CN110300126A - 一种设施农业信息安全云服务系统及监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设施农业信息安全云服务系统以及监控方法，包括信息层，传输层和感知执行层，所述信息层包括设施农业云服务平台、App客户端和Web客户端，所述App客户端和Web客户端通过有线或无线网络的方式与设施农业云服务平台相互连接，可以互相访问；所述传输层由若干设施农业物联网网关组成，所述任一个网关均可通过有线或无线网络的方式与设施农业云服务平台相互连接以及相互访问；所述设备执行层包括传感器组和设备组，所述传感器组或设备组中的设备一个或多个通过有线或无线网络的方式连接至某一个设施农业物联网网关，所述设备和设施农业物联网网关之间可以相互访问。本发明应用于农业物联网领域。

Description

一种设施农业信息安全云服务系统及监控方法

技术领域

本发明涉及农业信息化技术领域，具体涉及一种设施农业信息安全云服务系统以及监控方法。

背景技术

智慧农业是我国农业发展的必由之路，智慧农业综合运用云计算与大数据技术、人工智能技术、物联网技术，辅助农业生产种植提高农业决策水平，将农业生产力提高到新的高度。然而也应看到智慧农业的发展不会是一帆风顺的，面对广阔的农村和千家万户的农民，智慧农业的首要目标就是要让农民用得上、用得起、用得好。因此，智慧农业迫切需要解决的问题就是降低信息产生、安全传输、分析处理等环节上的成本。

在计算技术的发展过程中，云计算提出的目的之一就是为了降低计算的使用成本。运用公有云计算技术可以极大地减少信息系统在信息层和传输层的成本，这也是新时期以来越来越多的智慧农业项目选择云托管的重要原因。但是，将业务系统全部搬到云上，业务数据的安全性和保密性就会收到巨大的挑战，如何安全的使用具备低投入的公有云托管服务是目前农业信息化领域亟待解决的课题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种设施农业信息安全云服务系统，同时提供一种设施农业信息安全云服务监控方法，解决了现有技术中成本要求高，业务数据安全性的问题。

本发明的技术方案如下：

一种设施农业信息安全云服务系统，包括信息层、传输层和感知执行层，所述信息层包括设施农业云服务平台、App客户端和Web客户端，所述App客户端和Web客户端通过有线或无线网络的方式与设施农业云服务平台相互连接，可以互相访问；所述传输层由若干设施农业物联网网关组成，所述任一个网关均可通过有线或无线网络的方式与设施农业云服务平台相互连接以及相互访问；所述设备执行层包括传感器组和设备组，所述传感器组或设备组中的设备一个或多个通过有线或无线网络的方式连接至某一个设施农业物联网网关，所述设备和设施农业物联网网关之间可以相互访问。

所述设施农业云服务平台包括通讯代理服务装置和与通讯代理服务装置分别通过无线局域网连接的密钥管理服务装置、农作物生长环境智能调控软件和数据库；所述App客户端和Web客户端均通有线或无线过网络连接至通讯代理服务装置。

所述设施农业物联网网关支持不同应用层级的协议的相互转换。

所述传感器组包括但不限于空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、二氧化碳传感器、光照度传感器、气象传感器、气体分析传感器、电流传感器、电压传感器、电量仪；所处执行设备组包括但不限于PLC控制器、触摸屏、电控柜、风机、卷帘机、升温设备、补光灯、水肥一体机。

一种设施农业信息安全云服务系统的监控方法，具体步骤如下：

S1、密钥管理服务装置为设施农业物联网网关提供唯一身份标识符和密钥；

S2、密钥管理服务装置为客户端提供唯一身份标识符和密钥；

S3、设施农业物联网网关和客户端分别与通讯代理服务装置建立TCP连接；

S4、设施农业物联网网关和用户的APP客户端和WEB客户端使用各自密钥登陆通讯代理服务装置；

S5、农作物生长环境智能调控软件在局域网环境下建立与通讯代理服务装置的TCP连接；

S6、不同装置之间通讯数据的发送或接收均需使用自身密钥加解密验证无误后进行数据的处理；

S7、信息层接收传输层发布的实时状态数据，传输层接收信息层控制命令数据；

S8、用户依靠人工模式或智能操作模式完成现场环境调节设备的远程手动控制和自动控制；

S9、密钥管理服务装置不定期更新密钥，避免用户长期使用同一密钥。

本发明与现有技术相比其有益效果在于：

1、使用加密算法对系统中的通讯实体之间发送的数据进行加密，数据接收方解密验证无误后，方进行数据的处理，避免了非法用户对数据的截取、篡改，以及对现场控制设备的劫持。

