CN109982309A - 基于rfid认证与混合加密的楼宇微网用电数据安全传输技术 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种传输与可视化楼宇微网用电数据的技术，为防止信息窃听者窃听、篡改和转发楼宇用电数据，本发明提供了一种基于RFID合法认证与混合加密的楼宇微网用电数据安全传输技术。应用该技术的传输系统硬件由智能采集终端、路由节点、协议转换网关与云服务器构成。智能采集终端采集相关用电数据并自组织构成ZigBee无线传输网络，并融入RFID技术和混合加密算法保证了ZigBee网络中各节点的合法性也提高了用电数据传输的安全性，已加密数据由自定义通信协议封装成数据帧，经路由节点传输至协议转换网关实现协议转换，最后，数据报文通过网关发送并存储至云服务器的数据库中，客户端能可视化用电数据和远程控制智能采集终端，提高楼宇微网用电数据传输的安全性与便捷性。

Description

基于RFID认证与混合加密的楼宇微网用电数据安全传输技术
技术领域
本发明涉及一种数据安全传输技术，特别是一种基于RFID认证与混合加密的楼宇微网用电数据安全传输技术。
背景技术
面对全球能源短缺以及环境日趋恶化等问题，风能和太阳能等可再生清洁能源得到了飞速发展。与此同时，微电网作为一种包含可再生能源等分布式电源的综合集成技术得到了广泛的关注。微电网不仅满足了本地用户的能源需求还实现了分布式电源与负荷的一体化运行，同时减少了系统的污染排放，已经成为楼宇建设中一个重要的组成部分。为了实现楼宇微网高效、经济和稳定运行，楼宇微网通常依赖能源管理系统对其进行智能控制，并辅以负荷预测算法进行经济调控，同时配合能源自动调度决策实现能源的合理配用。无论是楼宇微网中能源管理系统的稳定运行、负荷预测算法的精准预测还是能源自动调度策略的及时实施，它们都建立在楼宇用电数据精准采集和安全传输的基础上。
物联网也是近几年比较热门的新技术，物联网可以让万物通过互联网相互连接从而构成物联网网络，连接于物联网中的任意物体之间能够按照一定的通信协议彼此进行数据交换。楼宇微网中用电设备的用电数据能在物联网网络中传输，为楼宇微网用电数据的有效传输创造了条件，但是物联网中数据传输的安全性得不到保障。
数据加密技术是最基本的安全技术，被誉为信息安全的核心，它通过变换和置换等各种方法会被保护信息置换成密文，然后再进行信息的存储或传输，即使加密信息在存储或者传输过程为非授权人员所获得，也可以保证这些信息不为其认知，从而达到保护信息的目的。
发明内容
本发明基于楼宇微网用电数据传输安全性不足的问题，为进一步提高楼宇微网用电数据传输的有效性与安全性，提出了一种基于RFID认证与混合加密的楼宇微网用电数据安全传输技术的系统方案。基于RFID认证与混合加密的楼宇微网用电数据安全传输技术的系统硬件由智能采集终端、路由节点、协议转换网关以及云服务器组成，该系统以ZigBee无线传输网络为用电数据传输链路，在协议转换网关创立ZigBee无线传输网络之前，入网请求节点需要进行RFID合法认证，在入网节点是合法的条件下，整个系统才会正常工作。智能采集终端实时采集楼宇微网用电设备的用电信息，对楼宇微网用电数据进行混合加密处理的同时，利用自定义的ZigBee通信协议对已加密的用电数据封装成ZigBee数据帧，已封装的ZigBee数据帧经过ZigBee无线传输网络传输至路由节点，再通过中继或转发至距离智能采集终端更远的协议转换网关。协议转换网关将接收到已封装的ZigBee数据帧利用串口通信协议转化为已封装的以太网数据帧。最后，数据报文由连接互联网的路由器网关传输并储存至云服务器的数据库中。智能终端的客户端可以访问云服务器的数据库以便可视化楼宇微网的用电数据信息，同时远程控制智能采集终端的开关状态，在提高了系统中用电数据传输的有效性和安全性的同时，也使得整个系统变得更加人性化。
