基于AES算法的遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1.江南大學(xué) 輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122；2.江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

在人類生產(chǎn)和生活中，水是不可替代的重要資源。然而，在人類活動(dòng)中排出的大量污水對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了巨大危害，人類面臨的水污染形勢(shì)越來越嚴(yán)重。因此,迫切需要設(shè)計(jì)一種水質(zhì)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，以便實(shí)時(shí)了解水質(zhì)狀況，調(diào)控水質(zhì)，減輕水污染帶來的危害[1]。另一方面，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，研究人員從大數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值信息的應(yīng)用變得非常豐富，給人們的生活帶來了極大便利。然而，隨著數(shù)據(jù)泄露事件的屢屢發(fā)生，對(duì)信息安全的要求也在不斷提高[2]。保護(hù)信息安全、防止數(shù)據(jù)泄露、保證系統(tǒng)的正常運(yùn)作是當(dāng)前水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的一項(xiàng)重點(diǎn)要求。

傳統(tǒng)的人工儀表測(cè)量操作，存在耗時(shí)耗力、監(jiān)測(cè)周期過長(zhǎng)以及數(shù)據(jù)分析復(fù)雜等缺點(diǎn)。為解決以上問題，國內(nèi)已經(jīng)開展了對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用研究。韓玉冰等人提出了一種針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以對(duì)大范圍區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且布線簡(jiǎn)單方便[3]。張龍苗等人設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)醫(yī)院供水管網(wǎng)的水質(zhì)，具有通信可靠、應(yīng)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[4]。董浩等人以STM32為處理器，結(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種微型水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，用以監(jiān)測(cè)家庭廢水的水質(zhì)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性[5]。但上述水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都忽略了信息安全方面，數(shù)據(jù)完全透明化地在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，存在被竊取記錄的風(fēng)險(xiǎn)。故以溫度、pH值、溶解氧濃度為監(jiān)測(cè)對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，并增加了AES加解密環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)安全性，可以有效降低信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

1 AES算法簡(jiǎn)介

AES是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所確立的傳統(tǒng)對(duì)稱密碼算法[6]。它屬于迭代型分組密碼算法。其數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度和密鑰長(zhǎng)度并非唯一，而可以指定為128位、192位、256位，相對(duì)應(yīng)地，需要進(jìn)行10輪、12輪、14輪迭代加密運(yùn)算。每輪迭代運(yùn)算都是由4個(gè)變換組成[6]：S盒變換(SubBytes)、行移位變換(ShiftRows)、列混合變換(MixColumns)、輪密鑰加變換(AddRoundKey)。

由于所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中終端節(jié)點(diǎn)資源限制，所以節(jié)點(diǎn)中運(yùn)行的密碼算法是占用資源較低的128位AES算法(簡(jiǎn)記為AES-128)。

1.1 AES算法整體實(shí)現(xiàn)

在AES-128加密過程中，數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度為128位，需要將明文劃分為若干個(gè)16字節(jié)的明文數(shù)據(jù)段。以其中一個(gè)數(shù)據(jù)段P為例，16個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)記為Px，其中x∈[0,15]。按照從上到下，從左至右的順序依次排列成4×4的矩陣，并將它復(fù)制到狀態(tài)矩陣State中。在隨后的10輪迭代變換中，矩陣State會(huì)被不斷更新，直到最后一步變換結(jié)束，再將狀態(tài)矩陣復(fù)制到密文矩陣C中。取出矩陣C中的內(nèi)容，就可以得到加密內(nèi)容。

與加密相比，在解密過程中，除了輪密鑰加變換不變之外，對(duì)其他三種變換求逆變換即可[7]。

1.2 AES迭代變換介紹

1.2.1 S盒變換

使用一個(gè)被稱為S盒的表格，對(duì)狀態(tài)矩陣State中的每一個(gè)字節(jié)進(jìn)行查表替換操作。在替換某一字節(jié)時(shí)，先將該字節(jié)的高4位作為行值，低4位作為列值，然后帶入S盒中查找出對(duì)應(yīng)的元素并替換該字節(jié)。而S盒中的元素則結(jié)合了有限域GF(28)乘法逆元及可逆的仿射變換矩陣[8]。

