基于北斗通信和4G通信的塔基安全监测终端及数据传输方法与流程

基于北斗通信和4g通信的塔基安全监测终端及数据传输方法
技术领域
1.本发明属于电力系统通信领域。


背景技术：

2.目前电力行业的数据通信主要依靠无线电台及通讯网络，而在偏远或复杂地形的位置难以实现全覆盖。斗卫星导航系统(beidou navigation satellite system,北斗s)是我国建立的拥有完全自主产权的全球卫星导航系统，具有导航定位、数据报文通信及标准授时等多项功能，是当前仅有的四大卫星导航系统之一[1]。北斗卫星导航系统的建立从根本上改变了我国导航定位受制于人的局面，对于我们国家的经济发展以及国防现代化建设具有非同寻常的意义。因此可以考虑采用北斗短报文通讯来代替现有的电力数据传输。
[0003]
北斗短报文传输过程中用户需传输数据直接由终端机进行转发，没有进行安全加密措施，用户传输数据在用户、终端、卫星间的传递，均未采取任何安全加密措施，在北斗系统调制频率，信息传输格式等基本信息均为公开的情况下，这样的传输方式使得用户传输数据存在泄漏、篡改和被窃取的风险，具有安全隐患。


技术实现要素：

[0004]
本发明要解决的技术问题是：针对电力行业的数据传输在偏远地区难以实现的问题，提供了一种可以在没有4g通讯信号时用北斗传输电力数据的数据采集终端及相应的数据传输方法。
[0005]
本发明的技术方案是：
[0006]
一种基于北斗通信和4g通信的塔基安全监测终端，包括微处理器，微处理器处理器分别与4g模块、北斗通信模块、人机交互模块，传感器模块通信连接。
[0007]
微处理器模块采集传感器数据，将数据压缩加密后，通过4g模块或北斗模块发送。
[0008]
所述传感器模块包括位移信号采集模块、沉降信号采集模块、应力信号采集模块和渗透压信号采集模块，各个传感信号传输到数据打包模块中，由通信控制模块选择4g通信或北斗通信，若选择4g通信则将打包后的数据依次通过4g通信数据加密模块、4g通信数据控制帧插入模块、tcp打包模块后进行4g通信传输；若选择北斗通信，则将打包后的数据依次通过北斗通信数据加密模块、北斗通信数据分包模块、北斗通信数据控字插入模块后进行北斗通信传输。
[0009]
数据打包模块将数据打包成4g通信可用数据包和北斗通信可用数据包，对接收到的位移数据，沉降数据、应力数据、渗透压数据打包成4g数据包和bd数据包；
[0010]
4g通信数据加密模块将获得的4g数据包进行加密获得加密4g数据包，所述加密4g数据包是使用对称加密算法，将原有的信息数据改变，由明文变成密文；
[0011]
4g通信数据控制帧插入模块在加密4g数据包基础上加上4g通信报文控制帧形成4g通信报文，所述4g通信报文是在所述加密4g数据包之前插入2字节固定帧头，4字节负载长度；
[0012]
tcp数据打包模块将接收到的4g通信报文打包成标准tcp通信报文帧送至互联网络上进行传输；
[0013]
北斗通信数据加密模块将获取的bd数据包加密成加密bd数据包，使用对称加密算法，将原有的信息数据改变，由明文变成密文；
[0014]
北斗通信数据包模块将接收到的加密bd数据包分包成大小为200字节的加密bd数据包组，所述加密bd数据包组包含若干个加密小包；
[0015]
北斗通信数据控制字插入模块对加密bd数据包组中的若干个加密小包插入控制字，形成若干个bd通信报文送至北斗网络中传输，bd通信报文是在加密小包之前插入固定帧头，发信方id，收信方地址，保密要求，回执标志，电文长度，在加密小包之后加入校验和；
[0016]
通信控制模块根据控制信号选择4g通信或北斗通信，所述控制信号来自预定的程序设计，所述程序是能够判断当前4g网络是否正常。
[0017]
所述4g数据包是大小小于1500字节的满足json标准的ascii字符串，所述bd数据包是大小小于1500的ascii字符串表示的16进制字节流。
[0018]
一种基于北斗通信和4g通信的塔基安全监测数据传输方法，采用上述的塔基安全监测终端进行数据传输，数据传输时首先选择4g通信，若4g通信传输失败选择北斗通信进行传输。
