CN114189510B - 一种基于apn的物联网数据采集系统及方法 - Google Patents

一种基于apn的物联网数据采集系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于APN的物联网数据采集系统及方法，涉及物联网技术领域，解决了物联网平台实际应用过程中大数据量传输慢、传输结构复杂的问题，其技术方案要点是：包括：至少一个用于实时采集数据的前端传感器；数据汇集终端，用于汇集前端传感器所采集的数据形成数据文件；物联网平台，用于接收数据汇集终端上传的数据文件；内网，用于接收物联网平台下发的数据文件；数据汇集终端与物联网平台之间通过APN和MQTT协议完成数据文件的上传，物联网平台与内网之间通过MQTT协议完成数据文件的下发。本发明采用APN方式进行外网物联数据的传输，一方面增大了流量空间，另一方面减少了很多中间转换传输环节，结构更加简洁，易操作实施。

Description

一种基于APN的物联网数据采集系统及方法
技术领域
本发明涉及一种物联网技术领域，更具体地说，它涉及一种基于APN的物联网数据采集系统及方法。
背景技术
目前电力体系内部业务系统的应用均是采用内网数据交互模式，户外铁塔及周边地质物联网监测感知设备信息无法直接通过互联网(公网)进入供电公司内部网络。
现有的解决方案是利用NB-Iot卡通过MQTT协议进行网络传输，但NB-Iot卡传输数据由于运营商流量套餐限制每年最多就300M左右的流量，解决方案是减少传输频率或压缩数据，但这都不能从根本上解决一些需要高频率进行数据传输的应用需求。根据物联网层次架构，可以把物联网的安全威胁分解为传感层威胁、传输层威胁、应用层威胁。各层既存在相同的安全威胁，也有各自不同的地方。对于可以多次写入或可重编程的RDID电子标签(如支持ISO标准的RFID)，任何能够接触RFID阅读器的用户或者非法分子自建的一个阅读器可以与RFID电子标签进行通信，读取、篡改甚至删除数据文件的内容是非常容易的。这会导致物联网平台中的数据遭到破坏，使得供电公司获取户外铁塔及周边地质物联网监测感知设备信息不准确，从而造成户外铁塔出现损坏导致发生停电事故。
因此，如何解决高频率的数据传输的应用需求以及对物联网的传递的数据进行加密是目前亟需解决的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于APN的物联网数据采集系统及方法，以解决物联网平台实际应用过程中大数据量传输慢、传输结构复杂的问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于APN的物联网数据采集系统，包括：至少一个用于实时采集数据的前端传感器；数据汇集终端，用于汇集所述前端传感器所采集的数据形成数据文件；物联网平台，用于接收所述数据汇集终端上传的数据文件；内网，用于接收所述物联网平台下发的数据文件；
所述数据汇集终端与所述物联网平台之间通过APN和MQTT协议完成数据文件的上传，所述物联网平台与所述内网之间通过MQTT协议完成数据文件的下发。
本发明通过APN+MQTT协议实现数据汇集终端到物联网平台的直接数据传输，通过省电力公司的物联网平台后，通过省电力公司的内外网和MQTT协议实现数据的解析和应用，APN每月可以申请以G为单位的流量套餐，对于数据实时性要求较高的场景可以有更好的支持，采用APN方式进行外网物联数据的传输，一方面增大了流量空间，另一方面减少了很多中间转换传输环节，结构更加简洁，易操作实施。
进一步的，在所述物联网平台增加签名单元，所述签名单元包括签名生成单元和签名验证单元，所述签名生成单元根据数据汇集端上传的数据文件生成签名文件并存储于物联网平台中，所述签名验证单元对签名文件进行签名验证，若验证通过，则数据文件通过MQTT协议下发至所述内网。
进一步的，所述签名单元对物联网平台中的数据文件进行采样，获取数据文件的采样数据；
根据哈希算法对数据文件的采样数据、数据文件相对路径及数据文件大小进行计算，生成视数据文件的签名值；
将签名值保存在以“.md5”为后缀的所述签名文件中。
进一步的，验证签名包括以下步骤：
对所述物联网平台中的数据文件进行采样；
根据数据文件的采样数据、数据文件相对路径及视数据文件大小计算MD5签名值，生成数据文件的签名值1；
