基于GSM的無線抄表系統(tǒng)安全性的設(shè)計

摘要：將GSM移動通信技術(shù)和Meter-Bus總線協(xié)議用于遠(yuǎn)程無線水表抄表系統(tǒng)，可以對用戶用水量進行有效的實時監(jiān)控，減少人力物力，簡化布線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和能量共同傳輸。為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線抄表，采用光電直讀技術(shù)計量水表數(shù)據(jù)，Meter-Bus總線讀取水表數(shù)據(jù)，GSM通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送水表數(shù)據(jù)三者結(jié)合的方法，通過微控制器的綜合管理，得到穩(wěn)定可靠的遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)；對數(shù)據(jù)短信采用對稱加密算法，CRC校驗、插入隨機數(shù)、異或、字節(jié)置換和映射的方法實施加密操作，提高了系統(tǒng)安全性，適合以MCU為核心的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：無線抄表系統(tǒng)；光電直讀技術(shù)；GSM；Meter-Bus；對稱加密

0 引言
隨著電子技術(shù)，通信技術(shù)和傳感技術(shù)的不斷綜合發(fā)展，遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)應(yīng)運而生，尤其在近幾年發(fā)展十分迅猛。但目前國內(nèi)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)一般采用有線方式，有線抄表系統(tǒng)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(jié)約化小區(qū)的建設(shè)帶來極大不便，影響用戶正常生活。
針對上述問題，利用GSM通信網(wǎng)絡(luò)進行遠(yuǎn)程抄表，將用戶用水量以短信的形式發(fā)送到自來水公司，不但可以解決普通用戶水表的抄表問題，還可以對用水大戶進行實時監(jiān)控，防止偷水和管道泄漏的發(fā)生。但是GSM網(wǎng)絡(luò)并沒有啟用A5對語音數(shù)據(jù)和信令進行加密，現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)無法保障端到端之間的應(yīng)用層安全，在這種非定向的無線傳輸環(huán)境下傳送明文信息，很容易被人監(jiān)聽、冒用和篡改。用水大戶用水量較大，準(zhǔn)確的水表數(shù)據(jù)對自來水公司和用戶都非常重要，萬一在數(shù)據(jù)傳送過程中被人截獲篡改，將會給雙方造成很大的經(jīng)濟損失，因此很有必要對數(shù)據(jù)消息進行加密，提高系統(tǒng)的安全性，確保數(shù)據(jù)傳送無誤。
針對上述問題，設(shè)計了基于GSM網(wǎng)絡(luò)的無線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，給出了一套針對該系統(tǒng)數(shù)據(jù)加密的方法，提高了數(shù)據(jù)消息的可靠性。該方法簡單實用，占用CPU資源較少，適合在以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)中使用，對嵌入式在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用與普及具有參考意義。

1 無線抄表系統(tǒng)的基礎(chǔ)和總體設(shè)計
整個無線抄表系統(tǒng)包括光電直讀式水表表頭，Meter-Bus總線接口電路，GSM模塊，微控制器和自來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(shè)計中所有的模塊不是一直處于工作狀態(tài)，各個模塊應(yīng)在微控制器的指揮下定時工作。即抄表系統(tǒng)的所有模塊的工作方式為“長時間休眠，短時間工作”。其中，休眠周期(小時、天、周、月)和加密密碼由管理員用計算機終控端通過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。同時根據(jù)設(shè)定的抄表周期通過Meter-Bus接口電路控制光電直讀水表表頭讀取當(dāng)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，實現(xiàn)定時自動抄表。

1．1 Meter-Bus總線
目前大部分光電直讀水表通過Meter-Bus通信協(xié)議(歐洲標(biāo)準(zhǔn))實現(xiàn)組網(wǎng)。Meter-Bus是專為“三表”抄表系統(tǒng)設(shè)計的總線協(xié)議，采用一主多從的結(jié)構(gòu)。所有的從機并聯(lián)在總線上，通過總線實現(xiàn)主從間的通信，并獲得工作的電能?？偩€僅由一對雙絞線構(gòu)成，工作電壓為24 V，由Meter-Bus主機提供。下行通信采用電壓調(diào)制方式，上行通信采用電流調(diào)制的方法。
1．2 光電直讀表頭
光電直讀技術(shù)是水表自動抄表系統(tǒng)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(tǒng)的流量計式測量裝置構(gòu)成，讀數(shù)也仍然可以采用人工方式完成。但它在傳統(tǒng)的阿拉伯?dāng)?shù)字讀數(shù)裝置之外，增加了用黑白條印制的格雷碼。格雷碼和阿拉伯?dāng)?shù)字被印制在同一個桶裝字輪上，且具有一一對應(yīng)關(guān)系，讀出格雷碼所表示的數(shù)量就相當(dāng)于讀出了阿拉伯?dāng)?shù)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光電技術(shù)來讀取黑白條表示的格雷碼，從而實現(xiàn)自動抄表。該設(shè)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(shù)據(jù)以ASCII碼讀出，給GSM模塊對信息的傳輸和MCU對數(shù)據(jù)的加密提供方便。
1．3 GSM通信網(wǎng)絡(luò)
GSM(Global System of Mobile Communication，全球移動通訊系統(tǒng))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短信抄表不占用語音信道，費用低，投資小，簡單可靠，且不受距離限制。因此，該設(shè)計使用內(nèi)核為TC35i(Siemens)的GSM MODEM，微控制器通過AT指令與其通信，利用GSM短信進行收發(fā)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。