摘  要： 為了解決管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的安全傳輸問題和系統(tǒng)故障時自動應(yīng)對問題，提出了一種基于CC2430單片機(jī)和WiFi的電氣設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。描述了系統(tǒng)的總體設(shè)計，針對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)安全的問題，主要闡述了系統(tǒng)中保障數(shù)據(jù)安全可靠性的設(shè)計，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸設(shè)計了適合本系統(tǒng)的通信協(xié)議并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了加密，對突發(fā)情況下的數(shù)據(jù)保護(hù)措施，分別論述了節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器發(fā)生狀況時的應(yīng)對措施。通過實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸和工作穩(wěn)定性方面有了顯著提升，保障了系統(tǒng)工作的高效性與可靠性。

　　關(guān)鍵詞： 監(jiān)測；數(shù)據(jù)安全；異常處理

0 引言

　　隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增長和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的智能化、自動化設(shè)備走進(jìn)人們的生活，為人們服務(wù)，走進(jìn)企業(yè)工廠，為企業(yè)節(jié)省人力，提高產(chǎn)能，創(chuàng)造更大的效益。設(shè)備雖然智能，但是還是不能完全脫離人的控制，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)問題時需要人為的干涉，同時某些設(shè)備的運(yùn)行信息有助于更高效利用這些設(shè)備。為此，設(shè)計了這套基于單片機(jī)采集和WiFi傳輸?shù)碾姎庠O(shè)備無線監(jiān)控系統(tǒng)，用于對這些設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，記錄設(shè)備的開關(guān)機(jī)狀態(tài)，可控制繼電器使設(shè)備斷電，以避免造成不必要的損失。該系統(tǒng)能否正確幫助操作人員對設(shè)備進(jìn)行操作和分析，信息傳輸?shù)陌踩c可靠起到了至關(guān)重要的作用。本文主要介紹了系統(tǒng)設(shè)計中數(shù)據(jù)安全的問題，將從數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全設(shè)計和數(shù)據(jù)安全措施兩方面進(jìn)行闡述。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　本監(jiān)控系統(tǒng)由單片機(jī)監(jiān)控模塊、WiFi傳輸模塊、監(jiān)測網(wǎng)站三部分組成。監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　該系統(tǒng)以CC2430單片機(jī)和WiFi模塊為基礎(chǔ)[1]，以ASP.NET設(shè)計監(jiān)控網(wǎng)站，SQL Server 2005作為服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，所完成的主要功能是實(shí)現(xiàn)設(shè)備工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。單片機(jī)監(jiān)控模塊可以檢測到設(shè)備的運(yùn)行、關(guān)閉等狀態(tài)，并記錄各狀態(tài)發(fā)生改變的時刻。檢測到的設(shè)備狀態(tài)信息以及相應(yīng)的設(shè)備編號將通過WiFi模塊實(shí)時傳送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫并在監(jiān)測網(wǎng)站的網(wǎng)頁上顯示。當(dāng)服務(wù)器停止工作時，單片機(jī)將繼續(xù)存儲收集來的信息于Flash存儲器中，當(dāng)服務(wù)器恢復(fù)工作時自動向單片機(jī)存儲器調(diào)取數(shù)據(jù)并存儲于數(shù)據(jù)庫。本文還設(shè)計了符合系統(tǒng)的通信協(xié)議，應(yīng)用了數(shù)據(jù)加密技術(shù)保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和安全性。

2 SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫庫表

　　數(shù)據(jù)庫的設(shè)計對于整個系統(tǒng)而言起著不可替代的作用，完善的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)可以讓整個數(shù)據(jù)存儲脈絡(luò)清晰，不至于引起不必要的混亂。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫表分為三個：用戶信息表，節(jié)點(diǎn)信息存儲表，控制命令表。

　　2.1 用戶信息表

　　用戶信息表是與用戶登錄相關(guān)的表，登錄頁面與用戶信息表相關(guān)聯(lián)。當(dāng)用戶登錄時，通過SQL語句、數(shù)據(jù)庫搜索引擎在數(shù)據(jù)庫中搜索與注冊用戶信息相符的信息，如果信息相符，返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后再根據(jù)權(quán)限登錄到不同的頁面；如果是管理員則登錄管理員界面，可以向各節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令。如果沒有相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，將不能登錄。用戶信息表包括：用戶名、用戶密碼、用戶權(quán)限和用戶郵箱。用戶信息表如表1所示。

　　2.2 節(jié)點(diǎn)信息存儲表

　　節(jié)點(diǎn)信息存儲表是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一張表，它記錄了所有設(shè)備的所有開關(guān)機(jī)信息和狀態(tài)信息，是為管理員有效管理設(shè)備提供重要參考的一張表。系統(tǒng)各個節(jié)點(diǎn)一直檢測設(shè)備的狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)發(fā)生改變時，將發(fā)送信息到服務(wù)器，網(wǎng)站接收各個節(jié)點(diǎn)傳送過來的信息并根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型存儲于表中。節(jié)點(diǎn)信息存儲表字段包括：設(shè)備號、事件時間、設(shè)備狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)信息存儲表如表2所示。

