基于消息隊列加密傳輸?shù)闹悄芄喔认到y(tǒng)

康云川 鐘靜 李若楓 梁裕巧

摘要：針對當前智能灌溉系統(tǒng)中數(shù)據(jù)在傳輸時存在資源消耗大、時延長、安全性差的問題，采用消息隊列遙測傳輸協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互，并對協(xié)議進行了安全改進，研制了一種消息隊列加密傳輸?shù)陌踩煽康闹悄芄喔认到y(tǒng)，確保數(shù)據(jù)能快速高效地傳輸，且在傳輸過程中不被非法竊取或篡改。用戶可通過移動終端將灌溉指令推送至NodeMCU控制單元，對作物進行遠程灌溉與數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，系統(tǒng)也可根據(jù)土壤墑情對作物進行自動灌溉。試驗結果表明：該系統(tǒng)傳輸時延短、穩(wěn)定性強、安全性高，在不可靠的網(wǎng)絡環(huán)境下具有良好的適應性和安全性，可為農業(yè)精準灌溉技術發(fā)展提供一種新的解決方案。

關鍵詞：信息安全;感知傳感器;傳輸;消息隊列;物聯(lián)網(wǎng);智能灌溉系統(tǒng)

中圖分類號：S275;TP273

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2020.01.031

隨著物聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術的發(fā)展，灌溉智能化的手段越來越豐富，智能灌溉系統(tǒng)是現(xiàn)代農業(yè)種植管理走向現(xiàn)代化、科技化的重要一步，不管是科學層面還是經(jīng)濟層面，對推動農業(yè)的發(fā)展都具有重要意義[1]。而智能灌溉系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性與安全性尤為重要，特別是對實時性要求較高的農作物精準化灌溉作業(yè)，需要保證消息推送的實時性與準確性，以及設施設備操作指令的可靠性與安全性。

國內外許多學者已經(jīng)發(fā)表了智能灌溉系統(tǒng)的相關研究成果。例如：金永奎等[2]提出高效節(jié)水灌溉自動監(jiān)控及信息化系統(tǒng)設計與應用，實現(xiàn)了灌溉自動監(jiān)控信息化系統(tǒng);Aguilar R.B.等[3]利用帶水位指示器的土壤水分自動灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)了作物自動灌溉;吳鳳嬌等[4]開發(fā)了基于C#和Access數(shù)據(jù)庫的無線精準灌溉系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了無線灌溉;譚燕等[5 ]提出基于Rasp-berry Pi的室內智能灌溉系統(tǒng)設計，實現(xiàn)了基于Rasp-berry Pi的精準灌溉，最后通過種植作物進行了試驗，達到了節(jié)水目的。但是，目前已有的研究成果大多數(shù)基于HTTP協(xié)議，采用無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交互，在互聯(lián)網(wǎng)上透明運行，消息在傳輸過程中未進行加密與校驗，雖然從技術上實現(xiàn)了自動化灌溉，滿足了作物基本的自動灌溉需求，但都存在信息安全與性能問題，其中信息安全問題更為明顯，系統(tǒng)面臨被入侵的風險，數(shù)據(jù)面臨被竊取、被惡意篡改等威脅，很難保證消息的可靠、安全傳輸。

針對以上問題，筆者研制了一種基于消息隊列加密傳輸?shù)闹悄芄喔认到y(tǒng)，系統(tǒng)基于MQTT（ messagequeuing telemetry transport，消息隊列遙測傳輸）協(xié)議開發(fā)，并對協(xié)議的消息報文進行加密、加簽與校驗改進，改進后的協(xié)議有效解決了灌溉系統(tǒng)中網(wǎng)絡通信的安全與性能問題。系統(tǒng)采用NodeMCU微控制器、土壤墑情傳感器、無線網(wǎng)絡、MQTT代理服務器構建，用戶可實時監(jiān)測作物土壤墑情、環(huán)境因子等信息，還可根據(jù)作物生長所需含水量精確控制土壤水分，保證作物生長，同時避免灌溉水資源的浪費，為智慧農業(yè)提供了一種安全、可靠的解決方案。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體結構見圖1。智能灌溉系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)主要集成了NodeMCU微控制器、DHT11溫濕度傳感器、電容式土壤濕度傳感器、HC-SR04超聲測距傳感器、L298N雙H橋電機驅動及其他硬件，其中NodeMCU集成了無線網(wǎng)絡模塊、數(shù)字簽名模塊、數(shù)據(jù)采集模塊的處理程序。軟件系統(tǒng)由用戶終端WEB平臺與阿里釘釘APP組成，集成了數(shù)據(jù)展示、消息通知、灌溉設備遠程控制等模塊處理程序。

