CN111065091A - 一种基于lora的无线数据采集系统及数据传输方法 - Google Patents

一种基于lora的无线数据采集系统及数据传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于lora的无线数据采集系统及数据传输方法，其由无线数据采集模块和无线汇总接收主机组成，无线数据采集模块与无线汇总接收主机采用非对称加密算法进行双向认证，在双向认证完成前彼此不会进行任何数据传输，在无线数据采集模块与无线汇总接收主机相互确认身份后，无线汇总接收主机会会向无线数据采集模块发送对称秘钥进行数据传输前的安全验证，在验证通过后才会进行实质数据传输，且整个系统的在数据传输过程中实时动态验证，可靠性高，安全性好。

Description

一种基于lora的无线数据采集系统及数据传输方法
所属技术领域
本发明属于数据加密传输领域，尤其涉及一种基于lora的无线数据采集系统及数据传输方法，属于电力通信技术领域。
背景技术
随着电力自动化水平的不断提高，国家电网公司提出“三型两网、世界一流”的战略发展目标，在坚强智能电网基础上建设泛在电力物联网，充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术和先进通信技术，实现电力系统各个环节万物互联、人机交互，打造状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的泛在电力物联网。在泛在电力物联网发展建设过程中，无线通信技术在电力系统中的应用越来越广泛，尤其在现有变电站功能升级、系统改造过程中，采用无线通信的方式将分布在变电站各个区域内的设备状态、运行数据实时采集汇总，对运行维护单位及时掌握变电站二次设备及辅助设备的运行状态及运行环境信息，提高工作效率，降低系统改造成本，全面提升变电站运维人员对站内二次设备及辅助设备的管控能力有有益的效果。
LoRa是近年来兴起的物联网技术，最大特点是在同样的功耗条件下比其他无线方式，例如WIFI、ZigBee、红外、蓝牙等方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，正常条件下，同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。LORA网络的架设无需依赖于运营商，并且最新的LORA技术支持中继组网，非常适合用于数据量不太大的变电站二次设备和辅助设备运行状态监视、实时数据采集的应用。
但是在变电站内采用无线通信存在最大的风险是数据安全，因为无线通信信号容易被截取，如果没有采用安全措施，通讯数据会被截取收集分析，导致信息泄露，特别是参数设置、控制操作命令如果被仿冒设备发出，并且被执行，将严重影响变电站内的供电设备安全稳定运行，无法满足电力行业对安全行、可靠性的要求。
发明内容
针对无线通信技术在变电站数据采集监控应用过程中存在的通讯安全问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于lora的无线数据采集系统及数据传输方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
一种基于lora的无线数据采集系统，其由无线数据采集模块和无线汇总接收主机组成，无线数据采集模块包含单片机模块、安全芯片模块、无线通讯模块、数字量信号输入模块、数字量信号输出模块、模拟量信号输入模块、串行接口和网络接口；
其中，单片机模块分别与安全芯片模块、无线通讯模块、数字量信号输入模块、数字量信号输出模块、模拟量信号输入模块、串行接口和网络接口连接，通过程序设计完成数据采集和数据传输功能，并对其他模块进行统筹管理；
其中，无线汇总接收主机可向各无线数据采集模块发送加密、签名的报文，并对各无线数据采集模块发送的报文进行解密、鉴签；
