CN115589550A - 一种基于LoRa的智能电表集抄系统 - Google Patents

一种基于LoRa的智能电表集抄系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于LoRa的智能电表集抄系统。本发明中，LoRa中继器模块和LoRa无线模块通过采用LoRa设备建设无线专网方式，在电表集抄终端通信中，可提高集抄成功率、稳定性及可靠性，同时减少了人工抄表过程中带来的误差，也为工作人员减轻了劳动负担，从而提高了抄表效率。并进一步降低通信资费、远程集抄低压载波设备施工复杂，维护故障点多，抄表成功率不稳定等问题。在抄表数据传输阶段，用初始化阶段生成的对称密钥保护网络服务器和智能电表之间的端到端通信。此外，为了保持所提出的抄表系统的长期安全性，此密钥管理协议还可以定期更新密钥，从而提高了该系统在传输数据过程中的安全性。

Description

一种基于LoRa的智能电表集抄系统
技术领域
本发明属于电表集抄技术领域，具体为一种基于LoRa的智能电表集抄系统。
背景技术
随着现代社会的发展，国民经济的提高，抄表计量日趋复杂，传统的抄表方式已不能满足人们的需求。为了更加方便、准确、及时的对用户用电量进行抄读与管理，实现电力抄表的自动化、网络化。对用户用电量、用电时间分布、负荷曲线等更多信息进行详细了解，提高电能利用率和经济效益。
常见的抄表方式多采用人工抄表，影响了抄表的效率，同时也可能存在人为误差，从而影响了抄表的准确性。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决上述提出的问题，提供一种基于LoRa的智能电表集抄系统。
本发明采用的技术方案如下：一种基于LoRa的智能电表集抄系统，包括供电模块、电力计量模块、主处理器模块、LoRa中继器模块、安全传输模块、LoRa无线模块、用户中心模块、密钥分发服务器、安全会话密钥管理模块，所述供电模块的输出端连接有所述电力计量模块的输入端，所述电力计量模块的输出端连接有所述主处理器模块的输入端，所述主处理器模块的数据输出端设置有用户中心模块；
所述LoRa无线模块的输出端连接有所述安全传输模块的输入端，所述安全传输模块的输出端连接有所述LoRa中继器模块的输入端，所述LoRa中继器模块的输出端连接有所述主处理器模块的输入端。
在一优选的实施方式中，所述安全传输模块的内部设置有密钥分发服务器和安全会话密钥管理模块，所述密钥分发服务器和安全会话密钥管理模块的输出端连接有所述安全传输模块的输入端。
在一优选的实施方式中，所述电力计量模块采用RN8209C芯片为测量采集电能数据的中心，RN8209C提供三通道模数转换(ADC)的瞬时采样值。
在一优选的实施方式中，所述主处理器模块使用的是增强型的STM8CPU内核，这样既能够提供更高的处理能力，又可以维持CISC体系结构，具有较高的代码密度，拥有24位的线性寻址空间以及更好的低功耗优点。
在一优选的实施方式中，所述LoRa中继器模块由电源电路、显示电路、485电路、MCU处理器、射频收发电路以及天线匹配电路组成；LoRa中继器模块的MCU芯片和LoRa表端模块的一样，采用的都是R7F0C902芯片，射频收发芯片一样选用的是SX1278芯片。
在一优选的实施方式中，所述密钥分发服务器透明地在仪表终端设备和网络服务器之间传递消息；从安全角度来看，电表和LoRa网关是不可信实体，网络服务，应用服务器和密钥分发服务器是可信实体，其中应用服务器用于用户应用端查看数据。
在一优选的实施方式中，所述安全会话密钥管理模块为了确保LoRaWAN实体之间的通信，每个消息中都包含一个时间戳，以防止重播攻击，通信对等方存储最后收到的时间戳值。