2、定期生成新的密钥并通过私钥对新密钥进行加密，公钥解密出密钥的方法，在网络上向用户分发，通过不定期更新密钥和管理密钥进一步提高系统信息防护安全等级。

3、使用基于MQTT协议的通讯网络，易于部署在公有云计算平台之上，减少系统在信息层和传输层的投入。

附图说明

图1是本发明结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的系统结构和各部分的作用：

如图1所示，一种设施农业信息安全云服务系统，从结构上分为信息层、传输层和感知层执行层。信息层包括设施农业云服务平台、APP客户端、WEB客户端。其中设施农业云服务平台由通讯代理服务装置、密钥管理服务装置、农作物生长环境智能调控软件和数据库组成。

所述设施农业云服务平台上的通讯代理服务装置，其作用在于支持MQTT协议（消息队列遥测协议）。通讯代理服务装置作为TCP协议的服务端接受用户处的APP客户端、WEB客户端和现场的设施农业物联网网关的网络连接请求。连接建立后作为通讯代理可以转发APP客户端、WEB客户端和设施农业物联网网关之间的通信数据。

所述设施农业云服务平台上的密钥管理服务装置，其作用在于管理、生产、分发网络中每一个通信实体在通讯过程中对数据加密和解密时使用的密钥。

所述设施农业云服务器平台上的农作物生长环境智能调控软件，其作用在于根据农作物在生长周期每个阶段的环境要求和现场实时环境状况，生成控制控制策略和控制命令。

所述设施农业云服务器平台上的数据库，其作用在于储存来自客户端或物联网网关发来的数据。

所述传输层包括设施农业物联网网关组。所述设施农业物联网网关，其作用在于用于信息层和感知执行层协议之间的双向转换，具体指将MQTT协议和现场总线协议和无线传感器网络协议进行转换。其作用还在于对网络中发来的数据进行解密、身份鉴权、校验，验证无误后执行命令。对获取的传感器组和执行设备组的环境测值、设备状态进行加密后通过网络发送，通过通讯代理服务装置的转发，最终使得用户获取到设施农业现场的实时状态。

感知执行层包括传感器组和执行设备组。所述传感器组包括：空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、二氧化碳传感器、光照度传感器、气象传感器、气体分析传感器、电流传感器、电压传感器、电量仪。所处执行设备组包括：PLC控制器、触摸屏、电控柜、风机、卷帘机、升温设备、补光灯、水肥一体机。

本发明的具体监控步骤如下：

步骤1、设施农业物联网网关在设施农业云服务平台上进行入网注册，密钥管理服务装置计算生成唯一的密钥，同时给设施农业物联网网关分配一个唯一的明文身份标识符。密钥管理服务装置和设施农业物联网网关都将由密钥和明文身份标识符组成的一对数据存储在自身的存储器中，密钥管理服务装置生成公钥和私钥，并向用户提供公钥。

步骤2、用户使用APP客户端和WEB客户端在设施农业云服务平台上进行注册，密钥管理服务装置计算生成唯一的密钥，同时给用户分配一个唯一的明文身份标识符。密钥管理服务装置首先将有密钥和明文身份标识符组成的一对数据存储在自身的存储器中。然后将上述一对数据通过私钥加密后提供给用户的客户端处，客户端通过公钥解密后获取密钥和明文身份标识符。

步骤3、通讯代理服务装置上线后在网络上建立基于MQTT协议的TCP Socket服务端，设施农业物联网网关和用户的APP客户端和WEB客户端上线后都与所述通讯代理服务装置建立TCP连接。

步骤4、设施农业物联网网关和用户的APP客户端和WEB客户端与所述通讯代理服务装置建立TCP连接后，使用各自的密钥将MQTT协议规定的登录数据使用计算加密后附加平台分配的明文身份标识符组合为一包通信数据，发送给通讯代理服务装置。通讯代理服务装置收到数据后，根据明文身份标识符从密钥管理服务装置取出对应的密钥进行解密，解密验证登录信息正常后，允许其登录。

