CN206077381U - 一种LoRa数据传输模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种LoRa数据传输模块，包括主控单元、LoRa射频单元和安全芯片，安全芯片、主控单元、LoRa射频单元依次相连。本实用新型中，密钥封装于安全芯片内部，无法直接通过外部访问获得密钥，从而可避免密钥泄露；通过安全芯片进行硬件加密，加密过程不易被跟踪、破解；就算外部攻击者获知了明文、密文及所使用的加密算法，也无法破解密钥；不易被外部攻击者读取或更改，有较高的物理安全性。

Description

一种LoRa数据传输模块

技术领域

本实用新型属于无线通信技术领域，尤其涉及一种LoRa数据传输模块。

背景技术

LoRa是一种低功耗长距离无线通信技术，主要面向物联网(IoT)或M2M等，是应用于低功耗广域网(LPWAN)的重要无线技术。LoRa无线通信技术主要具有特点：(1)长距离，在密集城市环境下，LoRa基站和网关具有较强的穿透能力；在空旷郊区终端节点传感器与距离可达15～30公里，甚至更远。(2)低成本，LoRa前期的基础建设和运营成本，以及终端节点传感器的成本低。(3)标准化，LoRaWAN保证了应用间的互操作性，物联网方案提供商和电信运营商可以加速采用和部署。(4)低功耗，LoRaWAN协议专为低功耗而开发，电池寿命可达数年。

基于LoRa无线通信技术的LoRa数据传输模块主要具有数据获取功能和数据传输功能。LoRa数据传输模块安装于水表、气表、压力表等数据采集设备上，通过数据采集设备的标准接口获取数据，所获数据即明文。之后，LoRa数据传输模块采用存储的加密算法对明文加密，获得密文。密文经编码后，通过LoRa射频单元进行前向纠错编码和扩频调制，再通过无线电波发射。区域内部署的网关接收发射数据，所接收数据通过有线宽带网络传输到网络服务器进行解密，将解密后数据转发或本地存储。

目前市面上的LoRa数据传输模块主要包括主控单元(MCU)和LoRa射频单元(RF)。用来对明文进行加密的密钥存储于MCU的寄存器中，数据加密则通过存储于MCU中的加密算法实现。由于密钥存储于MCU的寄存器内，通过外部电路可获取密钥，导致密钥易泄露。由于数据加密通过软件程序实现，加密过程容易被跟踪、破解。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种物理安全性更高的LoRa数据传输模块。

为达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：

一种LoRa数据传输模块，包括主控单元、LoRa射频单元和安全芯片，安全芯片、主控单元、LoRa射频单元依次相连。

进一步的，主控单元和安全芯片通过UART接口连接，主控单元和LoRa射频单元通过SPI串口连接。

进一步的，主控单元主要包括第一处理器和寄存器，第一处理器和寄存器信号连接。

进一步的，安全芯片包括第二处理器、明文寄存器、密文存储器、密钥存储器和加密模块，明文寄存器、密文存储器、封装有密钥的密钥存储器、加密模块均与第二处理器信号连接。所述的加密模块为国密SM1加密模块。

进一步的，安全芯片中，以一MOS管作为安全芯片供电Vcc电路的供电开关，主控单元的GPIO接口连接该MOS管。

进一步的，主控单元采用STM32L151xE型号MCU芯片。

进一步的，LoRa射频单元采用SX1278芯片。

进一步的，安全芯片采用HYM4616B2芯片。

和现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

(1)密钥封装于安全芯片内部，无法直接通过外部访问获得密钥，从而可避免密钥泄露。

(2)通过安全芯片进行硬件加密，加密过程不易被跟踪、破解。

(3)就算外部攻击者获知了明文、密文及所使用的加密算法，也无法破解密钥。

(4)不易被外部攻击者读取或更改，有较高的物理安全性。

附图说明

图1为本实用新型Loar数据传输模块的具体结构示意图。

具体实施方式

本实用新型通过在LoRa数据传输模块上增加安全芯片，来实现密钥的安全存储和硬件加密。同时，本实用新型还基于该LoRa数据传输模块提供了一种数据加密方法。

下面将结合具体实施方式进一步说明本实用新型技术方案。

见图1，LoRa数据传输模块包括主控单元、LoRa射频单元和安全芯片，安全芯片、主控单元、LoRa射频单元依次相连，主控单元和数据采集设备通过第一UART接口连接，主控单元和安全芯片通过第二UART接口连接，主控单元和LoRa射频单元通过SPI串口连接。主控单元主要包括第一处理器和寄存器，第一处理器和寄存器信号连接。安全芯片包括第二处理器、明文寄存器、密文存储器、密钥存储器和加密模块，明文寄存器、密文存储器、密钥存储器、加密模块均与第二处理器信号连接。

