基于IBE加密算法的遠程抄表系統的優化

王力，呂秀賓

(中國民航大學航空自動化學院，天津東麗300300)

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基于IBE加密算法的遠程抄表系統的優化

王力，呂秀賓

(中國民航大學航空自動化學院，天津東麗300300)

摘要:針對天津機場的能源計量系統在數據采集時，實際存在的部分表具仍然需要抄表人員去現場抄表的問題，設計了一種基于IBE加密算法進行通信加密的433 MHz射頻通信模塊子系統，實現了對主系統的優化。系統硬件采用C8051F310單片機和CC1101無線發射接收部分作為無線傳輸模塊，由數據傳輸單元通過GPRS網絡與上位機系統通信，實現對表具數據的遠程安全采集。最后展示了該子系統并入主系統后的實際運行效果。通過對該系統的優化，實現了通信安全的遠程抄表功能。

關鍵詞:433 MHz通信技術;遠程抄表; IBE加密算法;通信安全

0引言

目前國內主要自動抄表系統有電話線遠程抄表、電力載波遠程抄表和無線遠程抄表等[1]，由于各個遠程抄表系統應用的實際情況不同，具體應用時存在一定的問題，未能完全實現遠程抄表的預期效果，并且在網絡通信安全方面缺乏相應的研究[2]。

本文的主要目的是優化天津機場2014年5月投入使用的能源計量系統。該系統存在的主要問題是:考慮到設備成本，需要對存在的單獨表具進行人工抄表，由于表箱老化嚴重，在人工抄表時也存在一定的安全隱患。鑒于這種情況，設計一套針對這些單獨表具的基于433 MHz模塊的遠程抄表子系統。該系統采用射頻通信技術與GPRS通信技術混合的復合通信方式進行數據傳輸，解決了表具分散的問題，并通過對數據進行加密保證了通信的安全性。同時采用一種基于IBE方案的高效、安全的密鑰分配、加密解密的無線通信設計[3]，保證了433 MHz模塊的通信安全。

1基于IBE方案的加密算法

在所有安全機制中，加密技術是基礎，通過加密可以實現無線設備網絡認證、保密性、不可否認性和完整性等安全需求。現今針對無線網絡的密鑰管理方案有很多，如預置全局密鑰方案，計算復雜度低，但安全性較差;預置所有共享密鑰方案安全性最好，但是對存儲空間要求很高，并不利于加入新節點。基于無線設備的計算能力和存儲能力不強的現狀，本系統采用一種IBE加密方案。該方案采用的是離線分配密鑰，每個表具上無線裝置的私鑰信息是預先存儲的，攻擊者無法對離線私鑰分配機制發起私鑰申請的請求，所以該方案是安全的。

1．1方案的實現

Nq表示所有小于q的正整數組成的集合，Nq*表示模q的整數乘法群。假設G1．G2是2個階為大素數p的乘法循環群，e: G1* G1-G2為一個雙線性映射，I為用戶身份信息，I∈Np，明文信息M∈G2，在Nq中隨機選取α。初始化:計算g1= gα，其中g為隨機選的G1的生成元，在G1中隨機選取任意元素h，則{ g，g1，h}為系統公開參數，α為系統主密鑰。私鑰生成: I0表示表具地址，作為用戶身份信息，在Nq中任意選取元素r，則用戶私鑰為d0= ( g-1h)1/(α-I0);加密:使I0對屬于G2的明文M加密，選擇N中任一個元素t，計算密文C = ( gtg-tI，e( g，p10 g)t，Me( g，h)-t) ;解密:令C = ( C1，C2，C3)，由用戶的私鑰d0解密: M = C3* e( C1，d0) C2。

一致性驗證:

e( C1，d0) C2= e( g1tg-tI0，( g-1h)1 / (α-I0)) e( g，g)t= e( gt(α-I0)，( g-1h)1 / (α-I0)) e( g，g)t= e( g，g-1h)te( g，g)t= e( g，g)t，則: C3* e( C1，d0) C2= ( Me ( g，h)-t) e( g，g)t= M。

1．2離線分配密鑰

本系統采用表具設定的唯一地址作為身份信息，使用系統的主密鑰對每個表具上無線裝置的身份信息按照加密方案進行私鑰生成，并存儲在對應的無線裝置內。

1．3在線加密解密

系統抄表時，每個表具上安裝的無線裝置進行保密通信，發送方使用接收方的身份信息作為公鑰，按照加密方案中的加密算法對明文進行加密。接收方再按照加密方案中解密算法在密文中解出明文信息。

2系統總體設計

系統總體框圖如圖1所示，首先將無線發送裝置安裝到表具上，然后在根據實際情況，將DTU(數據傳輸單元)放置在合適的地點，保證與DTU連接的無線接收裝置在正常接收到無線信號的前提下，盡可能多地覆蓋到表具，最后DTU通過GPRS網絡，與連接到網絡的上位機建立連接。實現數據的遠程采集與運算分析。

圖1總體框圖

3系統硬件設計

3．1無線裝置的選用

集成無線收發芯片的單片機，這類單片機可以在一塊芯片上就能實現無線通信，不僅體積較小，而且節約資源，非常適合用于抄表，但是此類芯片成本相對比較高。

單獨無線收發芯片加單片機，這樣的搭配組合比較靈活，可以選用熟悉的芯片自由搭配，這種形式不僅便于開發，而且成本很低，有利于實現應用。基于實用性，本系統選擇采用這種形式的無線裝置。

