CN111600378A - 一种应用于主站和终端的通信组件的通信方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种应用于主站和终端的通信组件的通信方法,包括:通信组件的主控芯片基于第一时间步长查询第一消息队列,并根据所述第一消息队列查询结果,调配和执行存储于所述主控芯片的程序;通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列,判断所述第二消息队列的消息是否需要加/解密;对于需要加/解密的消息:所述主控芯片通过调配和执行存储于所述主控芯片的程序,控制所述通讯组件的安全加密芯片采用加/解密算法对所述消息进行处理;对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序进行处理。本发明提供的技术方案实现了终端和主站之间的通信链路安全,提高了配电自动化通信的保密性和完整性。

Description

一种应用于主站和终端的通信组件的通信方法和系统
技术领域
本发明涉及配电自动化领域,具体涉及一种应用于主站和终端的通信组件的通信方法和系统。
背景技术
配电终端用于配电网的监测与控制,是提高供电可靠性和电能质量的有效技术手段之一。现阶段,配电自动化终端在通信方面存在着许多问题。首先,配电自动化终端厂商众多,技术水平参差不齐,对101/104规约的理解有偏差,导致终端与主站间的互操性和一致性差,现场调试、运维烦琐复杂;其次,101/104规约在不同地方实施时,规约功能码、FCV标志等有差异,配电自动化终端需要针对不同规约方式来制作和加载不同的软件版本,增加了维护和运营成本;随着终端应用的扩展,规约版本迭代跟新,同时新一代配电网安防体系的要求以及日益突出的通信安全防护问题,存量终端面临软件的更新、安全防护的升级改造,增量终端需要单独采购硬件加密芯片并自行开发信息安全防护相关机制,由此不但增加了开发工作量、检测认证工作量,也有可能由于技术及理解差异导致协议一致性较差、设备通信稳定性降低等相关问题。由于各终端厂商研发技术的不同以及对规约理解的差异,用户在终端维护过程中需要协调各终端厂家解决运维过程中的问题,运维效率低、成本高。
建设规模不断扩大与技术快速发展双重边界条件下整体运行维护效率与个体差异的矛盾对各个环节标准化、可扩展性、灵活性的要求更高,安全防护的标准化问题更加突出。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的设备通信稳定性降低和规约理解不一致、运维效率低的问题,本发明提供一种应用于主站和终端的通信组件的通信方法和系统。
本发明提供的技术方案是:
一种应用于主站和终端的通信组件的通信方法,其改进之处在于,所述通信方法包括:
通信组件的主控芯片基于第一时间步长查询第一消息队列,并根据所述第一消息队列查询结果,调配和执行存储于所述主控芯片的程序;
通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列,判断所述第二消息队列的消息是否需要加/解密;对于需要加/解密的消息:所述主控芯片通过调配和执行存储于所述主控芯片的程序,控制所述通讯组件的安全加密芯片采用加/解密算法对所述消息进行处理;对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序对所述消息进行处理;
其中,所述第一消息队列为与终端通信服务的消息队列;所述第二消息队列为与主站通信服务的消息队列。
优选地,所述通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列包括:
所述通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列接收发往主站的消息;
如果存在消息时:获取所述第二消息队列中的消息类型;
如果不存在消息时:获取终端中存储的实时数据;
所述消息类型包括:外部端口消息和内部消息;
优选地,所述判断所述发往主站的消息是否需要加/解密,包括:
当所述消息类型为外部消息时:
如果所述外部端口消息带安全防护协议时,则需要进行加/解密;否则,不需要进行加/解密。
当所述消息类型为内部消息时:不需要进行加/解密。
所述带安全防护协议的外部消息包括:遥控命令消息、时钟设置操作消息、召唤定值消息和文件操作消息;所述不带安全防护协议的外部消息包括:初始化业务消息。
优选地,所述对于需要加/解密的消息:所述主控芯片通过调配和执行存储于所述主控芯片的程序,控制所述通讯组件的安全加密芯片采用加/解密算法对所述消息进行处理;对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序对所述消息进行处理,包括:
当所述消息类型为外部端口消息,且需要进行加/解密时:
所述安全加密芯片向第二消息队列返回安全应答,并对所述带安全防护协议的外部消息进行解密和规约解析;所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序将解密和规约解析后的消息发送为第二消息队列的内部消息;
当所述消息类型为外部端口消息,且不需要进行加/解密时:
所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序,将不带安全防护协议的外部端口消息进行规约解析后发送为第二消息队列的内部消息。
优选地,对于需要加/解密的消息:所述对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序对所述消息进行处理,还包括:
当所述消息类型为内部消息时,所述安全加密芯片基于内部协议生成规约应答组帧,所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序将所述内部消息发送到主站;
所述内部消息包括:遥信/遥测数据消息、遥控应答消息、时钟应答消息和定值/文件应答消息。
优选地,对于需要加/解密的消息:所述主控芯片通过调配和执行存储于所述主控芯片的程序,控制所述通讯组件的安全加密芯片采用加/解密算法对所述消息进行处理;对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序对所述消息进行处理,还包括:
