CN102497377A - 通信基站燃料电池备用电源的远程监控数据安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信基站燃料电池备用电源用远程监控数据安全传输方法，并提出了一种利于压缩的用户协议；对实时循环采集数据的第一帧进行加密；随后采集的数据通过比较相邻两帧数据的差别，将有差别的数据信息编码，实现去冗余压缩。本发明提出的用户协议考虑了实时数据的缓变、历史数据冗余大的特点，更适合用于嵌入式系统和数据安全性要求较高的场合；本发明提出了二次加密方法，增加数据传输的安全可靠性；本发明对不常变的数据具有很高的压缩比，且算法快速，只需少量数据缓存，提高了系统的实时性，适用于嵌入式系统实现。

Description

通信基站燃料电池备用电源的远程监控数据安全传输方法

技术领域

本发明属于燃料电池备用电源的远程监控领域，特别是一种通信基站燃料电池备用电源的远程监控数据安全传输方法。

背景技术

燃料电池是一种新型的绿色能源，作为通信基站的备用电源，受到人们越来越多的关注和应用，由于通信基站一般无人值守，而燃料电池系统存在结构复杂、运行使用过程中变化较大，一般情况下处于停机状态，一旦停电，必须立即启动投入运行，进入不间断工作状态，因此迫切需要对燃料电池的运行参数进行实时监测和控制。

随着网络技术的蓬勃发展，远程监控技术的应用越来越广泛。通信基站燃料电池备用电源的监控信息主要包括大量被监控对象的各种状态参数和智能设备的采集数据，由于采样周期短，监控周期长，传输的数据量很大。在一般监控系统的用户协议定义过程中，对被监控对象的状态参数和采集的数据一般按照约定顺序排列，直接发送到远程监控站。现有用户协议定义方法直观、明了，却未顾及这些数据缓变、历史数据冗余大的特点，同时也不适合对数据安全性要求较高的场合。

首先，本发明在用户协议定义方法上，考虑到了历史数据的冗余性，将数据分为常变量、缓变量和不常变量三类，将常变量和缓变量的小数部分存储在A片区，将不常变量和缓变量的整数部分存储在B片区。

考虑到通信基站燃料电池备用电源监控系统的实时性要求，还要对传输的数据进行冗余压缩，以提高数据的传输效率以及节省存储空间。常用的无损压缩方法有HUFFMAN编码、算术编码和游程编码等。

HUFFMAN编码是根据信道中各种符号出现的概率进行编码，高概率的符号具有较短的码字，低概率的符号具有较高的码字。该编码实现简单，编码效率高，但是，在实际应用中，无法实现获得个符号的概率。

算术编码是将被编码的信息表示成实数0和1之间的一个间隔，信息流越长，则表示它的间隔就越小，那么用于表示这一间隔所需的二进制位就越多。由于计算机支持的浮点运算的位数的能力是有限制的，用浮点数表示一个较长的数据序列时实现起来较为困难。

一般，无法事先预知监控信息的统计概率，上述方法很难奏效。也有一些不依赖于信源统计概率的编码方法，但大多编程复杂，在嵌入式系统中难以实现。

本发明利用B片区数据在若干采集周期时间内变化非常小的特点，通过相邻帧数据异或，进行去冗余压缩，减小传输的数据量，保证系统数据传输的实时性。

在远程监控系统中，嵌入式数据采集模块与远程监控终端之间通过Internet的数据传输一般采用明文方式，带来很大的安全隐患。考虑到远程监控系统以及数据传输的安全性，对传输数据进行加密必不可少。现有数据加密技术有以下三类：对称加密，非对称加密，量子加密。

对称加密技术运用相同的密钥对数据进行加密和解密，这类算法运算简单，适用数据量大的系统。但是只要侵入者获取了公钥，数据的安全性就得不到保证。常用的对称加密算法有DES、3DES、AES。

非对称加密技术则是采用不同的加密密钥和解密密钥对数据进行加密和解密，其中加密密钥和解密密钥都是不可逆的，即使侵入者获取的加密密钥也无破译出加密密钥。常用的非对称加密算法有RSA、DSA、ECC。

