CN111600828A - 一种通信组件 - Google Patents
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Abstract
一种通信组件，所述通信组件与主站和终端进行通信；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。本发明提供的技术方案通过内置安全芯片实现数据的双向身份认证和数据加/解密，保证信息交互的安全性，将通信与应用分离，降低功能组件的耦合关系，提高系统的集成效率。
Description
技术领域
本发明涉及配电自动化领域，具体涉及一种通信组件。
背景技术
随着配电自动化大规模建设，终端“一站式”通信及通信安全防护成为信息交互的突出问题。现有配电自动化终端厂家众多，技术水平参差不齐，虽然配电网101/104通信规约实施细则已经制定并经过实验室一致性检测，但是实际中由于理解偏差或者技术水平差异而导致现场集成联调耗费大量人力，其中规约连通性测试耗费了工程调试约80％以上的工作量，且后续系统运行中仍会出现规约细节问题而引发系统运行稳定性问题。目前配电网采用硬加密方式进行通信信息安全防护，各设备厂商需要在原有通信设计基础上增加加密芯片并自行开发信息安全防护程序，于是又增加了通信环节一致性问题的复杂性、设备通信稳定性降低等相关问题。
当涉及通信功能、信息安全方面需要进行升级时，现有终端设备存量改造及设计工作量巨大，电力公司需要协调众多厂家配合升级，重新调试，所有厂家的新版程序必须要通过新一轮的一致性、稳定性及兼容性测试之后才能进行现场更新，由此又会衍生出工程改造成本、重复测试、延长改造周期、增加在运系统风险等一系列管理和运行问题。另外，从主站系统集成商和电力公司运营角度来看，目前配电自动化终端现场运维大部分工作量集中在通信在线率消缺相关的问题，主要原因还是通信配合、稳定性与可靠性相关问题，从设备生产上的角度来看，工程维护成本中解决通信问题所占的成本也占了整个运维成本较大的一部分，而一旦涉及到通信相关部分需要升级更新涉及到的厂家协调、新版本代码测试、验证工作量也相当巨大。
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，通信信息交互及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通信信息交互及安全防护的标准化问题，本发明提供一种通信组件。
本发明提供的技术方案是：
一种通信组件，其改进在于，所述通信组件与主站和终端进行通信；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。
优选地，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。
优选地，所述主控芯片和安全加密芯片采用SPI口联接。
优选地，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。
优选地，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。
优选地，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。
优选地，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。
优选地，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。
优选地，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。
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组件通过内置安全加密芯片，能够采用统一的安全协议进行安全防护，确保终端和主站之间的通信链路安全，保障终端和主站之间传输数据的保密性和完整性，同时实现主站和终端之间的双向身份鉴别，解决由于安全升级、规约版本演进给终端厂商带来的复杂的软硬件开发问题，提升配电自动化系统运维管理效率。
本发明提供的技术方案通过内置安全加密芯片，解决了终端现场安装调试、运维复杂问题、终端通信承载的安全问题以及应用扩充给终端带来的集成度高的问题。
本发明提供的技术方案通过内置安全加密芯片，能够采用统一的安全协议进行安全防护，实现了终端通信服务标准化、通信链路安全化、运维批量化。
附图说明
图1为本发明通信组件的结构示意图；
图2为本发明通信组件系统框图。
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、
一种通信组件，如图1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，并将所述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。
实施例2、
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。标准化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，硬件系统图如图2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：
(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：通过采用RS232串口方式或蓝牙方式与外部调试设备连接。本实施例中调试口采用标准的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4G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。
上述事实说明，本发明提供的技术方案组件通过内置安全加密芯片，能够采用统一的安全协议进行安全防护，确保终端和主站之间的通信链路安全，保障终端和主站之间传输数据的保密性和完整性，同时实现主站和终端之间的双向身份鉴别，解决由于安全升级、规约版本演进给终端厂商带来的复杂的软硬件开发问题，提升配电自动化系统运维管理效率。
本发明提供的技术方案通过内置安全加密芯片，解决了终端现场安装调试、运维复杂问题、终端通信承载的安全问题以及应用扩充给终端带来的集成度高的问题。
本发明提供的技术方案通过采用统一的安全协议进行安全防护，实现了终端通信服务标准化、通信链路安全化。
本发明提供的技术方案中调试口采用RS232串口方式或蓝牙方式与外部调试设备连接，运维人员可方便地进行现场查阅及配置修改，通过简单的三遥交互提供实时采样数据，历史数据、故障录波等数据的存储、文件生成均由通信组件进行代理实现，终端开发简单，工作量小，维护方便，设备一致性好，现场投运及维护工作量大大降低。
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 (9)
1.一种通信组件，其特征在于，所述通信组件与主站和终端进行通信；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。
2.如权利要求1所述的通信组件，其特征在于，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。
3.如权利要求1所述的通信组件，其特征在于，所述主控芯片和安全加密芯片采用SPI口联接。
4.如权利要求1所述的通信组件，其特征在于，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。
5.如权利要求1所述的通信组件，其特征在于，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。
6.如权利要求4所述的组件，其特征在于，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。
7.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件还包括：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。
8.如权利要求1所述的通信组件，其特征在于，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，并将所述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。
9.如权利要求1所述的组件，其特征在于，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。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114157410A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-03-08 | 国网浙江省电力有限公司信息通信分公司 | 一种面向电力终端的轻量级5g硬加密通信模组 |
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-
2019
- 2019-02-20 CN CN201910126966.2A patent/CN111600828A/zh active Pending
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