[0019]
用序列密码算法对北斗短报文明文中的每一个字节进行加密，加密步骤为：获取北斗短报文明文pt；根据序列密码算法获取密匙流ks；从密匙流ks中取出子密匙ksi，从短报文明文pt中取出明文字符pti；利用pti和ksi生成加密密文cti；判断cti是否属于加密有效字符，若不是则重新利用pti和ksi生成新的加密密文cti；所有pti都加密完成后得到由cti组成的加密密文ct。
[0020]
使用如下步骤加密循环对pti进行加密：
[0021]
(1)获取除数k,除数k满足1《(256/k)《96且k为整数，在k满足(256/k)《96时，k越小越好；
[0022]
(2)对子密钥ksi运算，获取加密子密钥nksi，nksi＝ksi/k，其中nksi和ksi为整数，该运算用ksi除以除数k做取整操作；
[0023]
(3)利用获取到的第i位加密子密钥nksi与第i位的北斗短报文明文字符pti生成暂定加密字符tcti，具体方式为，将第i位加密子密钥nksi和北斗短报文明文第i位字符pti的ascii码值相加得到加密ascii码值tctia，若tctia》c96a时，tctia＝ksi ptia
–
c96a c1a-1，若tctia的值小于等于c96a，则tctia就使用该结果值，查询ascii码表根据tctia值获取暂定加密字符tcti,其中下标a表示该参数为该字符的ascii码值；
[0024]
(4)判断暂定加密字符tcti是否属于北斗短报文有效字符集内，即tcti满足tcti∈c且
[0025]
(5)若暂定加密字符tcti满足tcti∈c且则判定该字符为北斗短报文明文第i位明文字符pti的加密字符cti；
[0026]
(6)若暂定加密字符tcti不满足tcti∈c且则将暂定加密字符tcti的ascii码值tctia值在加上nksi，得到的新值赋给tctia，若tctia》c96a时，tctia＝tctia
–
c96a c1a-1，若tctia的值小于等于c96a，则tctia就使用该结果值，根据新的tacia查询
ascii码表获取新的暂定加密字符tcti，之后重复步骤(4)。
[0027]
使用如下步骤加密循环对cti进行解密：获取北斗短报密文ct；根据序列密码算法获取密匙流ks，从密匙流ks中取出子密匙ksi，从短报文明文ct中取出明文字符cti；利用cti和ksi生成解密密文pti；判断每个pti是否属于解密有效字符，若不是则利用cti和ksi得到新的解密密文pti直至所有cti都解密完成；将pti组成解密密文pt。
[0028]
使用如下加密循环对cti进行解密：
[0029]
(1)获取与加密时使用的除数k的k值应；
[0030]
(2)对子密钥ksi运算获取加密子密钥nksi，nksi＝ksi/k，其中nksi和ksi为整数，该运算用ksi除以除数k做取整操作；
[0031]
(3)利用获取到的第i位加密子密钥nksi与第i位的北斗短报文密文字符cti生成暂定解密字符tpti，具体方式如下，将北斗短报文密文第i位加密字符ctia减去第i位加密子密钥nksi得到解密tptia，若tptia小于c1a的值，tptia＝c96-(c1
–
(cti-nksi)) 1,若tptia大于c1a则tptia就使用该结果值，查询ascii码表根据tptia值获取暂定解密字符tpti.；
[0032]
(4)判断暂定解密字符tpti是否属于北斗短报文有效字符集内，即tpti满足tpti∈c且
[0033]
(5)若暂定解密字符tpti满足tpti∈c且则判定该字符为北斗短报文密文第i位密文字符cti的解密字符pti；
[0034]
(6)若暂定解密字符tpti满足tpti∈c且则将暂定解密字符tptia减去nksi，得到的新值赋给tpti，若tptia小于c1a的值，tptia＝c96-(c1
–
tptia) 1,若tptia大于c1a则tptia就使用该结果值，根据新的tptia查询ascii码表获取新的暂定解密字符tpti，之后重复步骤(4)。
[0035]
本发明的有益效果：