3．2無線裝置的設計

單片機采用性能優良和價格低廉的C8051F310，無線發射接收部分采用CC1101，CC1101是TI公司推出的一款低成本單片射頻的UHF收發器，集成了一個軟件可編程的調制解調器，該調制解調器支持2-FSK、GFSK和MSK調制格式，數據傳輸率最高可達500 kbps，硬件支持數據包處理、數據緩沖、突發數據傳輸、清晰信道評估、連接質量知識和電磁波激發MCU可以通過SPI接口與CC1101進行命令和數據交換。無線裝置硬件連接圖如圖2和圖3所示。

圖2無線裝置硬件連接圖

圖3無線裝置硬件連接圖

3．3 DTU(數據傳輸單元)的選用

經過實驗與實際使用，深圳宏電生產的H7710系列的DTU，工作穩定可靠，安裝簡單、使用方便，通過配置參數，可安全實現用戶設備到數據中心遠程透明數據通信。本系統采用該設備作為數據傳輸單元。由于采集的是表具的數據，而表具的通信方式為485通信，則選擇通信方式為485的宏電DTU，宏電DTU進行配置時，不需要進行AT指令配置，可通過該公司提供的配置軟件，方便、直觀地進行配置，首先要配置好當前設備的識別碼，使得上位機能夠精確地識別到各個站點的DTU，其次對奇偶校驗位、波特率等參數進行設置，建立上位機與DTU之間的通信連接，安全實現數據的透明傳輸。

4系統軟件設計

4．1表具端無線裝置的軟件設計

程序首先進行CPU及無線部分的初始化，然后進入主循環程序開始掃描是否有喚醒信號，程序分2種狀態:平常狀態和抄表狀態。在平常狀態下，CPU只是檢測是否收到喚醒信號，當收到喚醒信號時，程序進入抄表狀態，開始抄表。

4．2 DTU端無線裝置軟件設計

本端無線裝置的主要功能是喚醒表具端的無線裝置，然后對表具端無線裝置發送來的加密數據進行解密，并驗證解密后明文中地址信息的正確性，若正確則將數據幀傳給DTU，否則丟棄數據幀。

4．3 DTU的軟件配置

抄表流程圖如圖4所示。

將DTU數據端通過485轉232轉換器與電腦連接，打開宏電提供的配置軟件，輸入初始值與登錄密碼后與DTU設備鏈接成功，設置好識別碼，識別碼的設置選擇用基于內置到DTU的手機號碼的自定義的一串數字，便于識別與后期繳費，以保證DTU設備的正常工作。選擇與上位機相應的傳輸方式，將波特率、奇偶校驗位等參數與上位機虛擬串口對應配置。DTU通過內置手機卡的GPRS無線網絡與連接到INTERNET網絡的上位機連接，將無線裝置的解密明文透明傳輸給上位機。通過DTU的自定義配置來保證數據傳輸的安全性。

圖4軟件流程圖

4．4上位機軟件的選用

上位機軟件采用的是北京亞控組態王，支持多種協議數據采集，支持GPRS、短信、OPC等通訊，運行高效、圖形系統內容豐富，內置報表系統，可定制實時和歷史報表，內置高性能歷史數據庫，滿足長時間數據存儲。

本系統上位機與DTU建立連接后，根據表具的內部寄存器的定義，建立變量。設置相關參數后與建立好的畫面關聯，通過網絡發布工具，實現抄表數據的遠程實時顯示、報表查詢與分析和金額計算等功能。

5系統測試

將子系統硬件結構搭建完成，各個單元正確連接。啟動上位機組態王工程，新建一個“商戶站點3”，配置相應參數，以便與子系統硬件設備連接。將子系統的變量添加進去，設置好相應的寄存器、電流比和電壓比等參數。運行系統，并進行網絡發布。此時客戶端計算機登錄發布網址后，可看到新站點已添加。對該站點進行測試，結果表明數據實時顯示和報表生成等功能運行正常，實現了遠程抄表功能。

6結束語

對天津機場能源計量系統進行了優化，使表具分散且使用不固定的問題得到了很好的解決。本文的系統方案可以為其他遠程抄表系統提供借鑒。比如可以經濟、有效地解決對廣大農村地區的表具進行遠程抄表時用戶比較分散的問題。同時也可以為其他用戶比較分散的數據采集系統如智能家居系統的實際應用提供借鑒。其中的IBE加密算法對其他應用廣泛的無線傳感器網絡，在通信安全上提供參考。如今遠程抄表的理論研究日趨成熟，但在實際應用時，在考慮成本、實際施工等工程因素方面還存在很多問題，需要進一步去完善。

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Optimization and Implementation of Remote Meter Reading System Based on IBE Encryption Algorithm

WANG Li，LV Xiu-bin

( Civil Aviation University of China，College of Aviation Automation，Dongli Tianjin 300300，China)

Abstract:Since some physical apparatus in the energy metering system for Tianjin airport cannot completely avoid manual reading on site in data acquisition，an IBE encryption algorithm is designed for communication encryption of 433 MHz RF communication module subsystem，to achieve the optimization of the master system．System hardware，using C8051F310 MCU and CC1101 radio transceiver as a wireless transmission module，is connected to host computer system by data transmission unit through GPRS network，to achieve secure and remote apparatus data collection．Finally，the actual operation effectiveness is presented for the subsystem incorporated into the master system．Through the optimization of the system，the remote meter reading is realized with secure communication．

Key words:433MHz Communication technology; Remote meter reading; IBE Encryption algorithm;Communication security

doi:book=94,ebook=2610．3969/j．issn．1003-3114．2016．01．25 book=89,ebook=2110．3969/j．issn．1003-3114．2016．01．24

作者簡介:王力( 1973—)，男，副教授，博士，主要研究方向:航空自動化分析與控制。呂秀賓( 1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向:模式識別與智能系統。

收稿日期:2015-08-10

中圖分類號:TN915

文獻標識碼:A

文章編號:1003-3114( 2016) 01-86-3