CN116451282A - 一种针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改系统及方法，所述系统包括边缘主机，以及两个以上传感器接入电路和传感器，其中传感器接入电路是核心器件，该方法包括数据防篡改主方法、数据上传、数据防篡改辅助方法、参数下载四部分，其中防篡改主方法运行于传感器接入电路上，防篡改辅助方法运行于边缘主机上。本发明将对传感器欺骗或扰乱的多种方式均考虑在内，可有效杜绝碳排放数据被篡改的情况；同时，本发明成本低廉，适用性好，适用于住宅、商业楼、工厂等各类使用有线式碳排放监测传感器的双碳应用场合，可确保碳排放数据的监测真实性。

Description

一种针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改系统及方法
技术领域
本发明涉及一种传感器数据防篡改方法，具体涉及一种针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改系统及方法。
背景技术
为实现对碳排放的监测，通常会使用电参数传感器、燃气用量传感器（或读表仪）、水流量传感器（或读表仪）等。少部分网点为对抗碳排放监测，会从传感器技术层面，使用各类方法欺骗或扰乱传感器，以此达到篡改传感器数据的目的。这类网点使用的作弊手段包括将传感器从其工作位置挪开（使传感器监测不到真实数据），将传感器供电线缆断开（关闭传感器电源以逃避碳排放监测），将传感器通讯线缆切断（使得传感器数据不能上报），使用新传感器更换原传感器（新传感器内的数据累积量小）等等多种方法。
近年来，为实现数据防篡改，不同领域的科技工作者们提出了多种方法。例如专利CN 112434344A提出了一种基于计算机取证的数据证据防篡改方法、装置和系统，然而，该方法其针对的是隐藏式计算机病毒的数据证据防篡改，对碳排放传感器的数据防篡改作用有限；专利CN 110708699A提出了一种防数据篡改的温度传感器系统，该系统通过将温度监控数据实时上报至互联网或监控专网，从而避免数据记录被篡改，然而这种技术适用于温度传感器，而碳排放监测使用的是水电气类传感器。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明提供了一种针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改系统及方法。本发明将对传感器欺骗或扰乱的多种方式均考虑在内，可有效杜绝碳排放数据被篡改的情况；同时，本发明成本低廉，适用性好，适用于住宅、商业楼、工厂等各类使用有线式碳排放监测传感器的双碳应用场合，可确保碳排放数据的监测真实性。
本发明所采取的技术方案为：
一种针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改系统，所述系统包括边缘主机，以及两个以上传感器接入电路和传感器，每个传感器都配有一个传感器接入电路，且传感器的供电引脚、通讯引脚均接到传感器接入电路上，传感器接入电路将其通讯引脚连接到边缘主机；所述传感器接入电路包括主控单片机、第一电源芯片、第二电源芯片、电流采样电阻、电流感应放大芯片、通讯芯片、时钟芯片、通讯加密芯片和以太网通讯芯片，其中，传感器接入电路内的各芯片供电由第一电源芯片负责，传感器接入电路下属的传感器供电由第二电源芯片负责，主控单片机控制第二电源芯片的开关，且与电流感应放大芯片连接，电流感应放大芯片与电流采样电阻配合；主控单片机通过通讯芯片的电平转换，实现与传感器之间的通讯与数据采集；主控单片机的串口连接到通讯加密芯片，通讯加密芯片连接到以太网通讯芯片。
作为优选，传感器接入电路的供电由外部电源供电。
作为优选，主控单片机通过其通用输出引脚控制第二电源芯片的开关，且通过模数转换引脚连接电流感应放大芯片。
本发明还提供了一种针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改方法，采用上述系统，包括数据防篡改主方法、数据上传、数据防篡改辅助方法和参数下载四部分，其中防篡改主方法运行于传感器接入电路的主控单片机上，防篡改辅助方法运行于边缘主机的CPU上，数据上传是指传感器接入电路将所采集的数据上传至边缘主机，数据下载是指边缘主机计算得到的参数传输至传感器接入电路；