所述的智能采集终端，它是集获取用电数据、RFID合法认证和用电数据混合加密等功能于一身的嵌入式硬件设备。该智能采集终端由电源模块、双处理器模块、用电数据采集模块、RFID模块、继电器模块以及缓冲存储器模块组成。双处理器模块一方面负责驱动和控制除电源模块以外的其它各模块，另一方面实现楼宇微网用电数据的混合加密处理。用电数据采集模块主要采集连接在该智能采集终端的孔位上的用电设备的用电数据，为了实现智能终端远程监控智能采集终端的开关状态以及保证智能采集终端自身安全，智能采集终端内部配有继电器模块。电源模块存在两种直流供电源，一种是5V恒压源，另一种是3.3V恒压源。缓冲存储器模块主要用于临时存储被自定义通信协议封装好的已加密用电数据帧。RFID模块主要为了防止非法的ZigBee设备加入现有的ZigBee传输网络进行用电数据的窃听、篡改和转发。
所述的路由节点，路由节点主要负责将智能采集终端所封装的ZigBee数据帧转发至协议转换网关中，它由电源电路、ZigBee模块、晶振电路、天线电路、RFID电路以及复位电路组成。晶振电路为ZigBee模块提供工作时钟，天线电路主要辐射ZigBee模块产生的无线信号，复位电路的功能是保证路由节点的正常运行，剩余的电路模块都与智能采集终端的电路模块功能相同。
所述的协议转换网关，协议转换网关的功能是创建整个ZigBee无线传输网络，并将无线传输网络的相关信息以密文的形式写入电子标签，同时实现自定义的ZigBee协议的数据帧转化为能在互联网上传输的以太网数据帧。它由两个部分组成，第一部分的硬件电路较路由节点缺少RFID电路，另一部分则由STM32F103C8T6单片机最小系统、以太网接口电路、RFID电路和存储器电路构成。STM32F103C8T6单片机最小系统主要实现不同协议的转换，以太网接口电路的功能将数据报文传输至互联网中。剩余的电路模块都与智能采集终端的电路模块功能相同。
所述的RFID合法认证，首先协议转换网关将ZigBee相关信息以加密的形式通过RFID模块写入电子标签中，其次，请求节点读取电子标签中的加密信息，与此同时，请求节点向其父节点发送入网请求直至协议转换网关，如果信息合法则允许请求节点加入ZigBee无线传输网络并保存该节点唯一的MAC地址至协议转换网关中，以便下次验证直接其MAC地址就可以入网，否则需要RFID合法认证才可入网。
所述的混合加密，混合加密算法是由160-bit的Rijndael对称加密算法与兼备数字签名的1024-bit的RSA非对称加密算法组成。智能采集终端获取的用电数据先执行160-bit的Rijndael加密算法，其次，被初次加密的用电数据再执行1024-bit的RSA加密算法，最后，被二次加密的用电数据利用RSA加密算法的数字签名机制使得该加密信息具有不可抵赖性。
所述的自定义的ZigBee通信协议，该系统传输网络结构采用分层设计，由物理层、MAC层、网络层和应用层四部分构成。其中，物理层的首要任务是选择合适的信道频率；MAC层主要提供可靠的数据传输机制；网络层负责网络方面的维护和管理；应用层直接面向用户，主动地绑定相关设备从而建立联系。自定义ZigBee通信协议只需对MAC数据帧格式中的MAC静载荷进行二次规划即可。
所述的协议转换，ZigBee通信协议通过串口通信转换为以太网通信协议。ZigBee转以太网的过程在协议转换网关内部实现，串口通信作为ZigBee与以太网转换的桥梁，协议转换网关将接收到的数据帧送入串口，再通过串口将数据送至以太网接口封装成以太网数据帧，最后将数据报文传输并存储在已链接在互联网上的云服务器数据库中，以供智能终端访问。