在一优选的实施方式中，所述LoRa无线模块对用户的用电量实时的采集，并将采集的数据发送给LoRa中继器模块或LoRa集中器路由模块，实现与LoRa中继器模块或LoRa集中器路由模块之间的通讯；LoRa表端模块硬件电路主括电源电路、接口电路、、射频收发电路以及天线匹配电路。
在一优选的实施方式中，所述计电源电路包括AC-DC电源电路、15V转5V电路、5V转3.3V电路、5V/3.3V选择电路；所述接口电路安装在LoRa表端模块的背面，/RST_MCU是复位信号，AUX是数据输入输出显示，SETA是工作模式选择引脚1，SETB是工作模式选择引脚2，TXD_MCU是模块串口数据发送，RXD_MCU是模块串口数据接收；所述射频收发电路通过4线制高速全双工的同步串行外设接口总线对射频SPI模组进行控制，并完成无线收发过程；所述天线匹配电路包含射频信号的收发切换控制以及天线的两种兼容接口。
在一优选的实施方式中，所述用户中心模块通过LoRa网络专线与集中器相连，提供历史事件数据记录、数据加解密、数据包纠错、数据备份存储服务。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，LoRa中继器模块和LoRa无线模块通过采用LoRa设备建设无线专网方式，在电表集抄终端通信中，可提高集抄成功率、稳定性及可靠性，同时减少了人工抄表过程中带来的误差，也为工作人员减轻了劳动负担，从而提高了抄表效率。并进一步降低通信资费、远程集抄低压载波设备施工复杂，维护故障点多，抄表成功率不稳定等问题。
2、本发明中，该系统中设置了安全传输模块，安全传输模块的内部设置了一个轻量级密钥管理协议，可远程、安全地更新用于保护传输电表数据的会话密钥。在抄表数据传输阶段，用初始化阶段生成的对称密钥保护网络服务器和智能电表之间的端到端通信。此外，为了保持所提出的抄表系统的长期安全性，此密钥管理协议还可以定期更新密钥，从而提高了该系统在传输数据过程中的安全性。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明中安全传输模块系统框图。
图中标记：1-供电模块、2-电力计量模块、3-主处理器模块、4-LoRa中继器模块、5-安全传输模块、6-LoRa无线模块、7-用户中心模块、8-密钥分发服务器、9-安全会话密钥管理模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1-2，
一种基于LoRa的智能电表集抄系统，包括供电模块1、电力计量模块2、主处理器模块3、LoRa中继器模块4、安全传输模块5、LoRa无线模块6、用户中心模块7、密钥分发服务器8、安全会话密钥管理模块9，供电模块1的输出端连接有电力计量模块2的输入端，电力计量模块2的输出端连接有主处理器模块3的输入端，主处理器模块3的数据输出端设置有用户中心模块7；
LoRa无线模块6的输出端连接有安全传输模块5的输入端，安全传输模块5的输出端连接有LoRa中继器模块4的输入端，LoRa中继器模块4的输出端连接有主处理器模块3的输入端。
安全传输模块5的内部设置有密钥分发服务器8和安全会话密钥管理模块9，密钥分发服务器8和安全会话密钥管理模块9的输出端连接有安全传输模块5的输入端。
电力计量模块2采用RN8209C芯片为测量采集电能数据的中心，RN8209C提供三通道模数转换(ADC)的瞬时采样值。它分别测量两个电流和一个电压有效值，计算采样数据并将它们存储到相应的寄存器中，然后通过内置在芯片上的串行接口URAT将数据传送给微控制器，在硬件上确保了计量参数数据信息的传递，然后由单片机主控制器与外围芯片完成仪表的存储、显示及远程通信等功能。