当所述通信组件在第二消息队列中没有接收到消息时:所述通信组件获取终端的实时数据;
所述安全加密芯片采用密码算法对所述终端实时数据中带安全防护协议的实时数据进行加密和规约应答组帧,所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序,并将执行结果发送到主站;所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序,将不带安全防护协议的实时数据发送到主站。
所述带安全防护协议的实时数据包括:遥信数据、遥测数据、故障事件信息和历史文件;不带安全防护协议的实时数据包括:跳帧数据、报文确认帧数据、启动链路数据、启动链路确认数据、请求链路数据、响应链路状态数据和复位链路数据。
优选地,所述通信组件的主控芯片基于第一时间步长查询第一消息队列,并根据所述第一消息队列查询结果,调配和执行存储于所述主控芯片的程序包括:
所述通讯组件基于第一时间步长查询第一消息队列接收发往终端的消息;
如果存在消息时:所述主控芯片根据所述第一消息队列中的消息类型,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,将执行结果发送至终端;
如果不存在消息时:所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序,查询终端初始配置、遥信和遥测数据,并基于内部协议将接收到的数据发送到终端;
所述消息类型包括:串口消息、外部端口消息。
优选地,所述主控芯片根据所述第一消息队列中的消息类型,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,将执行结果发送至终端,包括:
当所述消息类型为串口消息时:所述通信组件的调试口接收串口消息,所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序将消息发送给外部端口;
所述串口消息包括:遥信/遥测数据消息、遥控应答消息、时钟应答消息和定值/文件应答消息。
优选地,所述主控芯片根据所述第一消息队列中的消息类型,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,将执行结果发送至终端,还包括:
当所述消息类型为外部端口消息时:所述主控芯片依据外部端口消息,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,并基于设定的内部协议将执行结果发送至终端;
所述外部端口消息包括:主站发送的控制命令和/或远程参数设置。
优选地,所述通信方法还包括:
通信组件的主控芯片基于第一时间步长查询第一消息队列前:
所述通信组件基于数据标准规约进行所述第一消息队列的参数配置;
基于已配置的参数,所述主控芯片发起并完成与终端的链路握手过程。
优选地,所述通信方法还包括:
通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列前:
所述通信组件基于数据标准规约进行所述第二消息队列的参数配置;
基于已配置的参数,所述主控芯片发起并完成与主站的链路握手过程。
一种应用于主站和终端的通信组件的通信系统,包括第一通信模块和第二通信模块:
第一通信模块:用于通信组件的主控芯片基于第一时间步长查询第一消息队列,并根据所述第一消息队列查询结果,调配和执行存储于所述主控芯片的程序;
第二通信模块:用于通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列,判断所述第二消息队列的消息是否需要加/解密;对于需要加/解密的消息:所述主控芯片通过调配和执行存储于所述主控芯片的程序,控制所述通讯组件的安全加密芯片采用加/解密算法对所述消息进行处理;对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序对所述消息进行处理。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明提供的技术方案能够定时查询消息队列中消息,对不同种类的消息分别进行处理,采用统一的安全防护协议,对带有安全防护协议的消息进行加/解密,在满足配电终端所有通信功能的基础上,实现了终端和主站之间的通信链路安全,提高了配电自动化通信的保密性和完整性,解决了对规约理解的差异而导致的通信一致性和设备互操作问题,实现终端与主站信息传输的安全化、标准化;
本发明提供的技术方案设置了标准规范的调试串口消息的接收和处理流程,能批量调试、规约迭代升级、软件更新,实现终端调试运维的批量化。
附图说明
图1为本发明通信方法示意图;
图2为本发明通信系统示意图;
图3为本发明通信组件结构示意图;
图4为本发明通信组件系统框图
图5为本发明对下通信流程图;
图6为本发明对上通信流程图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明,下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1、
一种应用于主站和终端的通信组件的通信方法,如图1所示,包括:
步骤1:通信组件的主控芯片基于第一时间步长查询第一消息队列,并根据所述第一消息队列查询结果,调配和执行存储于所述主控芯片的程序;
步骤2:通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列,判断所述第二消息队列的消息是否需要加/解密;对于需要加/解密的消息:所述主控芯片通过调配和执行存储于所述主控芯片的程序,控制所述通讯组件的安全加密芯片采用加/解密算法对所述消息进行处理;对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序进行处理;
其中,所述第一消息队列为与终端通信服务的消息队列;所述第二消息队列为与主站通信服务的消息队列。
步骤1:所述通信组件的主控芯片基于第一时间步长查询第一消息队列,并根据所述第一消息队列查询结果,调配和执行存储于所述主控芯片的程序包括:
所述通讯组件基于第一时间步长查询第一消息队列接收发往终端的消息;
如果存在消息时:所述主控芯片根据所述第一消息队列中的消息类型,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,将执行结果发送至终端;
