CN110855312A - 一种应用于水质智能检测无线通信模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线通信模块，主要包括有主控软件模块、无人机水质检测系统模块、加密方案设计模块、无线通信模块与NIO通信算法模块,本发明基于空间加密技术的一体化网络数据传输通讯平台的基本功能包括：具备概念化身份的加密方案，可增强无人机飞行控制系统和远程水质监控报警系统的安全性和灵活性；具备定制化数据链路，可实现全天候水质智能监控装备与报警系统全域通讯支持，而且本发明中通过空间加密控制技术研究、全域通讯支持技术研究与全域加密网络支持平台集成的设置，这样可以使得更好的进行信息的传输与通信，从而解决了现有的无线通信无人机飞行控制与水质远程监测装备数据传输整合难的现状的问题。

Description

一种应用于水质智能检测无线通信模块

技术领域

本发明属于无线通信相关技术领域，具体涉及一种无线通信模块。

背景技术

美国等国外发达国家对水质监测涉足较早，因而相关技术较为成熟。很多国家都建立了水质在线自动监测系统即WPMS。该系统采用一个控制中心控制若干个子基站，子基站相互连接构成一个系统网络，可实时准确检测该地区水质状况。美国对于水质监测一直处于世界领先地位，早在20世纪70年代，美国组成了国家水质监全天候测网，对于河流水质、地表水、地下水质等实现自动监测。

现有的无线通信技术存在以下问题：目前，我国现有水质监测方法采取断面例行取样监测，虽然能够原位获取准确的水质信息，但存在机动灵活性差、采样检测间隔时间长、对水质监测存在迟滞甚至漏检等不足。常规监测手段是基于点尺度的监测，难以获取面尺度的信息，卫星遥感监测技术具有快速、大范围监测等优势，能够获取整个水源地的污染分布状况并进行评价，但卫星遥感技术受天气因素及低分辨率信息输出、的制约，难以实时高效监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线通信模块，以解决上述背景技术中提出的现有的无线通信无人机飞行控制与水质远程监测装备数据传输整合难的现状的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种无线通信模块，主要包括有主控软件模块、无人机水质检测系统模块、加密方案设计模块、无线通信模块与NIO通信算法模块，所述无线通信模块的主要程序有如下：

(1)、主控软件的设定与操控；

(2)、无人机水质检测系统的设定与操控；

(3)、加密方案设计的设定与操控；

(4)、无线通信模块的设定与操控；

(5)、NIO通信算法的设定与操控；

所述无人机水质检测系统的设定与操控的步骤如下：

步骤一：无人机控制终端主动发送命令时，首先将命令送到密码模块进行加密，然后将收到的加密后数据通过无线信道发送到无人机；无人机将收到的加密数据发送到密码模块进行解密，执行解密后的控制命令；

步骤二：无人机主动上报信息时，首先将信息送到密码模块进行加密，然后将收到的加密后数据通过无线信道发送到控制终端；控制终端将收到的信息发送到密码模块进行解密，处理显示解密后的信息；

步骤三：无人机收到无人机控制终端信息后，将接收到的信息送主控模块，主控模块将信息送密码模块进行解密；主控模块判断解密后的信息是否为开始水质检测的命令，若不是则将解密数据直接发送到无人机；若解密后数据为水质检测开始命令，主控模块向无人机发送准备开始水质检测的通知，并下放水质检测传感器，水质传感器获得水质信息，预处理电路放大并处理该信息，A/D转换器将传感器的模拟信号转换为数字信号，然后根据国家的编码标准，对数据进行编码传输，当水质监测传感器到达水下合理位置时，主控模块通知无人机水质检测准备就绪，开始水质检测，将检测到的水质情况发送给无人机。

所述主控软件主要包含加解密控制模块、数据采集模块和马达控制模块，所述加解密控制模块通过自定义协议与加密控制芯片进行通信实现数据的加解密和口令认证等功能；

数据采集模块通过RS485接口和Modbus协议读取传感器模块检测到的水质参数。马达控制模块控制马达的转向和速度，实现传感器单元的上升和降落。加密控制软件包含数据加解密模块、密码资源管理模块和口令认证模块等。数据加解密模块负责使用SM1加密算法实现主控芯片发送的数据加解密功能。密码资源管理模块负责存储密码资源以及密码资源的解密。口令认证模块负责实现对主控芯片发送的口令进行认证，返回认证结果。