附图说明
图1为本发明的整体系统架构图；
图2为本发明的智能采集终端结构框图；
图3为本发明的路由节点结构框图；
图4为本发明的协议转换网关结构框图；
图5为本发明的RFID合法认证流程图；
图6为本发明的混合加密流程图；
图7为本发明的二次规划的MAC静载荷格式图；
图8为本发明的ZigBee与以太网协议转换流程图；
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
现结合图1至图8所示，本发明基于楼宇微网用电数据传输安全性不足的问题，提出了一种基于RFID认证与混合加密的楼宇微网用电数据安全传输技术方案。基于RFID认证与混合加密的楼宇微网用电数据安全传输技术的系统硬件由智能采集终端、路由节点、协议转换网关以及云服务器组成，该系统以ZigBee无线传输网络为用电数据传输链路，在协议转换网关创立ZigBee无线传输网络之前，入网请求节点需要进行RFID合法认证，在入网节点是合法的条件下，整个系统才会正常工作。智能采集终端实时采集楼宇微网用电设备的用电信息，对楼宇微网用电数据进行混合加密处理的同时，利用自定义的ZigBee通信协议对已加密的用电数据封装成ZigBee数据帧，已封装的ZigBee数据帧经过ZigBee无线传输网络传输至路由节点，再通过中继或转发至距离智能采集终端更远的协议转换网关。协议转换网关将接收到已封装的ZigBee数据帧利用串口通信协议转化为已封装的以太网数据帧。最后，数据报文由连接互联网的网关传输并储存至云服务器的数据库中。智能终端的客户端可以访问云服务器的数据库以便可视化楼宇微网的用电数据信息，同时远程控制智能采集终端的开关状态。
所述的智能采集终端，它作为整个楼宇微网用电数据安全传输技术系统的核心硬件之一，它是集获取用电数据、RFID合法认证、用电数据混合加密和ZigBee无线传输等功能于一身的嵌入式硬件设备。该智能采集终端由电源模块、双处理器处理器模块、用电数据采集模块、RFID模块、继电器模块以及缓冲存储器模块组成。双处理器处理器模块可细分为DSP微处理器模块与ZigBee模块，DSP微处理器模块主要由TMS320F28027微处理器、晶振电路以及复位电路等组成，DSP微处理器模块主要实现用电数据的混合加密处理。用电数据采集模块主要采集连接在该智能采集终端的孔位上的用电设备的用电数据，用电数据采集模块由电量采集芯片CS5490和采样电路组成。为了实现智能终端远程监控智能采集终端的开关状态以及保证智能采集终端自身安全，智能采集终端内部配有继电器模块，该模块组成结构较为简单，由一个连接在火线上的继电器和外围辅助元件组成。电源模块则是为智能采集终端中的各个模块提供直流电源，将220V交流电经过整流、滤波等处理得到两种直流供电源，一种是5V恒压源，另一种是3.3V恒压源。由于智能采集终端采集的用电数据量较大，为了更加安全和高效地传输用电数据，智能采集终端内部配有缓冲存储器模块，此模块由存储容量达到64K字节的M24C64存储芯片以及外围辅助元件组成，缓冲存储器模块主要用于临时存储被自定义通信协议封装好的已加密用电数据帧。智能采集终端配有ZigBee模块，该模块通过匹配PAN ID来加入已有的ZigBee无线传输网络，以方便已加密的用电数据在ZigBee网络之中传输。ZigBee模块由ZigBee专用微处理芯片CC2530、16M晶振电路以及复位电路组成。同时，ZigBee模块还负责驱动和控制除电源模块以外的其它各模块。RFID模块主要为了防止非法的ZigBee设备通过匹配PAN ID加入现有的ZigBee传输网络进行用电数据的窃听、篡改和转发，该模块由RFID射频模块RC-522、27.12M晶振电路和外围辅助元件组成。