如果不存在消息时:所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序,查询终端初始配置、遥信和遥测数据,并基于内部协议将接收到的数据发送到终端;
所述消息类型包括:串口消息、外部端口消息。
具体地,所述主控芯片根据所述第一消息队列中的消息类型,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,将执行结果发送至终端,包括:
当所述消息类型为串口消息时:所述通信组件的调试口接收串口消息,所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序将消息发送给外部端口;
所述串口消息包括:遥信/遥测数据消息、遥控应答消息、时钟应答消息和定值/文件应答消息。
具体地,所述主控芯片根据所述第一消息队列中的消息类型,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,将执行结果发送至终端,还包括:
当所述消息类型为外部端口消息时:所述主控芯片依据外部端口消息,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,并基于设定的内部协议将执行结果发送至终端;
所述外部端口消息包括:主站发送的控制命令和/或远程参数设置。
具体地,所述通信方法还包括:
通信组件的主控芯片基于第一时间步长查询第一消息队列前:
所述通信组件基于数据标准规约进行所述第一消息队列的参数配置;
基于已配置的参数,所述主控芯片发起并完成与终端的链路握手过程。
步骤2:所述通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列包括:
所述通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列接收发往主站的消息;
如果存在消息时:获取所述第二消息队列中的消息类型;
如果不存在消息时:获取终端中存储的实时数据;
所述消息类型包括:外部端口消息和内部消息;
具体地,所述判断所述发往主站的消息是否需要加/解密,包括:
当所述消息类型为外部消息时:
如果所述外部端口消息带安全防护协议时,则需要进行加/解密;否则,不需要进行加/解密。
当所述消息类型为内部消息时:不需要进行加/解密。
所述带安全防护协议的外部消息包括:遥控命令消息、时钟设置操作消息、召唤定值消息和文件操作消息;所述不带安全防护协议的外部消息包括:初始化业务消息
具体地,所述对于需要加/解密的消息:所述主控芯片通过调配和执行存储于所述主控芯片的程序,控制所述通讯组件的安全加密芯片采用加/解密算法对所述消息进行处理;对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序对所述消息进行处理,包括:
当所述消息类型为外部端口消息,且需要进行加/解密时:
所述安全加密芯片向第二消息队列返回安全应答,并对所述带安全防护协议的外部消息进行解密和规约解析;所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序将解密和规约解析后的消息发送为第二消息队列的内部消息;
当所述消息类型为外部端口消息,且不需要进行加/解密时:
所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序,将不带安全防护协议的外部端口消息进行规约解析后发送为第二消息队列的内部消息。
具体地,对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序对所述消息进行处理,还包括:
当所述消息类型为内部消息时,所述安全加密芯片基于内部协议生成规约应答组帧,所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序将所述内部消息发送到主站;
所述内部消息包括:遥信/遥测数据消息、遥控应答消息、时钟应答消息和定值/文件应答消息。
具体地,对于需要加/解密的消息:所述主控芯片通过调配和执行存储于所述主控芯片的程序,控制所述通讯组件的安全加密芯片采用加/解密算法对所述消息进行处理;对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序对所述消息进行处理,还包括:
当所述通信组件在第二消息队列中没有接收到消息时:所述通信组件获取终端的实时数据;
所述安全加密芯片采用密码算法对所述终端实时数据中带安全防护协议的实时数据进行加密和规约应答组帧,所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序,并将执行结果发送到主站;所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序,将不带安全防护协议的实时数据发送到主站。
所述带安全防护协议的实时数据包括:遥信数据、遥测数据、故障事件信息和历史文件;不带安全防护协议的实时数据包括:跳帧数据、报文确认帧数据、启动链路数据、启动链路确认数据、请求链路数据、响应链路状态数据和复位链路数据。
具体地,所述通信方法还包括:
通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列前:
所述通信组件基于数据标准规约进行所述第二消息队列的参数配置;
基于已配置的参数,所述主控芯片发起并完成与主站的链路握手过程。
实施例2、
一种应用于主站和终端的通信组件的通信系统,如图2所示,包括:第一通信模块和第二通信模块:
第一通信模块:用于通信组件的主控芯片基于第一时间步长查询第一消息队列,并根据所述第一消息队列查询结果,调配和执行存储于所述主控芯片的程序;
第二通信模块:用于通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列,判断所述第二消息队列的消息是否需要加/解密;对于需要加/解密的消息:所述主控芯片通过调配和执行存储于所述主控芯片的程序,控制所述通讯组件的安全加密芯片采用加/解密算法对所述消息进行处理;对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序进行处理。