其中，安全芯片对单片机接收到的报文信息进行解密、鉴签处理，对发送的报文进行加密、签名处理；
其中较优地，单片机模块包括，单片机主程序、数据采集功能程序、无线通讯报文处理程序、安全芯片接口程序、调试接口程序；单片机主程序通过数据采集功能程序完成各种接口输入的采集数据，并按相关通讯协议规范整理；单片机主程序通过无线通讯报文处理程序和安全芯片接口程序完成无线加密通讯；单片机主程序通过调试接口程序完成设备的配置、参数的设置；
其中较优地，安全芯片模块包括安全芯片主程序、报文处理程序、调试接口程序、密码算法驱动程序和通讯接口程序；当单片机将接收(发送)的报文信息发送安全芯片时，安全芯片通过通讯接口程序的接收报文信息，发送到安全芯片主程序，安全芯片主程序通过报文处理程序按照不同的算法对报文信息进行加密、解密、签名、鉴签，报文处理程序将处理后的报文信息返回安全芯片主程序，安全芯片主程序再通过通讯接口程序发回至单片机。
一种基于上述数据采集系统的数据传输方法，包括以下步骤：
S1，无线数据采集模块与无线汇总接收主机采用非对称加密算法进行双向认证，其具体步骤如下：
S11，无线数据采集模块内置的安全芯片自行生成非对称秘钥对：公钥B1和私钥B2，将公钥B1导入至无线汇总接收主机，无线汇总主机生成的非对称秘钥对：公钥A1和私钥A2，并将公钥A1导入至无线数据采集模块内的安全芯片；
S12，无线汇总接收主机以私钥A2将身份认证信息签名，然后下发至无线数据采集模块；
S13，无线数据采集模块收到签名报文后，通过公钥A1对签名报文进行鉴签，确认无误；
S14，无线数据采集模块以私钥B2将身份认证信息签名，然后上传至无线汇总接收主机；
S15，无线汇总接收主机收到签名报文后，通过公钥B1对签名报文进行鉴签，确认无误后，双向认证过程结束，系统开始执行步骤S2；
S2，无线汇总接收主机生成对称秘钥，再次进行身份验证和数据安全验证，并将对称秘钥传递到无线数据采集模块，其具体步骤如下：
S21，无线汇总接收主机随机生成对称秘钥，使用公钥B1对对称秘钥进行加密，然后使用私钥A2对加密完成的密文进行签名，发送到无线数据采集模块；
S22，无线数据采集模块接收到报文后，使用公钥A1对报文进行鉴签，然后使用私钥B2对签名信息进行解密，获取对称秘钥，并导入到安全芯片内；
S23，无线数据采集模块将收到的对称秘钥再以公钥A1进行加密，然后使用私钥B2对密文进行签名，发送到无线汇总接收主机；
S24，无线汇总接收主机接收到报文后，使用公钥B1对报文进行鉴签，然后使用私钥A2对签名信息进行解密，收到对称秘钥进行验证，确认无误后使用对称秘钥开始加密数据传输，系统执行步骤S3；
S3，无线汇总接收主机与无线数据采集模块之间通过对称秘钥进行加密通讯，实现数据采集、监控功能；
S4，设定时间阈值，当通讯时间达到时间阈值后，重复S1-S3。
其中较优地，在步骤S1中，双向认证过程中任何一步没有完成，都不会开始传递秘钥，以及之后数据传输。双向认证过程同时保证了无线汇总接收主机和无线数据采集模块相互之间导入的公钥正确，保证后续的秘钥传递流程可靠完成。
其中较优地，在步骤S2中，身份验证和数据安全验证程中任何一步没有完成，都不会进入步骤S3。
附图说明：
图1为本发明所提供的无线数据采集模块的结构示意图
图2为本发明所提供的无线数据采集模块中，单片机的结构示意图
图3为本发明所提供的无线数据采集模块中，安全芯片的结构示意图
图4为本发明所提供的一个实施例中，通讯连接方式的示意图
图5为本发明所提供的一个实施例中，秘钥传递方式的示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供一种基于lora的无线数据采集系统，其由无线数据采集模块和无线汇总接收主机组成，无线数据采集模块包含单片机模块、安全芯片模块、无线通讯模块、数字量信号输入模块、数字量信号输出模块、模拟量信号输入模块、串行接口和网络接口；