1.2.2 行移位變換

行移位變換是將狀態(tài)矩陣State中的每一行進(jìn)行固定單位的循環(huán)偏移，而偏移的單位是字節(jié)。通常的操作步驟是狀態(tài)矩陣的第1行保持不變，第2行向左循環(huán)偏移1個(gè)字節(jié)，第3行向左循環(huán)偏移2個(gè)字節(jié)，第4行向左循環(huán)偏移3個(gè)字節(jié)[8]。

1.2.3 列混合變換

列混合變換可以對(duì)狀態(tài)矩陣State的各列起到混淆的作用。將狀態(tài)矩陣State的列視為GF(28)上的多項(xiàng)式s(x),變換公式為

s′(x)=c(x)·s(x)mod(x4+1)

(1)

其中常數(shù)多項(xiàng)式c(x)={03}·x3+{01}·x2+{01}·x+{02}，多項(xiàng)式系數(shù)都是以十六進(jìn)制的形式表示的[8]。

1.2.4 輪密鑰加變換

輪密鑰加變換就是將輪密鑰與狀態(tài)矩陣State進(jìn)行異或操作，而輪密鑰則是由密鑰K通過密鑰擴(kuò)展算法得到的[8]。

1.3 AES密鑰擴(kuò)展算法介紹

對(duì)于AES-128，密鑰長(zhǎng)度是16個(gè)字節(jié)，通常將密鑰K的每個(gè)字節(jié)按照從上到下、從左至右的順序表示成4×4的矩陣，將矩陣的每一列視為一個(gè)字，并且依次命名為W[0]，W[1]，W[2]，W[3]。密鑰擴(kuò)展算法可以將4列原始密鑰擴(kuò)展成44列的密鑰W[i]，其中i∈[0,43]。擴(kuò)展算法有兩種計(jì)算方式，具體等式如下：當(dāng)i的數(shù)值不能被4整除時(shí)，則第i列密鑰由式(2)確定[8]。

W[i]=W[i-4]⊕W[i-1]

(2)

當(dāng)i是4的倍數(shù)時(shí)，由式(3)確定第i列密鑰。

W[i]=W[i-4]⊕SubBytes(RotBytes(W[i-1]))⊕Rcon[i/4]

(3)

式中，⊕表示異或運(yùn)算;RotBytes函數(shù)是循環(huán)移動(dòng)一個(gè)字節(jié)；SubBytes則是對(duì)每個(gè)字節(jié)進(jìn)行S盒替換；Rcon[i/4]為輪常量[8]。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)主要包括終端節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器端以及用戶端三個(gè)部分。終端節(jié)點(diǎn)主要將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行AES加密，然后通過GPRS無線傳輸模塊傳輸至云服務(wù)器。云服務(wù)器通過運(yùn)行后臺(tái)程序，將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫中，并為用戶端提供訪問接口。用戶可以通過網(wǎng)頁瀏覽器登錄訪問云服務(wù)器，實(shí)時(shí)監(jiān)控水質(zhì)數(shù)據(jù)。另外，為了擴(kuò)展控制器件的接入，終端節(jié)點(diǎn)還增加了繼電器控制功能，方便用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

3 終端節(jié)點(diǎn)件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要包括電源模塊、處理器模塊、GPRS無線通信模塊、傳感器模塊、繼電器控制模塊，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要功能是對(duì)水質(zhì)溫度、pH值、溶解氧濃度、電導(dǎo)率、余氯等信息的采集、加密、發(fā)送，同時(shí)負(fù)責(zé)接收對(duì)繼電器的控制指令，并做出匹配的動(dòng)作。

3.1 處理器最小系統(tǒng)

終端節(jié)點(diǎn)采用STM32F103系列的單片機(jī)，該單片機(jī)具有低功耗、低電壓、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)具

圖1 終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

有多路ADC、UART等接口，可以滿足多種應(yīng)用需求。在終端節(jié)點(diǎn)的正常工作狀態(tài)下，其工作時(shí)鐘由外部8 MHz的晶體振蕩器提供。

3.2 GPRS無線通信模塊

為了將采集到的傳感器數(shù)據(jù)及時(shí)可靠地傳到監(jiān)控中心，在終端節(jié)點(diǎn)上搭載了SIM800C組成的GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器端的無縫連接。該模塊支持4種頻段傳輸，具有豐富的AT指令集，功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單。該模塊采用12 V供電，通信接口為3.3 V TTL電平，與STM32的UART2引腳交叉相連。