量子加密算法采用的是量子力学当中的测不准原理和量子不可克隆原理与密码学相结合的方法。这种算法具有无条件的安全性，即侵入者不存在拥有足够的窃取时间以及相应的计算机能力来窃取数据。但是，量子加密算法不适合远距离的数据传输，同时，量子加密算法还处在理论研究阶段，实际运用的例子比较少。

为了不增加系统硬件的额外开销，本发明采用一种双加密的算法保证数据的安全。即先采用简单非对称加密算法对数据头进行加密，接着对加密后的数据进行一个随机化乱序排列的操作。这样的一种双加密的算法，运算简单，安全性高，不需要增加硬件设备。

发明内容

本发明的目的是在现有燃料电池远程监控数据安全传输技术不足的情况下，提出一种通信基站燃料电池备用电源的远程监控数据安全传输方法，以实现数据的安全传输和高效压缩。

为了实现上述目的，本发明所采用的方案是：

设定一种利于压缩的用户传输协议：将监控数据按照常变、缓变和不常变分类，将常变量和缓变量的小数部分存储在A片区，将不常变量和缓变量的整数部分存储在B片区；

具体远程监控数据安全传输方法包括如下步骤：

步骤1：首先，远程监控中心生成公钥和私钥，保存公钥和私钥；

步骤2：将公钥由远程监控中心发送到下位机；

步骤3：采集一帧通信基站燃料电池备用电源现场数据；

步骤4：根据上述的用户传输协议，调整数据存储结构，判断该现场数据是否为第一帧，若为第一帧，执行步骤5，进行数据加密处理；否则，执行步骤9，进行数据压缩处理；

步骤5：将采集到的第一帧现场数据作为数据头；

步骤6：下位机上随机生成一个与第一帧现场数据大小相同的矩阵，矩阵内容为1，2，3，4...2N+M的一种排列；

步骤7：根据随机生成的矩阵，将第一帧现场数据打乱；

步骤8：通过公钥将随机矩阵对第一帧现场数据加密，传给远程监控中心，跳转执行步骤12；

步骤9：将上一帧现场数据的模拟量小数数据和常变开关量存储到A片缓存区，将上一帧现场数据的模拟量的整数数据和不常变开关量存储到B片缓存区；

步骤10：将该帧与上一帧的B片区现场数据进行按位异或操作，并进行统计压缩再与A片区数据合并；

步骤11：处理数据完毕后，发送至远程监控中心；

步骤12：远程监控中心判断接收数据是否正确，若出错，下位机就将下一次采集到的数据作为第一帧数据处理，跳转执行步骤3；

步骤13：重复执行上述步骤，以实现通信基站燃料电池备用电源用远程监控数据安全传输。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明定义的用户协议考虑了实时数据的缓变、历史数据冗余大的特点，更适合用于嵌入式系统和数据安全性要求较高的场合；本发明所述方法，通过分析数据特征，对第一帧数据先打乱后数据加密的方法，提高了数据的安全性，当数据出错时，下位机将重新生成变换矩阵，并将此时采集的数据作为第一帧数据，提高了数据传输的正确性。本发明对不常变的数据具有很高的压缩比，缓变、常变的数据具有一定的压缩，且算法快速，只需少量数据缓存，提高了系统的实时性，适于嵌入式系统实现。本发明不仅限于通信基站燃料电池备用电源远程监控数据的安全传输，也适用于一般基于嵌入式系统的远程监控数据安全传输中。

附图说明

图1为本发明所述数据安全传输方法的总体流程图。

图2为本发明所述数据安全传输方法中利于压缩的用户传输协议格式。

图3为本发明所述数据安全传输方法中数据加密流程图。

图4为本发明所述数据安全传输方法中数据压缩流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步解释，但不用于限定本发明。

通信基站燃料电池备用电源的一帧数据，包括电堆电压、电流、压力等模拟量信号，还有风扇、氢气泵、循环水泵、尾气阀等开关量信号。远程监控数据安全传输流程如图1所示。

首先，远程监控中心生成公钥和私钥，并将公钥发送到下位机。下位机采集一帧现场数据，根据自定义的用户传输协议，调整数据帧结构。将该数据帧常变量和缓变量的小数部分存储在A片区，将不常变量和缓变量的整数部分存储在B片区。判断该数据是否为第一帧，若为第一帧，对其做置乱处理，再进行二次加密操作。若不为第一帧数据，则将该帧与上一帧的B片区数据进行按位异或操作，再用行程压缩数据。处理数据完毕后，发送至远程监控中心，并判断接收数据是否正确。如果接收数据出错，则通知下位机，将下一帧数据作为第一帧数据。重复上述过程。