其中，单片机模块分别与安全芯片模块、无线通讯模块、数字量信号输入模块、数字量信号输出模块、模拟量信号输入模块、串行接口和网络接口连接，通过程序设计完成数据采集和数据传输功能，并对其他模块进行统筹管理；
其中，无线汇总接收主机可向各无线数据采集模块发送加密、签名的报文，并对各无线数据采集模块发送的报文进行解密、鉴签；
其中，安全芯片对单片机接收到的报文信息进行解密、鉴签处理，对发送的报文进行加密、签名处理；
其中较优地，单片机模块包括，单片机主程序、数据采集功能程序、无线通讯报文处理程序、安全芯片接口程序、调试接口程序；单片机主程序通过数据采集功能程序完成各种接口输入的采集数据，并按相关通讯协议规范整理；单片机主程序通过无线通讯报文处理程序和安全芯片接口程序完成无线加密通讯；单片机主程序通过调试接口程序完成设备的配置、参数的设置。
其中较优地，安全芯片模块包括安全芯片主程序、报文处理程序、调试接口程序、密码算法驱动程序和通讯接口程序；当单片机将接收(发送)的报文信息发送安全芯片时，安全芯片通过通讯接口程序的接收报文信息，发送到安全芯片主程序，安全芯片主程序通过报文处理程序按照不同的算法对报文信息进行加密、解密、签名、鉴签，报文处理程序将处理后的报文信息返回安全芯片主程序，安全芯片主程序再通过通讯接口程序发回至单片机。
一种基于上述数据采集系统的数据传输方法，如图4、图5所示，具体包括以下步骤：
S1，无线数据采集模块与无线汇总接收主机采用非对称加密算法进行双向认证，其具体步骤如下：
S11，无线数据采集模块内置的安全芯片自行生成非对称秘钥对：公钥B1和私钥B2，将公钥B1导入至无线汇总接收主机，无线汇总主机生成的非对称秘钥对：公钥A1和私钥A2，并将公钥A1导入至无线数据采集模块内的安全芯片；
S12，无线汇总接收主机以私钥A2将身份认证信息签名，然后下发至无线数据采集模块；
S13，无线数据采集模块收到签名报文后，通过公钥A1对签名报文进行鉴签，确认无误；
S14，无线数据采集模块以私钥B2将身份认证信息签名，然后上传至无线汇总接收主机；
S15，无线汇总接收主机收到签名报文后，通过公钥B1对签名报文进行鉴签，确认无误后，双向认证过程结束，系统开始执行步骤S2；
S2，无线汇总接收主机生成对称秘钥，并将对称秘钥传递到无线数据采集模块，再次进行身份验证和数据安全验证，其具体步骤如下：
S21，无线汇总接收主机随机生成对称秘钥，使用公钥B1对对称秘钥进行加密，然后使用私钥A2对加密完成的密文进行签名，发送到无线数据采集模块；
S22，无线数据采集模块接收到报文后，使用公钥A1对报文进行鉴签，然后使用私钥B2对签名信息进行解密，获取对称秘钥，并导入到安全芯片内；
S23，无线数据采集模块将收到的对称秘钥再以公钥A1进行加密，然后使用私钥B2对密文进行签名，发送到无线汇总接收主机；
S24，无线汇总接收主机接收到报文后，使用公钥B1对报文进行鉴签，然后使用私钥A2对签名信息进行解密，收到对称秘钥进行验证，确认无误后使用对称秘钥开始加密数据传输，系统执行步骤S3；
S3，无线汇总接收主机与无线数据采集模块之间通过对称秘钥进行加密通讯，实现数据采集、监控功能；
S4，设定时间阈值，当通讯时间达到时间阈值后，重复S1-S3。
其中较优地，在步骤S1中，双向认证过程中任何一步没有完成，都不会开始传递秘钥，以及之后数据传输。双向认证过程同时保证了无线汇总接收主机和无线数据采集模块相互之间导入的公钥正确，保证后续的秘钥传递流程可靠完成。
其中较优地，在步骤S2中，身份验证和数据安全验证程中任何一步没有完成，都不会进入步骤S3。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种基于lora的无线数据采集系统，其由无线数据采集模块和无线汇总接收主机组成，其特征在于：
无线数据采集模块包含单片机模块、安全芯片模块、无线通讯模块、数字量信号输入模块、数字量信号输出模块、模拟量信号输入模块、串行接口和网络接口；