其中,第一通信模块用于所述通信组件的主控芯片基于第一时间步长查询第一消息队列,并根据所述第一消息队列查询结果,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,包括:
所述通讯组件基于第一时间步长查询第一消息队列接收发往终端的消息;
如果存在消息时:所述主控芯片根据所述第一消息队列中的消息类型,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,将执行结果发送至终端;
如果不存在消息时:所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序,查询终端初始配置、遥信和遥测数据,并基于内部协议将接收到的数据发送到终端;
所述消息类型包括:串口消息、外部端口消息。
具体地,所述主控芯片根据所述第一消息队列中的消息类型,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,将执行结果发送至终端,包括:
当所述消息类型为串口消息时:所述通信组件的调试口接收串口消息,所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序将消息发送给外部端口;
所述串口消息包括:遥信/遥测数据消息、遥控应答消息、时钟应答消息和定值/文件应答消息。
具体地,所述主控芯片根据所述第一消息队列中的消息类型,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,将执行结果发送至终端,还包括:
当所述消息类型为外部端口消息时:所述主控芯片依据外部端口消息,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,并基于设定的内部协议将执行结果发送至终端;
所述外部端口消息包括:主站发送的控制命令和/或远程参数设置。
具体地,所述通信方法还包括:
通信组件的主控芯片基于第一时间步长查询第一消息队列前:
所述通信组件基于数据标准规约进行所述第一消息队列的参数配置;
基于已配置的参数,所述主控芯片发起并完成与终端的链路握手过程。
具体地,所述通信方法还包括:
通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列前:
所述通信组件基于数据标准规约进行所述第二消息队列的参数配置;
基于已配置的参数,所述主控芯片发起并完成与主站的链路握手过程。
第二通信模块用于所述通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列包括:
所述通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列接收发往主站的消息;
如果存在消息时:获取所述第二消息队列中的消息类型;
如果不存在消息时:获取终端中存储的实时数据;
所述消息类型包括:外部端口消息和内部消息;
具体地,所述判断所述发往主站的消息是否需要加/解密,包括:
当所述消息类型为外部消息时:
如果所述外部端口消息带安全防护协议时,则需要进行加/解密;否则,不需要进行加/解密。
当所述消息类型为内部消息时:不需要进行加/解密。
所述带安全防护协议的外部消息包括:遥控命令消息、时钟设置操作消息、召唤定值消息和文件操作消息;所述不带安全防护协议的外部消息包括:初始化业务消息
具体地,所述对于需要加/解密的消息:所述主控芯片通过调配和执行存储于所述主控芯片的程序,控制所述通讯组件的安全加密芯片采用加/解密算法对所述消息进行处理;对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序对所述消息进行处理,包括:
当所述消息类型为外部端口消息,且需要进行加/解密时:
所述安全加密芯片向第二消息队列返回安全应答,并对所述带安全防护协议的外部消息进行解密和规约解析;所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序将解密和规约解析后的消息发送为第二消息队列的内部消息;
当所述消息类型为外部端口消息,且不需要进行加/解密时:
所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序,将不带安全防护协议的外部端口消息进行规约解析后发送为第二消息队列的内部消息。
具体地,对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序对所述消息进行处理,还包括:
当所述消息类型为内部消息时,所述安全加密芯片基于内部协议生成规约应答组帧,所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序将所述内部消息发送到主站;
所述内部消息包括:遥信/遥测数据消息、遥控应答消息、时钟应答消息和定值/文件应答消息。
具体地,对于需要加/解密的消息:所述主控芯片通过调配和执行存储于所述主控芯片的程序,控制所述通讯组件的安全加密芯片采用加/解密算法对所述消息进行处理;对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序对所述消息进行处理,还包括:
当所述通信组件在第二消息队列中没有接收到消息时:所述通信组件获取终端的实时数据;
所述安全加密芯片采用密码算法对所述终端实时数据中带安全防护协议的实时数据进行加密和规约应答组帧,所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序,并将执行结果发送到主站;所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序,将不带安全防护协议的实时数据发送到主站。
所述带安全防护协议的实时数据包括:遥信数据、遥测数据、故障事件信息和历史文件;不带安全防护协议的实时数据包括:跳帧数据、报文确认帧数据、启动链路数据、启动链路确认数据、请求链路数据、响应链路状态数据和复位链路数据。
实施例3、
一种通信组件,如图3所示,包括:主控芯片和安全加密芯片;
所述主控芯片,用于调配和执行所述终端通信组件与终端和主站通信过程中的所有程序;
所述安全加密芯片,用于采用密码算法对通信组件与终端交互的数据进行加密或解密;还用于按照主控芯片发送的控制命令和远程参数设置进行终端对主站的身份鉴别与报文完整性保护。
