CN105743656B - 基于无线传感器网络的变电站监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于无线传感器网络的变电站监控系统，该系统包括：多个环境数据采集节点，数据汇聚节点，远程监控中心；环境数据采集节点与数据汇聚节点之间通过哈希运算的方式进行认证，基于密钥及随机数交互的方式对采集的数据进行二次加密，并通过TDMA方式进行数据发送。本发明能够对变电站的安防、环境以及设备进行全面的监控，并且能够保证变电站数据传输的安全性。

Description

基于无线传感器网络的变电站监控系统
技术领域
本发明涉及变电站监控领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的变电站监控系统。
背景技术
随着社会经济的发展，各行业对电力供应的要求越来越高，变电站的稳定运行对于提供稳定可靠的电力供应起到了至关重要的作用，传统的监控该系统一般需要进行布线以及接触式的检测，需要耗费大量的人力和时间，并且由于变电站多为高压设备，人工检测具有很大的危险性，因此使用无线传感器网络进行变电站的监控成为变电站监控的发展趋势。
现有的基于无线传感器网络的监控系统仅仅是完成现场信息的采集及发送，而在数据发送过程中由于加密方案比较简单，容易遭受到攻击导致数据外泄，因此，有必要建立一个具有较高安全传输机制的变电站监控系统。
发明内容
本发明为克服现有技术中存在的不足，提供了一种基于无线传感器网络的变电站监控系统。
本发明解决其技术问题所采用如下技术方案：
一种基于无线传感器网络的变电站监控系统，该系统包括：多个环境数据采集节点，数据汇聚节点，远程监控中心，其中，所述环境数据采集节点包括：微控制器，用于控制环境数据采集节点中的其他组件；存储器，用于存储密钥表，随机数表，认证码以及数据；传感器模块，用于采集变电站相关数据；加密模块，用于加密待上传的数据；无线传输模块，用于将加密后的数据发送给数据汇聚节点；所述数据汇聚节点包括：微控制器，用于数据汇聚节点中的其他组件；存储器，用于存储密钥表，随机数表以及认证码；无线传输模块，用于接收环境数据采集节点发送的数据以及向远程监控中心发送数据。
环境数据采集节点与数据汇聚节点的数据交互过程包括：
认证阶段：(1)环境数据采集节点向数据汇聚节点发送随机数0的索引，数据汇聚节点根据随机数0的索引获取随机数0，并在本地选取随机数1；(2)数据汇聚节点对随机数0，随机数1以及数据汇聚节点的认证码做哈希运算，得到第一哈希值HASH1，随后将第一哈希值HASH1，随机数1，数据汇聚节点的标识信息发送给环境数据采集节点；(3)环境数据采集节点对环境数据采集节点的标识信息以及第一哈希值HASH1作第二次哈希运算，得到第二哈希值HASH2，随后将第二哈希值HASH2，环境数据采集节点的标识，数据汇聚节点的标识发送给数据汇聚节点；(4)数据汇聚节点根据环境数据采集节点的标识在本地查找环境数据采集节点对应的认证码，并对查找出来的环境数据采集节点对应的认证码以及第一哈希值HASH1作哈希运算得到第三哈希值HASH3，将HASH3与HASH2进行比较，如一致，则向环境数据采集节点发送认证成功消息，如不一致，则向环境数据采集节点发送认证失败消息。
数据加密阶段：(1)数据汇聚节点将密钥索引和随机数索引携带在认证成功消息中并发送给环境数据采集节点；(2)环境数据采集节点根据密钥索引查找出密钥A，根据随机数索引查找出随机数B，并选出另一密钥C和随机数D，使用密钥A对待上传数据和随机数B进行加密，使用密钥C对加密后的待上传数据和随机数D进行二次加密；(3)将环境数据采集节点的标识信息，密钥C的索引，随机数D的索引以及二次加密后的待上传数据进行存储，等待上传。