主控单片机上电并完成初始化之后，会执行数据防篡改主方法，即循环执行周期性数据采集步骤、直接报警处理步骤、自主处置步骤、累积量连续性判断步骤、边缘算法处理步骤五部分，且当传感器供电触发中断时，主控单片机会优先执行中断函数步骤。
作为优选，在周期性数据采集步骤内，主控单片机会调用时钟芯片提供的时钟，每隔一段时间首先采集并存储传感器数据，然后采集并存储传感器供电数据；
传感器数据采集的具体过程为：按照通讯协议向传感器下发数据采集命令帧，然后接收传感器返回的数据帧并按照通讯协议加以解析，提取得到包括传感器ID号、当前累积量、瞬时量在内的参数，最后存储在主控单片机内置存储器内；
传感器供电数据采集的具体过程为：通过主控单片机模数转换引脚，读取电流感应放大芯片输出的信号，然后在主控单片机内部换算成为电流值，最后存储在主控单片机内置存储器内。
作为优选，直接报警处理步骤，从传感器返回的数据中检测到传感器ID号前后不一致、传感器累积量变小的情况，以及从电流感应放大芯片处检测到传感器供电中断情况，直接进行报警处理。
作为优选，自主处置步骤，传感器接入电路采集传感器数据失败时，首先启动传感器补抄步骤，如补抄失败则对传感器进行重启，然后再次对传感器进行补抄，如若还是失败，则进行报警处理。
作为优选，累积量连续性判断步骤，求取最近两次累积量增加值与最近两次时间间隔值之间的比值，并通过判断比值是否在允许范围内，决定是否需要报警处理。
作为优选，中断函数步骤，任意时间检测到传感器供电电流存在下降沿时，则立即启动传感器数据采集，并通过传感器数据采集是否成功、传感器ID是否一致、传感器累积量是否连续三方面判断是否需直接报警。
作为优选，边缘算法处理步骤，以支持向量机SVR算法为核心，以传感器累积量Q、传感器累积量增加值△Q、传感器瞬时量I、时间增加值△T四项为输入参数，以数据防篡改主方法累积量连续性判断步骤内所需的累积量连续性比值为输出参数，进行相关计算；
支持向量机SVR的数学模型为：
f(x) = w T x + b
其中：f(x)表示累积量连续性比值；x为支持向量机SVR输入变量，即经过归一化处理之后的传感器累积量Q、传感器累积量增加值△Q、传感器瞬时量I、时间增加值△T四项参数，即x= [Q △Q I △T]'，符号'表示矩阵转置；w表示SVR的分类超平面法向量，b表示偏差值。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：
1. 本发明将对传感器欺骗或扰乱的多种方式均考虑在内，可有效杜绝碳排放数据被篡改的情况，确保碳排放数据的监测真实性；
2. 本发明成本低廉，仅在碳排放监测传感器端加装了一块以单片机为核心的电路板，对整体成本的影响微乎其微；
3.本发明适用性好，无论哪种类型的碳排放监测传感器，只要其是有线通讯方式，则均能使用本发明提出的数据防篡改方法。
附图说明
图1是本发明提出的数据防篡改系统总体方案图；
图2是本发明内传感器接入电路的硬件方案图；
图3是本发明提出的数据防篡改方法示意图；
图4是本发明内传感器接入电路的主控单片机流程图；
图5是本发明内传感器接入电路的直接报警子函数流程图；
图6是本发明内传感器接入电路的自主处置子函数流程图；
图7是本发明内传感器累积量连续性计算方法示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，这些实施例是对本发明的说明而作，不是对本发明的限制。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。
参照图1，图2，一种针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改系统，所述系统包括边缘主机，以及两个以上传感器接入电路和传感器，其中传感器接入电路是核心器件，每个传感器都配有一个传感器接入电路，且传感器的供电引脚、通讯引脚均接到传感器接入电路上，即传感器接入电路负责给传感器供电，且由传感器接入电路负责传感器的通讯与数据采集。从图1可以看出，多个传感器接入电路将其通讯引脚连接到边缘主机，但传感器接入电路的供电由外部电源供电。