具体地,所述主控芯片包括:CPU模块和存储模块;
所述CPU模块用于按照主站发送的控制命令和远程参数设置调用存储于存储模块的程序;
所述存储模块用于存储通信组件与终端和主站通信过程中的所有程序和数据;
所述CPU模块和存储模块通过总线进行连接。
具体地,所述主控芯片和安全加密芯片采用SPI口联接。
具体地,所述通信组件还包括终端通信串口;
所述终端通信串口,用于接收终端发送的数据,发送给主控芯片;还用于接收主控芯片发送的来自主站的控制命令和远程参数设置,发送给终端;
所述终端通信串口与主控芯片采用串口方式连接。
具体地,所述通信组件还包括无线通信模块;
所述无线通信模块,用于将所述主控芯片发送的数据采用无线方式传输到主站;还用于接收主站的控制命令及远程参数设置,发送给主控芯片;
所述无线通信模块与主控芯片采用串口方式连接。
具体地,所述终端通信串口为12针排针串口;
其中,管脚1和管脚2为无线模块电源引脚;
管脚3和管脚4为第一电源地;
管脚5和管脚6为主控芯片电源引脚;
管脚7和管脚8为第二电源地;
管脚9和管脚10为通信组件的数据发送引脚;
管脚11和管脚12为通信组件的数据接收引脚。
具体地,所述通信组件还包括:SIM卡卡座和天线;
所述SIM卡卡座和所述天线与所述无线通信模块采用内置引脚联接;
所述SIM卡卡座为自弹PUSH型MICRO SIM卡座;
所述天线包括内置天线和外接天线。
具体地,所述通信组件还包括调式口;
所述调试口用于通过RS232串口方式或蓝牙方式接收调试命令,并将调试命令发送给主控芯片,完成通信管理参数现场查阅及配置修改、查看日志、安全证书管理、异常状态监视、无线信号在线状态监视、报文监视和软件升级功能;与主控芯片采用RS232串口方式连接。
具体地,所述组件还包括指示灯;
所述指示灯内置于通信组件中,包括电源指示灯、网络指示灯和通信指示灯。
通信组件在终端与主站通信之间起到信息传递的桥梁作用,保证信息传输的及时、安全、可靠。以下是一个通信组件的具体实例。
通信组件主要硬件包括终端通信串口、主控芯片、安全加密芯片、无线通信模块、天线、以及SIM卡座、调试串口、指示灯等,如图4所示。通信组件主要硬件参数及功能如下:
(1)终端通信串口:通信组件和终端通信串口通过12针排针P1相连,终端通过排针与通信组件相连减少功耗,实现即插即用,传输速率为110~115200bps;排针包含终端与通信组件的数据发送和接收引脚,通过TTL电平的UART口与终端进行串行方式通信,通信组件与终端间采用问答式的内部协议,满足包含三遥、时钟、远程参数、文件、升级等现有终端全部通信接口,且预留可扩充接口实现之后应用扩展要求。12针排针UART口负责为通信组件MCU和无线模块供电,供电电压为DC3.3V或DC3.8V;终端通过串口按照内部问答式协议将采集到的信息传输至通信组件,等待数据的封装、加密,同通过串口将主站下行的解析后的控制命令和参数设置命令传输至终端。终端接口引脚定义如下:
管脚号 管脚定义 管脚描述
1,2 VCC_GPRS 无线模块电源引脚。电压为3.4V~4.4V,最大电流为2A
3,4 GND 电源地。
5,6 VCC_MCU MCU电源引脚。电压为3.0V~3.3V,最大电流为70mA。
7,8 GND 电源地
9,10 TXD 通信组件的数据发送引脚,TTL电平。
11,12 RXD 通信组件的数据接收引脚,TTL电平。
(2)主控芯片:通信组件采用超低功耗设计,采用ARM Cortex-M4 32位内核的国网自研工业级超低功耗MCU,采用先进的先进的65nm工艺,待机电流低可至1.6μA,运行RTC模式低至1.7μA,唤醒时间不高于500μs,可最大限度的降低组件功耗,组件待机功耗≤53mw,启动功耗<200mA,峰值功耗<200mA。主要适用于采用太阳能取电或TA取电对功耗要求严格的配电线路故障指示器汇集单元与主站的通信。主控芯片集成了1024K的FLAH,128K的SRAM;内置3个UART口和1个SPI口,MCU主控芯片负责与终端和主站通信过程中所有程序的调配和执行。
(3)安全加密芯片:通信组件通过安全芯片对终端数据进行加密保护,安全芯片为国网终端安全芯片,支持数据标准化解析封装、通信服务控制管理、双向身份认证、数据加密保护、终端证书管理等功能,满足配电自动化101/104通信规约及信息安全防护技术要求。组件安全芯片采用基于国产商用对称密码SM1算法的加密措施,对终端与主站之间的业务数据进行加密操作,确保与主站之间应用数据的机密性和完整性;对来源于主站系统的下行控制命令、远程参数设置通过商用非对称密码SM2、SM3算法采取签名操作、安全鉴别和数据完整性验证措施,实现终端对配电主站的身份鉴别与报文完整性保护。安全芯片负责数据通信中安全报文封装以及认证、签名等安防流程管理。
(4)无线通信模块:通信组件内置无线通信模块,采用传送效率高的N720全网通4G无线通信模块,支持国内移动/电信/联通三大运营商2G/3G/4G网路制式,4G传输峰值速率下行可达100Mbps,上行峰值速率可达30Mbps。无线模块体积小尺寸仅30*28*2.8mm,性能稳定可靠。通过联接MCU主控芯片和SIM卡以及内外置天线,将终端采集到的数据封装同时满足国网配电自动化101/104规约采用无线方式传输到主站,同时接受来着主站的控制及参数设置信号。
(5)SIM卡卡座:SIM卡卡座采用自弹PUSH型MICRO SIM卡座,其底座和外壳间设有一自弹式退卡机构和一容纳Micro-SIM卡的容纳腔。工作电压为3V/1.8V,内置15V ESD保护,插入SIM卡可与运营商确认用户身份的是否合法,进行无线通信功能。
(6)天线:天线依据现场实际情况可采用内置或者外接,采用Rainsun系列陶瓷内置天线,外接天线采用IPEX接头。负责发送射频信号。
(7)调试口:调试口采用标准的RS232接口,接头形式为DB9母头,可进行通信管理参数现场查阅及配置修改、查看日志、安全证书管理、异常状态监视、无线信号在线状态监视、对主站对终端的报文监视、软件升级等。RS232接口的为异步传输标准串行通信接口,在TXD(数据发送引脚)和RXD(数据接收引脚)上:逻辑1(MARK)=-3V~-15V,逻辑0(SPACE)=+3~+15V;在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上:信号有效(接通,ON状态,正电压)=+3V~+15V,信号无效(断开,OFF状态,负电压)=-3V~-15V。由于RS-232是用正负电压来表示逻辑的,与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同,本发明采用MAX323系列芯片实现电平和逻辑关系的转换。RS-232异步通信设备简单、灵活、造价低,适用于不经常使用的调试接口。