假设现在现场采集到一帧数据(已简化)：模拟量16.20V，30.12A，50.20P，开关量(0011 0000 1111 0011)₂，其中0表示关闭，1表示打开。用十六进制表示这帧数据为：10 14 1E 0C 32 14 30 F3，共8个字节；如图2所示，调整数据存储顺序：1-3个字节存储模拟量的小数部分，第4个字节存储状态不稳定的开关量。数组第5-7字节存放整数部分增量，第8字节存储状态稳定的开关量，得到数组：14 0C 14 F3 10 1E 32 30，将14 0C 14 F3存入A片缓存区，10 1E32 30存入B片缓存区。

对数据进行加密：

步骤1：远程监控中心选择两个保密的大素数p和q，计算n＝p*qp_n＝(p-1)(q-1)选一整数e，1＜e＜p_n。求p_n，e的最大公约数d，满足d*e＝1mod p_n，以{e，n}为公钥，{d，n}为私钥，将公钥由远程监控中心发送到下位机。

步骤2：判断采集到的一帧数据是否为第一帧数据，如果是，执行步骤3，否则转到数据压缩模块。

步骤3：随机生成长度为8字节的变换数组T＝[t(i)]，T是1，2，...，8的一种排列。例如

T＝[3 1 8 6 2 4 5 7]

步骤4：将第一帧数据14 0C 14 F3 10 1E 32 30打乱，如T[1]＝3，T[1]不为1，则在T中找到T[i]＝3-1＝2，则i＝5，将原数据的第5位放入新数据的第1位，及数据中的10放入新数据的第1位；T[2]＝1，及T[2]为1，则找到T[i]＝8，及i＝3，将原数据的第3位放入新数据的第2位及数据中的14放入新数据的第2位；T[3]＝8且T[3]不为1，则找到T[i]＝8-1＝7，及i＝8，将原数据的第8位放入新数据的第3位及数据中的30放入新数据的第3位，其余的数据依次类推转换后得到的数据为：10 14 30 32 0C 14 1E F3。

步骤5：将打乱后的数据与数组T合并，生成长度为16字节的数据m＝10 14 30 32 0C 14 1E F3 03 01 08 06 02 04 05 07。

步骤6：将数据m分组，分组长度小于log₂16*8。

步骤7：分组后的数据为L_i(i＝1，2，3...)，用L_i的e次方对n求模，得 $C_i=L_i^e\mathrm{mod}n.$

用C_i对每组数据加密，将加密后的结果C_i传输到远程监控中心。

步骤8：如果远程监控中心接收数据错误，通知下位机将下次采集的数据作为第一帧数据处理。

现场采集到第二帧数据：模拟量16.29V，30.20A，51.01P，开关量(0011 0000 1010 1001)₂，其中0表示关闭，1表示打开。用十六进制表示这帧数据为：10 1C 1E 14 33 01 30 A9。

对数据进行压缩去冗余：

步骤1：按用户传输协议调整数组字节顺序，得到数组1C 14 01A9 10 1E 33 30，将1C 14 01 A9存入A片缓存区，10 1E 33 30存入B片缓存区。

步骤2：将B片缓存区中的数据10 1E 33 30与上一帧数据模拟量整数部分和稳定的开关量异或，得到00 00 01 00。

步骤3：统计异或后得到的四个字节00 00 01 00中发生0/1跳变的次数为n2＝2，可以进行压缩。连续出现23个0、1个1、8个0。

步骤4：将后四个字节转换成格式((00000)₂，(001)₂)，((10111)₂，(001)₂)，((01000)₂，(000)₂)，其16进制形式为(01)₁₆，(B9)₁₆，(40)₁₆。

步骤5：将A片区数据的前4个字节(1C)₁₆，(14)₁₆，(01)₁₆，(A9)₁₆与(01)₁₆，(B9)₁₆，(40)₁₆合并，得到压缩后的数据帧为：(1C)₁₆，(14)₁₆，(01)₁₆，(A9)₁₆，(01)₁₆，(B9)₁₆，(40)₁₆。