[0036]
本发明将北斗的短文通讯与无线电台及通讯网络信息集成多通道应急通讯模块，并对多通道数据的分包、压缩、解压、数据加密和解密进行研究，可以在4g信号覆盖不到的偏远地区实现通过北斗数据传输，解决了偏远地区数据传输的难题。
[0037]
提出的基于北斗短报文加解密方法，该方法使用序列密码算法对北斗短报文进行数据加密，可保证所述加密密文数据全部包含在北斗短报文有效字符集(不包含预留字符)内，同时该方法不增加加密数据长度，不存在加密失败的可能性，具有较高的可靠性和加密效率。。
附图说明
[0038]
图1是终端的结构示意图。
[0039]
图2是终端的工作原理图。
[0040]
图3是数据传输的逻辑图。
[0041]
图4是加密流程图。
[0042]
图5是解密流程图。
具体实施方式
[0043]
实施例：如图1，塔基安全监测终端包括微处理器，4g模块，北斗通信模块，传感器模块，存储模块，人机交互模块。所述微处理器分别与4g模块、北斗通信模块、人机交互模块，传感器模块通信连接。处理器模块采集传感器数据，将数据压缩加密后，通过4g模块或北斗模块发送。
[0044]
如图2塔基安全监测终端及方法中的数据传输过程图。其中数据传输过程包括：位移信号采集模块1，沉降信号采集模块2，应力信号采集模块3，渗透压信号采集模块4，数据打包模块5，4g通信数据加密模块6，4g通信数据控制帧插入模块7，tcp数据打包模块8，北斗通信数据加密模块9，北斗通信分数据分包模块10，北斗通信数据控制字插入模块11，通信切换模块12。数据打包模块5连接位移信号采集模块1、沉降信号采集模块2、应力信号采集模块3，渗透压信号采集模块4，以分别接收位移数据、沉降数据、应力数据和渗透压数据，数据打包模块将数据打包成4g通信可用数据包和北斗通信可用数据包，4g通信可用数据包依次发送给4g数据加密模块6、4g通信数据控制帧插入模块、tcp数据打包模块8，以获得4g传输报文，或将北斗通信数据包依次发送给北斗数据加密模块9、北斗通信数据控制字插入模块10，以获得北斗传输报文。进一步的，所述北斗通信和4g通信的塔基安全监测终端及方法中数据传输还包括，位移信号采集模块1，采集塔基地质位移信号并进行模数转换，发送包含位移信号的16进制字节流数据，沉降信号采集模块2采集塔基地质沉降信号并进行模数转换，发送包含沉降信号的16进制字节流数据，应力信号采集模块3，采集塔基钢筋混泥土中钢筋应力信号并进行模数转换，发送包含应力信号的16进制字节流数据，渗透压信号采集模块采集塔基地质地下水渗透压信号并进行模数转换，发送包含渗透压信号的16进制字节流数据。数据打包模块5，连接所述位移信号采集模块1，所述沉降信号采集模块2、所述应力信号采集模块3、所述渗透压信号采集模块4，对接收到的位移数据，沉降数据、应力数据、渗透压数据打包成4g数据包和bd数据包，
[0045]
所述4g数据包是大小小于1500字节的满足json标准的ascii字符串，所述bd数据包是大小小于1500的ascii字符串表示的16进制字节流。
[0046]
4g通信数据加密模块6连接到所述的数据打包模块5以获得打包后的4g数据包，并将获得的4g数据包进行加密获得加密4g数据包，所述加密4g数据包是使用对称加密算法，将原有的信息数据改变，由明文变成密文。
[0047]
所述4g通信数据控制帧插入模块7连接所述4g通信数据加密模块6以接收加密4g数据包，并在加密4g数据包基础上加上4g通信报文控制帧形成4g通信报文，确保接收端可以正常收到4g加密数据包，所述4g通信报文是在所述加密4g数据包之前插入2字节固定帧头，4字节负载长度，所述负载长度指的是4g加密数据包字节数量，tcp数据打包模块8连接所述4g通信数据控制帧插入模块7，以接收4g通信报文,并将接收到的4g通信报文打包成标准tcp通信报文帧送至互联网络上进行传输；所
[0048]
述北斗通信数据加密模块9连接所述数据打包模块5，以获取所述bd数据包，并将获取的bd数据包加密成加密bd数据包，所述加密bd数据包是使用对称加密算法，将原有的信息数据改变，由明文变成密文，
