线终端发送的经加密、转换格式的数据并进行存储，传输给中央计算机；接收中央计算机发出的经加密、格式转换的水处理指令并进行存储，发送给各个无线终端；

中央计算机：读取数据集中器中存储的经加密、转换格式的数据，还原、解密后以数据库的形式进行管理；发出水处理指令，并对水处理指令进行加密和转换格式。

无线终端由终端处理器、外设接口和无线传输模块组成；终端处理器接收外部设备传输的受监控的数据，将其加密、转换格式后经无线传输模块发送给无线集中器；线传输模块接收经加密、格式转换的水处理指令并传输给处理器，终端处理器对其进行还原、解密后传输给执行机构。

数据集中器由处理器、存储器、与中央计算机的接口和无线传输模块组成；处理器读取存储在存储器中的经格式转换的水处理指令，经无线传输模块发送给无线终端，处理器经无线传输模块接收经加密、转换格式的数据，并存储在存储器中。

上述的终端处理器和处理器为PHILIPS LPC2103，无线传输模块是由调制解调芯片CC1020和处理器Atmega8L组成。

为了最大限度地增强系统安全性，降低误码率和抗非法数据，初始的数据和水处理指令经加密和格式转换，其数据加密的方法是采用DES对称加密算法。未授权用户由于不知道其算法，其发送的插入数据由于不符合特定的加密算法，将在接收端被检出。从而防止未授权用户的访问，增加系统安全性。其数据转换的方法是除了必要的引导码、数据或命令、校验码和终结码之外，还附加了非法校验和权限校验，考虑到网络周边和环境干扰，数据或水处理指令在整个数据块的中间位置，其数据帧格式如下：

引导码

权限

终端号

加密数据

明文校验码g

校验码

终结码

上述经格式转换的数据和水处理指令的误码率和非法数据入侵概率可以降到0.1‰以下，可以有效保证数据的安全传输。

以下对上述监控系统的工作流程进行举例说明：

当中央计算机要发出与3号无线终端相连的电动机的开启命令M，引导码、权限、终端号和终结码的字符分别规定为“$”、“****”、“3”和“#”，要发送的命令是“M”。数据传输步骤如下：

首先，服务器对系统进行密钥同步。

特别地，中央计算机通过对明文命令M进行CRC校验得到一串命令M的明文校验码g(x)；

对明文数据M进行加密处理，通过DES对称加密算法计算得出加密数据为“？”，再对引导码$到加密数据“？”进行校验(所有字符进行异或运算)，得到校验码为“V”，于是，要向3号无线终端发送的命令A的数据帧为“$****3？g(x)V#”。

该水处理指令数据帧传输给数据集中器，数据集中器将此数据帧保存在相应的存储单元，处理器读取后经无线传输模块发送给各个无线终端。

数据到发送到各个无线终端后，各个无线终端首先验证数据帧的完整性，包括引导码、权限、终结码以及帧的长度，如果不正确就停止解析；其次，验证无线终端号“3”，比对数据帧中的无线终端号与本无线终端号码，结果符合就将命令接收，否则就停止解析；然后，3号终端处理器通过解密程序对加密数据“？”进行解密运算，得到数据“M’”；这里，终端处理器将“M’”与发送端产生的明文数据“M”的校验码g(x)进行CRC(Cyclic Redundancy Check)校验运算，若余数为非0则视数据为非法，停止解析并报警。若余数为0则传输给电动机，使电动机开启。这样，可以防止非法用户伪造数据骗取系统执行未知操作，进一步实现了数据传输的唯一性，安全性。

同理，当该无线终端需要返回一个压力数据123时，首先产生一个对明文数据123的CRC校验码g’(x)，然后该无线终端的处理器根据加密算法以及数据格式，来构造一个包含此数据的数据帧，根据协定得到的数据帧为“$****3！？！g’(x)＝#”，其中的“！？！”是运算得到的加密数据，“＝”号是校验码，数据通过无线传输模块发送给数据集中器进行存储，中央计算机读取数据帧并进行还原、解密，将解密数据与g’(x)进行校验运算，合法后再将压力数据和对应的终端号存储在相对应的存储器中。

Claims

1.一种基于无线通信的水处理远程监控系统，其特征在于，包括：

若干无线终端：采集受监控的数据，经加密、转换格式后发送给数据集中器；接收数据集中器发出的经加密、转换格式后的水处理指令，还原、解密后传输给相应的执行机构；所述无线终端由终端处理器、外设接口和第一无线传输模块组成；终端处理器接收外部设备传输的受监控的数据，将其加密、转换格式后经第一无线传输模块发送给数据集中器；第一无线传输模块接收经加密、转换格式的水处理指令并传输给终端处理器，终端处理器对其进行解密、还原后传输给执行机构；

数据集中器：接收各个无线终端发送的经加密、转换格式的数据并进行存储，传输给中央计算机；接收中央计算机发出的经加密、转换格式的水处理指令并进行存储，发送给各个无线终端；所述的数据集中器由处理器、存储器、与中央计算机的接口和第二无线传输模块组成；处理器读取存储在存储器中的经加密、转换格式的水处理指令，经第二无线传输模块发送给无线终端，处理器经第二无线传输模块接收经加密和转换格式的数据，并存储在存储器中；

中央计算机：读取数据集中器中存储的经加密、转换格式的数据，还原、解密后以数据库的形式进行管理；发出水处理指令，并对水处理指令进行加密、转换格式；

所述的数据和水处理指令加密方法为对称加密算法；所述的数据转换格式的方法为在经加密的数据两端添加引导码、权限、终端号、数据的明文校验码、校验码和终结码，经加密的数据以及数据的明文校验码位于中间位置；所述的水处理指令转换格式的方法为在经加密的水处理指令两端添加引导码、权限、终端号、水处理指令的明文校验码、校验码和终结码，经加密的水处理指令以及水处理指令的明文校验码位于中间位置。

2.根据权利要求1所述的水处理远程监控系统，其特征在于：所述的终端处理器或处理器为PHILIPS LPC2103。