步骤5、农作物生长环境智能调控软件在局域网环境下建立与通讯代理服务装置的TCP连接，并使用MQTT协议进行登录。

步骤6、设施农业物联网网关和用户的APP客户端和WEB客户端登录成功后，在每次的通讯过程中都使用自身密钥将通信数据加密并附加明文身份标识符组成一包通信数据再发送。与此同时，设施农业云服务平台上的通讯代理服务装置和农作物生长环境智能调控软件向这些客户端发送数据时，也都需要从密钥管理服务装置中取出客户端对应的密钥进行加密后发送。通信数据的接收方使用自身密钥解密验证无误后在进行数据的处理。

步骤7、用户的APP客户端和WEB客户端订阅设施农业物联网网关发布的实时状态数据。设施农业物联网网关订阅用户APP客户端和WEB客户端和农作物生长环境智能调控软件发布的控制命令数据。农作物生长环境智能调控软件订阅设施农业物联网网关发布的数据和用户APP客户端和WEB客户端发布的数据。

步骤8、人工操作模式下，用户依靠APP客户端和WEB客户端发布远程手动控制指令；智能操作模式下，农作物生长环境智能调控软件定时分析现场环境数据，比对农作物在生长周期的环境参数表，生成控制策略和自动控制指令。这些指令通过通讯代理服务装置转发给设施农业网关，设施农业网关接收到指令，解密验证无误后执行。从而完成现场环境调节设备的远程手动控制和自动控制。

步骤9、密钥管理服务装置不定期生成和管理公钥和私钥。并将新的公钥分发给用户。同时，密钥管理服务装置不定期生成和管理用户方在加解密时使用的密钥，并对新生成的密钥使用私钥加密后分发给用户使用，避免用户长期使用同一密钥。

本发明的一个具体实施例：

一种设施农业信息安全云服务系统，基于物联网和云计算架构，在信息层部署设施农业云服务平台和APP客户端和WEB客户端。其中设施农业云服务平台，包括：通讯代理服务装置、密钥管理服务装置、农作物生长环境智能调控软件、数据库。在传输层部署设施农业物联网网关。在感知执行层部署传感器组和执行设备组。在本实施例中，设施农业云服务平台能够部署于公有云计算平台，以避免自建数据中心从而减少资金投入。设施农业物联网网关、传感器组和执行设备组安装在设施农业现场处，例如温室大棚。传感器组包括但不限于各类农业用、气象用传感器。执行设备组包括但不限于各类农业用电气设备。用户可以使用APP客户端和WEB客户端使用本系统。

所述设施农业云服务平台上的通讯代理服务装置采用MQTT协议（消息队列遥测协议），作为通讯代理转发通讯各方的数据。通讯代理服务装置上线运行后，建立TCP Socket服务端，设施农业物联网网关和用户的客户端作为TCP Socket客户端都与通讯代理服务装置建立TCP连接。当用户想对例如大棚的某一设施农业区域进行监控时，用户的客户端首先向通讯代理服务装置提出订阅部署于此处大棚的设施农业物联网网关发布的实时状态数据主题，其次该设施农业物联网网关向通讯代理服务装置提出订阅用户客户端发布的命令控制主题。这样当设施农业物联网网关发布最新的状态数据给通讯代理服务装置时，通讯代理服务装置就将这条数据转发给用户，从而使用户获取到大棚的实时数据。同时，当用户将控制命令数据传递给通讯代理服务装置时，通讯代理服务装置就将这条数据转发给设施农业物联网网关，网关将会执行这条指令。

为了提高了系统的信息安全防护等级，整个系统采用通信数据加密的方式，不再使用明文进行数据传输，避免了非法用户对通讯数据的截取和篡改，通过身份验证和鉴权的方法，避免了对现场设备的劫持。实施方案如下：

设施农业物联网网关入网注册时，设施农业云服务平台上的密钥管理服务装置分配给其唯一的密钥和明文身份标识符。密钥管理服务装置和设施农业物联网网关都将这对数据存储在自身的存储区中。并在设施农业物联网网关与设施农业云服务平台上通信时使用。在本实施方案中可以使用AES 256位算法进行通信数据的加解密。当设施农业网关需要发送数据到设施农业云服务平台时，首先用密钥将数据加密，再附加明文身份标识符，组成一包数据发送。设施农业云服务平台上的通讯代理服务装置接收到这条数据后，依照其中的明文身份标识符，从密钥管理服务装置取出这台设施农业物联网网关的密钥对数据进行解密。解密验证无误后再进行处理。同理，当通讯代理服务装置需要将数据发送到设施农业物联网网关时，也需调取密钥加密后发送。设施农业物联网网关解密验证无误后再执行。