主处理器模块3使用的是增强型的STM8CPU内核，这样既能够提供更高的处理能力(16MHz时高达16MIPS)，又可以维持CISC体系结构，具有较高的代码密度，拥有24位的线性寻址空间以及更好的低功耗优点。该系列包括一个带有硬件接13(SWIM)的集成调试模块，可以进行FlashMemory编程和非入侵式的应用内调试。所有低密度STMSLl51G微控制器都拥有嵌入式数据EEPROM和低功耗低电压单电源程序FlashMemory。这些设备集成了增强型I/O接口和外部设备、两个比较器、12位的ADC、1个实时时钟、两个16位定时器、1个8位定时器以及标准通信接口，如SPI，12C接口和USART。图3.5是STMSLl51G芯片封装引脚排列图。
LoRa中继器模块4由电源电路、显示电路、485电路、MCU处理器、射频收发电路以及天线匹配电路组成。LoRa中继器模块的MCU芯片和LoRa表端模块的一样，采用的都是R7F0C902芯片，射频收发芯片一样选用的是SX1278芯片。
密钥分发服务器8透明地在仪表终端设备和网络服务器之间传递消息。从安全角度来看，电表和LoRa网关是不可信实体，网络服务，应用服务器和密钥分发服务器是可信实体，其中应用服务器用于用户应用端查看数据。入网阶段，KDS负责派生会话密钥并将其安全地转发到网络和应用程序服务器，对称的会话密钥用于保护网络服务器和电表之间的通信，为了保持长期安全，用KDS管理电力集抄系统中使用的密钥。
安全会话密钥管理模块9为了确保LoRaWAN实体之间的通信，每个消息中都包含一个时间戳，以防止重播攻击，通信对等方存储最后收到的时间戳值。每次实体收到消息时，都会将接收到的时间戳与存储的值相减，如果小于预先设定的值，则消息就被接受。本文使用对称密钥来保护从网络服务器传输到LoRa模块的数据。附加到智能电表的每个LoRa模块都与网络服务器共享一个秘密对称密钥。通过使用对称密钥加密数据，本方案避免了任何纯文本通过无线或电缆传输，以防止数据被嗅到或改变。
LoRa无线模块6对用户的用电量实时的采集，并将采集的数据发送给LoRa中继器模块或LoRa集中器路由模块，实现与LoRa中继器模块或LoRa集中器路由模块之间的通讯。LoRa表端模块硬件电路主要包括电源电路、接口电路、、射频收发电路以及天线匹配电路。
计电源电路包括AC-DC电源电路、15V转5V电路、5V转3.3V电路、5V/3.3V选择电路；接口电路安装在LoRa表端模块的背面，/RST_MCU是复位信号，AUX是数据输入输出显示，SETA是工作模式选择引脚1，SETB是工作模式选择引脚2，TXD_MCU是模块串口数据发送，RXD_MCU是模块串口数据接收；射频收发电路通过4线制高速全双工的同步串行外设接口总线对射频SPI模组进行控制，并完成无线收发过程；天线匹配电路包含射频信号的收发切换控制以及天线的两种兼容接口IPEX座接口和弹簧天线接口。
用户中心模块7通过LoRa网络专线与集中器相连，它提供历史事件数据记录、数据加解密、数据包纠错、数据备份存储服务。由于专线可提供较高的带宽，利用专线传输能够使带宽变高，即使智能电表终端增多，传输的电力数据增多，用电管理中心也不用扩容。
本发明中，LoRa中继器模块4和LoRa无线模块6通过采用LoRa设备建设无线专网方式，在电表集抄终端通信中，可提高集抄成功率、稳定性及可靠性，同时减少了人工抄表过程中带来的误差，也为工作人员减轻了劳动负担，从而提高了抄表效率。并进一步降低通信资费、远程集抄低压载波设备施工复杂，维护故障点多，抄表成功率不稳定等问题。
本发明中，该系统中设置了安全传输模块5，安全传输模块5的内部设置了一个轻量级密钥管理协议，可远程、安全地更新用于保护传输电表数据的会话密钥。在抄表数据传输阶段，用初始化阶段生成的对称密钥保护网络服务器和智能电表之间的端到端通信。此外，为了保持所提出的抄表系统的长期安全性，此密钥管理协议还可以定期更新密钥，从而提高了该系统在传输数据过程中的安全性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于LoRa的智能电表集抄系统，包括供电模块(1)、电力计量模块(2)、主处理器模块(3)、LoRa中继器模块(4)、安全传输模块(5)、LoRa无线模块(6)、用户中心模块(7)、密钥分发服务器(8)、安全会话密钥管理模块(9)，其特征在于：所述供电模块(1)的输出端连接有所述电力计量模块(2)的输入端，所述电力计量模块(2)的输出端连接有所述主处理器模块(3)的输入端，所述主处理器模块(3)的数据输出端设置有用户中心模块(7)；