　　2.3 控制命令表

　　管理員要想控制各個節(jié)點(diǎn)需要在監(jiān)測網(wǎng)站上輸入控制命令，而控制命令不能由網(wǎng)站直接發(fā)送到節(jié)點(diǎn)，首先要將控制命令存儲到數(shù)據(jù)庫再由數(shù)據(jù)發(fā)送應(yīng)用程序至節(jié)點(diǎn)。將控制命令保存到數(shù)據(jù)庫同時也是歷史信息的保存，對于系統(tǒng)運(yùn)行的分析將提供一定的信息資源參考?？刂泼畋碜侄伟ǎ涸O(shè)備號和控制命令?？刂泼畋砣绫?所示。

3 數(shù)據(jù)安全問題設(shè)計

　　3.1 通信協(xié)議的制定

　　在該系統(tǒng)中信息的安全可靠決定了對設(shè)備的控制和使用效率的分析，只有在數(shù)據(jù)信息正確的基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。所以本文將重點(diǎn)介紹系統(tǒng)設(shè)計中的數(shù)據(jù)安全措施。數(shù)據(jù)安全不僅是數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的安全，還要保證節(jié)點(diǎn)傳送來的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確可靠的[3]，因此本文制定了適合本系統(tǒng)的通信協(xié)議，分為采集數(shù)據(jù)格式和命令消息格式，下面將分別對其進(jìn)行闡述。

　　3.1.1 采集數(shù)據(jù)格式

　　為了能夠?qū)⒔K端節(jié)點(diǎn)采集到的信息有效準(zhǔn)確地傳送給服務(wù)器，需要定義采集數(shù)據(jù)格式如表4所示。

　　開始標(biāo)志：接收方判斷一個消息開始的表示，為了避免引起混亂，必須不同于其他信息，在這里設(shè)置為AAFF。

　　設(shè)備號：各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的編號，用來知道是哪個設(shè)備采集來的數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)長度：在本設(shè)計中，一般情況下要傳送的數(shù)據(jù)信息的長度是固定的。

　　數(shù)據(jù)類型：01表示狀態(tài)改變時間；02表示設(shè)備狀態(tài)。

　　數(shù)據(jù)：采集的設(shè)備狀態(tài)和狀態(tài)發(fā)生時的時間。

　　停止位：數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)識符。

　　3.1.2 命令信息格式

　　命令信息格式如表5所示

　　起始位：設(shè)置為AAEE。

　　設(shè)備號：接受節(jié)點(diǎn)的編號。如果設(shè)備號為EE，則表示該命令需要廣播給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)；如果設(shè)備號是E1，則表示該命令需要廣播至一組的路由節(jié)點(diǎn)；如果設(shè)備號為E2，則表示該命令需要廣播至二組的所有節(jié)點(diǎn)；如果是E3，則表示該命令需要廣播至三組的路由節(jié)點(diǎn)；如果是某個節(jié)點(diǎn)的編號，則該命令只針對這個節(jié)點(diǎn)。

　　數(shù)據(jù)長度：命令幀的數(shù)據(jù)長度也是固定的。

　　命令標(biāo)識符：用來區(qū)分各種不同的命令，如表6表示。

　　結(jié)束標(biāo)識符：AA99

　　通信模式采取了實(shí)時上報和應(yīng)答相結(jié)合的模式。實(shí)時上報模式，就是每個節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)在發(fā)生改變時數(shù)據(jù)會及時發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，這樣就保證了監(jiān)測網(wǎng)站可以準(zhǔn)確地把握每個節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前工作狀態(tài)，進(jìn)而可以準(zhǔn)確的進(jìn)行控制。命令-應(yīng)答模式，是用戶根據(jù)需要，對節(jié)點(diǎn)發(fā)出命令，節(jié)點(diǎn)收到命令后，根據(jù)命令內(nèi)容作相應(yīng)的處理。命令-應(yīng)答模式是一個雙向的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其具體步驟如下所示：

　?。?）用戶發(fā)送命令給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

　?。?）目標(biāo)節(jié)點(diǎn)解讀命令，執(zhí)行命令。如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到未定義的命令，則認(rèn)為是無效的數(shù)據(jù)包，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)會通知用戶信息無效；如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處理命令信息失敗，則協(xié)調(diào)器發(fā)送失敗的應(yīng)答信息，用戶需要重新發(fā)送命令。

　?。?）完成。

　　3.2 節(jié)點(diǎn)及服務(wù)器異常處理

　　3.2.1 節(jié)點(diǎn)異常處理

　　在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，節(jié)點(diǎn)可能會由于硬件問題或者遭受碰撞攻擊等，導(dǎo)致喪失工作能力。用戶可以通過預(yù)設(shè)的命令，在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行廣播，節(jié)點(diǎn)收到信息后進(jìn)行回復(fù)，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)沒有回復(fù)的時候再進(jìn)行通信，如果三次都沒有回復(fù)，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了故障，需要從網(wǎng)絡(luò)中移除或維修。

