CN103916312A

CN103916312A - 船用数据采集网关和数据采集方法

Info

Publication number: CN103916312A
Application number: CN201410170172.3A
Authority: CN
Inventors: 徐轶群
Original assignee: Jimei University
Current assignee: Jimei University
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2014-07-09

Abstract

本发明公开了船用数据采集网关，用于采集下位机的能耗数据并发送至上位机中进行处理，包括电源模块、数据采集模块、MCU处理器模块、数据存储模块和上位机接口模块，所述电源模块用于为各个模块提供电源；所述数据采集模块电连接下位机和MCU处理器模块；所述MCU处理器模块电连接数据存储模块和上位机接口模块，所述上位机接口模块用于与上位机电连接，还包括用于进行权限认证和数据加密的SAM模块。还提供一种数据采集方法。将SAM应用于船只能耗数据通信中，通过对接入的上位机进行身份认证、固化的加密算法和密钥，实现对船用数据采集网关的信息数据进行加密以确保船只能耗数据的机密性和完整性。

Description

船用数据采集网关和数据采集方法

技术领域

本发明涉及船用设备的技术领域，尤其是一种船用数据采集网关和数据采集方法。

背景技术

能源计量仪表如电表、水表等，具有无处不在和节点数量庞大的特点，是影响人类未来生活的重要技术。人们可以通过现有的网络设施对其进行控制、管理和获取数据。为了实现传统网络与能源计量仪表网络的互通，可以通过一种中继的方法，即选择一种硬件资源较为丰富的设备作为网关。能源计量仪表的数据首先发送给网关，网关再对数据进行解析和转发。

网关是这个网络中的最大的汇聚点，一方面，它与传统网络相连，逻辑上成为其中一个路由节点，有能力连接远程的上位机，如服务器或者终端主机，也有能力接收传统网络的数据包，并对数据包进行处理；另一方面，它与能源计量仪表组成的下位机网络通过有线接口进行通信。

为提高船只管理的自动化水平，船舶上的这些能源计量仪表，也可通过网关，将每个船只上所消耗的能源进行统计，并及时发送至船只的管理平台。而船只管理平台也可根据需要实时调用查看船只的能耗情况。而这些信息具有高度敏感性，如被非法人员窃获或篡改将带来难以弥补的损失。为此，必须将相关信息进行加密和防篡改保护。目前市面上现有的网关设备还不具备有此功能。

发明内容

本发明为了解决上述存在的问题，提供一种船用数据采集网关和数据采集方法，可实时采集船只的能源损耗情况，并通过SAM模块对设备进行认证，对传输数据进行加密，保证数据通信的安全性，防止外界对网关所存储或处理的数据进行非法攻击。

本发明采用如下技术方案：船用数据采集网关，用于采集下位机的能耗数据并发送至上位机中进行处理，包括电源模块、数据采集模块、MCU处理器模块、数据存储模块和上位机接口模块，所述电源模块用于为各个模块提供电源；所述数据采集模块电连接下位机和MCU处理器模块；所述MCU处理器模块电连接数据存储模块和上位机接口模块，所述上位机接口模块用于与上位机电连接，还包括用于进行权限认证和数据加密的SAM模块，所述SAM模块电连接MCU处理器模块。

优选的，所述SAM模块内置加解密算法为DES、3DES、RSA、ECC、国密SM1、SM2、SM3、SM4、专用算法的一个或者几个；所述SAM模块的认证方式包括账号认证、MAC地址认证、USB-KEY证书认证或短信认证。

进一步的，所述SAM模块包括SAM卡、读卡器和缓存器，所述SAM卡与读卡器电连接，所述读卡器通过缓存器与处理器模块电连接。

优选的，所述数据采集模块包括串口RS232接口模块、串口RS485接口模块、CAN接口模块的一个或者组合。

优选的，还包括射频模块，所述射频模块包括天线设备和读写卡芯片；所述天线设备电连接读写卡芯片，所述读写卡芯片电连接处理器模块。

优选的，所述上位机接口模块包括无线传输模块和有线以太网传输模块，所述无线传输模块包括GPRS传输模块和/或WIFI传输模块。

还提供一种数据采集方法，包括：

步骤1、数据采集模块采集下位机的记录数据；

步骤2、MCU处理器模块将采集到的数据进行存储和处理；

步骤3、根据上位机的请求或设定，SAM模块进行数据加密处理和用户权威认证；

步骤4、用户权威认证通过后，MCU处理器模块将加密后的数据通过上位机接口模块发送至上位机。

优选的，在步骤3中，还包括通过外部的身份识别射频卡，射频模块进行数据加密处理和用户权威认证。

进一步的，在步骤3中，SAM模块对数据进行完整性编码和加密、对发送请求的上位机的设备身份进行鉴别。

进一步的，在步骤4中，数据发送方式为通过TCP或DCP协议，将数据经有线以太网传输模块和网线，发送至上位机的接收端；或通过配置无线发送端和接收端的地址与端口，将数据经无线传输模块发送至上位机的接收端。