所述LoRa无线模块(6)的输出端连接有所述安全传输模块(5)的输入端，所述安全传输模块(5)的输出端连接有所述LoRa中继器模块(4)的输入端，所述LoRa中继器模块(4)的输出端连接有所述主处理器模块(3)的输入端。
2.如权利要求1所述的一种基于LoRa的智能电表集抄系统，其特征在于：所述安全传输模块(5)的内部设置有密钥分发服务器(8)和安全会话密钥管理模块(9)，所述密钥分发服务器(8)和安全会话密钥管理模块(9)的输出端连接有所述安全传输模块(5)的输入端。
3.如权利要求1所述的一种基于LoRa的智能电表集抄系统，其特征在于：所述电力计量模块(2)采用RN8209C芯片为测量采集电能数据的中心，RN8209C提供三通道模数转换(ADC)的瞬时采样值。
4.如权利要求1所述的一种基于LoRa的智能电表集抄系统，其特征在于：所述主处理器模块(3)使用的是增强型的STM8CPU内核，这样既能够提供更高的处理能力，又可以维持CISC体系结构，具有较高的代码密度，拥有24位的线性寻址空间以及更好的低功耗优点。
5.如权利要求1所述的一种基于LoRa的智能电表集抄系统，其特征在于：所述LoRa中继器模块(4)由电源电路、显示电路、485电路、MCU处理器、射频收发电路以及天线匹配电路组成；LoRa中继器模块的MCU芯片和LoRa表端模块的一样，采用的都是R7F0C902芯片，射频收发芯片一样选用的是SX1278芯片。
6.如权利要求1所述的一种基于LoRa的智能电表集抄系统，其特征在于：所述密钥分发服务器(8)透明地在仪表终端设备和网络服务器之间传递消息；从安全角度来看，电表和LoRa网关是不可信实体，网络服务，应用服务器和密钥分发服务器是可信实体，其中应用服务器用于用户应用端查看数据。
7.如权利要求1所述的一种基于LoRa的智能电表集抄系统，其特征在于：所述安全会话密钥管理模块(9)为了确保LoRaWAN实体之间的通信，每个消息中都包含一个时间戳，以防止重播攻击，通信对等方存储最后收到的时间戳值。
8.如权利要求1所述的一种基于LoRa的智能电表集抄系统，其特征在于：所述LoRa无线模块(6)对用户的用电量实时的采集，并将采集的数据发送给LoRa中继器模块或LoRa集中器路由模块，实现与LoRa中继器模块或LoRa集中器路由模块之间的通讯；LoRa表端模块硬件电路主括电源电路、接口电路、、射频收发电路以及天线匹配电路。
9.如权利要求9所述的一种基于LoRa的智能电表集抄系统，其特征在于：所述计电源电路包括AC-DC电源电路、15V转5V电路、5V转3.3V电路、5V/3.3V选择电路；所述接口电路安装在LoRa表端模块的背面，/RST_MCU是复位信号，AUX是数据输入输出显示，SETA是工作模式选择引脚1，SETB是工作模式选择引脚2，TXD_MCU是模块串口数据发送，RXD_MCU是模块串口数据接收；所述射频收发电路通过4线制高速全双工的同步串行外设接口总线对射频SPI模组进行控制，并完成无线收发过程；所述天线匹配电路包含射频信号的收发切换控制以及天线的两种兼容接口：IPEX座接口和弹簧天线接口。
10.如权利要求1所述的一种基于LoRa的智能电表集抄系统，其特征在于：所述用户中心模块(7)通过LoRa网络专线与集中器相连，提供历史事件数据记录、数据加解密、数据包纠错、数据备份存储服务。
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