所述传感器接入电路包括主控单片机、第一电源芯片（记为电源芯片1）、第二电源芯片（记为电源芯片2）、电流采样电阻、电流感应放大芯片、通讯芯片（485通讯芯片）、时钟芯片、通讯加密芯片和以太网通讯芯片，其中，传感器接入电路内的各芯片供电由第一电源芯（电源芯片1）片负责，传感器接入电路下属的传感器供电由第二电源芯片（电源芯片2）负责，主控单片机通过其通用输出引脚控制第二电源芯片（电源芯片2）的开关，且通过模数转换引脚连接电流感应放大芯片，电流感应放大芯片与电流采样电阻配合，由电流采样电阻、电流感应芯片、主控单片机三者配合实现采样。主控单片机通过485通讯芯片的电平转换，实现与传感器之间的通讯与数据采集；主控单片机的串口连接到通讯加密芯片，通讯加密芯片连接到以太网通讯芯片，即主控单片机内的数据首先发送至加密芯片进行加密运算，然后加密后的数据通过以太网芯片发送至边缘主机。
本发明内涉及的主控单片机可使用STM32F407VE等单片机，电源芯片1可组合使用TPS5430DDAR芯片和RT9193芯片，电源芯片2可以使用TPS5430芯片，电流感应放大芯片可使用INA199芯片，485通讯芯片可使用MAX485芯片，以太网通信芯片可使用CH9121芯片，通讯加密芯片可使用国产的凌科芯安LKT4304等芯片，时钟芯片可采用RX8025等芯片。
参照图3-7，采用上述系统的一种针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改方法，该方法包括数据防篡改主方法、数据上传、数据防篡改辅助方法和参数下载四部分，其中最主要的是防篡改主方法和防篡改辅助方法两部分，防篡改主方法运行于传感器接入电路的主控单片机上，防篡改辅助方法运行于边缘主机的CPU上。边缘主机可采用研华AIMC-2000J等型号。另外，数据上传是指传感器接入电路将所采集的数据上传至边缘主机，数据下载是指边缘主机计算得到的参数传输至传感器接入电路。
具体流程为：主控单片机上电并完成初始化之后，会执行数据防篡改主方法，即循环执行周期性数据采集步骤、直接报警处理步骤、自主处置步骤、累积量连续性判断步骤、边缘算法处理步骤五部分，且当传感器供电触发中断时，主控单片机会优先执行中断函数步骤。
在周期性数据采集步骤内，主控单片机会调用时钟芯片提供的时钟，每隔一段时间首先采集并存储传感器数据，然后采集并存储传感器供电数据；
传感器数据采集的具体过程为：按照通讯协议向传感器下发数据采集命令帧，然后接收传感器返回的数据帧并按照通讯协议加以解析，提取得到包括传感器ID号、当前累积量、瞬时量在内的参数，最后存储在主控单片机内置存储器内；
传感器供电数据采集的具体过程为：通过主控单片机模数转换（ADC）引脚，读取电流感应放大芯片输出的信号，然后在主控单片机内部换算成为电流值，最后存储在主控单片机内置存储器内。
在直接报警处理步骤内，主控单片机首先判断传感器最新返回的ID号，与前一次返回的ID号是否一致，如果不一致，就说明传感器已经被人更换，则立即产生报警；然后，主控单片机会判断最新返回的累积量，是否比前一次返回的累积量小，如果是，则说明传感器的累积量遭人篡改或已出现其他问题，则立即产生报警。
在自主处置步骤内，主控单片机主要处理传感器通讯失败的问题，因为传感器通讯失败有可能是传感器通讯的自身故障，也可能是传感器通讯线缆被恶意破坏。如果在周期性数据采集步骤内对传感器数据采集失败，那么在自主处置步骤内，主控单片机会首先对传感器进行补抄一次，即按照相同的通讯协议，再向传感器发送一次数据采集命令帧，观察传感器是否有回应，以此避免偶发性的传感器通讯失败；如果传感器对补抄命令没有响应，则主控单片机通过GPIO引脚对电源芯片2实施开关控制，以此从供电角度对传感器实施断电重启，避免因传感器故障死机而导致的通讯失败问题；传感器断电重启之后，主控单片机将再次对传感器补抄一次，如若仍然通讯失败，则已然超出了主控单片机自身的处理能力，此时立即产生报警。