(8)蓝牙芯片:通信组件提供多种运维方式,同时支持蓝牙与终端运维工具连接,通过无线信号方式实现通信管理参数现场查阅及配置修改、查看日志、安全证书管理、异常状态监视、无线信号在线状态监视、对主站对终端的报文监视、软件升级等。
(9)指示灯:通信组件内置电源指示灯、网络指示灯、通信指示灯;当供电系统运行时,运行灯亮并闪烁,500ms;当组件与终端汇集单元通讯时,通讯指示灯依据发送和接收数据闪烁;当与无线通信模块通讯时,网络指示灯依据发送和接收数据闪烁。
通信组件的各硬件之间的连接方式、数据传输过程及内部/外部通信方式如下:
通信组件内部的MCU主控芯片与终端接口汇集器通过排针式UART串口相连,与无线通信模块、调试接口采用芯片内部UART串口方式连接,与安全芯片采用SPI口连接。无线通信模块与SIM卡和内外置天线采用内置引脚联接,用户可根据需要选择使用内、外置天线。
将通信组件与终端汇集单元通过排针相连,电源指示灯闪烁,终端为MCU和通信模块供电。通信组件进行硬件初始化、时钟初始化、操作系统初始化,初始化后通信组件主程序启动加载任务,开始与终端通信,同时通信指示灯闪烁。通过UART串口读取终端遥信、遥测、遥控应答、时钟应答、电度等作为全局变量保存到MCU 128K SRAM中1024字节的收发缓存区并实时刷新,主控芯片MCU将终端遥信、遥测、遥控应答、时钟应答、电度转换为消息队列,并通过SPI口与安全芯片连接进行全双工数据传输,实现对数据的封装、加密;最后通信模块将数据进行规约封装、报文加密,通过连接通信模块芯片将数据以无线方式传输至主站;同时通信组件通过检查数据的传输,记录、生成、存储、维护历史数据和故障录波文件。主站通过无线方式下发的控制命令和参数设置命令,经过安全芯片的解密、通信模块的规约解析最终通过终端接口传输至终端。
通信组件与终端间采用问答式的内部协议,通过TTL电平的UART口与终端通信,满足包含三遥、时钟、远程参数、文件、升级等现有终端全部通信接口,且预留可扩充接口实现之后应用扩展要求,内部问答式协议简单明了,精简了通讯流程,完全满足与主站正常通讯前提下提高内部通讯效率。通信组件与主站采用无线通信方式通信,无线通信方式部署方便,成本较低,面向主站的通信协议可配置为标准的DLT634.5101/5104协议通信服务及带安全防护协议的101/104,简化了使用者开发流程,同时确保终端和主站之间的通信链路安全,通过实时软件监视和硬件看门口狗双重保障,确保了系统的安全性和稳定性。
以下是该通信组件的通信服务实例。
步骤1:通信组件的主控芯片基于第一时间步长查询第一消息队列,并根据所述第一消息队列查询结果,调配和执行存储于所述主控芯片的程序。
所述第一消息队列为与终端通信服务的消息队列。
通信组件提供统一简化的内部通信协议,满足包含三遥、时钟、远程参数、文件、升级等现有配电终端全部通讯接口,且预留可扩充接口实现之后扩展要求;内部通过安全芯片对业务数据进行加密、解析;对上配置为标准的DLT634.5101/5104协议通信服务及带安全防护协议的101/104,实现与主站规范化、安全化通信。软件方面主要为与终端的通信服务、与主站的通信服务、内部数据处理机制。
与终端通信服务时:通信组件与终端通信服务的传输通道采用TTL电平串口,波特率默认921600bps;简化的问答式内部协议,规定了连续上送两帧报文的时间间隔不小于20ms,如图5所示,通信流程如下所述:
通信组件的主控芯片基于第一时间步长查询第一消息队列之前需要进行规约初始化:通信组件通过UART口与终端连接,为通信组件供电,供电电压为DC3.3V或DC3.8V;通信组件进行参数配置,包括通信参数配置和设备参数配置,通信参数包括APN、IP地址、端口、各类型规约的参数、三遥/电度个数、地址;设备参数包括收发缓存区,大小为1024KB;当终端初始上电或通信组件重启时,由通信组件主动发起链路握手过程,过程为链路启动,时钟同步,总召唤,总召唤为全遥信,在总召唤完成后视为初始化完成。初始化完成后,通信组件就可对终端提供通信服务。
通信组件的主控芯片基于第一时间步长查询第一消息队列:
如果存在消息时:所述主控芯片根据所述第一消息队列中的消息类型,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,将执行结果发送至终端;
当所述消息类型为串口消息时:所述通信组件的调试口接收串口消息,所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序将消息发送给外部端口;
当检测到内部串口有消息时,通信组件响应接收,接收遥信/遥测数据、遥控应答、时钟应答、定值/文件等应答消息,写全局变量等待规约组帧、安全加密,并将加密后的消息发送到终端。
当所述消息类型为外部端口消息时:所述主控芯片依据外部端口消息,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,并基于设定的内部协议将执行结果发送至终端;
所述外部端口消息包括:主站发送的控制命令和/或远程参数设置。
当有外部遥控命令、时钟设置操作、召唤定值、文件操作时,将通过规约解析、解密,通过简化的问答式内部协议组帧发送给终端。
如果不存在消息时:所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序,查询终端初始配置、遥信和遥测数据,并基于内部协议将接收到的数据发送到终端;
通信组件进行定时主程序,遥测、遥信、故障录波、故障事件等数据由配电终端主动上送通信组件;其中遥测数据采用定时循环上送所有线路数据,空闲时每100ms上送一条线路数据,当有故障发生时可推迟上送遥测而优先上送遥信变位、故障事件、录波等信息;其余数据发生时立即上送。
步骤2:通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列,判断所述第二消息队列的消息是否需要加/解密;对于需要加/解密的消息:所述主控芯片通过调配和执行存储于所述主控芯片的程序,控制所述通讯组件的安全加密芯片采用加/解密算法对所述消息进行处理;对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序进行处理;