数据发送阶段：数据发送的时隙结构包括：信标时隙，紧急业务请求时隙，周期性上传时隙，紧急业务上传时隙；环境数据采集节点采集环境数据，对采集到的数据进行判断，如果超出设定的阈值，则判断数据为紧急数据，在紧急业务请求时隙到来时，向数据汇聚节点发送紧急数据发送请求，数据汇聚节点接收到紧急数据发送请求后，为环境数据采集节点分配紧急业务上传时隙，并将分配的紧急业务上传时隙的时隙号携带在紧急数据发送响应信息中，环境数据采集节点接收到紧急数据发送响应信息，获取分配的紧急业务上传时隙的时隙号，在该时隙到来时发送紧急数据，如果未超出设定的阈值，则判断数据为正常数据，等待数据汇聚节点分配的周期性上传时隙的到来，当时隙到来时，上传采集到的数据。
优选的，多个环境数据采集节点的传感器模块包括：温湿度传感器，烟雾传感器，水位传感器，粉尘检测传感器，SF6传感器。
优选的，多个环境数据采集节点的无线传输模块具体为使用ZigBee技术的无线传输模块。
附图说明
图1为本发明一种基于无线传感器网络的变电站监控系统的结构原理框图。
图2为本发明中环境数据采集节点与数据汇聚节点的数据交互过程中认证阶段的流程图。
图3为本发明中本发明中环境数据采集节点与数据汇聚节点的数据交互过程中数据加密阶段的流程图。
图4为本发明中本发明中环境数据采集节点与数据汇聚节点的数据交互过程中数据发送阶段的流程图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。
图1为本发明一种基于无线传感器网络的变电站监控系统的结构原理框图。该系统包括：多个环境数据采集节点，数据汇聚节点，远程监控中心，其中，所述环境数据采集节点包括：微控制器，用于控制环境数据采集节点中的其他组件；存储器，用于存储密钥表，随机数表，认证码以及数据；传感器模块，用于采集变电站相关数据；加密模块，用于加密待上传的数据；无线传输模块，用于将加密后的数据发送给数据汇聚节点；所述数据汇聚节点包括：微控制器，用于数据汇聚节点中的其他组件；存储器，用于存储密钥表，随机数表以及认证码；无线传输模块，用于接收环境数据采集节点发送的数据以及向远程监控中心发送数据。
图2为本发明中环境数据采集节点与数据汇聚节点的数据交互过程中认证阶段的流程图。该认证阶段包括如下步骤：(1)环境数据采集节点向数据汇聚节点发送随机数0的索引，数据汇聚节点根据随机数0的索引获取随机数0，并在本地选取随机数1；(2)数据汇聚节点对随机数0，随机数1以及数据汇聚节点的认证码做哈希运算，得到第一哈希值HASH1，随后将第一哈希值HASH1，随机数1，数据汇聚节点的标识信息发送给环境数据采集节点；(3)环境数据采集节点对环境数据采集节点的标识信息以及第一哈希值HASH1作第二次哈希运算，得到第二哈希值HASH2，随后将第二哈希值HASH2，环境数据采集节点的标识，数据汇聚节点的标识发送给数据汇聚节点；(4)数据汇聚节点根据环境数据采集节点的标识在本地查找环境数据采集节点对应的认证码，并对查找出来的环境数据采集节点对应的认证码以及第一哈希值HASH1作哈希运算得到第三哈希值HASH3，将HASH3与HASH2进行比较，如一致，则向环境数据采集节点发送认证成功消息，如不一致，则向环境数据采集节点发送认证失败消息。
图3为本发明中本发明中环境数据采集节点与数据汇聚节点的数据交互过程中数据加密阶段的流程图。该数据加密阶段包括以下步骤：(1)数据汇聚节点将密钥索引和随机数索引携带在认证成功消息中并发送给环境数据采集节点；(2)环境数据采集节点根据密钥索引查找出密钥A，根据随机数索引查找出随机数B，并选出另一密钥C和随机数D，使用密钥A对待上传数据和随机数B进行加密，使用密钥C对加密后的待上传数据和随机数D进行二次加密；(3)将环境数据采集节点的标识信息，密钥C的索引，随机数D的索引以及二次加密后的待上传数据进行存储，等待上传。