所述加密方案设计的设定与操控的步骤如下：

一：加密算法

加密算法采用SM1算法。SM1算法是分组对称密码算法，分组模式采用ECB模式，分组长度为128位，密钥长度为128比特，算法安全保密强度及相关软硬件实现性能与AES相当，算法不公开，仅以IP核的形式存在于芯片中。这种算法简单，加/解密使用同样的密钥，加/解密速度快，但密钥管理复杂。

杂凑运算采用SM3算法。用于验证身份信息，不同的数据的杂凑值都不同，而且很难通过分析杂凑值获得原数据信息，可以防止数据被非法更改，因此在口令认证时使用。

二：密码配用

由于使用SM1对称算法对数据进行加密，发送方和接收方需使用相同的密钥进行加密和解密。

考虑到系统中一台无人机对应一个后台操控平台，数据的传输方式为点对点传输，每一对无人机和操控平台安装有相同的密码资源，每次通信时首先进行会话密钥的传输，会话密钥由无人机通过真随机数发生器生成，并通过基本密钥加密后发送给后台操控平台。会话密钥协商完成后，通信双方均根据会话密钥从密钥库中提取用于加解密的对称密钥，用来对数据进行加解密。

无人机和后台操控平台的密码资源均加密存储在加密单元中，使用之前需要正确的口令进行解密，放置密码资源被非法窃取。

所述无线通信模块的设定与操控的步骤如下：

系统分为长连接和短连接。在长连接模式下，通信双方可以实时的进行动态信息交换，此时双方处于一直连通的状态；短连接模式下，只能进行有限的数据通信，超过了规定的次数，socket通道就会自动关闭。为了保证通信通道的有效利用，系统设置了socket连接的超时时间，当超过了一定的时长后就会自动关闭不需要的监测连接。而对于那些需要一直监测的设备，会设置在超时时间之前自动发送心跳的方式阻止超时。

所述守护进程算法流程如下：

首先初始化守护进程，然后初始化连续通道注册到选择器中，之后开启读写器，并且从开启读写器中获取运行开启时间，并且判断运行标志是否为关，若是运行标志为关则直接关闭通道结束工作，若是运行标志为开，这时获取通道的个数，若是通道的个数数值大于零的时候，转换成列表，并且判断是否短过列表上限，若是的话获取结束的时间，然后判断是否超时，若没有超过上限，首先释放键值，然后判断是否为读取操作键值，然后进入读操作流程，之后判断是否为写操作流程，然后进入到写操作流程，之后在进行下一键值的判断。

所述NIO通信算法的设定与操控的步骤如下：

首先将输送的信息进行初始化缓冲区，然后由通道读取字节到缓冲区，之后判断读取缓冲区字节长度是否大于零，若大于零的时候将信息转为数据组进行数据的处理，处理之后进行数据完整性校验，若数据为完整的则进行判断数据报文类型，之后再进行解析数据报文，若数据正确则进行数据的保存，当保存数据之后再进行记录日志，若是长度小于零的时候，这时就会关闭通道，然后结束工作。

与现有技术相比，本发明提供了一种无线通信模块，具备以下有益效果：

(1)、本发明基于空间加密技术的一体化网络数据传输通讯平台的基本功能包括：具备概念化身份的加密方案，可增强无人机飞行控制系统和远程水质监控报警系统的安全性和灵活性；具备定制化数据链路，可实现全天候水质智能监控装备与报警系统全域通讯支持；

(2)、本发明中通过空间加密控制技术研究、全域通讯支持技术研究与全域加密网络支持平台集成的设置，这样可以使得更好的进行信息的传输与通信，从而解决了现有的无线通信无人机飞行控制与水质远程监测装备数据传输整合难的现状的问题。

附图说明

图1为本发明的无人机控制终端与无人机通信流程图结构示意图；

图2为本发明的无人机终端水质检测流程图结构示意图；

图3为本发明的socket通信的长连接和短连接监测流程图结构示意图；

图4为本发明的基于NIO的守护进程算法流程图结构示意图；

图5为本发明的基于NIO缓冲区的读取数据流程图结构示意图；

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。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：

