CN114430327A - 基于彩色二维码的工业控制网数据传输方法及二维码 - Google Patents

基于彩色二维码的工业控制网数据传输方法及二维码 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于彩色二维码的工业控制网数据传输方法及二维码，属于信息技术网络安全技术领域；方法，包括彩色二维码图像生成、彩色二维码图像传输和彩色二维码图像识别，其中彩色二维码图像生成具体包括如下步骤：步骤A1，以固定长度的字符串为单位，生成单独的n个二维码；步骤A2，对生成的n个二维码的黑白信息进行组合，产生2n种颜色组合；步骤A3，对2n种不同的组合结果进行颜色编码，每种组合对应一种颜色，按照像素位置生成新的彩色二维码图像；二维码采用A1‑A3步骤生成；应用于不适合物理连接的不同网络之间的数据传输，可解决网络安全问题，提高工业控制网的安全性，提高了信息量，容错能力强。

Description

基于彩色二维码的工业控制网数据传输方法及二维码
技术领域
本发明涉及一种基于彩色二维码的工业控制网数据传输方法及二维码，属于信息技术网络安全技术领域。
背景技术
工业控制网的安全问题日益严峻，2010年开始爆发的“震网”病毒事件充分反映了看似“隔离”的工控网仍然存在着较大隐患。2011年10月工信部印发了《关于加强工业控制系统信息安全管理的通知》，要求充分认识工业控制系统信息安全的重要性和紧迫性，切实加强工业控制系统信息安全管理，并特别指出“断开工业控制系统同公共网络之间的所有不必要连接。”
在企业生产运行过程中，工业控制网和企业办公网之间的网络安全至关重要。企业办公网往往接入点较多，接入人员复杂，控制难度大于工业控制网。工业控制网中生产相关的各类数据大多采用数据采集机的方式进行获取，并传送至企业办公网，两个网络之间采用防火墙进行隔离，但是存在物理上的连接，具有一定的安全隐患。
在不同网络之间进行数据的安全传递，目前主要有几种方式：存储介质拷贝、信息摆渡交换、安全通道交换、单向无反馈传输等，其中存储介质拷贝和单向无反馈传输在不同网络之间没有物理连接。用存储介质(如软盘、U盘、光盘等)作为中间媒体，软盘、U盘方式存在较大安全隐患。单向无反馈传输与光盘刻录交换方式在安全性方面相当，均优于信息摆渡交换和安全通道交换，但是光盘刻录方式实时性很差，基本只能用于历史数据的交换，无法获得短期内实时数据。
以往也有采用文字识别或者二维码的方式进行图像采集，实现无物理连接的数据传递，但是文字识别方式错误率太高，极不稳定；二维码方式单次传递信息量有限，都不能很好地满足工业控制网数据传输的要求。
使用二维码进行数据传输，仍然存在一定问题，主要表现在数据量受限，虽然二维码已将实现了较大信息量的传输，但是仍然不能满足一些具体的应用场景，且保密性不好，可被任意扫描识别。
因此，针对存工业控制网和企业办公网之间如果存在物理连接，会带来安全隐患，并且简单的单色二维码存储信息量有限问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于彩色二维码的工业控制网数据传输方法及二维码，采用无物理连接的方式，消除了安全隐患，并提高了传输的信息量，为实现两个网络之间安全的数据交换提供了一种手段。
本发明所述的基于彩色二维码的工业控制网数据传输方法，包括彩色二维码图像生成、彩色二维码图像传输和彩色二维码图像识别，其中彩色二维码图像生成具体包括如下步骤：
步骤A1，以固定长度的字符串为单位，生成单独的n个二维码；
步骤A2，对生成的n个二维码的黑白信息进行组合，产生2n种颜色组合；
步骤A3，对2n种不同的组合结果进行颜色编码，每种组合对应一种颜色，按照像素位置生成新的彩色二维码图像；
其中，n为≥2的自然数。
对传统单色二维码编码技术进行了改进，实现了多个二维码相叠加后重新编码，生成彩色二维码与原二维码相比提高了信息量。容错能力强，只要经过拆分得到的多个黑白二维码能够正确识别且识别后的数据格式正确，即可认为数据传输无误，能够实时发现数据传输过程中的问题。