由于LoRa数据传输模块采用电池供电，无需传输数时，主控单元和LoRa射频单元都自动进入Sleep模式，Sleep模式下主控单元和LoRa射频单元的功耗极低，一般都低至100nA以下。目前的安全芯片都不具备Sleep模式，无加密任务处理时，安全芯片的功耗约在10μA，为主控单元和LoRa射频单元总功耗的50倍左右。若直接将电源连接安全芯片的Vcc引脚，将导致无数据处理时LoRa数据传输模块的功耗过高，从而降低电源使用寿命。为此，本实用新型在安全芯片的供电Vcc电路上增加了MOS管作为供电开关，通过主控单元的GPIO接口来控制MOS管的导通和关断，从而实现对安全芯片的供电和断电。安全芯片无加密任务处理时，主控单元通过GPIO接口将MOS管设置为关断状态，使安全芯片断电从而降低功耗。

本具体实施方式中，主控单元采用STM32L151xE型号超低功耗32位MCU芯片，其工作频率为32MHz，数据处理能力为33.3DMIPS。LoRa射频单元采用SX1278芯片，SX1278芯片使用前向纠错和扩频技术，可提升数据无线传输的距离和灵敏度。安全芯片采用HYM4616B2芯片，HYM4616B2芯片为ISO/IEC 7816标准的CPU卡芯片系列，集成低功耗8051微处理器。

本实用新型基于上述LoRa数据传输模块的数据加密方法，包括：主控单元获取数据采集设备的数据，并将获取数据发送给安全芯片；安全芯片对接收数据进行加密，并将密文发送给主控单元；主控单元将接收密文发送给LoRa射频单元，LoRa射频单元对密文进行处理后，采用无线电波将密文发射出去。

本文所涉及的“安全芯片”、“密钥”、“硬件加密”、“国密SM1算法”、“明文”、“密文”等专业术语的定义如下：

安全芯片，是可以独立进行密钥生成、加解密的装置。

密钥，是一种参数，它是在明文转换为密文或密文转换为明文的算法中输入的参数。

硬件加密，是通过芯片实现加密算法。

国密SM1(cryptographic algorithm)算法，是由国家密码管理局编制的一种商用密码分组标准对称算法。

明文，是指没有加密的数据。

密文，是指对明文进行加密后的数据。

Claims (9)

1.一种LoRa数据传输模块，其特征是：

包括主控单元、LoRa射频单元和安全芯片，安全芯片、主控单元、LoRa射频单元依次相连。

2.如权利要求1所述的LoRa数据传输模块，其特征是：

所述的主控单元和所述的安全芯片通过UART接口连接，所述的主控单元和所述的LoRa射频单元通过SPI串口连接。

3.如权利要求1所述的LoRa数据传输模块，其特征是：

所述的主控单元主要包括第一处理器和寄存器，第一处理器和寄存器信号连接。

4.如权利要求1所述的LoRa数据传输模块，其特征是：

所述的主控单元采用STM32L151xE型号MCU芯片。

5.如权利要求1所述的LoRa数据传输模块，其特征是：

所述的LoRa射频单元采用SX1278芯片。

6.如权利要求1所述的LoRa数据传输模块，其特征是：

所述的安全芯片包括第二处理器、明文寄存器、密文存储器、密钥存储器和加密模块，明文寄存器、密文存储器、封装有密钥的密钥存储器、加密模块均与第二处理器信号连接。

7.如权利要求6所述的LoRa数据传输模块，其特征是：

所述的加密模块为国密SM1加密模块。

8.如权利要求1所述的LoRa数据传输模块，其特征是：

所述的安全芯片中，以一MOS管作为安全芯片供电Vcc电路的供电开关，主控单元的GPIO接口连接该MOS管。

9.如权利要求1所述的LoRa数据传输模块，其特征是：

所述的安全芯片采用HYM4616B2芯片。