本发明的有益之处在于：1、SAM卡是带有COS的CPU卡，内置多种加密算法，密钥安全的存储在卡内，在某种认可的权限下，能被用于运算，但是不能被直接读出，其运算速度很快，通讯速率可达到相当高的水平，支持机密性、完整性保护、用户权限认证等多种安全保护机制。将SAM应用于船只能耗数据通信中，通过对接入的上位机进行身份认证、固化的加密算法和密钥，实现对船用数据采集网关的信息数据进行加密以确保船只能耗数据的机密性和完整性；2、增加射频识别模块，在SAM模块不工作的情况下，可选择对外部的身份识别射频卡，进行身份认证和数据加密的操作，进一步保证数据的安全传输；3、采用无线传输和有线传输两种传输方式，与上位机的数据通信，全面保证数据通信的稳定；4、船用数据采集网关，可直接实现下位机的数据采集，定时将数据发送至上位机、或上位机以某固定时间间隔获取数据，在网络状态不佳时，可保证数据采集的实时性和完整性；5、简化船舶上的线路结构。

附图说明

图1为本发明具体实施例的结构示意图；

附图标记：1、下位机；2、数据采集模块；21、串口RS232接口模块；22、串口RS485接口模块；23、CAN接口模块；3、MCU处理器模块；4、数据存储模块；5、电源模块；6、SAM模块；7、射频模块；8、上位机接口模块；81、无线传输模块；82、有线以太网传输模块；9上位机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，是本发明具体实施例的一种结构示意图。

在该实施例中，船用数据采集网关，包括电源模块5、数据采集模块2、MCU处理器模块3、数据存储模块4、上位机接口模块8和用于进行权限认证和数据加密的SAM模块6。电源模块5用于为各个模块提供电源；所述数据采集模块2电连接下位机1和MCU处理器模块3； MCU处理器模块3电连接数据存储模块4和上位机接口模块8，上位机接口模块8用于与上位机9电连接， SAM模块6电连接MCU处理器模块3。其中，MCU处理器模块3采用了ARM架构的32位单片机，也可采用其它的单片机或处理器。

在本实施例中，船用数据采集网关可以采集多种不同类型的下位机的记录数据，比如，电表、水表、气表等，也可以采集用于控制合、断的开关量数据。数据采集模块2采用串口RS232接口模块21、串口RS485接口模块22和CAN接口模块23，也可以采用其中一个或者两个的组合。一个船用数据采集网关一般要能对64台能源计量装置设备进行数据采集，承载能力可配置。这就需要支持同时对不同用能种类的表进行数据采集, 包含以下协议：DL/T645—1997 多功能电表通信规约（主要针对电能表）；CJ/T188—2004 户用计量仪表数据传输技术条件（水表、燃气表和热（冷）量表）；GB/T 19582-2008基于Modbus协议的工业自动化网络规范（主要针对用于下行控制的I/O模块）。

SAM模块6内置加解密算法为DES、3DES、RSA、ECC、国密SM1、SM2、SM3、SM4、专用算法的一个或者几个； SAM模块6的认证方式包括账号认证、MAC地址认证、USB-KEY证书认证或短信认证。在本实施例中，SAM模块6包括4个SAM卡、读卡器和缓存器， SAM卡与读卡器电连接，读卡器通过缓存器与处理器模块电连接。

本实施例中，还设有射频模块7，所述射频模块7包括天线设备和读写卡芯片RC522；天线设备电连接读写卡芯片，所述读写卡芯片电连接MCU处理器模块中的单片机的相应管脚。天线设备感应到外部的身份识别射频卡，通过读写卡芯片RC522对其进行用户权威认证，认证通过后，再将数据进行加密处理并进行下一步的操作。

数据存储模块4采用非易失存储器，可快速读写，掉电也可保存数据。可用于数据的临时存储。在网络不佳的情况下，可以保证数据采集的完整性和稳定性。

上位机接口模块8包括无线传输模块81和有线以太网传输模块82，无线传输模块81包括GPRS传输模块、WIFI传输模块中的一种或组合。本实施例中的GPRS传输模块为无线3G模块。