读取存储在所述物联网平台中签名文件的签名值；
将签名值和签名值1进行比较验证，若验证结果相同，则验证签名成功，所述物联网平台则将数据文件下发至所述内网，反之则验证失败，拒绝下发。
进一步的，所述签名单元或签名验证单元对数据文件进行采样包括以下步骤：
步骤A，对数据文件头尾采样，读取数据文件前N1字节和最后N2字节；
步骤B，采用均匀分布的离散点采样，设数据文件大小为S，采样点数N3，从N1+Smod((S-N1-N2)/N3)的位置读取第1个字节，每间隔(S-N1-N2)/N3读取下1个字节，采样N3个字节；
步骤C，根据步骤A与步骤B的文件头尾采样和离散点采样，共采样N1+N2+N3个字节。
第二方面，本发明提供一种基于APN的物联网数据采集方法，应用于上述数据采集系统，包括至少一个前端传感器、数据汇集终端、物联网平台和内网，所述方法包括：
通过所述前端传感器采集实时数据，通过所述数据汇集终端汇集前端传感器的实时数据形成数据文件，通过所述物联网平台接收所述数据汇集终端上传的数据文件，通过所述内网接收所述物联网平台下发的数据文件；
所述数据汇集终端与所述物联网平台之间通过APN和MQTT协议完成数据文件的上传，所述物联网平台与所述内网之间通过MQTT协议完成数据文件的下发。
进一步的，通过在所述物联网平台增加签名单元，所述签名单元包括签名生成单元和签名验证单元，通过所述签名生成单元根据数据汇集端上传的数据文件生成签名文件并存储于物联网平台中，通过所述签名验证单元对签名文件进行签名验证，若验证通过，则数据文件通过MQTT协议下发至所述内网。
进一步的，通过签名单元对物联网平台中的数据文件进行采样，获取数据文件的采样数据；
根据哈希算法对数据文件的采样数据、数据文件相对路径及数据文件大小进行计算，生成视数据文件的签名值；
将签名值保存在以“.md5”为后缀的签名文件中。
进一步的，通过对所述物联网平台中的数据文件进行采样；
根据数据文件的采样数据、数据文件相对路径及视数据文件大小计算MD5签名值，生成数据文件的签名值1；
读取存储在所述物联网平台中签名文件的签名值；
将签名值和签名值1进行比较验证，若验证结果相同，则验证签名成功，所述物联网平台则将数据文件下发至所述内网，反之则验证失败，拒绝下发。
进一步的，通过所述签名单元或签名验证单元对数据文件进行采样包括以下步骤：
步骤A，对数据文件头尾采样，读取数据文件前N1字节和最后N2字节；
步骤B，采用均匀分布的离散点采样，设数据文件大小为S，采样点数N3，从N1+Smod((S-N1-N2)/N3)的位置读取第1个字节，每间隔(S-N1-N2)/N3读取下1个字节，采样N3个字节；
步骤C，根据步骤A与步骤B的文件头尾采样和离散点采样，共采样N1+N2+N3个字节。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本次发明通过APN+MQTT协议实现数据汇集终端到物联网平台的直接数据传输，通过省电力公司的物联网平台后，通过省电力公司的内外网和MQTT协议实现数据的解析和应用，APN每月可以申请以G为单位的流量套餐，对于数据实时性要求较高的场景可以有更好的支持，采用APN方式进行外网物联数据的传输，一方面增大了流量空间，另一方面减少了很多中间转换传输环节，结构更加简洁，易操作实施。
2.本发明在物联网平台增加签名单元，签名单元根据数据汇集端上传的数据文件生成签名文件并存储于物联网平台中，签名单元对签名文件进行签名验证，若验证通过，则数据文件通过MQTT协议下发至内网，以达到物联网平台下发给内网的数据文件是未被篡改。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一实施例提供的数据采集系统的框架示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例
如图1所示，本申请实施例提供一种基于APN的物联网数据采集系统，包括：至少一个用于实时采集数据的前端传感器；数据汇集终端，用于汇集前端传感器所采集的数据形成数据文件；物联网平台，用于接收数据汇集终端上传的数据文件；内网，用于接收物联网平台下发的数据文件；