与主站通信服务时:采用全网通无线2G/3G/4G方式,4G传输峰值速率下行可达100Mbps,上行峰值速率可达30Mbps;采用标准的DLT634.5101/5104协议通信服务及带安全防护协议的101/104,如图6所示,通信流程如下所述:
通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列前基于数据标准规约进行所述第二消息队列的参数配置,设置收发缓存区大小为512KB,通信组件的主控芯片主动发起链路握手过程,完成初始化。
所述通信组件的主控芯片定时查询第二消息队列接收发往主站的消息;
如果存在消息时:获取所述第二消息队列中的消息类型;
如果不存在消息时:获取终端中存储的实时数据;
所述消息类型包括:外部端口消息和内部消息;
当所述消息类型为外部消息时:
如果所述外部端口消息带安全防护协议时,则需要进行加/解密;否则,不需要进行加/解密。
当有外部遥控命令、时钟设置操作、召唤定值、文件操作等消息时,通信组件响应接收,首先判断是否带安全防护协议,如带安全防护则返回安全应答,并对业务数据进行解密,规约解析和相应,并通过内部端口向终端召唤遥控、遥信、遥测应答等,不带安全防护的初始化业务规约解析后直接发送到内部消息。
当所述消息类型为内部消息时:不需要进行加/解密。
所述安全加密芯片基于内部协议生成规约应答组帧,所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序将遥信/遥测数据消息、遥控应答消息、时钟应答消息和定值/文件应答消息发送到主站;
当所述通信组件在第二消息队列中没有接收到消息时:所述通信组件获取终端的实时数据;
当业务信息由终端通过内部端口传送到通信组件后,进入消息队列,基于业务数据标准,一级数据优先二级数据上送主站。对业务数据标准101/104规约应答组帧、安全加密和封装后通过无线方式发送到主站。所述带安全防护协议的实时数据包括:遥信数据、遥测数据、故障事件信息和历史文件;不带安全防护协议的实时数据包括:跳帧数据、报文确认帧数据、启动链路数据、启动链路确认数据、请求链路数据、响应链路状态数据和复位链路数据。
终端与主站通信过程中业务通信组件的MCU主控芯片通过SPI口将终端传输到收发缓存队列中的消息发送安全芯片,安全芯片按照国网的安全标准处理后把数据回传给MCU。采用国产商用安全芯片和在标准101/104规约基础上扩展安全协议层对报文进行加密;安全协议层报文对封装数据域加密,加密内容为应用类型、应用数据区、信息安全扩展区,在对101/104报文进行签名时,只对原始报文进行签名,报文长度不参与签名。安全芯片实现了终端与认证网关、终端与主站的认证以及签名操作,同时还支持主站远程密钥管理、主站远程证书管理。
终端与认证网关的认证过程为:首先由认证网关生成网关认证随机数,并下发给终端,终端收到认证网关认证数据数后,通过调用安全芯片生成终端随机数,并对网关随机数+终端随机数的组合进行签名,之后将终端随机数+签名结果返回认证网关,认证网关收到终端认证数据数后,对终端随机数进行签名,并将签名结果发送给终端,最后终端向网关返回认证结果,认证过程完成。
主站与终端的认证过程及签名过程为:主站对终端发出认证请求,并从配电加密认证装置取主站认证随机数,并下发给终端,终端收到随机数后,调用安全芯片生成终端随机数,对主站认证数据数+终端随机数的组合进行签名,并将终端随机数+签名结果返回主站,主站收到终端随机数+签名结果后,对终端随机数进行签名,并将签名结果发送给终端,终端收到签名结果后返回认证结果,认证完成。主站随后发起获取终端芯片序列号请求,终端收到请求后返回内置芯片序列号,主站储存终端序列号,注册完成。
上述事实说明,本发明提供的技术方案能够定时查询消息队列中消息,对不同种类的消息分别进行处理,采用统一的安全防护协议,对带有安全防护协议的消息进行加/解密,在满足配电终端所有通信功能的基础上,实现了终端和主站之间的通信链路安全,提高了配电自动化通信的保密性和完整性,解决了对规约理解的差异而导致的通信一致性和设备互操作问题,实现终端与主站信息传输的安全化、标准化。
本发明提供的技术方案设置了标准规范的调试串口消息的接收和处理流程,能批量调试、规约迭代升级、软件更新,实现终端调试运维的批量化。
显然,所描述的实施例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它实施例,都属于本发明保护的范围。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (12)

1.一种应用于主站和终端的通信组件的通信方法,其特征在于,所述通信方法包括:
通信组件的主控芯片基于第一时间步长查询第一消息队列,并根据所述第一消息队列查询结果,调配和执行存储于所述主控芯片的程序;
通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列,判断所述第二消息队列的消息是否需要加/解密;对于需要加/解密的消息:所述主控芯片通过调配和执行存储于所述主控芯片的程序,控制所述通讯组件的安全加密芯片采用加/解密算法对所述消息进行处理;对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序对所述消息进行处理;
其中,所述第一消息队列为与终端通信服务的消息队列;所述第二消息队列为与主站通信服务的消息队列。
2.如权利要求1所述的通信方法,其特征在于,所述通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列包括:
所述通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列接收发往主站的消息;
如果存在消息时:获取所述第二消息队列中的消息类型;
如果不存在消息时:获取终端中存储的实时数据;
所述消息类型包括:外部端口消息和内部消息。
3.如权利要求2所述的通信方法,其特征在于,所述判断所述发往主站的消息是否需要加/解密,包括:
当所述消息类型为外部消息时:
如果所述外部端口消息带安全防护协议时,则需要进行加/解密;否则,不需要进行加/解密。