在压缩前数据帧1C 14 01 A9 00 00 01 00占64Bit，压缩后数据帧(1C)₁₆，(14)₁₆，(01)₁₆，(A9)₁₆，(01)₁₆，(B9)₁₆，(40)₁₆占56Bit。

若采集到第三帧数据：模拟量16.28V，31.21A，51.7P，开关量(0011 0000 1001 1000)₂，其中0表示关闭，1表示打开。用十六进制表示这帧数据为：10 1C  1E 15 33 07 31 A8。

步骤1：按用户传输协议调整字节顺序，得到数组1C 15 07 A8 101E 33 31。将1C 15 07 A8存入A片缓存区，10 1E 33 31存入B片缓存区。

步骤2：将缓存中的数据10 1E 33 31与上一帧数据模拟量整数部分和稳定的开关量10 1E 33 30异或得到00 00 00 01。

步骤3：统计异或后得到的四个字节，发生0/1跳变的次数为1，可以进行压缩。连续出现31个0，和1个1。那么压缩后的数据帧为：((0000)₂(001)₂)，((11111)₂(001)₂)，其16进制形式为(01)₁₆，(F9)₁₆

在压缩前数据帧1C 15 07 A8 00 00 00 01占64Bit，压缩后数据帧1C 15 07 A8 01 F9占48Bit。

若采集到第四帧及以后采集周期的数据时，与第三帧数据处理步骤相似。如此循环采集、处理、传输。直到有错误发生，则将下一次采集的数据作为第一帧处理，转到所述的加密步骤。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域中专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种通信基站燃料电池备用电源的远程监控数据安全传输方法，首先，设定一种利于压缩的用户传输协议：将监控数据按照常变、缓变和不常变分类，将常变量和缓变量的小数部分存储在A片区，将不常变量和缓变量的整数部分存储在B片区；

具体远程监控数据安全传输方法包括如下步骤：

步骤1：首先，远程监控中心生成公钥和私钥，保存公钥和私钥；

步骤2：将公钥由远程监控中心发送到下位机；

步骤3：采集一帧通信基站燃料电池备用电源现场数据；

步骤4：根据上述的用户传输协议，调整数据存储结构，判断该现场数据是否为第一帧，若为第一帧，执行步骤5，进行数据加密处理；否则，执行步骤9，进行数据压缩处理；

步骤5：将采集到的第一帧现场数据作为数据头；

步骤6：下位机上随机生成一个与第一帧现场数据大小相同的矩阵，矩阵内容为1，2，3，4...2N+M的一种排列；

步骤7：根据随机生成的矩阵，将第一帧现场数据打乱；

步骤8：通过公钥将随机矩阵对第一帧现场数据加密，传给远程监控中心，跳转执行步骤12；

步骤9：将上一帧现场数据的模拟量小数数据和常变开关量存储到A片缓存区，将上一帧现场数据的模拟量的整数数据和不常变开关量存储到B片缓存区；

步骤10：将该帧与上一帧的B片区现场数据进行按位异或操作，并进行统计压缩再与A片区数据合并；

步骤11：处理数据完毕后，发送至远程监控中心；

步骤12：远程监控中心判断接收数据是否正确，若出错，下位机就将下一次采集到的数据作为第一帧数据处理，跳转执行步骤3；

步骤13：重复执行上述步骤，以实现通信基站燃料电池备用电源用远程监控数据安全传输。

2.根据权利要求1所述的一种通信基站燃料电池备用电源的远程监控数据安全传输方法，其特征在于：所述采集的燃料电池备用电源的现场数据包括燃料电池备用电源的电堆总电压、电堆总电流、净输出电流、进堆温度、出堆温度、氢气高压压力、氧气进堆压力、风机给定以及控制方式，共有N个模拟量和K个开关量，每个模拟量的整数部分和小数部分分别用一个字节存储，模拟量共占2N字节；每个数字量用一位存储，共有K个开关量，用M个字节存储；如果开关量K能被8整除，则K个开关量共占K/8个字节，即M＝K/8，若K不能被8整除，则M＝INT(K/8)+1，INT( )为取整数部分操作；N个模拟量和K个开关量，则组成一帧2N+M个字节的数据；采用利于压缩的方式调整数据存储结构，将开关量分为M1个字节的常变开关量和M2个字节的不常变开关量，数组的前N个字节存储模拟量的小数部分，第N+1至N+M1个字节存储状态常变的开关量，第N+M1+1到2N+M1字节存放模拟量的整数部分，第2N+M1+1至2N+M1+M2存储状态不常变的开关量，其中M1+M2＝M。