[0049]
所述北斗通信分包模块10连接所述北斗数据加密模块9，以接收加密bd数据包，所述北斗通信数据包模块10将接收到的加密bd数据包分包成大小为200字节的加密bd数据包
组，所述加密bd数据包组包含若干个加密小包，所述北斗通信数据控制字插入模块11连接北斗数据分包模块10，接收来自北斗数据分包模块10的加密bd数据包组，并对加密bd数据包组中的若干个加密小包插入控制字，形成若干个bd通信报文送至北斗网络中传输，所述bd通信报文是在加密小包之前插入固定帧头，发信方id，收信方地址，保密要求，回执标志，电文长度，在加密小包之后加入校验和，其中所述电文长度指的是加密小包的数据字节数量；所述通信切换模块12，连接4g通信数据加密模块6，4g通信数据控制帧插入模块7，tcp数据打包模块8，北斗数据通信数据加密模块9，北斗数据分包模块10，北斗通信数据控制字插入模块11，所述通信控制模块12根据控制信号确定将数据打包模块生成的4g数据包送入4g通信数据加密模块6，4g通信数据控制帧插入模块7，tcp数据打包模块8依次处理，并通过4g网络发送，还是将bd数据包送入北斗通信加密模块9，北斗通信分包模块10，北斗数据控制字插入模块11依次进行处理，并通过北斗网络进行发送。所述控制信号来自预定的程序设计，所述程序是能够判断当前4g网络是否正常，4g网络正常使用4g网络发送数据包，4g网络不正常使用北斗网络发送数据包。
[0050]
如图3基于北斗通信和4g通信的塔基安全监测数据传输方法：数据传输开始，首先使用4g传输，若4g传输成功则数据传输结束；若4g传输失败则继续尝试4g传输，失败3次后采用北斗传输；若北斗传输成功则数据传输结束；若北斗传输失败则继续尝试北斗传输，失败3次后存储数据结束数据传输。
[0051]
在采用北斗传输时的对数据进行加密：
[0052]
1、获取未加密的北斗短报文明文，北斗短报文是一个明文可读ascii字符串，可表示为pt＝pt1,pt2,pt3,
……
,ptn，其中n表示该北斗短报文的字符长度为n个字节，其中用pti表示其中第i位明文字符，并且参数1≤i≤n。在所述北斗短报文明文中，所有字符均在北斗短报文协议有效字符集当中但不属于其中预留字符集，其中有效字符集可表示为c＝{c1,c2,
……
,ce},其中e为有效字符集字符个数，c1到ce其ascii码值依次增大，c1的ascii码值最小，ce的ascii码值最大；cr＝{cr1,cr2,
…
,crf},其中f为预留字符集个数，有pti∈c且}，在2017-09-29发布的《道路运输车辆卫星定位系统北斗兼容卫星定位模块》第二部分中规定，北斗短报文通信有效字符共96个，其中预留字符8个，即e＝96，f＝8，可参见标准jt/t 1159.2-2017。
[0053]
2、根据1所述的北斗短报文明文，获取待加密的北斗短报文明文长度n，根据序列密码算法生成长度大于或等于北斗短报文字节长度的密钥流，可表示为，ks＝ks1,ks2,
……
,ksj；其中j为加密密钥流的字节长度，有j≥n，其中用ksi表示其中第i位密钥数据，本发明称其为子密钥；序列密码也称为流密码(stream cipher)，它是对称密码算法的一种。序列密码具有实现简单、便于硬件实施、加解密处理速度快、没有或只有有限的错误传播等特点，因此在实际应用中，特别是专用或机密机构中保持着优势，典型的应用领域包括无线通信、外交通信。
[0054]
3、利用密钥流对北斗短报文明文pt中的每一个字节进行加密，对于北斗短报文明文字符串pt中的第i位的任意字符pti，使用如下加密循环对pti进行加密
[0055]
(1)获取除数k,满足1《(256/k)《96，k为整数，在本发明中在k满足(256/k)《96时，k越小越好。
[0056]
(2)对子密钥ksi运算获取加密子密钥nksi，nksi＝ksi/k，其中nksi和ksi为整数，
该运算用ksi除以除数k做取整操作。
[0057]