当所述消息类型为内部消息时:不需要进行加/解密。
所述带安全防护协议的外部消息包括:遥控命令消息、时钟设置操作消息、召唤定值消息和文件操作消息;所述不带安全防护协议的外部消息包括:初始化业务消息。
4.如权利要求3所述的通信方法,其特征在于,所述对于需要加/解密的消息:所述主控芯片通过调配和执行存储于所述主控芯片的程序,控制所述通讯组件的安全加密芯片采用加/解密算法对所述消息进行处理;对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序对所述消息进行处理,包括:
当所述消息类型为外部端口消息,且需要进行加/解密时:
所述安全加密芯片向第二消息队列返回安全应答,并对所述带安全防护协议的外部消息进行解密和规约解析;所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序将解密和规约解析后的消息发送为第二消息队列的内部消息;
当所述消息类型为外部端口消息,且不需要进行加/解密时:
所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序,将不带安全防护协议的外部端口消息进行规约解析后发送为第二消息队列的内部消息。
5.如权利要求4所述的通信方法,其特征在于,所述对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序对所述消息进行处理,还包括:
当所述消息类型为内部消息时,所述安全加密芯片基于内部协议生成规约应答组帧,所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序将所述内部消息发送到主站;
所述内部消息包括:遥信/遥测数据消息、遥控应答消息、时钟应答消息和定值/文件应答消息。
6.如权利要求4所述的通信方法,其特征在于,对于需要加/解密的消息:所述主控芯片通过调配和执行存储于所述主控芯片的程序,控制所述通讯组件的安全加密芯片采用加/解密算法对所述消息进行处理;对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序对所述消息进行处理,还包括:
当所述通信组件在第二消息队列中没有接收到消息时:所述通信组件获取终端的实时数据;
所述安全加密芯片采用密码算法对所述终端实时数据中带安全防护协议的实时数据进行加密和规约应答组帧,所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序,并将执行结果发送到主站;所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序,将不带安全防护协议的实时数据发送到主站。
所述带安全防护协议的实时数据包括:遥信数据、遥测数据、故障事件信息和历史文件;不带安全防护协议的实时数据包括:跳帧数据、报文确认帧数据、启动链路数据、启动链路确认数据、请求链路数据、响应链路状态数据和复位链路数据。
7.如权利要求1所述的通信方法,其特征在于,所述通信组件的主控芯片基于第一时间步长查询第一消息队列,并根据所述第一消息队列查询结果,调配和执行存储于所述主控芯片的程序包括:
所述通讯组件基于第一时间步长查询第一消息队列接收发往终端的消息;
如果存在消息时:所述主控芯片根据所述第一消息队列中的消息类型,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,将执行结果发送至终端;
如果不存在消息时:所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序,查询终端初始配置、遥信和遥测数据,并基于内部协议将接收到的数据发送到终端;
所述消息类型包括:串口消息、外部端口消息。
8.如权利要求7所述的通信方法,其特征在于,所述主控芯片根据所述第一消息队列中的消息类型,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,将执行结果发送至终端,包括:
当所述消息类型为串口消息时:所述通信组件的调试口接收串口消息,所述主控芯片调配和执行存储于所述主控芯片的程序将消息发送给外部端口;
所述串口消息包括:遥信/遥测数据消息、遥控应答消息、时钟应答消息和定值/文件应答消息。
9.如权利要求8所述的通信方法,其特征在于,所述主控芯片根据所述第一消息队列中的消息类型,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,将执行结果发送至终端,还包括:
当所述消息类型为外部端口消息时:所述主控芯片依据外部端口消息,调配和执行存储于所述主控芯片的程序,并基于设定的内部协议将执行结果发送至终端;
所述外部端口消息包括:主站发送的控制命令和/或远程参数设置。
10.如权利要求1所述的通信方法,其特征在于,所述通信方法还包括:
通信组件的主控芯片基于第一时间步长查询第一消息队列前:
所述通信组件基于数据标准规约进行所述第一消息队列的参数配置;
基于已配置的参数,所述主控芯片发起并完成与终端的链路握手过程。
11.如权利要求10所述的通信方法,其特征在于,所述通信方法还包括:
通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列前:
所述通信组件基于数据标准规约进行所述第二消息队列的参数配置;
基于已配置的参数,所述主控芯片发起并完成与主站的链路握手过程。
12.一种应用于主站和终端的通信组件的通信系统,其特征在于,包括第一通信模块和第二通信模块:
第一通信模块:用于通信组件的主控芯片基于第一时间步长查询第一消息队列,并根据所述第一消息队列查询结果,调配和执行存储于所述主控芯片的程序;
第二通信模块:用于通信组件的主控芯片基于第二时间步长查询第二消息队列,判断所述第二消息队列的消息是否需要加/解密;对于需要加/解密的消息:所述主控芯片通过调配和执行存储于所述主控芯片的程序,控制所述通讯组件的安全加密芯片采用加/解密算法对所述消息进行处理;对于不需要加/解密的消息:所述主控芯片调配和执行所述主控芯片中存储的程序对于需要加/解密的消息:所述主控芯片通过调配和执行存储于所述主控芯片的程序对所述消息进行处理。
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