图4为本发明中本发明中环境数据采集节点与数据汇聚节点的数据交互过程中数据发送阶段的流程图。数据发送的时隙结构包括：信标时隙，紧急业务请求时隙，周期性上传时隙，紧急业务上传时隙，该数据发送阶段包括：环境数据采集节点采集环境数据，对采集到的数据进行判断，如果超出设定的阈值，则判断数据为紧急数据，在紧急业务请求时隙到来时，向数据汇聚节点发送紧急数据发送请求，数据汇聚节点接收到紧急数据发送请求后，为环境数据采集节点分配紧急业务上传时隙，并将分配的紧急业务上传时隙的时隙号携带在紧急数据发送响应信息中，环境数据采集节点接收到紧急数据发送响应信息，获取分配的紧急业务上传时隙的时隙号，在该时隙到来时发送紧急数据，如果未超出设定的阈值，则判断数据为正常数据，等待数据汇聚节点分配的周期性上传时隙的到来，当时隙到来时，上传数据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于无线传感器网络的变电站监控系统，该系统包括：多个环境数据采集节点，数据汇聚节点，远程监控中心，其中，
所述环境数据采集节点包括：
微控制器，用于控制环境数据采集节点中的其他组件；
存储器，用于存储密钥表，随机数表，认证码以及数据；
传感器模块，用于采集变电站相关数据；
加密模块，用于加密待上传的数据；
无线传输模块，用于将加密后的数据发送给数据汇聚节点；
所述数据汇聚节点包括：
微控制器，用于控制数据汇聚节点中的其他组件；
存储器，用于存储密钥表，随机数表以及认证码；
无线传输模块，用于接收环境数据采集节点发送的数据以及向远程监控中心发送数据；
环境数据采集节点与数据汇聚节点的数据交互过程包括：
认证阶段：
(1)环境数据采集节点向数据汇聚节点发送随机数0的索引，数据汇聚节点根据随机数0的索引获取随机数0，并在本地选取随机数1；
(2)数据汇聚节点对随机数0，随机数1以及数据汇聚节点的认证码做哈希运算，得到第一哈希值HASH1，随后将第一哈希值HASH1，随机数1，数据汇聚节点的标识信息发送给环境数据采集节点；
(3)环境数据采集节点对环境数据采集节点的标识信息以及第一哈希值HASH1作第二次哈希运算，得到第二哈希值HASH2，随后将第二哈希值HASH2，环境数据采集节点的标识，数据汇聚节点的标识发送给数据汇聚节点；
(4)数据汇聚节点根据环境数据采集节点的标识在本地查找环境数据采集节点对应的认证码，并对查找出来的环境数据采集节点对应的认证码以及第一哈希值HASH1作哈希运算得到第三哈希值HASH3，将HASH3与HASH2进行比较，如一致，则向环境数据采集节点发送认证成功消息，如不一致，则向环境数据采集节点发送认证失败消息；
数据加密阶段：
(1)数据汇聚节点将密钥索引和随机数索引携带在认证成功消息中并发送给环境数据采集节点；
(2)环境数据采集节点根据密钥索引查找出密钥A，根据随机数索引查找出随机数B，并选出另一密钥C和随机数D，使用密钥A对待上传数据和随机数B进行加密，使用密钥C对加密后的待上传数据和随机数D进行二次加密；
(3)将环境数据采集节点的标识信息，密钥C的索引，随机数D的索引以及二次加密后的待上传数据进行存储，等待上传；
数据发送阶段：
数据发送的时隙结构包括：信标时隙，紧急业务请求时隙，周期性上传时隙以及紧急业务上传时隙；
环境数据采集节点采集环境数据，对采集到的数据进行判断，如果超出设定的阈值，则判断数据为紧急数据，在紧急业务请求时隙到来时，向数据汇聚节点发送紧急数据发送请求，数据汇聚节点接收到紧急数据发送请求后，为环境数据采集节点分配紧急业务上传时隙，并将分配的紧急业务上传时隙的时隙号携带在紧急数据发送响应信息中，环境数据采集节点接收到紧急数据发送响应信息，获取分配的紧急业务上传时隙的时隙号，在该时隙到来时发送紧急数据，如果未超出设定的阈值，则判断数据为正常数据，等待数据汇聚节点分配的周期性上传时隙的到来，当时隙到来时，上传采集到的数据。
2.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的变电站监控系统，其中，所述多个环境数据采集节点的传感器模块包括：温湿度传感器，烟雾传感器，水位传感器，粉尘检测传感器以及SF6传感器。
3.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的变电站监控系统，其中，所述多个环境数据采集节点的无线传输模块具体为使用ZigBee技术的无线传输模块。
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