数据汇集终端与物联网平台之间通过APN和MQTT协议完成数据文件的上传，物联网平台与内网之间通过MQTT协议完成数据文件的下发。
通过APN+MQTT协议实现数据汇集终端到物联网平台的直接数据传输，通过省电力公司的物联网平台后，通过省电力公司的内外网和MQTT协议实现数据的解析和应用，APN每月可以申请以G为单位的流量套餐，对于数据实时性要求较高的场景可以有更好的支持，采用APN方式进行外网物联数据的传输，一方面增大了流量空间，另一方面减少了很多中间转换传输环节，结构更加简洁，易操作实施。
本申请实施例更进一步的一个实施例中，在物联网平台增加签名单元，签名单元包括签名生成单元和签名验证单元，签名生成单元根据数据汇集端上传的数据文件生成签名文件并存储于物联网平台中，签名验证单元对签名文件进行签名验证，若验证通过，则数据文件通过MQTT协议下发至所述内网。
具体的，如图1所示，通过签名单元的签名生成单元生成物联网平台中数据文件的签名文件，通过签名验证单元对签名文件的签名进行验证，由于签名文件是根据数据文件自身的属性生成的，若数据文件被篡改，则数据文件的自身属性会发生变化，如文件的大小、文件的路径等，因此可根据验证的结果，判断数据文件是否被篡改，若被篡改，则数据文件不能下发给内网。
本申请实施例更进一步的一个实施例中，签名单元对物联网平台中的数据文件进行采样，获取数据文件的采样数据；
根据哈希算法对数据文件的采样数据、数据文件相对路径及数据文件大小进行计算，生成视数据文件的签名值；
将签名值保存在以“.md5”为后缀的所述签名文件中。
具体的，对数据文件进行采样，获得采样数据，采用哈希算法对采样数据、文件的相对路径以及数据文件大小进行计算，获得数据文件的签名值，根据这个签名值完成对签名值的验证，由于签名值是根据数据文件自身的属性生成的，因此可根据验证的结果，判断数据文件是否被篡改。
本申请实施例更进一步的一个实施例中，验证签名包括以下步骤：
对物联网平台中的数据文件进行采样；
根据数据文件的采样数据、数据文件相对路径及视数据文件大小计算MD5签名值，生成数据文件的签名值1；
读取存储在所述物联网平台中签名文件的签名值；
将签名值和签名值1进行比较验证，若验证结果相同，则验证签名成功，物联网平台则将数据文件下发至所述内网，反之则验证失败，拒绝下发。
具体的，签名验证单元进行签名验证的过程中，同样的对数据文件进行采样，然后根据采样数据、数据文件相对路径及大小计算MD5值，这里的计算同样采用的哈希算法，生成数据文件的签名值1，然后读取签名文件中签名值，将两个签名值进行比较，若完全相同，则可以说明计算签名值的数据文件是没有任何变化的。下面举例说明签名验证的几个结果：
例如，将数据文件A替换成数据文件B，如果数据文件B与数据文件A的文件大小不同，则签名不同，校验不通过；
又例如，将数据文件A替换成数据文件B，如果数据文件B与数据文件A的文件大小相同，但是采样点中的任一字节不同，则签名不同，校验不通过；
再例如，如果将数据文件A替换成数据文件B，数据文件A的签名替换成数据文件B的签名，由于生成签名时，数据文件A和数据文件B的文件路径不同，则签名不同，校验不通过。
本申请实施例更进一步的一个实施例中，签名单元或签名验证单元对数据文件进行采样包括以下步骤：
步骤A，对数据文件头尾采样，读取数据文件前N1字节和最后N2字节；
步骤B，采用均匀分布的离散点采样，设数据文件大小为S，采样点数N3，从N1+Smod((S-N1-N2)/N3)的位置读取第1个字节，每间隔(S-N1-N2)/N3读取下1个字节，采样N3个字节；
步骤C，根据步骤A与步骤B的文件头尾采样和离散点采样，共采样N1+N2+N3个字节。
具体的，通过对数据文件头尾采样和进行均匀分布的离散点采样，从而达到对整个数据文件的采样，在采样点足够多的情况下，两个不同的数据文件A和B所有采样点均相同的概率是极小的，采样点越多，概率越小；根据采样的字节，生成整个数据文件的采样数据，用作上述签名值和签名值1的生成，并进行最终的签名验证。
本申请实施例还提供一种基于APN的物联网数据采集方法，应用于上述数据采集系统，包括至少一个前端传感器、数据汇集终端、物联网平台和内网，方法包括：
通过前端传感器采集实时数据，通过数据汇集终端汇集前端传感器的实时数据形成数据文件，通过物联网平台接收数据汇集终端上传的数据文件，通过内网接收物联网平台下发的数据文件；
