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)故障時自動應對問題,提出了一種基于CC2430單片機和WiFi的電氣設備監(jiān)控系統(tǒng)。描述了系統(tǒng)的總體設計,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)安全可靠性的設計,為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸設計了適合本系統(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)點與服務器發(fā)生狀況時的應對措施。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的進步,越來越多的智能化、自動化設備走進人們的生活,為人們服務,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。設備雖然智能,但是還是不能完全脫離人的控制,當設備運行出現(xiàn)問題時需要人為的干涉,同時某些設備的運行信息有助于更高效利用這些設備。為此,設計了這套基于單片機采集和WiFi傳輸?shù)碾姎庠O備無線監(jiān)控系統(tǒng),用于對這些設備的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測,記錄設備的開關機狀態(tài),可控制繼電器使設備斷電,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備進行操作和分析,信息傳輸?shù)陌踩c可靠起到了至關重要的作用。本文主要介紹了系統(tǒng)設計中數(shù)據(jù)安全的問題,將從數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全設計和數(shù)據(jù)安全措施兩方面進行闡述。
1 系統(tǒng)總體設計方案
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[1],以ASP.NET設計監(jiān)控網(wǎng)站,SQL Server 2005作為服務器數(shù)據(jù)庫,所完成的主要功能是實現(xiàn)設備工作狀態(tài)的遠程監(jiān)測。單片機監(jiān)控模塊可以檢測到設備的運行、關閉等狀態(tài),并記錄各狀態(tài)發(fā)生改變的時刻。檢測到的設備狀態(tài)信息以及相應的設備編號將通過WiFi模塊實時傳送到服務器數(shù)據(jù)庫并在監(jiān)測網(wǎng)站的網(wǎng)頁上顯示。當服務器停止工作時,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。本文還設計了符合系統(tǒng)的通信協(xié)議,應用了數(shù)據(jù)加密技術保證數(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的表,登錄頁面與用戶信息表相關聯(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,返回相應的數(shù)據(jù),然后再根據(jù)權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)中最關鍵的一張表,它記錄了所有設備的所有開關機信息和狀態(tài)信息,是為管理員有效管理設備提供重要參考的一張表。系統(tǒng)各個節(jié)點一直檢測設備的狀態(tài),當設備狀態(tài)發(fā)生改變時,將發(fā)送信息到服務器,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:設備號、事件時間、設備狀態(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備號和控制命令。控制命令表如表3所示。
3 數(shù)據(jù)安全問題設計
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,在這里設置為AAFF。
設備號:各節(jié)點設備的編號,用來知道是哪個設備采集來的數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)長度:在本設計中,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表示設備狀態(tài)。
數(shù)據(jù):采集的設備狀態(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:設置為AAEE。
設備號:接受節(jié)點的編號。如果設備號為EE,則表示該命令需要廣播給網(wǎng)絡中的所有節(jié)點;如果設備號是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)容作相應的處理。命令-應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:
(1)用戶發(fā)送命令給目標節(jié)點。
?。?)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)送失敗的應答信息,用戶需要重新發(fā)送命令。
?。?)完成。
3.2 節(jié)點及服務器異常處理
3.2.1 節(jié)點異常處理
在網(wǎng)絡運行中,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。用戶可以通過預設的命令,在網(wǎng)絡中進行廣播,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)絡中移除或維修。
3.2.2 服務器異常處理
理論上,服務器應該是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,所以服務器停止工作時各節(jié)點的數(shù)據(jù)將不能發(fā)送到服務器數(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)送到服務器數(shù)據(jù)庫,如果數(shù)據(jù)發(fā)送成功,則服務器方面將把信息存儲在網(wǎng)絡數(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)取相應信息發(fā)送至服務器。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備作為實驗對象,對不同實驗室的不同設備進行編號,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)椒掌?,同時進行了服務器停止工作實驗,當恢復工作時可以將關閉時間的節(jié)點信息調(diào)出。
5 結(jié)論
本文首先介紹了檢測系統(tǒng)的總體設計,之后從通信協(xié)議的制定、節(jié)點和服務器異常的處理、傳輸數(shù)據(jù)的加密及存儲過程的設計四方面闡述了系統(tǒng)對數(shù)據(jù)安全方面的設計。通過實驗檢測,本文的設計可以使系統(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)。
參考文獻
[1] 蔡紹濱.無線傳感器網(wǎng)絡關鍵技術的研究與應用[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2011.
[2] 高品均,何光新.數(shù)據(jù)庫安全與保密[J].電子計算機,1996(1):33-36.
[3] 劉怡.數(shù)據(jù)庫安全與安全數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設計[J].網(wǎng)絡安全技術與應用,2001(1):28-30.
[4] 劉啟原,劉怡.數(shù)據(jù)庫與信息系統(tǒng)的安全(第1版)[M].北京:科學技術出版社,2000.
[5] 張躍廷,許文武,王小科.C#數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)完全手冊[M].北京:人民郵電出版社,2006.