CN103778773A - 一种远程安全抄表方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所述远程抄表系统包括：后台管理中心、采集模块和前端设备，所述的方法包括以下过程：1）采集模块发出抄表命令；2）命令上报后台管理中心；3）验证采集人的身份；4）提取所采集前端设备的ID；5）生成新的会话密钥；6）加密提取的ID信息和抄表命令；7）信息发送至前端设备并将会话密钥发送至采集模块和前端设备；8）前端设备解密并确认信息；9）远程抄表模块读取数据；10）将ID信息、采集数据和MAC校验码打包加密后发送到采集模块；11）接受ID信息和数据；12）数据上传至安全服务器；13）安全服务器保存并更新信息。本发明在远程抄表的过程中，实现了身份认证和数据加密的功能，大大提高了安全等级。
Description
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，具体地说是一种远程安全抄表方法。
背景技术
目前，远程抄表系统主要由前端设备、采集设备和后台管理中心构成，其中，前端设备包括电表、水表和气表，采集设备为集中器或抄表机。
前端设备安装有传感器件，本文称之为远程抄表模块，其具有唯一ID标识。远程抄表模块通常采用光电直读技术，直接读取表计的计度器码盘数字。根据远程抄表模块与集中器或者抄表机之间数据通信的方式，可将远程抄表模块分为两种：有线远程抄表模块和无线远程抄表模块，前者内部不带电源，在读表时由集中器或者抄表机通过总线瞬间加电工作并完成上传读表数据功能，适合于集中器读表系统；后者内部携带电源，可通过微功率无线通讯技术上传读表数据功能，适合于抄表机读表系统。此外，远程抄表模块还可以根据需要在表计上安装内置或外置阀门等控制装置，通过后台或抄表机实现远程控制气表的开关阀。
集中器或者抄表机主要实现在楼外抄读气表的数据以及控制阀门开关。此外，抄表机还支持人工抄读。在集中器或者抄表机上安装有GPRS模块，可通过GPRS远程上传抄表数据，下载抄表任务。
后台管理中心主要由高配置的计算机、服务器、GPRS、网络接口等硬件设备组成，主要完成抄表、监控及客户端应用管理等三部分功能。
在远传抄表系统中主要涉及通信协议有：后台服务器通过集中器/抄表机向远程抄表模块发起的抄表协议（以下简称抄表协议）和后台服务器通过集中器/抄表机发送给远程抄表模块的特权指令传输协议（以下简称特权指令传输协议）。
现有的抄表流程如下：
当后台服务器需要抄表时，首先由后台服务器发起抄表请求，并同需要抄表的远程抄表模块的ID等信息一起发送给集中器/抄表机，集中器/抄表机转发抄表请求给指定的远程抄表模块；
远程抄表模块接收到集中器/抄表机的抄表请求后，读取终端表数据，将其发送给集中器/抄表机；
集中器/抄表机可以选择直接将抄表数据返回给后台服务器，也可以选择将多个远程抄表模块的抄表数据统一打包后传给后台服务器。
对于上述的系统和流程，存在以下缺陷：
1、原抄表协议是不安全的协议。在上述的抄表流程中，使用的是433的物理层来实现传感器远程抄表模块与集中器之间的传输，这种传输协议是一个透明数据传输，没有任何安全机制，所以非常容易受到攻击。
2、抄表端的传感器没有得到安全保障。目前在抄表传感器端，没有安全机制，所以容易被入侵，如篡改ID、表数等，传感器件ID是每个前端设备的唯一标识，它代表了前端设备的身份，由于在前端设备和集中器或者抄表机之间采用明文传输，恶意的用户可以假冒前端设备的ID，上传错误的数据，扰乱抄表系统正常运行。
3、现有远程抄表安全存在鉴权认证缺陷。原来的远程抄表机制，没有提供安全的认证流程，所以集中器是无法辨别出那些抄表器是合法的，也无法识别出抄上来的数据的真实性，以及丢弃错误的数据和被篡改的数据。
综上所述，现有的远程抄表系统没有一套完整安全保障机制，对用户、操作者，亦或者非法第三方没有界定与防范，以及对密码的传输管理机制，这是现有抄表系统不安全的根本。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种远程安全抄表方法，它解决了现有远程抄表方法不安全的问题，实现了对数据传输的安全管理，有效防范不法攻击。
