基于GSM的無線抄表系統安全性的設計

摘要：將GSM移動通信技術和Meter-Bus總線協議用于遠程無線水表抄表系統，可以對用戶用水量進行有效的實時監控，減少人力物力，簡化布線，實現數據和能量共同傳輸。為了實現遠程無線抄表，采用光電直讀技術計量水表數據，Meter-Bus總線讀取水表數據，GSM通信網絡發送水表數據三者結合的方法，通過微控制器的綜合管理，得到穩定可靠的遠程無線抄表系統；對數據短信采用對稱加密算法，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。
關鍵詞：無線抄表系統；光電直讀技術；GSM；Meter-Bus；對稱加密

0 引言
隨著電子技術，通信技術和傳感技術的不斷綜合發展，遠程自動抄表系統應運而生，尤其在近幾年發展十分迅猛。但目前國內遠程抄表系統一般采用有線方式，有線抄表系統供電困難，尤其在環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，維護成本較高，這將對今后智能化、節約化小區的建設帶來極大不便，影響用戶正常生活。
針對上述問題，利用GSM通信網絡進行遠程抄表，將用戶用水量以短信的形式發送到自來水公司，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控，防止偷水和管道泄漏的發生。但是GSM網絡并沒有啟用A5對語音數據和信令進行加密，現有的GSM網絡無法保障端到端之間的應用層安全，在這種非定向的無線傳輸環境下傳送明文信息，很容易被人監聽、冒用和篡改。用水大戶用水量較大，準確的水表數據對自來水公司和用戶都非常重要，萬一在數據傳送過程中被人截獲篡改，將會給雙方造成很大的經濟損失，因此很有必要對數據消息進行加密，提高系統的安全性，確保數據傳送無誤。
針對上述問題，設計了基于GSM網絡的無線遠程抄表系統，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。該方法簡單實用，占用CPU資源較少，適合在以MCU為核心的嵌入式系統中使用，對嵌入式在通信網絡中的應用與普及具有參考意義。

1 無線抄表系統的基礎和總體設計
整個無線抄表系統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，本設計中所有的模塊不是一直處于工作狀態，各個模塊應在微控制器的指揮下定時工作。即抄表系統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。同時根據設定的抄表周期通過Meter-Bus接口電路控制光電直讀水表表頭讀取當前的水量值，然后再以短信的形式用GSM通信網絡發給計算機終端，實現定時自動抄表。

1．1 Meter-Bus總線
目前大部分光電直讀水表通過Meter-Bus通信協議(歐洲標準)實現組網。Meter-Bus是專為“三表”抄表系統設計的總線協議，采用一主多從的結構。所有的從機并聯在總線上，通過總線實現主從間的通信，并獲得工作的電能。總線僅由一對雙絞線構成，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
光電直讀技術是水表自動抄表系統中的一項重要突破。基于該技術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桶裝字輪上，且具有一一對應關系，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光電技術來讀取黑白條表示的格雷碼，從而實現自動抄表。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通信網絡
GSM(Global System of Mobile Communication，全球移動通訊系統)網絡覆蓋范圍廣、不需建立新基站、通信質量高。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，該設計使用內核為TC35i(Siemens)的GSM MODEM，微控制器通過AT指令與其通信，利用GSM短信進行收發數據，實現遠程抄表。