一种无线通信模块，主要包括有主控软件模块、无人机水质检测系统模块、加密方案设计模块、无线通信模块与NIO通信算法模块，无线通信模块的主要程序有如下：

(1)、主控软件的设定与操控；

(2)、无人机水质检测系统的设定与操控；

(3)、加密方案设计的设定与操控；

(4)、无线通信模块的设定与操控；

(5)、NIO通信算法的设定与操控；

无人机水质检测系统的设定与操控的步骤如下：

步骤一：无人机控制终端主动发送命令时，首先将命令送到密码模块进行加密，然后将收到的加密后数据通过无线信道发送到无人机；无人机将收到的加密数据发送到密码模块进行解密，执行解密后的控制命令；

步骤二：无人机主动上报信息时，首先将信息送到密码模块进行加密，然后将收到的加密后数据通过无线信道发送到控制终端；控制终端将收到的信息发送到密码模块进行解密，处理显示解密后的信息；

步骤三：无人机收到无人机控制终端信息后，将接收到的信息送主控模块，主控模块将信息送密码模块进行解密；主控模块判断解密后的信息是否为开始水质检测的命令，若不是则将解密数据直接发送到无人机；若解密后数据为水质检测开始命令，主控模块向无人机发送准备开始水质检测的通知，并下放水质检测传感器，水质传感器获得水质信息，预处理电路放大并处理该信息，A/D转换器将传感器的模拟信号转换为数字信号，然后根据国家的编码标准，对数据进行编码传输，当水质监测传感器到达水下合理位置时，主控模块通知无人机水质检测准备就绪，开始水质检测，将检测到的水质情况发送给无人机。

主控软件主要包含加解密控制模块、数据采集模块和马达控制模块，加解密控制模块通过自定义协议与加密控制芯片进行通信实现数据的加解密和口令认证等功能；

数据采集模块通过RS485接口和Modbus协议读取传感器模块检测到的水质参数。马达控制模块控制马达的转向和速度，实现传感器单元的上升和降落。加密控制软件包含数据加解密模块、密码资源管理模块和口令认证模块等。数据加解密模块负责使用SM1加密算法实现主控芯片发送的数据加解密功能。密码资源管理模块负责存储密码资源以及密码资源的解密。口令认证模块负责实现对主控芯片发送的口令进行认证，返回认证结果。

加密方案设计的设定与操控的步骤如下：

一：加密算法

加密算法采用SM1算法。SM1算法是分组对称密码算法，分组模式采用ECB模式，分组长度为128位，密钥长度为128比特，算法安全保密强度及相关软硬件实现性能与AES相当，算法不公开，仅以IP核的形式存在于芯片中。这种算法简单，加/解密使用同样的密钥，加/解密速度快，但密钥管理复杂。

杂凑运算采用SM3算法。用于验证身份信息，不同的数据的杂凑值都不同，而且很难通过分析杂凑值获得原数据信息，可以防止数据被非法更改，因此在口令认证时使用。

二：密码配用

由于使用SM1对称算法对数据进行加密，发送方和接收方需使用相同的密钥进行加密和解密。

考虑到系统中一台无人机对应一个后台操控平台，数据的传输方式为点对点传输，每一对无人机和操控平台安装有相同的密码资源，每次通信时首先进行会话密钥的传输，会话密钥由无人机通过真随机数发生器生成，并通过基本密钥加密后发送给后台操控平台。会话密钥协商完成后，通信双方均根据会话密钥从密钥库中提取用于加解密的对称密钥，用来对数据进行加解密。

无人机和后台操控平台的密码资源均加密存储在加密单元中，使用之前需要正确的口令进行解密，放置密码资源被非法窃取。

无线通信模块的设定与操控的步骤如下：

系统分为长连接和短连接。在长连接模式下，通信双方可以实时的进行动态信息交换，此时双方处于一直连通的状态；短连接模式下，只能进行有限的数据通信，超过了规定的次数，socket通道就会自动关闭。为了保证通信通道的有效利用，系统设置了socket连接的超时时间，当超过了一定的时长后就会自动关闭不需要的监测连接。而对于那些需要一直监测的设备，会设置在超时时间之前自动发送心跳的方式阻止超时。