本发明采用以下技术方案：一种远程安全抄表方法，它针对远程抄表系统，实现远程抄表功能，所述远程抄表系统包括：
后台管理中心，包括网络端口、PC机和安全服务器，用来管理抄表过程和储存数据，安全服务器中还存有根密钥；
采集模块，实现对前端设备中数据的抄读和阀门的开合，还设有安全模块，实现与后台管理中心的数据交互和数据的验证；
前端设备，安装有远程抄表模块和安全模块，远程抄表模块中设有唯一的ID编号，同时，还设有安全模块，实现对数据的采集和加密；
其中，安全模块设置在433通信模块和数据处理模块之间，它包括计算单元、消息认证码算法单元MAC，逻辑运算单元和存储单元；
所述的方法包括以下过程：
采集模块向前端设备发出抄表命令；
前端设备将命令上报后台管理中心；
验证采集人的身份；
提取所采集前端设备的ID；
生成新的会话密钥；
利用会话密钥对提取的ID信息和抄表命令加密；
信息发送至前端设备并将会话密钥发送至采集模块和前端设备；
前端设备解密并确认信息；
远程抄表模块读取数据；
将ID信息、采集数据和MAC校验码打包加密后发送到采集模块；
采集模块验证MAC校验码正确后，接受ID信息和数据；
采集到的数据和ID信息上传至安全服务器；
安全服务器保存并更新信息。
进一步的，如果采集模块验证MAC校验码错误，采集模块经重新发送抄表命令。
进一步的，所述更新信息的方法为：
获取前端设备的状态；
生成日志信息。
进一步的，所述获取前端设备状态的方法为：
安全服务器向一个前端设备发出连接请求；
安全服务器确认该前端设备的状态；
重复上述过程，直到所有前端设备状态确定。
进一步的，所述的安全服务器确认该前端设备状态的原理为：预先设定一个时间T，在安全服务器向一个前端设备发出连接请求后，安全服务器一时间T进行倒计时，倒计时结束前，安全服务器收到该前端设备发回的连接请求，确认该前端设备为在线状态，反之，该前端设备为离线状态。
进一步的，所述的远程安全抄表方法中，每当发送或接受到一个命令时，后台管理中心均生成一条日志信息。
进一步的，所述的日志信息包括以下内容：系统时间、命令类型、数据内容。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过设置安全服务器和安全模块，在远程抄表的过程中，实现了身份认证和数据加密的功能，有效防范了非法入侵和篡改数据的问题，大大提高了安全等级。
2、由于根密钥存放在安全服务器内，为硬件保护，保证了根密钥不能被第三方获取，同时，每次抄表数据上传和控制指令下发的交互过程中，会生成新的会话密钥并以明文下发给采集模块，从而大大提高了安全性。
附图说明
图1是本发明远程抄表系统的原理结构示意图；
图2是本发明的方法整体流程图；
图3是基于燃气表的远程抄表系统结构示意图；
图4是针对图3系统的具体实施流程图；
图5是基于电表的远程抄表系统结构示意图：
图6是针对图5系统的具体实施流程图；
图7是大用户电表的远程抄表流程图。
具体实施方式
如图1所示，该发明的远程抄表系统包括：
后台管理中心，包括网络端口、PC机和安全服务器，用来管理抄表过程和储存数据，安全服务器中还存有根密钥；
采集模块，实现对前端设备中数据的抄读和阀门的开合，还设有安全模块，实现与后台管理中心的数据交互和数据的验证；
前端设备，安装有远程抄表模块和安全模块，远程抄表模块中设有唯一的ID编号，同时，还设有安全模块，实现对数据的采集和加密；
其中，安全模块设置在433通信模块和数据处理模块之间，它包括计算单元、消息认证码算法单元MAC，逻辑运算单元和存储单元。
如图2所示，本发明的整体流程为：
S001：采集模块向前端设备发出抄表命令；
S002：前端设备将命令上报后台管理中心；
S003：安全服务器验证采集人的身份；
S004：安全服务器提取所采集前端设备的ID；
S005：安全服务器生成新的会话密钥；
S006：安全服务器利用会话密钥对提取的ID信息和抄表命令加密；
S007：信息发送至前端设备并将会话密钥发送至采集模块和前端设备；
S008：前端设备解密并确认信息；
S009：远程抄表模块读取数据；
S010：前端设备将ID信息、采集数据和MAC校验码打包加密后发送到采集模块；
