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)進行了加密,，對突發(fā)情況下的數(shù)據(jù)保護措施,，分別論述了節(jié)點與服務(wù)器發(fā)生狀況時的應(yīng)對措施。通過實驗表明,，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)濟實力的增長和科學技術(shù)的進步，越來越多的智能化,、自動化設(shè)備走進人們的生活,，為人們服務(wù)，走進企業(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,，當設(shè)備運行出現(xiàn)問題時需要人為的干涉，同時某些設(shè)備的運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)進行實時監(jiān)測,，記錄設(shè)備的開關(guān)機狀態(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現(xiàn)設(shè)備工作狀態(tài)的遠程監(jiān)測,。單片機監(jiān)控模塊可以檢測到設(shè)備的運行,、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,。當服務(wù)器停止工作時,，單片機將繼續(xù)存儲收集來的信息于Flash存儲器中,，當服務(wù)器恢復工作時自動向單片機存儲器調(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)點信息存儲表

　　節(jié)點信息存儲表是系統(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)點一直檢測設(shè)備的狀態(tài),，當設(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，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,。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)上才能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能,。所以本文將重點介紹系統(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)點傳送來的數(shù)據(jù)是準確可靠的[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,，下面將分別對其進行闡述。

　　3.1.1 采集數(shù)據(jù)格式

　　為了能夠?qū)⒔K端節(jié)點采集到的信息有效準確地傳送給服務(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；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,；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,；如果是E3,，則表示該命令需要廣播至三組的路由節(jié)點；如果是某個節(jié)點的編號,，則該命令只針對這個節(jié)點,。

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

　　命令標識符：用來區(qū)分各種不同的命令,，如表6表示,。

　　結(jié)束標識符：AA99

　　通信模式采取了實時上報和應(yīng)答相結(jié)合的模式,。實時上報模式，就是每個節(jié)點的狀態(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)站可以準確地把握每個節(jié)點的當前工作狀態(tài),，進而可以準確的進行控制。命令-應(yīng)答模式,，是用戶根據(jù)需要,，對節(jié)點發(fā)出命令，節(jié)點收到命令后,，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)送命令給目標節(jié)點,。

　　（2）目標節(jié)點解讀命令,，執(zhí)行命令,。如果目標節(jié)點收到未定義的命令，則認為是無效的數(shù)據(jù)包,，目標節(jié)點會通知用戶信息無效,；如果目標節(jié)點處理命令信息失敗，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)點及服務(wù)器異常處理

　　3.2.1 節(jié)點異常處理

　　在網(wǎng)絡(luò)運行中，節(jié)點可能會由于硬件問題或者遭受碰撞攻擊等,，導致喪失工作能力,。用戶可以通過預設(shè)的命令，在網(wǎng)絡(luò)中進行廣播,，節(jié)點收到信息后進行回復,，當有節(jié)點沒有回復的時候再進行通信，如果三次都沒有回復,，則認為該節(jié)點出現(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)庫維護等都會使服務(wù)器暫時停止工作。由于各節(jié)點采用的是實時上報模式,，所以服務(wù)器停止工作時各節(jié)點的數(shù)據(jù)將不能發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。如果節(jié)點單片機不先將信息進行存儲將導致數(shù)據(jù)的丟失,。

　　在單片機檢測模塊本文設(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,。當節(jié)點采集到數(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)包加一個標識位1，并將該條信息保存至Flash存儲器中,。單片機定期遍歷Flash存儲器中的數(shù)據(jù),，將標識位為1的信息重新發(fā)送,，發(fā)送成功后取消標識位存儲于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,，節(jié)點接收到命令后從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的負擔。在Z—Stack協(xié)議棧中,，這個加密算法默認是關(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)點在接收到復雜的密文后,，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 實驗結(jié)果

　　本實驗以河北大學物理學院實驗設(shè)備作為實驗對象，對不同實驗室的不同設(shè)備進行編號,，同時進行監(jiān)測,。實驗表明該系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄠€設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(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,，同時進行了服務(wù)器停止工作實驗，當恢復工作時可以將關(guān)閉時間的節(jié)點信息調(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,。通過實驗檢測，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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