数据汇集终端与物联网平台之间通过APN和MQTT协议完成数据文件的上传，物联网平台与内网之间通过MQTT协议完成数据文件的下发。
通过APN+MQTT协议实现数据汇集终端到物联网平台的直接数据传输，通过省电力公司的物联网平台后，通过省电力公司的内外网和MQTT协议实现数据的解析和应用，APN每月可以申请以G为单位的流量套餐，对于数据实时性要求较高的场景可以有更好的支持，采用APN方式进行外网物联数据的传输，一方面增大了流量空间，另一方面减少了很多中间转换传输环节，结构更加简洁，易操作实施。
例如，现有技术采用的NB-Iot的传输方式，其每年最多就300M左右的流量用于数据传输，而针对高频率采集的感知信息采集场景可以满足数据传输的要求，以每条数据1kb计算，1秒传输一条数据，每天数据量约等于86.4M，每月按照30天计算，每月流量约2.6G，可见300M的流量是完全不够用于数据传输的，。
本申请实施例更进一步的一个实施例中，通过在物联网平台增加签名单元，签名单元包括签名生成单元和签名验证单元，通过签名生成单元根据数据汇集端上传的数据文件生成签名文件并存储于物联网平台中，通过签名验证单元对签名文件进行签名验证，若验证通过，则数据文件通过MQTT协议下发至内网。
具体的，通过签名单元的签名生成单元生成物联网平台中数据文件的签名文件，通过签名验证单元对签名文件的签名进行验证，由于签名文件是根据数据文件自身的属性生成的，若数据文件被篡改，则数据文件的自身属性会发生变化，如文件的大小、文件的路径等，因此可根据验证的结果，判断数据文件是否被篡改，若被篡改，则数据文件不能下发给内网
本申请实施例更进一步的一个实施例中，通过签名单元对物联网平台中的数据文件进行采样，获取数据文件的采样数据；
根据哈希算法对数据文件的采样数据、数据文件相对路径及数据文件大小进行计算，生成视数据文件的签名值；
将签名值保存在以“.md5”为后缀的签名文件中。
具体的，对数据文件进行采样，获得采样数据，采用哈希算法对采样数据、文件的相对路径以及数据文件大小进行计算，获得数据文件的签名值，根据这个签名值完成对签名值的验证，由于签名值是根据数据文件自身的属性生成的，因此可根据验证的结果，判断数据文件是否被篡改。
本申请实施例更进一步的一个实施例中，通过对物联网平台中的数据文件进行采样；
根据数据文件的采样数据、数据文件相对路径及视数据文件大小计算MD5签名值，生成数据文件的签名值1；
读取存储在所述物联网平台中签名文件的签名值；
将签名值和签名值1进行比较验证，若验证结果相同，则验证签名成功，物联网平台则将数据文件下发至所述内网，反之则验证失败，拒绝下发。
具体的，签名验证单元进行签名验证的过程中，同样的对数据文件进行采样，然后根据采样数据、数据文件相对路径及大小计算MD5值，这里的计算同样采用的哈希算法，生成数据文件的签名值1，然后读取签名文件中签名值，将两个签名值进行比较，若完全相同，则可以说明计算签名值的数据文件是没有任何变化的。下面举例说明签名验证的几个结果：
例如，将数据文件A替换成数据文件B，如果数据文件B与数据文件A的文件大小不同，则签名不同，校验不通过；
又例如，将数据文件A替换成数据文件B，如果数据文件B与数据文件A的文件大小相同，但是采样点中的任一字节不同，则签名不同，校验不通过；
再例如，如果将数据文件A替换成数据文件B，数据文件A的签名替换成数据文件B的签名，由于生成签名时，数据文件A和数据文件B的文件路径不同，则签名不同，校验不通过。
本申请实施例更进一步的一个实施例中，通过签名单元或签名验证单元对数据文件进行采样包括以下步骤：
步骤A，对数据文件头尾采样，读取数据文件前N1字节和最后N2字节；
步骤B，采用均匀分布的离散点采样，设数据文件大小为S，采样点数N3，从N1+Smod((S-N1-N2)/N3)的位置读取第1个字节，每间隔(S-N1-N2)/N3读取下1个字节，采样N3个字节；
步骤C，根据步骤A与步骤B的文件头尾采样和离散点采样，共采样N1+N2+N3个字节。