守护进程算法流程如下：

首先初始化守护进程，然后初始化连续通道注册到选择器中，之后开启读写器，并且从开启读写器中获取运行开启时间，并且判断运行标志是否为关，若是运行标志为关则直接关闭通道结束工作，若是运行标志为开，这时获取通道的个数，若是通道的个数数值大于零的时候，转换成列表，并且判断是否短过列表上限，若是的话获取结束的时间，然后判断是否超时，若没有超过上限，首先释放键值，然后判断是否为读取操作键值，然后进入读操作流程，之后判断是否为写操作流程，然后进入到写操作流程，之后在进行下一键值的判断。

NIO通信算法的设定与操控的步骤如下：

首先将输送的信息进行初始化缓冲区，然后由通道读取字节到缓冲区，之后判断读取缓冲区字节长度是否大于零，若大于零的时候将信息转为数据组进行数据的处理，处理之后进行数据完整性校验，若数据为完整的则进行判断数据报文类型，之后再进行解析数据报文，若数据正确则进行数据的保存，当保存数据之后再进行记录日志，若是长度小于零的时候，这时就会关闭通道，然后结束工作。

本发明的工作原理及使用流程：

步骤一：无人机控制终端主动发送命令时，首先将命令送到密码模块进行加密，然后将收到的加密后数据通过无线信道发送到无人机；无人机将收到的加密数据发送到密码模块进行解密，执行解密后的控制命令；

步骤二：无人机主动上报信息时，首先将信息送到密码模块进行加密，然后将收到的加密后数据通过无线信道发送到控制终端；控制终端将收到的信息发送到密码模块进行解密，处理显示解密后的信息；

步骤三：无人机收到无人机控制终端信息后，将接收到的信息送主控模块，主控模块将信息送密码模块进行解密；主控模块判断解密后的信息是否为开始水质检测的命令，若不是则将解密数据直接发送到无人机；若解密后数据为水质检测开始命令，主控模块向无人机发送准备开始水质检测的通知，并下放水质检测传感器，水质传感器获得水质信息，预处理电路放大并处理该信息，A/D转换器将传感器的模拟信号转换为数字信号，然后根据国家的编码标准，对数据进行编码传输，当水质监测传感器到达水下合理位置时，主控模块通知无人机水质检测准备就绪，开始水质检测，将检测到的水质情况发送给无人机。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种应用于水质智能检测无线通信模块，主要包括有主控软件模块、无人机水质检测系统模块、加密方案设计模块、无线通信模块与NIO通信算法模块，其特征在于：所述无线通信模块的主要程序有如下：

(1)、主控软件的设定与操控；

(2)、无人机水质检测系统的设定与操控；

(3)、加密方案设计的设定与操控；

(4)、无线通信模块的设定与操控；

(5)、NIO通信算法的设定与操控；

所述无人机水质检测系统的设定与操控的步骤如下：

步骤一：无人机控制终端主动发送命令时，首先将命令送到密码模块进行加密，然后将收到的加密后数据通过无线信道发送到无人机；无人机将收到的加密数据发送到密码模块进行解密，执行解密后的控制命令；

步骤二：无人机主动上报信息时，首先将信息送到密码模块进行加密，然后将收到的加密后数据通过无线信道发送到控制终端；控制终端将收到的信息发送到密码模块进行解密，处理显示解密后的信息；

步骤三：无人机收到无人机控制终端信息后，将接收到的信息送主控模块，主控模块将信息送密码模块进行解密；主控模块判断解密后的信息是否为开始水质检测的命令，若不是则将解密数据直接发送到无人机；若解密后数据为水质检测开始命令，主控模块向无人机发送准备开始水质检测的通知，并下放水质检测传感器，水质传感器获得水质信息，预处理电路放大并处理该信息，A/D转换器将传感器的模拟信号转换为数字信号，然后根据国家的编码标准，对数据进行编码传输，当水质监测传感器到达水下合理位置时，主控模块通知无人机水质检测准备就绪，开始水质检测，将检测到的水质情况发送给无人机。