(3)利用获取到的第i位加密子密钥nksi与第i位的北斗短报文明文字符pti生成暂定加密字符tcti，具体方式如下，将第i位加密子密钥nksi和北斗短报文明文第i位字符pti的ascii码值相加得到加密ascii码值tctia，若tctia》c96a时，tctia＝ksi ptia
–
c96a c1a-1，若tctia的值小于等于c96a，则tctia就使用该结果值，查询ascii码表根据tctia值获取暂定加密字符tcti,其中下标a表示该参数为该字符的ascii码值。
[0058]
(4)判断暂定加密字符tcti是否属于北斗短报文有效字符集内，即tcti满足tcti∈c且
[0059]
(5)若暂定加密字符tcti满足tcti∈c且则判定该字符为北斗短报文明文第i位明文字符pti的加密字符cti。
[0060]
(6)若暂定加密字符tcti不满足tcti∈c且则将暂定加密字符tcti的ascii码值tctia值在加上nksi，得到的新值赋给tctia，若tctia》c96a时，tctia＝tctia
–
c96a c1a-1，若tctia的值小于等于c96a，则tctia就使用该结果值，根据新的tacia查询ascii码表获取新的暂定加密字符tcti，之后重复步骤(4)。
[0061]
在上述加密过程中，nksi小于96的条件并且，有效字符为96，因此该运算必定会得到一个加密字符tcti满足条件tcti∈c且不存在加密失败的情况。经过上述步骤1-6可得到任意第i位北斗短报文明文字符pti所对应的密文字符cti，经过n次循环，可将n位长度的北斗短报文明文pt装换成n位长度的北斗短报文密文ct。
[0062]
北斗短报文解密是北斗短报文加密的逆向操作，其中参数的含义与上述加密参数保持一致，解密过程参考使用以下几个步骤：
[0063]
1、获取北斗短报文密文，北斗短报文是一个明文可读ascii字符串，可表示为ct＝ct1,ct2,ct3,
……
,ctn，其中用cti表示其中第i位密文字符。对于任意的cti都有cti∈c且}。
[0064]
2、根据北斗短报文密文，获取待解密的北斗短报文密文长度n，根据序列密码算法生成长度大于或等于北斗短报文字节长度的密钥流，与加密参数一样，用ks表示密钥流，ksi表示其中第i位密钥数据。
[0065]
3、利用密钥流对北斗短报文密文ct中的每一个字节进行加密，对于北斗短报文密文字符串ct中的第i位的任意字符cti，使用如下加密循环对cti进行解密
[0066]
(1)获取除数k，k与加密时使用的k值应相同
[0067]
(2)对子密钥ksi运算获取加密子密钥nksi，nksi＝ksi/k，其中nksi和ksi为整数，该运算用ksi除以除数k做取整操作。
[0068]
(3)利用获取到的第i位加密子密钥nksi与第i位的北斗短报文密文字符cti生成暂定解密字符tpti，具体方式如下，将北斗短报文密文第i位加密字符ctia减去第i位加密子密钥nksi得到解密tptia，若tptia小于c1a的值，tptia＝c96-(c1
–
(cti-nksi)) 1,若tptia大于c1a则tptia就使用该结果值，查询ascii码表根据tptia值获取暂定解密字符tpti.。
[0069]
(4)判断暂定解密字符tpti是否属于北斗短报文有效字符集内，即tpti满足tpti∈c且
[0070]
(5)若暂定解密字符tpti满足tpti∈c且则判定该字符为北斗短报文密文第i位密文字符cti的解密字符pti。
[0071]
(6)若暂定解密字符tpti满足tpti∈c且则将暂定解密字符tptia减去nksi，得到的新值赋给tpti，若tptia小于c1a的值，tptia＝c96-(c1
–
tptia) 1,若tptia大于c1a则tptia就使用该结果值，根据新的tptia查询ascii码表获取新的暂定解密字符tpti，之后重复步骤(4)。
[0072]
经过上述步骤1-6可得到任意第i位北斗短报文密文字符cti所对应的明字符pti，经过n次循环，可将n位长度的北斗短报文密文ct装换成n位长度的北斗短报文明文ct。
[0073]
对长度为3北斗短报文明文的加密实施示例
[0074]