3.根据权利要求1或2所述的一种通信基站燃料电池备用电源的远程监控数据安全传输方法，其特征在于，对第一帧数据，生成转换矩阵T，将第一帧数据置乱，对矩阵T和置乱后的数据进行二次加密，传输到远程监控中心，步骤如下：

步骤A：远程监控中心选择两个保密的大素数p和q，计算n＝p*q，p_n＝(p-1)(q-1)，选一整数e，1＜e＜p_n，求p_n、e的最大公约数d，满足d*e＝1 mod p_n，以{e，n}为公钥，{d，n}为私钥，将公钥由远程监控中心发送到下位机；

步骤B：采集一帧数据，按权利要求2所述的利于压缩的用户传输协议调整数据存储结构，并将2N+M个字节的数据存储到缓存中；

步骤C：判断所采集数据是否为第一帧，如果是，执行步骤D，否则跳转到数据压缩模块；

步骤D：对第一帧数据加密，随机生成长度为2N+M的变换数组T＝[t(i)]，T是1，2，...，2N+M的一种排列；

步骤E：如果t(i)＝1(i＝1，2，...，2N+M)，执行步骤F，否则执行步骤G；

步骤F：从T中找到满足t(i)＝2N+M的元素位置v，使b(i)＝a(v)，其中a为原始帧，b为转换后的帧；

步骤G：从T中找到v号元素，使t(v)＝t(i)-1，使b(i)＝a(v)；

步骤H：使b和T合并生成长度为2(2N+M)的数据total，然后将total分成组，分组长度小于log₂16(2N+M)，分组后的数据为L_i，其中i＝1，2，3...，用L_i的e次方对n求模，得

用C_i对每组数据加密，将加密后的结果C_i传输到远程监控中心。

4.根据权利要求1或2所述的一种通信基站燃料电池备用电源的远程监控数据安全传输方法，其特征在于，利用模拟量整数部分和部分数字量在短暂的采集周期时间内变化非常小的特点，通过比较相邻两帧数据的差别，将有差别的数据信息进行编码，实现去冗余压缩，步骤如下：

步骤a：采集一帧包含N个模拟量和K个数字量的信息，存储在长度为2N+M个字节的数组内，并按权利要求2所述的利于压缩的用户传输协议调整数据存储结构；

步骤b：将模拟量的小数数据和常变开关量存储到A片缓存区，将模拟量的整数数据和不常变开关量存储到B片缓存区，判断采集到的数据是否为第一帧，如果是，然后跳转到数据加密模块；

步骤c：将第1到N+M1个字节中数组的模拟量小数数据和常变开关量存入A片缓存区，将第N+M1+1到2N+M个字节中数组的模拟量整数数据和不常变开关量与上一帧数据的相应B片区部分按位进行异或操作；

步骤d：对后N+M2个字节，统计发生0/1或1/0跳变的次数n，若n小于N+M2时，记录后N+M2个字节连续出现的二元值0或1及重复个数；否则，在数组前面加上一个标志字符FF，跳转到步骤g；

步骤e：根据记录结果，数据后N+M2个字节转换成的数据格式形为(S，(001)₂)，(X1，value1)，(X2，value2)，...(Xi，valuei)i＝1，2，...，其中S、Xi占5bit，value占3bit，S表示从数据最高位起连续出现1的次数，Xi表示两个非零值之间连续零的个数，valuei表示下一个非零值所占的比特数；

步骤f：将前N+M1个字节数据和后N+M2个字节压缩得到的数据串(S，(001)₂)，(X1，value1)，(X2，value2)，...(Xi，valuei)进行合并；

步骤g：将转换后的结果传输至远程监控中心；

步骤h：如果远程监控中心数据接收出错，通知下位机将下次采集到的数据作为第一帧数据处理，转到权利要求3所述的步骤B，否则，循环采集、转换以及传输。

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