在本实施例中，设施农业云服务平台上的密钥管理服务装置可以使用RSA算法，生成公钥和私钥。当用户使用APP客户端和WEB客户端入网注册时，首先获取密钥管理服务装置提供的公钥。密钥管理服务装置给用户分配唯一的密钥和明文身份标识符。密钥管理服务装置将这对数据使用RSA的私钥加密后，发送给用户的客户端。用户客户端收到后使用先前获得的公钥解密得到密钥。客户端凭借本密钥可以和设施农业云平台进行通讯，通讯过程与上述设施农业物联网网关与设施农业云平台的通讯过程一致。

设施农业云服务平台还部署有农作物生长环境智能调控软件，该软件作为MQTT协议中的一个客户端接入整个系统，与设施农业物联网网关和用户的APP客户端和WEB客户端进行通信，通过定期获取设施农业现场的环境状态数据，再比对农作物在生长周期的环境参数表，生成控制策略和自动控制指令。这些指令通过密钥管理服务装置加密，再通过通讯代理服务装置发送给设施农业网关，设施农业网关接收到指令，解密验证无误后执行。从而完成现场环境调节设备的远程自动控制。

密钥管理服务装置不定期生成和管理公钥和私钥。并将新的公钥分发给用户。同时，密钥管理服务装置不定期生成和管理用户方在加解密时使用的密钥，并对新生成的密钥使用私钥加密后分发给用户使用，避免用户长期使用同一密钥。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种设施农业信息安全云服务系统，其特征在于：包括信息层、传输层和感知执行层，所述信息层包括设施农业云服务平台、App客户端和Web客户端，所述App客户端和Web客户端通过有线或无线网络的方式与设施农业云服务平台相互连接，互相访问；所述传输层由若干设施农业物联网网关组成，所述任一个网关均可通过有线或无线网络的方式与设施农业云服务平台相互连接，相互访问；所述设备执行层包括传感器组和设备组，所述传感器组或设备组中的设备一个或多个通过有线或无线网络的方式连接至某一个设施农业物联网网关，所述设备和设施农业物联网网关之间可以相互访问。

2.根据权利要求1所述的一种设施农业信息安全云服务系统，其特征在于：所述设施农业云服务平台包括通讯代理服务装置和与通讯代理服务装置分别通过局域网连接的密钥管理服务装置、农作物生长环境智能调控软件和数据库组成；所述App客户端和Web客户端均通有线或无线过网络连接至通讯代理服务装置。

3.根据权利要求1所述的一种设施农业信息安全云服务系统，其特征在于：所述设施农业物联网网关支持不同应用层级的协议的相互转换。

4.根据权利要求1所述的一种设施农业信息安全云服务系统，其特征在于：所述传感器组包括但不限于空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、二氧化碳传感器、光照度传感器、气象传感器、气体分析传感器、电流传感器、电压传感器、电量仪；所处执行设备组包括但不限于PLC控制器、触摸屏、电控柜、风机、卷帘机、升温设备、补光灯、水肥一体机。

5.根据权利要求1所述的一种设施农业信息安全云服务系统的监控方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1、密钥管理服务装置为设施农业物联网网关提供唯一身份标识符和密钥；

S2、密钥管理服务装置为客户端提供唯一身份标识符和密钥；

S3、设施农业物联网网关和客户端分别与通讯代理服务装置建立TCP连接；

S4、设施农业物联网网关和用户的APP客户端和WEB客户端使用各自密钥登陆通讯代理服务装置；

S5、农作物生长环境智能调控软件在局域网环境下建立与通讯代理服务装置的TCP连接；

S6、不同装置之间通讯数据的发送或接收均需使用自身密钥加解密验证无误后进行数据的处理；

S7、信息层接收传输层发布的实时状态数据，传输层接收信息层控制命令数据；

S8、用户依靠人工模式或智能操作模式完成现场环境调节设备的远程手动控制和自动控制；

S9、密钥管理服务装置不定期更新密钥，避免用户长期使用同一密钥。