还提供一种数据采集方法，包括：

步骤1、数据采集模块2采集下位机1的记录数据；

步骤2、MCU处理器模块3将采集到的数据进行存储和处理；

步骤3、根据上位机9的请求或设定，SAM模块6进行数据加密处理和用户权威认证；

步骤4、用户权威认证通过后，MCU处理器模块3将加密后的数据通过上位机接口模块8发送至上位机9。

在步骤3中，还包括通过外部的身份识别射频卡，射频模块7进行数据加密处理和用户权威认证。

在步骤3中，SAM模块6对数据进行完整性编码和加密、对发送请求的上位机9的设备身份进行鉴别。

在步骤4中，数据发送方式为通过TCP或DCP协议，将数据经有线以太网传输模块和网线，发送至上位机的接收端；或通过配置无线发送端和接收端的地址与端口，将数据经无线传输模块发送至上位机的接收端。

本实施例中，船用数据采集网关可以通过三种方式采集下位机的能耗数据：

1，通过串口RS232模块21直接采集，采集后将信号发送至MCU处理器模块3；

2，通过串口RS485接口模块22接收后通过转换电路转换成RS232信号，最后把信号发送至MCU处理器模块3；

3，通过CAN接口模块23将下位机信号采集，采集后把数据发送至MCU处理器模块。

MCU处理器模块3接收数据后需要做相应处理：首先将数据暂时缓存在数据存储模块4，待接收到上位机9的数据发送请求时或根据预先设定的以某固定时间间隔向上位机9发送数据的指令，SAM模块6进行数据加密处理和上位机用户权威认证。

数据通过加密认证和用户权威认证后，MCU处理器模块3通过如下两种方式将数据发送至上位机9：

1，通过有线以太网传输模块，通过TCP协议（或DCP协议）将数据通过网线发送至上位机接收端，进行存储。

2，通过无线3G模块，通过配置无线发送端与接收端的地址与端口将数据通过无线网发送至上位机接收端，进行存储。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims

1.船用数据采集网关，用于采集下位机的能耗数据并发送至上位机中进行处理，包括电源模块、数据采集模块、MCU处理器模块、数据存储模块和上位机接口模块，所述电源模块用于为各个模块提供电源；所述数据采集模块电连接下位机和MCU处理器模块；所述MCU处理器模块电连接数据存储模块和上位机接口模块，所述上位机接口模块用于与上位机电连接，其特征在于，还包括用于进行权限认证和数据加密的SAM模块，所述SAM模块电连接MCU处理器模块。

2.如权利要求1所述的船用数据采集网关，其特征在于，所述SAM模块内置加解密算法为DES、3DES、RSA、ECC、国密SM1、SM2、SM3、SM4、专用算法的一个或者几个；所述SAM模块的认证方式包括账号认证、MAC地址认证、USB-KEY证书认证或短信认证。

3.如权利要求2所述的船用数据采集网关，其特征在于，所述SAM模块包括SAM卡、读卡器和缓存器，所述SAM卡与读卡器电连接，所述读卡器通过缓存器与处理器模块电连接。

4.如权利要求1所述的船用数据采集网关，其特征在于，所述数据采集模块包括串口RS232接口模块、串口RS485接口模块、CAN接口模块的一个或者组合。

5.如权利要求1所述的船用数据采集网关，其特征在于，还包括射频模块，所述射频模块包括天线设备和读写卡芯片；所述天线设备电连接读写卡芯片，所述读写卡芯片电连接处理器模块。

6.如权利要求1所述的船用数据采集网关，其特征在于，所述上位机接口模块包括无线传输模块和有线以太网传输模块，所述无线传输模块包括GPRS传输模块和\或WIFI传输模块。

7.权利要求1至6任一项所述的数据采集方法，其特征在于，包括：

步骤1、数据采集模块采集下位机的记录数据；

步骤2、MCU处理器模块将采集到的数据进行存储和处理；

8.如权利要求7所述的一种数据采集方法，其特征在于，在步骤3中，还包括通过外部的身份识别射频卡，射频模块进行数据加密处理和用户权威认证。

9.如权利要求8所述的一种数据采集方法，其特征在于，在步骤3中，SAM模块对数据进行完整性编码和加密、对发送请求的上位机的设备身份进行鉴别。

10.如权利要求8所述的一种数据采集方法，其特征在于，在步骤4中，数据发送方式为通过TCP或DCP协议，将数据经有线以太网传输模块和网线，发送至上位机的接收端；或通过配置无线发送端和接收端的地址与端口，将数据经无线传输模块发送至上位机的接收端。