2.根据权利要求1所述的一种无线通信模块，其特征在于：所述主控软件主要包含加解密控制模块、数据采集模块和马达控制模块，所述加解密控制模块通过自定义协议与加密控制芯片进行通信实现数据的加解密和口令认证等功能；

数据采集模块通过RS485接口和Modbus协议读取传感器模块检测到的水质参数。马达控制模块控制马达的转向和速度，实现传感器单元的上升和降落。加密控制软件包含数据加解密模块、密码资源管理模块和口令认证模块等。数据加解密模块负责使用SM1加密算法实现主控芯片发送的数据加解密功能。密码资源管理模块负责存储密码资源以及密码资源的解密。口令认证模块负责实现对主控芯片发送的口令进行认证，返回认证结果。

3.根据权利要求1所述的一种无线通信模块，其特征在于：所述加密方案设计的设定与操控的步骤如下：

一：加密算法

加密算法采用SM1算法。SM1算法是分组对称密码算法，分组模式采用ECB模式，分组长度为128位，密钥长度为128比特，算法安全保密强度及相关软硬件实现性能与AES相当，算法不公开，仅以IP核的形式存在于芯片中。这种算法简单，加/解密使用同样的密钥，加/解密速度快，但密钥管理复杂。

杂凑运算采用SM3算法。用于验证身份信息，不同的数据的杂凑值都不同，而且很难通过分析杂凑值获得原数据信息，可以防止数据被非法更改，因此在口令认证时使用。

二：密码配用

由于使用SM1对称算法对数据进行加密，发送方和接收方需使用相同的密钥进行加密和解密。

考虑到系统中一台无人机对应一个后台操控平台，数据的传输方式为点对点传输，每一对无人机和操控平台安装有相同的密码资源，每次通信时首先进行会话密钥的传输，会话密钥由无人机通过真随机数发生器生成，并通过基本密钥加密后发送给后台操控平台。会话密钥协商完成后，通信双方均根据会话密钥从密钥库中提取用于加解密的对称密钥，用来对数据进行加解密。

无人机和后台操控平台的密码资源均加密存储在加密单元中，使用之前需要正确的口令进行解密，放置密码资源被非法窃取。

4.根据权利要求1所述的一种无线通信模块，其特征在于：所述无线通信模块的设定与操控的步骤如下：

系统分为长连接和短连接。在长连接模式下，通信双方可以实时的进行动态信息交换，此时双方处于一直连通的状态；短连接模式下，只能进行有限的数据通信，超过了规定的次数，socket通道就会自动关闭。为了保证通信通道的有效利用，系统设置了socket连接的超时时间，当超过了一定的时长后就会自动关闭不需要的监测连接。而对于那些需要一直监测的设备，会设置在超时时间之前自动发送心跳的方式阻止超时。

5.根据权利要求1所述的一种无线通信模块，其特征在于：所述守护进程算法流程如下：

首先初始化守护进程，然后初始化连续通道注册到选择器中，之后开启读写器，并且从开启读写器中获取运行开启时间，并且判断运行标志是否为关，若是运行标志为关则直接关闭通道结束工作，若是运行标志为开，这时获取通道的个数，若是通道的个数数值大于零的时候，转换成列表，并且判断是否短过列表上限，若是的话获取结束的时间，然后判断是否超时，若没有超过上限，首先释放键值，然后判断是否为读取操作键值，然后进入读操作流程，之后判断是否为写操作流程，然后进入到写操作流程，之后在进行下一键值的判断。

6.根据权利要求1所述的一种无线通信模块，其特征在于：所述NIO通信算法的设定与操控的步骤如下：

首先将输送的信息进行初始化缓冲区，然后由通道读取字节到缓冲区，之后判断读取缓冲区字节长度是否大于零，若大于零的时候将信息转为数据组进行数据的处理，处理之后进行数据完整性校验，若数据为完整的则进行判断数据报文类型，之后再进行解析数据报文，若数据正确则进行数据的保存，当保存数据之后再进行记录日志，若是长度小于零的时候，这时就会关闭通道，然后结束工作。

Images