所述的路由节点，所述的路由节点，路由节点主要负责将智能采集终端所封装的ZigBee数据帧转发至协议转换网关中，它由电源电路、ZigBee模块、晶振电路、天线电路、RFID电路以及复位电路组成。晶振电路为ZigBee模块提供工作时钟，天线电路主要辐射ZigBee模块产生的无线信号，其天线的种类为板载PCB天线。复位电路的功能是在程序跑飞的情况下，使得路由节点重新正常运行，由于ZigBee模块的功耗较低，电源电路采用外接电池的方式。剩余的电路模块都与智能采集终端的电路模块功能相同。
所述的协议转换网关，协议转换网关自身具备两大主要功能，其中一个功能是建立和管理整个独立的ZigBee无线传输网络，另一个功能是将楼宇微网中的ZigBee通信协议转换为智能终端都支持的TCP/IP通信协议，同时，楼宇各楼层转换后的数据报文暂时存储在M24C64存储芯片中，最后协议转换网关通过自身的以太网接口与外置路由器网关连接到互联网，实现数据报文传输并存储至云服务器的相关数据库中。协议转换网关由两个部分组成，第一部分的硬件电路较路由节点缺少RFID电路，另一部分则由STM32F103C8T6单片机最小系统、以太网接口电路、RFID电路和存储器电路构成。其中，STM32F103C8T6单片机最小系统主要驱动协议转换网关各模块，同时运行具有特定规则的换位加密算法。剩余的电路模块都与智能采集终端的电路模块功能相同。
所述的RFID合法认证，RFID合法认证方案首先协议转换网关隐藏ZigBee传输网络的PAN ID并将已加密信息和随机16位换位加密算法密钥通过RFID模块写入电子标签中，并初始化将要请求加入ZigBee无线传输网络请求节点的RFID模块，其次，请求节点读取电子标签中的加密信息并存储在微处理器Flash中，其中，已加密的信息只包含PAN ID、16位入网密钥。与此同时，请求节点使用换位加密算法解密出原始的PAN ID和入网密钥，最后，请求节点向其父节点发送包含解密后的PAN ID和入网密钥的入网请求，若其父节点不是协议转换网关，则需由其父节点逐渐层地将请求转发至协议转换网关，验证其PANID和入网密钥是否为合法信息，如果信息合法则允许请求节点加入ZigBee无线传输网络并保存该节点唯一的MAC地址至协议转换网关中，以便下次验证直接其MAC地址就可以入网，否则需要RFID合法认证才可入网。
所述的混合加密，混合加密算法是由160-bit的Rijndael对称加密算法与兼备数字签名的1024-bit的RSA非对称加密算法组成。Rijndael对称加密算法对用电信息实现轮密钥加、字节代换、行移位以及列混淆等操作，通过改变用电信息的顺序与代换字节内容达到信息加密的目的。RSA非对称加密算法是基于大数分解的困难性大的特点，达到信息加密的目的。在执行Rijndael对称加密算法之后，再执行RSA非对称加密算法，实现用电数据的二次加密，最后利用改进的RSA的数字签名算法，即选择一个伪签名，第二步采用第一步的伪签名计算出原消息，显然不同的签名经过相同的计算过程得到的会不一样，只要限定原消息的格式，使得伪消息-签名对非常难找到。原消息格式限定为：截取原消息后100位消息，同时将的后50位通过密钥为8的换位加密算法得到，最后，用代替的后25位则得到具有特殊格式的原消息。这样一来，大大减小伪消息-签名对通过验证的概率。