在累积量连续性判断步骤内，主控单片机首先求取最近两次两次累积量增加值与最近两次时间间隔值之间的比值，当前累积量减去前一次累积量得到累积量增加值△Q，当前累积量读取时间减去前一次累积量读取时间得到时间增加值△T，然后将△Q除以△T得到累积量连续性比值R；最后，主控单片机将判断累积量连续性比值R是否在允许范围内，如果超出允许范围，则意味着累积量的增加过快或过慢的异常情况，此时立即产生报警，通知相关人员现场处理。
中断函数步骤主要为防范传感器被恶意更换的情况。由于传感器的供电线、通讯线均接入到传感器接入电路，因此恶意更换传感器时，其供电电流将出现一个下降沿（供电电流突然降低至零）。当然，该下降沿出现，也可能是因为其他干扰情况，而非传感器恶意更改。因此，当下降沿出现时，应以中断的形式，采用最高的优先级，命令主控单片机立即对传感器数据进行采集。在中断函数步骤内，主控单片机将启动传感器数据采集，并通过传感器数据采集是否成功、传感器ID是否一致、传感器累积量是否连续三方面判断是否需直接报警。如果传感器数据采集失败，则无需补抄，直接报警；如果传感器本次返回的ID与前一次返回的ID不同，则直接报警；如果传感器累积量变化比值超出允许范围，则直接报警。
边缘算法处理步骤，是边缘主机内运行的数据防篡改辅助方法，主要以支持向量机SVR作为算法模型，以历史数据为训练样本，训练得到累积量连续性比值，并最终下发给传感器接入电路，作为防篡改主方法内累积量连续性判断步骤的判断依据。
边缘算法处理步骤，以支持向量机SVR算法为核心，以传感器累积量Q、传感器累积量增加值△Q、传感器瞬时量I、时间增加值△T四项为输入参数，以数据防篡改主方法累积量连续性判断步骤内所需的累积量连续性比值为输出参数，进行相关计算；
支持向量机SVR的数学模型为：
f(x) = w T x + b
其中：f(x)表示累积量连续性比值；x为支持向量机SVR输入变量，即经过归一化处理之后的传感器累积量Q、传感器累积量增加值△Q、传感器瞬时量I、时间增加值△T四项参数，即x = [Q △Q I △T]'，符号'表示矩阵转置；w表示SVR的分类超平面法向量，b表示偏差值。
传感器接入电路每次上传至边缘主机的参数包括“传感器累积量Q、传感器瞬时量I、传感器数据采集时间T”三项，边缘主机接受后，结合上一条接收到的数据，计算得到“传感器累积量Q、传感器累积量增加值△Q、传感器瞬时量I、时间增加值△T”四项参数，并存储下来，以作为支持向量机SVR的训练备选数据。
本发明针对传感器欺骗或扰乱的多种方式，例如将传感器从其工作位置挪开（使传感器监测不到真实数据），将传感器供电线缆断开（关闭传感器电源以逃避碳排放监测），将传感器通讯线缆切断（使得传感器数据不能上报），使用新传感器更换原传感器（新传感器内的数据累积量小）等等多种作弊方法，进行了深入研究并设计了一套行之有效的数据防篡改系统与方法，可有效杜绝碳排放数据被篡改的情况，确保碳排放数据的监测真实性。
本发明不仅成本低廉，仅在碳排放监测传感器端加装了一块以单片机为核心的电路板，对整体成本的影响微乎其微；而且适用性好，适用于住宅、商业楼、工厂等各类使用有线式碳排放监测传感器的双碳应用场合，可确保碳排放数据的监测真实性。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改系统，其特征在于：所述系统包括边缘主机，以及两个以上传感器接入电路和传感器，每个传感器都配有一个传感器接入电路，且传感器的供电引脚、通讯引脚均接到传感器接入电路上，传感器接入电路将其通讯引脚连接到边缘主机；所述传感器接入电路包括主控单片机、第一电源芯片、第二电源芯片、电流采样电阻、电流感应放大芯片、通讯芯片、时钟芯片、通讯加密芯片和以太网通讯芯片，其中，传感器接入电路内的各芯片供电由第一电源芯片负责，传感器接入电路下属的传感器供电由第二电源芯片负责，主控单片机控制第二电源芯片的开关，且与电流感应放大芯片连接，电流感应放大芯片与电流采样电阻配合；主控单片机通过通讯芯片的电平转换，实现与传感器之间的通讯与数据采集；主控单片机的串口连接到通讯加密芯片，通讯加密芯片连接到以太网通讯芯片。
2.根据权利要求1所述针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改系统，其特征在于：传感器接入电路的供电由外部电源供电。
