基于GSM的无线抄表系统安全性的设计

摘要：将GSM移动通信技术和Meter-Bus总线协议用于远程无线水表抄表系统，可以对用户用水量进行有效的实时监控，减少人力物力，简化布线，实现数据和能量共同传输。为了实现远程无线抄表，采用光电直读技术计量水表数据，Meter-Bus总线读取水表数据，GSM通信网络发送水表数据三者结合的方法，通过微控制器的综合管理，得到稳定可靠的远程无线抄表系统；对数据短信采用对称加密算法，CRC校验、插入随机数、异或、字节置换和映射的方法实施加密操作，提高了系统安全性，适合以MCU为核心的远程抄表系统。
关键词：无线抄表系统；光电直读技术；GSM；Meter-Bus；对称加密

0 引言
随着电子技术，通信技术和传感技术的不断综合发展，远程自动抄表系统应运而生，尤其在近几年发展十分迅猛。但目前国内远程抄表系统一般采用有线方式，有线抄表系统供电困难，尤其在环境恶劣的水表窖井中更为不便。其功耗较大，检修困难，一旦组网，维护成本较高，这将对今后智能化、节约化小区的建设带来极大不便，影响用户正常生活。
针对上述问题，利用GSM通信网络进行远程抄表，将用户用水量以短信的形式发送到自来水公司，不但可以解决普通用户水表的抄表问题，还可以对用水大户进行实时监控，防止偷水和管道泄漏的发生。但是GSM网络并没有启用A5对语音数据和信令进行加密，现有的GSM网络无法保障端到端之间的应用层安全，在这种非定向的无线传输环境下传送明文信息，很容易被人监听、冒用和篡改。用水大户用水量较大，准确的水表数据对自来水公司和用户都非常重要，万一在数据传送过程中被人截获篡改，将会给双方造成很大的经济损失，因此很有必要对数据消息进行加密，提高系统的安全性，确保数据传送无误。
针对上述问题，设计了基于GSM网络的无线远程抄表系统，给出了一套针对该系统数据加密的方法，提高了数据消息的可靠性。该方法简单实用，占用CPU资源较少，适合在以MCU为核心的嵌入式系统中使用，对嵌入式在通信网络中的应用与普及具有参考意义。

1 无线抄表系统的基础和总体设计
整个无线抄表系统包括光电直读式水表表头，Meter-Bus总线接口电路，GSM模块，微控制器和自来水公司计算机终控端五大部分，如图1所示。为了降低功耗，本设计中所有的模块不是一直处于工作状态，各个模块应在微控制器的指挥下定时工作。即抄表系统的所有模块的工作方式为“长时间休眠，短时间工作”。其中，休眠周期(小时、天、周、月)和加密密码由管理员用计算机终控端通过GSM模块发布。微控制器接收GSM模块收的指令后，修改抄表周期和加密密码。同时根据设定的抄表周期通过Meter-Bus接口电路控制光电直读水表表头读取当前的水量值，然后再以短信的形式用GSM通信网络发给计算机终端，实现定时自动抄表。

1．1 Meter-Bus总线
目前大部分光电直读水表通过Meter-Bus通信协议(欧洲标准)实现组网。Meter-Bus是专为“三表”抄表系统设计的总线协议，采用一主多从的结构。所有的从机并联在总线上，通过总线实现主从间的通信，并获得工作的电能。总线仅由一对双绞线构成，工作电压为24 V，由Meter-Bus主机提供。下行通信采用电压调制方式，上行通信采用电流调制的方法。
1．2 光电直读表头
光电直读技术是水表自动抄表系统中的一项重要突破。基于该技术水表的水量计量仍由传统的流量计式测量装置构成，读数也仍然可以采用人工方式完成。但它在传统的阿拉伯数字读数装置之外，增加了用黑白条印制的格雷码。格雷码和阿拉伯数字被印制在同一个桶装字轮上，且具有一一对应关系，读出格雷码所表示的数量就相当于读出了阿拉伯数字的大小，也就是读出了水量计量装置输出的水量值。因此可以采用单片机通过光电技术来读取黑白条表示的格雷码，从而实现自动抄表。该设计采用了单片机，并具有Meter-Bus接口光电直读水表表头模块，将水表数据以ASCII码读出，给GSM模块对信息的传输和MCU对数据的加密提供方便。
1．3 GSM通信网络
GSM(Global System of Mobile Communication，全球移动通讯系统)网络覆盖范围广、不需建立新基站、通信质量高。采用GSM短信抄表不占用语音信道，费用低，投资小，简单可靠，且不受距离限制。因此，该设计使用内核为TC35i(Siemens)的GSM MODEM，微控制器通过AT指令与其通信，利用GSM短信进行收发数据，实现远程抄表。
1．4 关于微控制器的考虑
系统的所有模块的工作方式为“长时间休眠，短时间工作”。经过斟酌，选择NXP公司的ARM7内核的LPC2132作为主控器。原因如下：集成了实时时钟功能(RTC)，能在CPU休眠时保持计时的功能，并能在设定的时刻通过中断唤醒CPU；功耗甚小，休眠时电流仅10μA左右；工作电流仅在1 mA／MIPS以下；含有足够控制GSM模块和存储历史数据所需的RAM。