所述的自定义的ZigBee通信协议，在OSI的基础上，结合ZigBee近距离和低复杂度等特点，该系统传输网络结构采用分层设计，由物理层、MAC层、网络层和应用层四部分构成。其中，物理层的首要任务是选择合适的信道频率；MAC层主要提供可靠的数据传输机制；网络层负责网络方面的维护和管理；应用层直接面向用户，主动地绑定相关设备从而建立联系。自定义ZigBee通信协议只需对MAC数据帧格式中的MAC静载荷进行二次规划即可。二次规划的MAC静载荷格式包括2字节的数据总长度，表示可变长度静载荷的实际长度；保留了2字节的空间以便系统的更新与维护；已加密的数据包含经过混合加密算法处理的用电数据、用电数据采集时间以及该终端节点的始末工作时刻，其中，用电数据包括电压、电流、功率因素和相位等参数；区域代码表示该用电数据的楼层来源；身份标志则依赖于区域代码，表示为某一楼层的某一编号的终端节点。
所述的协议转换，由于已加密的数据最终存储在云服务器的数据库中，并且云服务器面向互联网，而该系统的ZigBee传输网络不能直接与互联网通信，须通过路由器网关才能与互联网通信，所以将ZigBee通信协议与以太网通信协议相互转换就可以实现智能终端能够访问该系统的云服务器。其中，ZigBee通信协议通过串口通信转换为以太网通信协议。ZigBee转以太网的过程在协议转换网关内部实现，串口通信作为ZigBee与以太网转换的桥梁，协议转换网关将接收到的数据帧送入串口，再通过串口将数据送至以太网接口封装成以太网数据帧，最后将数据报文传输并存储在已链接在互联网上的云服务器数据库中，以供智能终端访问。

Claims (5)

1.一种基于RFID合法认证与混合加密的楼宇微网用电数据安全传输技术，应用该技术的传输系统硬件由智能采集终端、路由节点、协议转换网关以及云服务器构成，其特征是，智能采集终端由电源模块、双处理器模块、用电数据采集模块、RFID模块、继电器模块和缓冲存储器模块组成；路由节点由电源电路、ZigBee专用芯片CC2530、16M晶振电路、天线电路、RFID模块和复位电路组成；协议转换网关由电源电路、ZigBee专用芯片CC2530、16M晶振电路、天线电路、复位电路、STM32F103C8T6单片机最小系统、RFID模块、存储器电路以及以太网模块组成；
2.根据权利要求1所述的一种基于RFID认证与混合加密的楼宇微网用电数据安全传输技术，其特征是，所述的智能采集终端中双处理器模块包括微处理器型号为CC2530的ZigBee模块与微处理器型号为TMS320F28027的DSP模块，DSP模块将实现楼宇微网用电数据的混合加密算法，ZigBee模块将已加密的楼宇微网用电数据封装成ZigBee数据帧并实现RFID合法认证算法。
3.根据权利要求1所述的一种基于RFID认证与混合加密的楼宇微网用电数据安全传输技术，其特征是，在协议转换网关中，RFID模块将相关的密文信息写入电子标签中，在智能采集终端与路由节点中，RFID模块读取被写入密文信息的电子标签。
4.根据权利要求2所述的一种基于RFID认证与混合加密的楼宇微网用电数据安全传输技术，其特征是，所述的混合加密算法是采用160-bit的Rijndael加密算法与兼备数字签名1024-bit的RSA加密算法实现楼宇微网用电数据的混合加密。所述的RFID合法认证算法是智能采集终端和路由节点读取被协议转换网关写入密文信息的电子标签，智能采集终端和路由节点通过运行特定的换位加密算法得到协议转换网关的PAN ID与16位入网密钥，则智能采集终端和路由节点可以向父节点发送入网请求，直至协议转换网关，最后协议转换网关记录请求节点的MAC地址。
5.根据权利要求1所述的一种基于RFID认证与混合加密的楼宇微网用电数据安全传输技术，其特征是，所述的协议转换网关将接收到自定义的ZigBee数据帧经过STM32F103C8T6微处理器以及串口转换成以太网数据帧，最后经过以太网传输至云服务器。
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