3.3 傳感器模塊

3.3.1 pH值傳感器調(diào)理電路

本系統(tǒng)采用E-201-C塑料外殼式pH電極測(cè)試水質(zhì)的pH數(shù)據(jù)。當(dāng)電極放置在待測(cè)液體中時(shí)，電極會(huì)受待測(cè)液體的酸堿度影響而產(chǎn)生不同的DC電壓，而處理器可以根據(jù)電壓值計(jì)算得出相應(yīng)的pH值。鑒于這種微弱信號(hào)并不符合處理器自帶的ADC輸入電壓要求。故需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)整，信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示[9]。

圖2 pH值傳感器調(diào)理電路

3.3.2 溫度傳感器調(diào)理電路

溫度傳感器采用了Pt100熱敏電阻器，該傳感器線性度良好，平均每變化1 ℃，阻值就會(huì)變化0.38 Ω。鑒于電阻變化小，為了削減長(zhǎng)距離通信環(huán)境下線路電阻帶來的測(cè)量誤差，該電路采用不平衡電橋的方式來測(cè)量溫度，并采用單電源儀表運(yùn)放AD623放大信號(hào)。溫度傳感器調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 溫度傳感器調(diào)理電路

3.3.3 溶解氧和余氯傳感器通信電路

本系統(tǒng)選用了DOB-300C數(shù)字型溶解氧傳感器和DLS-600數(shù)字型余氯傳感器。這兩種傳感器都支持RS485通信，并遵循標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議。故需要根據(jù)MAX3485芯片設(shè)計(jì)通信電路，進(jìn)行邏輯電平與RS485電平的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常采集。通信電路如圖4所示。

圖4 溶解氧傳感器通信電路

圖4中RO是接收端，DI是發(fā)送端，兩者連接處理器的外設(shè)UART1。RE和DE分別為接收和發(fā)送的使能端，通過處理器的一個(gè)管腳可以控制RS485總線上的數(shù)據(jù)收發(fā)[10]。而在測(cè)量時(shí)，為保證正常通信，需要將兩種傳感器的通信線并聯(lián)接入終端節(jié)點(diǎn)的RS485通信端口。

3.3.4 電導(dǎo)率傳感器電路

本系統(tǒng)采用DJS-1型鉑黑電導(dǎo)電極對(duì)水質(zhì)電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量，它的電導(dǎo)池常數(shù)是1.023，最佳的工作頻率是20 kHz左右。為了減少測(cè)量時(shí)出現(xiàn)的極化效應(yīng)帶來的誤差，本系統(tǒng)將交流激勵(lì)信號(hào)加到電極的兩端。產(chǎn)生交流激勵(lì)信號(hào)的電路如圖5所示。

在測(cè)量時(shí)，將電極放置到水樣中，并將圖5中的Vpluse信號(hào)接到電導(dǎo)電極上。只需要測(cè)出電極間的電壓和回路中的電流就可以計(jì)算出電導(dǎo)率，而電導(dǎo)率是

圖5 交流激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生電路

由電流值除以相應(yīng)的電壓值得到的。另外還需要將輸入和輸出的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，這樣才能方便處理器進(jìn)行ADC采樣[9]。

3.4 繼電器控制電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4路繼電器控制電路,其中一路如圖6所示。K1為繼電器開關(guān)，Q1為NPN型三極管。當(dāng)Relay1接口輸入低電平時(shí)，三極管處于關(guān)斷狀態(tài)且繼電器不工作。而接入高電平時(shí)，經(jīng)過限流電阻R14分壓后，使得三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)，繼電器中的磁感應(yīng)線圈通過電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)以拉動(dòng)開關(guān)，使得接口Vout輸出12 V電壓。

圖6 繼電器控制電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 通信數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計(jì)

在終端節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器和用戶端之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)幀格式的設(shè)計(jì)非常重要。為識(shí)別傳輸過程中發(fā)生數(shù)據(jù)幀丟失的情況，在幀格式中增加了CRC校驗(yàn)部分。表1描述了終端節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器之間通信的明文數(shù)據(jù)幀格式，從表1中可以看出，明文數(shù)據(jù)幀格式包含6個(gè)部分，數(shù)據(jù)單位為字節(jié)。