　　3.2.2 服務(wù)器異常處理

　　理論上，服務(wù)器應(yīng)該是24小時工作，但是很難保證不會有意外情況的發(fā)生，如斷電、數(shù)據(jù)庫維護(hù)等都會使服務(wù)器暫時停止工作。由于各節(jié)點(diǎn)采用的是實(shí)時上報模式，所以服務(wù)器停止工作時各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)將不能發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。如果節(jié)點(diǎn)單片機(jī)不先將信息進(jìn)行存儲將導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。

　　在單片機(jī)檢測模塊本文設(shè)計采用了16 MB內(nèi)存的Flash存儲器用于對采集的信息進(jìn)行存儲，F(xiàn)lash存儲器掉電后不會自動擦除數(shù)據(jù)，所以能保障數(shù)據(jù)在故障時的安全。當(dāng)節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)時將試圖發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，如果數(shù)據(jù)發(fā)送成功，則服務(wù)器方面將把信息存儲在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，同時，單片機(jī)將發(fā)送成功的數(shù)據(jù)保存在Flash存儲器中；如果數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，則在數(shù)據(jù)包加一個標(biāo)識位1，并將該條信息保存至Flash存儲器中。單片機(jī)定期遍歷Flash存儲器中的數(shù)據(jù)，將標(biāo)識位為1的信息重新發(fā)送，發(fā)送成功后取消標(biāo)識位存儲于Flash存儲器中，發(fā)送失敗則等待下次發(fā)送。

　　由于Flash存儲器的內(nèi)存有限，所以不能把所有的數(shù)據(jù)全部都存儲于Flash存儲器中，本文設(shè)計定期擦除Flash存儲器中的已經(jīng)發(fā)送成功的數(shù)據(jù)，未發(fā)送成功的數(shù)據(jù)將繼續(xù)保留，直至發(fā)送成功。如圖2所示。

　　為了確保沒有數(shù)據(jù)的丟失，從檢測網(wǎng)站可以任意調(diào)取各個節(jié)點(diǎn)任何時間段的信息，管理員可以在網(wǎng)站管理界面輸入想要的時間段數(shù)據(jù)至某一個或幾個節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)接收到命令后從Flash存儲器中調(diào)取相應(yīng)信息發(fā)送至服務(wù)器。這樣直接從Flash存儲器調(diào)取數(shù)據(jù)將比從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取信息更加準(zhǔn)確可靠。

　　3.3 數(shù)據(jù)加密

　　本系統(tǒng)中所采用的CC2430硬件支持128 bit的AES加密算法，它包含一個AES協(xié)處理器，通過AES協(xié)處理器完成數(shù)據(jù)的加密和解密操作，減輕了內(nèi)置CPU的負(fù)擔(dān)。在Z—Stack協(xié)議棧中，這個加密算法默認(rèn)是關(guān)閉的，使用時需要開啟這個功能：首先將f8wConfig配置文件中的DSECURE值設(shè)置為1，這是一個總按鈕；然后將ZGlobal.c中的zgPreConfigKeys值由FALSE改為TRUE；最后在函數(shù)nwk-global.c中設(shè)置一個128 bit的密鑰。啟動數(shù)據(jù)加密功能，發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)將明文經(jīng)過AES-128加密算法加密后，使其變成密文傳送出去。接收節(jié)點(diǎn)在接收到復(fù)雜的密文后，使用相同的秘鑰和AES-128解密算法，將其還原為明文，保證了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全。加密流程如圖3所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　本實(shí)驗(yàn)以河北大學(xué)物理學(xué)院實(shí)驗(yàn)設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)對象，對不同實(shí)驗(yàn)室的不同設(shè)備進(jìn)行編號，同時進(jìn)行監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄠€設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并且該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)信息可以安全可靠地傳輸?shù)椒?wù)器，同時進(jìn)行了服務(wù)器停止工作實(shí)驗(yàn)，當(dāng)恢復(fù)工作時可以將關(guān)閉時間的節(jié)點(diǎn)信息調(diào)出。

5 結(jié)論

　　本文首先介紹了檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計，之后從通信協(xié)議的制定、節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器異常的處理、傳輸數(shù)據(jù)的加密及存儲過程的設(shè)計四方面闡述了系統(tǒng)對數(shù)據(jù)安全方面的設(shè)計。通過實(shí)驗(yàn)檢測，本文的設(shè)計可以使系統(tǒng)在數(shù)據(jù)安全方面得到很大的改善，確實(shí)保障了數(shù)據(jù)的全面與可靠，可以為管理人員提供更有效更可靠的數(shù)據(jù)作為管理依據(jù)。

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