优选地，所述彩色二维码图像传输具体包括如下步骤：
步骤B1，将彩色二维码图像显示在发射端显示器上；
步骤B2，接收端的数据采集机采集彩色二维码图像。
利用工业控制网外部环境相对固定的特点，结合数据采集过程中同时获取的颜色信息，对二维码进行颜色的识别，根据颜色信息拆分二维码，得到多个二维码包含的信息，成倍提高单次传递的信息量。
优选地，所述彩色二维码图像识别具体包括如下步骤：
步骤C1，按照步骤A3中的颜色编码规则对彩色二维码图像颜色进行分离，得到原始的n个二维码；
步骤C2，分别对n个二维码进行识别，得到n倍于原二维码的信息量。
对二维码进行颜色的识别后，根据颜色信息拆分二维码，得到多个二维码包含的信息，成倍提高单次传递的信息量。
优选地，所述步骤A3中的颜色编码采取RGB颜色的不同组合表示。
优选地，所述发射端为工业控制网，所述接收端为企业办公网；所述数据采集机为摄像头。
针对工业控制网和企业办公网之间的数据传输功能，具有特定的外部环境因素，且不会随意改变，而非任意环境的扫码识别，结合摄像头拍摄过程中同时获取的颜色信息，对二维码进行颜色的识别，根据颜色信息拆分二维码，得到多个二维码包含的信息，成倍提高单次传递的信息量。
优选地，n＝2或3。
优选地，n≤6。
以提高识别率。
本发明所述的二维码，二维码采用如下步骤生成：
步骤A1，以固定长度的字符串为单位，生成单独的n个二维码；
步骤A2，对生成的n个二维码的黑白信息进行组合，产生2n种颜色组合；
步骤A3，对2n种不同的组合结果进行颜色编码，每种组合对应一种颜色，按照像素位置生成新的彩色二维码图像；
其中，n为≥2的自然数。
对传统单色二维码编码技术进行了改进，实现了多个二维码相叠加后重新编码，生成彩色二维码与原二维码相比提高了信息量。容错能力强，只要经过拆分得到的多个黑白二维码能够正确识别且识别后的数据格式正确，即可认为数据传输无误，能够实时发现数据传输过程中的问题。
优选地，n＝2或3。
优选地，n≤6。
以提高识别率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于彩色二维码的工业控制网数据传输方法，应用于不适合物理连接的不同网络之间的数据传输，可解决网络安全问题，提高工业控制网的安全性；对传统单色二维码编码技术进行了改进，利用工业控制网外部环境相对固定的特点，实现了多个二维码相叠加后重新编码，生成彩色二维码与原二维码相比提高了信息量；容错能力强，只要经过拆分得到的多个黑白二维码能够正确识别且识别后的数据格式正确，即可认为数据传输无误，能够实时发现数据传输过程中的问题。
本发明所述的二维码，对传统单色二维码编码技术进行了改进，利用工业控制网外部环境相对固定的特点，实现了多个二维码相叠加后重新编码，生成彩色二维码与原二维码相比提高了信息量；容错能力强，只要经过拆分得到的多个黑白二维码能够正确识别且识别后的数据格式正确，即可认为数据传输无误，能够实时发现数据传输过程中的问题。
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，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明所述的基于彩色二维码的工业控制网数据传输方法，包括彩色二维码图像生成、彩色二维码图像传输和彩色二维码图像识别，其中彩色二维码图像生成具体包括如下步骤：
步骤A1，以固定长度的字符串为单位，生成单独的n个二维码；
步骤A2，对生成的n个二维码的黑白信息进行组合，产生2n种颜色组合；
步骤A3，对2n种不同的组合结果进行颜色编码，每种组合对应一种颜色，按照像素位置生成新的彩色二维码图像；
其中，n为≥2的自然数。
对传统单色二维码编码技术进行了改进，实现了多个二维码相叠加后重新编码，生成彩色二维码与原二维码相比提高了信息量。容错能力强，只要经过拆分得到的多个黑白二维码能够正确识别且识别后的数据格式正确，即可认为数据传输无误，能够实时发现数据传输过程中的问题。
其中，所述彩色二维码图像传输具体包括如下步骤：
步骤B1，将彩色二维码图像显示在发射端显示器上；