1、获取北斗短报文明文pt,长度为n，所述的北斗短报文明文中所有字符都满足关系{x|x∈c且}；如要加密的北斗短报文明文为，pt＝0，a，o，所述该短报文明文不包含预留字符cr且所有字符都属于c，其中n＝3；
[0075]
2、获取加密密钥流，本实施实例中选用rc4算法获取密钥流，rc4是一种对称密码算法，它属于对称密码算法中的序列密码(streamcipher,也称为流密码)，它是可变密钥长度，面向字节操作的流密码。所述rc4算法吗，先初始化状态向量s，之后初始密钥长度任意，对状态向量s进行置换操作，生成长度为北斗短报文pt长度为n的密钥流ks＝ks1，ks2，
……
，kn；如根据实施1中所述北斗短报文明文，生成长度为3的密钥流ks＝03h,46h,3fh；其中h代表该数据为16进制。
[0076]
3、利用密钥流ks将北斗短报文明文pt中的每一字节加密
[0077]
(1)获取k值，在本实施中取3
[0078]
(2)对子密钥ksi运算获取加密子密钥nksi，nksi＝ksi/3，其中nksi和ksi为整数，该运算用ksi除以除数k做取整操作。如实施步骤2所示密钥，则nks2＝23，nks3＝21；
[0079]
(3)利用加密子密钥ksi和pti生成加密字符cti，在本实施中，如对明文字符pt2运算得到tct2a＝71，根据加密所述方法得到加密备选字符tct2＝
‘
x
‘
，对明文字符pt3运算得到tct3a＝36，根据加密所述方法得到加密备选字符tct3＝
‘
$
‘
[0080]
(4)在上述实例中暂定加密字符tct2满足tct2∈c且北斗明文字符pt2所对应的密文字符为’x’[0081]
(5)暂定加密字符tct3不满足tct3∈c且按照加密方法所述的重新生成加密字符，tct3＝
‘9‘
。
[0082]
根据上述加密方法，可得上述北斗短报文明文pt＝0，a，n所对应的密文为ct＝1，x，9。
[0083]
基于序列密码的北斗短报文加解密方法，对长度为3北斗短报文密文的解密实施示例
[0084]
4、获取北斗短报文密文ct,长度为n，所述的北斗短报文明文中所有字符都满足关系{x|x∈c且}；如要解密的北斗短报文密文为，pt＝1，x，9，所述该短报文密文不包含预留字符cr且所有字符都属于c，其中n＝3；
[0085]
5、获取解密密钥流，本实施实例中选用rc4算法获取密钥流，rc4是一种对称密码算法，它属于对称密码算法中的序列密码(streamcipher,也称为流密码)，它是可变密钥长
度，面向字节操作的流密码。所述rc4算法吗，先初始化状态向量s，之后初始密钥长度任意，对状态向量s进行置换操作，生成长度为北斗短报文pt长度为n的密钥流ks＝ks1，ks2，
……
，kn；如根据实施1中所述北斗短报文密文，生成长度为3的密钥流ks＝03h,46h,3fh；其中h代表该数据为16进制，上述长度为3的解密密钥流是使用上述加密密钥流相同的密钥，rc4属于对称加密，则生成相同的解密密钥流。
[0086]
6、利用密钥流ks将北斗短报文明文ct中的每一字解密密
[0087]
(6)获取k值，根据约定，k值与上述加密k值保持相同中取3
[0088]
(7)对子密钥ksi运算获取加密子密钥nksi，nksi＝ksi/3，其中nksi和ksi为整数，该运算用ksi除以除数k做取整操作。如实施步骤2所示密钥，则nks2＝23，nks3＝21；
[0089]
(8)利用加密子密钥ksi和cti生成明文字符pti，在本实施中，如对密文字符ct2运算得到tpt2a＝65，根据解密所述方法得到解密备选字符tpt2＝
‘a‘
，对密文字符ct3运算得到tpt3a＝36，根据加密所述方法得到解密备选字符tct3＝
‘
$
‘
[0090]
(9)在上述实例中暂定解密字符tpt2满足tct2∈c且北斗明文字符pt2所对应的密文字符为’a’[0091]
(10)暂定解密字符tpt3不满足tct3∈c且按照解密方法所述的重新生成解密字符，tct3＝
‘0‘
。
[0092]
根据上述加密方法，可得上述北斗短报文密文ct＝1，x，9所对应的明文为pt＝0，a，o。