3.根据权利要求1所述针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改系统，其特征在于：主控单片机通过其通用输出引脚控制第二电源芯片的开关，且通过模数转换引脚连接电流感应放大芯片。
4.一种针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改方法，其特征在于：采用权利要求1-3任一项所述系统，包括数据防篡改主方法、数据上传、数据防篡改辅助方法和参数下载四部分，其中防篡改主方法运行于传感器接入电路的主控单片机上，防篡改辅助方法运行于边缘主机的CPU上，数据上传是指传感器接入电路将所采集的数据上传至边缘主机，数据下载是指边缘主机计算得到的参数传输至传感器接入电路；
主控单片机上电并完成初始化之后，会执行数据防篡改主方法，即循环执行周期性数据采集步骤、直接报警处理步骤、自主处置步骤、累积量连续性判断步骤、边缘算法处理步骤五部分，且当传感器供电触发中断时，主控单片机会优先执行中断函数步骤。
5.根据权利要求4所述针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改方法，其特征在于：在周期性数据采集步骤内，主控单片机会调用时钟芯片提供的时钟，每隔一段时间首先采集并存储传感器数据，然后采集并存储传感器供电数据；
传感器数据采集的具体过程为：按照通讯协议向传感器下发数据采集命令帧，然后接收传感器返回的数据帧并按照通讯协议加以解析，提取得到包括传感器ID号、当前累积量、瞬时量在内的参数，最后存储在主控单片机内置存储器内；
传感器供电数据采集的具体过程为：通过主控单片机模数转换引脚，读取电流感应放大芯片输出的信号，然后在主控单片机内部换算成为电流值，最后存储在主控单片机内置存储器内。
6.根据权利要求5所述针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改方法，其特征在于：直接报警处理步骤，从传感器返回的数据中检测到传感器ID号前后不一致、传感器累积量变小的情况，以及从电流感应放大芯片处检测到传感器供电中断情况，直接进行报警处理。
7.根据权利要求6所述针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改方法，其特征在于：自主处置步骤，传感器接入电路采集传感器数据失败时，首先启动传感器补抄步骤，如补抄失败则对传感器进行重启，然后再次对传感器进行补抄，如若还是失败，则进行报警处理。
8.根据权利要求7所述针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改方法，其特征在于：累积量连续性判断步骤，求取最近两次累积量增加值与最近两次时间间隔值之间的比值，并通过判断比值是否在允许范围内，决定是否需要报警处理。
9.根据权利要求8所述针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改方法，其特征在于：中断函数步骤，任意时间检测到传感器供电电流存在下降沿时，则立即启动传感器数据采集，并通过传感器数据采集是否成功、传感器ID是否一致、传感器累积量是否连续三方面判断是否需直接报警。
10.根据权利要求9所述针对网点碳排放监测的传感器数据防篡改方法，其特征在于：
边缘算法处理步骤，以支持向量机SVR算法为核心，以传感器累积量Q、传感器累积量增加值△Q、传感器瞬时量I、时间增加值△T四项为输入参数，以数据防篡改主方法累积量连续性判断步骤内所需的累积量连续性比值为输出参数，进行相关计算；
支持向量机SVR的数学模型为：
f(x) = w T x + b
其中：f(x)表示累积量连续性比值；x为支持向量机SVR输入变量，即经过归一化处理之后的传感器累积量Q、传感器累积量增加值△Q、传感器瞬时量I、时间增加值△T四项参数，即x = [Q △Q I △T]'，符号'表示矩阵转置；w表示SVR的分类超平面法向量，b表示偏差值。
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