步骤B2，接收端的数据采集机采集彩色二维码图像。
利用工业控制网外部环境相对固定的特点，结合数据采集过程中同时获取的颜色信息，对二维码进行颜色的识别，根据颜色信息拆分二维码，得到多个二维码包含的信息，成倍提高单次传递的信息量。应用于不适合物理连接的不同网络之间的数据传输，可解决网络安全问题，提高工业控制网的安全性。
其中，所述彩色二维码图像识别具体包括如下步骤：
步骤C1，按照步骤A3中的颜色编码规则对彩色二维码图像颜色进行分离，得到原始的n个二维码；
在此，应用于特定的生产环境的工业控制网，此方式可以通过控制环境光线、拍摄距离、固定摄像头位置和提高清晰度等方式，保证获取的图像颜色失真率低，确保在第C1步的过程中，得到颜色失真较小的二维码图像，提高识别率。同时可以通过调整生成二维码的字节长度，以及提高叠加二维码数量的方式进一步提高单次信息传递数量。
步骤C2，分别对n个二维码进行识别，得到n倍于原二维码的信息量。
对二维码进行颜色的识别后，根据颜色信息拆分二维码，得到多个二维码包含的信息，成倍提高单次传递的信息量。
其中，所述步骤A3中的颜色编码采取RGB颜色的不同组合表示。
其中，n≤6。
以提高识别率。
其中，所述发射端为工业控制网，所述接收端为企业办公网；所述数据采集机为摄像头。
针对工业控制网和企业办公网之间的数据传输功能，具有特定的外部环境因素，且不会随意改变，而非任意环境的扫码识别，结合摄像头拍摄过程中同时获取的颜色信息，对二维码进行颜色的识别，根据颜色信息拆分二维码，得到多个二维码包含的信息，成倍提高单次传递的信息量。
采用摄像头拍摄实现数据单向传输，保障数据传输过程的安全性，减少两个网路之间的接入点。摄像头拍摄的方式存如果直接使用文字识别的方式，存在的较大问题就是图片不够清晰导致无法识别，错误率太大，数据错误不易发现，无法核对，传输数据量有限且稳定性差。采用二维码方式具有的突出特点就是容错能力强，图像不够清晰时也可正常读取，应用在摄像头拍摄实现单向数据传输方面具有较大优势。
本发明所述的二维码，二维码采用如下步骤生成：
步骤A1，以固定长度的字符串为单位，生成单独的n个二维码；
步骤A2，对生成的n个二维码的黑白信息进行组合，产生2n种颜色组合；
步骤A3，对2n种不同的组合结果进行颜色编码，每种组合对应一种颜色，按照像素位置生成新的彩色二维码图像。
其中，n≤6。
以提高识别率。
在工业控制网服务器上开发专用程序，根据工业控制网提供的数据服务，例如OPC服务等，实现数据采集，或者直接读取数据库数据，定时生成彩色二维码，显示在显示器上。显示器采用全屏方式，底色为纯色，以增加二维码的识别度。
在企业办公网电脑上安装摄像头，并正对工业控制网服务器显示屏幕，定时拍摄彩色图像，作为数据采集机。
实施例1
当n＝2时：
(1)以固定长度的字符串(如100字节)为单位，生成2个单独的黑白二维码。
(2)对本批次生成的二维码进行组合，根据二维码的黑白(以0代表黑，1代表白)信息进行组合，会产生4中不同的组合结果：00、01、10、11。
(3)对4种不同的组合结果进行颜色编码，每种组合对应一种颜色，按照像素位置生成新的彩色二维码图像，例如00用黑色，11用白色，01用红色，10用绿色表示。对于2个二维码的组合，会产生4种颜色组合，可采取RGB颜色的不同组合表示，但应尽量选用对比度强烈的颜色，以提高识别率。同时二维码叠加过程中，颜色编码规则要与接收端一致，也可起到一定的加密作用。
(4)将图像显示在工业控制网显示器上，在企业办公网通过摄像头进行拍摄，实现图像采集。
(5)企业办公网获取图像后，对图像颜色进行分离，得到原始的2个二维码。
(6)分别对二维码进行识别，得到2倍于原二维码的信息量。
实施例2
当n＝3时：
(1)以固定长度的字符串(如1000字节)为单位，生成3个单独的黑白二维码。
(2)对本批次生成的二维码进行组合，根据二维码的黑白(以0代表黑，1代表白)信息进行组合，会产生8中不同的组合结果：000、001、010、100、011、101、110、111。
