基于GSM的無(wú)線(xiàn)抄表系統安全性的設計

摘要：將GSM移動(dòng)通信技術(shù)和Meter-Bus總線(xiàn)協(xié)議用于遠程無(wú)線(xiàn)水表抄表系統，可以對用戶(hù)用水量進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監控，減少人力物力，簡(jiǎn)化布線(xiàn)，實(shí)現數據和能量共同傳輸。為了實(shí)現遠程無(wú)線(xiàn)抄表，采用光電直讀技術(shù)計量水表數據，Meter-Bus總線(xiàn)讀取水表數據，GSM通信網(wǎng)絡(luò )發(fā)送水表數據三者結合的方法，通過(guò)微控制器的綜合管理，得到穩定可靠的遠程無(wú)線(xiàn)抄表系統；對數據短信采用對稱(chēng)加密算法，CRC校驗、插入隨機數、異或、字節置換和映射的方法實(shí)施加密操作，提高了系統安全性，適合以MCU為核心的遠程抄表系統。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)抄表系統；光電直讀技術(shù)；GSM；Meter-Bus；對稱(chēng)加密

0 引言
隨著(zhù)電子技術(shù)，通信技術(shù)和傳感技術(shù)的不斷綜合發(fā)展，遠程自動(dòng)抄表系統應運而生，尤其在近幾年發(fā)展十分迅猛。但目前國內遠程抄表系統一般采用有線(xiàn)方式，有線(xiàn)抄表系統供電困難，尤其在環(huán)境惡劣的水表窖井中更為不便。其功耗較大，檢修困難，一旦組網(wǎng)，維護成本較高，這將對今后智能化、節約化小區的建設帶來(lái)極大不便，影響用戶(hù)正常生活。
針對上述問(wèn)題，利用GSM通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行遠程抄表，將用戶(hù)用水量以短信的形式發(fā)送到自來(lái)水公司，不但可以解決普通用戶(hù)水表的抄表問(wèn)題，還可以對用水大戶(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，防止偷水和管道泄漏的發(fā)生。但是GSM網(wǎng)絡(luò )并沒(méi)有啟用A5對語(yǔ)音數據和信令進(jìn)行加密，現有的GSM網(wǎng)絡(luò )無(wú)法保障端到端之間的應用層安全，在這種非定向的無(wú)線(xiàn)傳輸環(huán)境下傳送明文信息，很容易被人監聽(tīng)、冒用和篡改。用水大戶(hù)用水量較大，準確的水表數據對自來(lái)水公司和用戶(hù)都非常重要，萬(wàn)一在數據傳送過(guò)程中被人截獲篡改，將會(huì )給雙方造成很大的經(jīng)濟損失，因此很有必要對數據消息進(jìn)行加密，提高系統的安全性，確保數據傳送無(wú)誤。
針對上述問(wèn)題，設計了基于GSM網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)遠程抄表系統，給出了一套針對該系統數據加密的方法，提高了數據消息的可靠性。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，占用CPU資源較少，適合在以MCU為核心的嵌入式系統中使用，對嵌入式在通信網(wǎng)絡(luò )中的應用與普及具有參考意義。

1 無(wú)線(xiàn)抄表系統的基礎和總體設計
整個(gè)無(wú)線(xiàn)抄表系統包括光電直讀式水表表頭，Meter-Bus總線(xiàn)接口電路，GSM模塊，微控制器和自來(lái)水公司計算機終控端五大部分，如圖1所示。為了降低功耗，本設計中所有的模塊不是一直處于工作狀態(tài)，各個(gè)模塊應在微控制器的指揮下定時(shí)工作。即抄表系統的所有模塊的工作方式為“長(cháng)時(shí)間休眠，短時(shí)間工作”。其中，休眠周期(小時(shí)、天、周、月)和加密密碼由管理員用計算機終控端通過(guò)GSM模塊發(fā)布。微控制器接收GSM模塊收的指令后，修改抄表周期和加密密碼。同時(shí)根據設定的抄表周期通過(guò)Meter-Bus接口電路控制光電直讀水表表頭讀取當前的水量值，然后再以短信的形式用GSM通信網(wǎng)絡(luò )發(fā)給計算機終端，實(shí)現定時(shí)自動(dòng)抄表。

1．1 Meter-Bus總線(xiàn)
目前大部分光電直讀水表通過(guò)Meter-Bus通信協(xié)議(歐洲標準)實(shí)現組網(wǎng)。Meter-Bus是專(zhuān)為“三表”抄表系統設計的總線(xiàn)協(xié)議，采用一主多從的結構。所有的從機并聯(lián)在總線(xiàn)上，通過(guò)總線(xiàn)實(shí)現主從間的通信，并獲得工作的電能?？偩€(xiàn)僅由一對雙絞線(xiàn)構成，工作電壓為24 V，由Meter-Bus主機提供。下行通信采用電壓調制方式，上行通信采用電流調制的方法。
1．2 光電直讀表頭
光電直讀技術(shù)是水表自動(dòng)抄表系統中的一項重要突破。基于該技術(shù)水表的水量計量仍由傳統的流量計式測量裝置構成，讀數也仍然可以采用人工方式完成。但它在傳統的阿拉伯數字讀數裝置之外，增加了用黑白條印制的格雷碼。格雷碼和阿拉伯數字被印制在同一個(gè)桶裝字輪上，且具有一一對應關(guān)系，讀出格雷碼所表示的數量就相當于讀出了阿拉伯數字的大小，也就是讀出了水量計量裝置輸出的水量值。因此可以采用單片機通過(guò)光電技術(shù)來(lái)讀取黑白條表示的格雷碼，從而實(shí)現自動(dòng)抄表。該設計采用了單片機，并具有Meter-Bus接口光電直讀水表表頭模塊，將水表數據以ASCII碼讀出，給GSM模塊對信息的傳輸和MCU對數據的加密提供方便。
1．3 GSM通信網(wǎng)絡(luò )
GSM(Global System of Mobile Communication，全球移動(dòng)通訊系統)網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍廣、不需建立新基站、通信質(zhì)量高。采用GSM短信抄表不占用語(yǔ)音信道，費用低，投資小，簡(jiǎn)單可靠，且不受距離限制。因此，該設計使用內核為T(mén)C35i(Siemens)的GSM MODEM，微控制器通過(guò)AT指令與其通信，利用GSM短信進(jìn)行收發(fā)數據，實(shí)現遠程抄表。