S011：采集模块验证MAC校验码是否正确，如果正确，进入S012；如果错误，进入S001；
S012：采集模块接受ID信息和数据；
S013：采集到的数据和ID信息上传至安全服务器；
S014：安全服务器保存并更新信息，具体过程为：预先设定一个时间T，在安全服务器向一个前端设备发出连接请求后，安全服务器一时间T进行倒计时，倒计时结束前，安全服务器收到该前端设备发回的连接请求，确认该前端设备为在线状态，反之，该前端设备为离线状态，然后重复上述过程，直到所有前端设备状态确定，随后再生成日志信息。
在上述的远程安全抄表方法中，每当发送或接受到一个命令时，后台管理中心均要生成一条日志信息，所述的日志信息包括以下内容：系统时间、命令类型、数据内容。
如图3所示，基于燃气表的远程抄表系统包括：
后台管理中心，包括网络端口、PC机和安全服务器，用来管理抄表过程和储存数据，安全服务器中还存有根密钥；
PDA或集中器，实现对气表中数据的抄读和阀门的开合，还设有安全模块，实现与后台管理中心的数据交互和数据的验证；
气表，安装有远程抄表模块和安全模块，远程抄表模块中设有唯一的ID编号，同时，还设有安全模块，实现对数据的采集和加密；
其中，安全模块设置在433通信模块和数据处理模块之间，它包括计算单元、消息认证码算法单元MAC，逻辑运算单元和存储单元。
如图4所示，基于燃气表的远程抄表方法为：
S101：PDA/集中器向气表发出抄表命令；
S102：气表将命令上报后台管理中心；
S103：安全服务器验证采集人的身份；
S104：安全服务器提取所采集气表的ID；
S105：安全服务器生成新的会话密钥；
S106：安全服务器利用会话密钥对提取的ID信息和抄表命令加密；
S107：信息发送至气表并将会话密钥发送至PDA/集中器和气表；
S108：气表中的安全模块解密并确认信息；
S109：远程抄表模块读取数据；
S110：气表中的安全模块将ID信息、采集数据和MAC校验码打包加密后发送到PDA/集中器；
S111：PDA/集中器中的安全模块验证MAC校验码是否正确，如果正确，进入S112；如果错误，进入S101；
S112：PDA/集中器接受ID信息和数据；
S113：采集到的数据和ID信息上传至安全服务器；
S114：安全服务器保存并更新信息，具体过程为：预先设定一个时间T，在安全服务器向一个气表发出连接请求后，安全服务器一时间T进行倒计时，倒计时结束前，安全服务器收到该气表发回的连接请求，确认该气表为在线状态，反之，该气表为离线状态，然后重复上述过程，直到所有气表状态确定，随后再生成日志信息。
基于燃气表的远程抄表系统和方法同样适用于水表。
如图5所示，基于电表的远程抄表系统包括：
后台管理中心，包括网络端口、PC机和安全服务器，用来管理抄表过程和储存数据，安全服务器中还存有根密钥；
采集器，实现对气表中数据的抄读和阀门的开合，还设有安全模块，实现与后台管理中心的数据交互和数据的验证；
小用户电表（图中为电表），安装有远程抄表模块和安全模块，远程抄表模块中设有唯一的ID编号，同时，还设有安全模块，实现对数据的采集和加密；
大用户电表，同时具有采集器和小用户电表的功能；
其中，安全模块设置在433通信模块和数据处理模块之间，它包括计算单元、消息认证码算法单元MAC，逻辑运算单元和存储单元。
如图6所示，基于小用户电表的远程抄表方法为：
S201：采集器向电表表发出抄表命令；
S202：电表将命令上报后台管理中心；
S203：安全服务器验证采集人的身份；
S204：安全服务器提取所采集电表的ID；
S205：安全服务器生成新的会话密钥；
S206：安全服务器利用会话密钥对提取的ID信息和抄表命令加密；
S207：信息发送至电表并将会话密钥发送至采集器和电表；
S208：电表中的安全模块解密并确认信息；
S209：远程抄表模块读取数据；
S210：电表中的安全模块将ID信息、采集数据和MAC校验码打包加密后发送到采集器；
S211：采集器中的安全模块验证MAC校验码是否正确，如果正确，进入S212；如果错误，进入S201；
S212：采集器接受ID信息和数据；
S213：采集到的数据和ID信息上传至安全服务器；