(3)对8种不同的组合结果进行颜色编码，每种组合对应一种颜色，按照像素位置生成新的彩色二维码图像，例如000用#000000色，001用#0000FF色，010用#00FF00色，100用#FF0000色，011用#00FFFF色，101用#FF00FF色，110用#FFFF00色，111用#FFFFFF色表示。对于3个二维码的组合，会产生8种颜色组合，可采取RGB颜色的不同组合表示，但应尽量选用对比度强烈的颜色，以提高识别率。同时二维码叠加过程中，颜色编码规则要与接收端一致，也可起到一定的加密作用。
(4)将图像显示在工业控制网显示器上，在企业办公网通过摄像头进行拍摄，实现图像采集。
(5)企业办公网获取图像后，对图像颜色进行分离，得到原始的3个二维码。
(6)分别对二维码进行识别，得到3倍于原二维码的信息量。
在此，以某企业工业控制网实时数据传输为例，某套装置约有1000个实时数据点，每个点每3分钟产生一条数据，每条数据包含位号信息、时间戳和数据值，可用30个以内字节表示，那么每3分钟会产生最多30000个字节的信息量。以1000个字节为单位生成黑白二维码，每次3个二维码进行叠加，可传输3000个字节，3分钟内通过10次即可完成信息传递。可通过延长拍摄识别时间、多次拍摄等方式，增加数据传输的稳定性，确保数据正确传输。
综上，本发明所述的基于彩色二维码的工业控制网数据传输方法，应用于不适合物理连接的不同网络之间的数据传输，可解决网络安全问题，提高工业控制网的安全性；对传统单色二维码编码技术进行了改进，利用工业控制网外部环境相对固定的特点，实现了多个二维码相叠加后重新编码，生成彩色二维码与原二维码相比提高了信息量；容错能力强，只要经过拆分得到的多个黑白二维码能够正确识别且识别后的数据格式正确，即可认为数据传输无误，能够实时发现数据传输过程中的问题。

Claims (10)

1.一种基于彩色二维码的工业控制网数据传输方法，其特征在于，包括彩色二维码图像生成、彩色二维码图像传输和彩色二维码图像识别，其中彩色二维码图像生成具体包括如下步骤：
步骤A1，以固定长度的字符串为单位，生成单独的n个二维码；
步骤A2，对生成的n个二维码的黑白信息进行组合，产生2n种颜色组合；
步骤A3，对2n种不同的组合结果进行颜色编码，每种组合对应一种颜色，按照像素位置生成新的彩色二维码图像；
其中，n为≥2的自然数。
2.根据权利要求1所述基于彩色二维码的工业控制网数据传输方法，其特征在于，所述彩色二维码图像传输具体包括如下步骤：
步骤B1，将彩色二维码图像显示在发射端显示器上；
步骤B2，接收端的数据采集机采集彩色二维码图像。
3.根据权利要求1或2所述基于彩色二维码的工业控制网数据传输方法，其特征在于，所述彩色二维码图像识别具体包括如下步骤：
步骤C1，按照步骤A3中的颜色编码规则对彩色二维码图像颜色进行分离，得到原始的n个二维码；
步骤C2，分别对n个二维码进行识别，得到n倍于原二维码的信息量。
4.根据权利要求3所述基于彩色二维码的工业控制网数据传输方法，其特征在于，所述步骤A3中的颜色编码采取RGB颜色的不同组合表示。
5.根据权利要求3所述基于彩色二维码的工业控制网数据传输方法，其特征在于，n＝2或3。
6.根据权利要求3所述基于彩色二维码的工业控制网数据传输方法，其特征在于，n≤6。
7.根据权利要求2所述基于彩色二维码的工业控制网数据传输方法，其特征在于，所述发射端为工业控制网，所述接收端为企业办公网；所述数据采集机为摄像头。
8.一种二维码，其特征在于，所述二维码采用如下步骤生成：
步骤A1，以固定长度的字符串为单位，生成单独的n个二维码；
步骤A2，对生成的n个二维码的黑白信息进行组合，产生2n种颜色组合；
步骤A3，对2n种不同的组合结果进行颜色编码，每种组合对应一种颜色，按照像素位置生成新的彩色二维码图像；
其中，n为≥2的自然数。
9.根据权利要求8所述二维码，其特征在于，n＝2或3。
10.根据权利要求8所述二维码，其特征在于，n≤6。
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