其中，单片机模块分别与安全芯片模块、无线通讯模块、数字量信号输入模块、数字量信号输出模块、模拟量信号输入模块、串行接口和网络接口连接，通过程序设计完成数据采集和数据传输功能，并对其他模块进行统筹管理；
其中，单片机模块包括，单片机主程序、数据采集功能程序、无线通讯报文处理程序、安全芯片接口程序、调试接口程序；单片机主程序通过数据采集功能程序完成各种接口输入的采集数据，并按相关通讯协议规范整理；单片机主程序通过无线通讯报文处理程序和安全芯片接口程序完成无线加密通讯；单片机主程序通过调试接口程序完成设备的配置、参数的设置；
其中，安全芯片模块包括安全芯片主程序、报文处理程序、调试接口程序、密码算法驱动程序和通讯接口程序；当单片机将接收(发送)的报文信息发送安全芯片时，安全芯片通过通讯接口程序的接收报文信息，发送到安全芯片主程序，安全芯片主程序通过报文处理程序按照不同的算法对报文信息进行加密、解密、签名、鉴签，报文处理程序将处理后的报文信息返回安全芯片主程序，安全芯片主程序再通过通讯接口程序发回至单片机。
2.如权利要求1所述的基于lora无线通讯的数据采集系统，其特征在于，无线汇总接收主机可向各无线数据采集模块发送加密、签名的报文，并对各无线数据采集模块发送的报文进行解密、鉴签；
3.一种基于权利要求1-2所述任意一种基于lora的无线数据采集系统的数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，无线数据采集模块与无线汇总接收主机采用非对称加密算法进行双向认证，其具体步骤如下：
S11，无线数据采集模块内置的安全芯片自行生成非对称秘钥对：公钥B1和私钥B2，将公钥B1导入至无线汇总接收主机，无线汇总主机生成的非对称秘钥对：公钥A1和私钥A2，并将公钥A1导入至无线数据采集模块内的安全芯片；
S12，无线汇总接收主机以私钥A2将身份认证信息签名，然后下发至无线数据采集模块；
S13，无线数据采集模块收到签名报文后，通过公钥A1对签名报文进行鉴签，确认无误；
S14，无线数据采集模块以私钥B2将身份认证信息签名，然后上传至无线汇总接收主机；
S15，无线汇总接收主机收到签名报文后，通过公钥B1对签名报文进行鉴签，确认无误后，双向认证过程结束，系统开始执行步骤S2；
S2，无线汇总接收主机生成对称秘钥，再次进行身份验证和数据安全验证，并将对称秘钥传递到无线数据采集模块，其具体步骤如下：
S21，无线汇总接收主机随机生成对称秘钥，使用公钥B1对对称秘钥进行加密，然后使用私钥A2对加密完成的密文进行签名，发送到无线数据采集模块；
S22，无线数据采集模块接收到报文后，使用公钥A1对报文进行鉴签，然后使用私钥B2对签名信息进行解密，获取对称秘钥，并导入到安全芯片内；
S23，无线数据采集模块将收到的对称秘钥再以公钥A1进行加密，然后使用私钥B2对密文进行签名，发送到无线汇总接收主机；
S24，无线汇总接收主机接收到报文后，使用公钥B1对报文进行鉴签，然后使用私钥A2对签名信息进行解密，收到对称秘钥进行验证，确认无误后使用对称秘钥开始加密数据传输，系统执行步骤S3；
S3，无线汇总接收主机与无线数据采集模块之间通过对称秘钥进行加密通讯，实现数据采集、监控功能；
S4，设定时间阈值，当通讯时间达到时间阈值后，重复S1-S3。
4.如权利要求3所述的基于lora无线通讯的数据采集系统的数据传输方法，其特征在于，在步骤S1中，双向认证过程中任何一步没有完成，都不会开始传递秘钥，以及之后数据传输。双向认证过程同时保证了无线汇总接收主机和无线数据采集模块相互之间导入的公钥正确，保证后续的秘钥传递流程可靠完成。
5.如权利要求3所述的基于lora无线通讯的数据采集系统的数据传输方法其特征在于，在步骤S2中，身份验证和数据安全验证程中任何一步没有完成，都不会进入步骤S3。
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