S214：安全服务器保存并更新信息，具体过程为：预先设定一个时间T，在安全服务器向一个电表发出连接请求后，安全服务器一时间T进行倒计时，倒计时结束前，安全服务器收到该电表发回的连接请求，确认该电表为在线状态，反之，该电表为离线状态，然后重复上述过程，直到所有电表状态确定，随后再生成日志信息。
如图7所示，基于大用户电表的远程抄表方法为：
S301：电力公司通过验证，登陆后台管理中心；
S302：通过安全服务器提取所采集大用户电表的ID；
S303：安全服务器生成新的会话密钥；
S304：安全服务器利用会话密钥对提取的ID信息和抄表命令加密；
S305：信息和会话密钥发送至大用户电表；
S306：大用户电表中的安全模块解密并确认信息；
S307：远程抄表模块读取数据；
S308：电表中的安全模块将ID信息、采集数据和MAC校验码打包加密后发送到安全服务器；
S309：安全服务器验证MAC校验码是否正确，如果正确，进入S310；如果错误，进入S301；
S310：安全服务器接受ID信息和数据；
S311：安全服务器保存并更新信息，具体过程为：预先设定一个时间T，在安全服务器向一个大用户电表发出连接请求后，安全服务器一时间T进行倒计时，倒计时结束前，安全服务器收到该大用户电表发回的连接请求，确认该大用户电表为在线状态，反之，该大用户电表为离线状态，然后重复上述过程，直到所有大用户电表状态确定，随后再生成日志信息。
在上述的所有方案中，可以用GSM等无线网络替代GPRS网络，对于搭建的无线网络，可以通过现有移动通信公司搭建的网络，也可以由电力公司、燃气公司、水利公司自行搭建网络。
以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1. 一种远程安全抄表方法，它针对远程抄表系统，实现远程抄表功能，其特征在于，所述远程抄表系统包括后台管理中心、采集模块和前端设备，后台管理中心包括网络端口、PC机和安全服务器，用来管理抄表过程和储存数据，安全服务器中还存有根密钥；采集模块，实现对前端设备中数据的抄读和阀门的开合，还设有安全模块，实现与后台管理中心的数据交互和数据的验证；前端设备，安装有远程抄表模块和安全模块，远程抄表模块中设有唯一的ID编号，安全模块设置在433通信模块和数据处理模块之间，它包括计算单元、消息认证码算法单元MAC，逻辑运算单元和存储单元，实现对数据的采集和加密；
所述的方法包括以下过程：
采集模块向前端设备发出抄表命令；
前端设备将命令上报后台管理中心；
验证采集人的身份；
提取所采集前端设备的ID；
生成新的会话密钥；
利用会话密钥对提取的ID信息和抄表命令加密；
信息发送至前端设备并将会话密钥发送至采集模块和前端设备；
前端设备解密并确认信息；
远程抄表模块读取数据；
将ID信息、采集数据和MAC校验码打包加密后发送到采集模块；
采集模块验证MAC校验码正确后，接受ID信息和数据；
采集到的数据和ID信息上传至安全服务器；
安全服务器保存并更新信息。
2.根据权利要求1所述的一种远程安全抄表方法，其特征在于，如果采集模块验证MAC校验码错误，采集模块经重新发送抄表命令。
3.根据权利要求1或2所述的一种远程安全抄表方法，其特征在于，所述更新信息的方法为：
获取前端设备的状态；
生成日志信息。
4.根据权利要求3所述的一种远程安全抄表方法，其特征在于，所述获取前端设备状态的方法为：
安全服务器向一个前端设备发出连接请求；
安全服务器确认该前端设备的状态；
重复上述过程，直到所有前端设备状态确定。
5.根据权利要求4所述的一种远程安全抄表方法，其特征在于，所述的安全服务器确认该前端设备状态的原理为：预先设定一个时间T，在安全服务器向一个前端设备发出连接请求后，安全服务器一时间T进行倒计时，倒计时结束前，安全服务器收到该前端设备发回的连接请求，确认该前端设备为在线状态，反之，该前端设备为离线状态。
6.根据权利要求1或2所述的一种远程安全抄表方法，其特征在于，所述的远程安全抄表方法中，每当发送或接受到一个命令时，后台管理中心均生成一条日志信息。
7.根据权利要求6所述的一种远程安全抄表方法，其特征在于，所述的日志信息包括以下内容：系统时间、命令类型、数据内容。
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