表1 明文數(shù)據(jù)幀格式

而用戶端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)幀格式與表1中無太大差別，只是將設(shè)備號(hào)替換成用戶名和密碼兩部分。

4.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)是基于Keil μVision4集成開發(fā)環(huán)境，采用C語言編程開發(fā)。軟件部分主要包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)解析部分。而數(shù)據(jù)采集部分需要滿足觸發(fā)條件才會(huì)采集一次數(shù)據(jù)并加密上傳。觸發(fā)條件主要有兩個(gè)，即定時(shí)器定時(shí)中斷和接收到采集指令。

在設(shè)備初始化過程中，處理器會(huì)讀取存儲(chǔ)在內(nèi)部閃存中的采樣周期T1，并啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)采樣周期到達(dá)時(shí)會(huì)觸發(fā)中斷，并按照溫度傳感器，pH傳感器和溶解氧傳感器的順序進(jìn)行采集。隨后將以4.1節(jié)中的數(shù)據(jù)幀格式打包所有的采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行加密，最終通過GPRS將完整的加密數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集流程圖

當(dāng)服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，GPRS接收中斷觸發(fā)，待接收完畢后，進(jìn)入GPRS數(shù)據(jù)解析任務(wù)，該任務(wù)首先對(duì)接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解密操作，并進(jìn)行不同的響應(yīng)。若接收到的是控制繼電器指令，則對(duì)相應(yīng)的管腳置位；若是數(shù)據(jù)采集等其他有效指令，則進(jìn)行指令處理。數(shù)據(jù)解析如圖8所示。

圖8 GPRS數(shù)據(jù)解析流程圖

4.3 水質(zhì)監(jiān)控管理系統(tǒng)Web服務(wù)器設(shè)計(jì)

Web服務(wù)器是基于PHP+MySQL編程開發(fā)的。用戶可以通過網(wǎng)頁瀏覽器訪問服務(wù)器，登錄水質(zhì)監(jiān)控管理系統(tǒng)。該管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)顯示模塊、節(jié)點(diǎn)管理模塊、控制模塊、報(bào)警模塊等組成。數(shù)據(jù)顯示模塊可以通過折線圖或者表格實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)的水質(zhì)參數(shù)信息；節(jié)點(diǎn)管理模塊可以綁定或者刪減用戶的終端節(jié)點(diǎn)；控制模塊可以對(duì)指定終端節(jié)點(diǎn)上的繼電器進(jìn)行開斷操作；而在報(bào)警模塊中，用戶可以設(shè)置各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的報(bào)警閾值，當(dāng)某時(shí)刻數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)，界面會(huì)彈出報(bào)警提示。

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

對(duì)水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的加密通信過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。選擇一組未知的水樣，將所有傳感器置入水中，終端節(jié)點(diǎn)將傳感器采集的數(shù)據(jù)加密后上傳至服務(wù)器，經(jīng)過解密后存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，用戶通過瀏覽器監(jiān)控水質(zhì)參數(shù)。系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖9所示。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，數(shù)據(jù)傳輸性能良好，數(shù)據(jù)加密和解密處理及時(shí)。

圖9 系統(tǒng)監(jiān)控界面圖

為了驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，以溫度測(cè)試為例，采用實(shí)驗(yàn)室水溫計(jì)和系統(tǒng)中溫度傳感器對(duì)3種不同溫度的水樣進(jìn)行測(cè)量對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明，溫度的相對(duì)誤差小于4%，系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確性較高。

表2 水溫值測(cè)量結(jié)果

6 結(jié)束語

利用AES加密技術(shù)設(shè)計(jì)了一套水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)。采用AES加密技術(shù)，將控制指令和采集到的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行加密傳輸，可以降低數(shù)據(jù)泄露和被篡改的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)使用GPRS模塊遠(yuǎn)程通信，用戶可以通過網(wǎng)頁瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和節(jié)點(diǎn)的控制。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可靠性高，實(shí)時(shí)性好。下一步工作的重點(diǎn)是對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的能耗和水質(zhì)參數(shù)的測(cè)量精度做研究改進(jìn)。