具体的，通过对数据文件头尾采样和进行均匀分布的离散点采样，从而达到对整个数据文件的采样，在采样点足够多的情况下，两个不同的数据文件A和B所有采样点均相同的概率是极小的，采样点越多，概率越小；根据采样的字节，生成整个数据文件的采样数据，用作上述签名值和签名值1的生成，并进行最终的签名验证。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于APN的物联网数据采集系统，其特征在于，包括：至少一个用于实时采集数据的前端传感器；数据汇集终端，用于汇集所述前端传感器所采集的数据形成数据文件；物联网平台，用于接收所述数据汇集终端上传的数据文件；内网，用于接收所述物联网平台下发的数据文件；
所述数据汇集终端与所述物联网平台之间通过APN和MQTT协议完成数据文件的上传，所述物联网平台与所述内网之间通过MQTT协议完成数据文件的下发；
在所述物联网平台增加签名单元，所述签名单元包括签名生成单元和签名验证单元，所述签名生成单元根据数据汇集端上传的数据文件生成签名文件并存储于物联网平台中，所述签名验证单元对签名文件进行签名验证，若验证通过，则数据文件通过MQTT协议下发至所述内网；
所述签名单元对物联网平台中的数据文件进行采样，获取数据文件的采样数据；根据哈希算法对数据文件的采样数据、数据文件相对路径及数据文件大小进行计算，生成视数据文件的签名值；将签名值保存在以“.md5”为后缀的所述签名文件中；
验证签名包括以下步骤：对所述物联网平台中的数据文件进行采样；根据数据文件的采样数据、数据文件相对路径及视数据文件大小计算MD5签名值，生成数据文件的签名值1；读取存储在所述物联网平台中签名文件的签名值；将签名值和签名值1进行比较验证，若验证结果相同，则验证签名成功，所述物联网平台则将数据文件下发至所述内网，反之则验证失败，拒绝下发；
所述签名单元或签名验证单元对数据文件进行采样包括以下步骤：步骤A，对数据文件头尾采样，读取数据文件前N1字节和最后N2字节；步骤B，采用均匀分布的离散点采样，设数据文件大小为S，采样点数N3，从N1+S mod（（S-N1-N2）/N3）的位置读取第1个字节，每间隔（S-N1-N2）/N3读取下1个字节，采样N3个字节；步骤C，根据步骤A与步骤B的文件头尾采样和离散点采样，共采样N1+N2+N3个字节。
2.一种基于APN的物联网数据采集方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的基于APN的物联网数据采集系统，包括至少一个前端传感器、数据汇集终端、物联网平台和内网，所述方法包括：
通过所述前端传感器采集实时数据，通过所述数据汇集终端汇集前端传感器的实时数据形成数据文件，通过所述物联网平台接收所述数据汇集终端上传的数据文件，通过所述内网接收所述物联网平台下发的数据文件；
所述数据汇集终端与所述物联网平台之间通过APN和MQTT协议完成数据文件的上传，所述物联网平台与所述内网之间通过MQTT协议完成数据文件的下发；
通过在所述物联网平台增加签名单元，所述签名单元包括签名生成单元和签名验证单元，通过所述签名生成单元根据数据汇集端上传的数据文件生成签名文件并存储于物联网平台中，通过所述签名验证单元对签名文件进行签名验证，若验证通过，则数据文件通过MQTT协议下发至所述内网；
通过签名单元对物联网平台中的数据文件进行采样，获取数据文件的采样数据；根据哈希算法对数据文件的采样数据、数据文件相对路径及数据文件大小进行计算，生成视数据文件的签名值；将签名值保存在以“.md5”为后缀的签名文件中；
通过对所述物联网平台中的数据文件进行采样；根据数据文件的采样数据、数据文件相对路径及视数据文件大小计算MD5签名值，生成数据文件的签名值1；读取存储在所述物联网平台中签名文件的签名值；将签名值和签名值1进行比较验证，若验证结果相同，则验证签名成功，所述物联网平台则将数据文件下发至所述内网，反之则验证失败，拒绝下发；
通过所述签名单元或签名验证单元对数据文件进行采样包括以下步骤：步骤A，对数据文件头尾采样，读取数据文件前N1字节和最后N2字节；步骤B，采用均匀分布的离散点采样，设数据文件大小为S，采样点数N3，从N1+S mod（（S-N1-N2）/N3）的位置读取第1个字节，每间隔（S-N1-N2）/N3读取下1个字节，采样N3个字节；步骤C，根据步骤A与步骤B的文件头尾采样和离散点采样，共采样N1+N2+N3个字节。
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