智能灌溉系統(tǒng)的運行原理：各傳感器采集空氣溫濕度、作物土壤墑情、灌溉系統(tǒng)蓄水容器水位等數(shù)據(jù)，并由NodeMCU將數(shù)據(jù)通過WiFi方式發(fā)送至服務器再至用戶端，其中采用MQTT協(xié)議的通信方法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，交互時利用AES、SM2加密算法對MQTI協(xié)議進行數(shù)字簽名處理，接收端對收到的數(shù)據(jù)進行解密與驗簽操作，驗證數(shù)據(jù)的合規(guī)性;最終用戶可通過終端WEB對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，通過阿里釘釘APP實時接收服務器推送的警告信息。

2 MQTT協(xié)議改進

MQTT協(xié)議由IBM公司提出，最初用于遠程醫(yī)療服務通信，該協(xié)議基于TCP/IP協(xié)議棧，是一種異步通信的輕量級消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，由于其具有開銷小、時延短、可靠性高等優(yōu)點，在時間和空間上將消息發(fā)送者與接收者分離，可以在不可靠的網(wǎng)絡環(huán)境中進行擴展，適用于硬件性能低下的遠程設備以及不可靠的網(wǎng)絡環(huán)境，因此在物聯(lián)網(wǎng)中得到了廣泛應用‘6]。MQTT協(xié)議的消息報文最多由3個部分組成：固定報頭、可變報頭和有效載荷。

（1）固定報頭。包括：①Message Type，表示14種消息類型;②Dup Flag，當客戶端或服務器端試圖重新傳 送

PUBUSH、 PUBREL、 SUBSCRIBE

或UNSUBSCRIBE命令消息時設置此標志;③QoS Level，服務質量級別。

（2）可變報頭。該報頭位于固定報頭和有效載荷之間，不同報文的可變報頭是不同的?？勺儓箢^主要包括Protocol name、Protocol version、Clean session、Will標志等頭域。

（3）有效載荷。載荷位于報文最后一部分，其負載內容為需要發(fā)布的消息，如PUBLISH。

MQlTr協(xié)議通過控制QoS等級來確定服務質量，消息在傳輸過程中由QoS的值來決定安全級別，但協(xié)議本身并沒有提供消息加簽、驗簽與加密的功能，數(shù)據(jù)以明文方式傳輸[7]。MQTT協(xié)議消息發(fā)布抓包見圖2。

根據(jù)圖2中Wireshark抓包工具可分析出MQTT協(xié)議傳輸?shù)南笪模鐖笪念^標記為Ox30.消息類型為3，DUP Flag未設置，QoS Level為0，消息長度為45等，這些報文數(shù)據(jù)都以明文方式交互，也未進行加簽處理。因此，MQTI協(xié)議在推送數(shù)據(jù)的過程中可能面臨數(shù)據(jù)被惡意篡改或非法竊取的風險。本文結合MQTI的報文特征與數(shù)據(jù)推送的安全要求，對協(xié)議進行改進，改進后的協(xié)議傳輸流程見圖3。

2.1 有效載荷負載內容加密傳輸

消息報文在傳輸過程中，有效載荷的負載內容存在被非法竊取的風險，因此加密過程在數(shù)據(jù)推送前完成，加密時需要一個私鑰“Private Encryption”來生成密文，Private Encryption是一個由用戶隨機生成的32位字符串，圖4為有效載荷負載內容的加密與解密過程，其主要步驟：第一步，將發(fā)送端傳輸?shù)南笪牡妮d荷內容根據(jù)用戶的Private Encryption進行AES算法加密，以密文方式傳輸;第二步，消息接收端根據(jù)用戶的Private Encryption對載荷內容密文解密，還原原始負載內容。

AES算法具有運算速度快、分組長度與密鑰長度設計靈活等優(yōu)點，是一種數(shù)據(jù)塊長度和密鑰長度可變的分組迭代加密算法，算法中的明文分組位為128位，密鑰分組可分別設定為128、192、256位。AES算法在整體結構上采用的是輪變換，多輪迭代[8]?？梢杂靡韵路椒▽π畔⑦M行加密，見圖5。

目前，還沒有方法可以破解以上算法加密后的數(shù)據(jù)，并且AES與SM2算法的加密運算速度快，將其運用至智能灌溉系統(tǒng)，可以有效地保護數(shù)據(jù)交互安全[10]。3硬件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)主控單元采用NodeMCU微型開發(fā)板，該開發(fā)板是一款開源的硬件產(chǎn)品，基于ESP8266模塊構建，具有WiFi、GPIO、PWM、I2C、1-Wire、ADC等功能[11]。NodeMCU的主要特點：第一，體積較小、價格低廉，F(xiàn)lash和RAM的存儲容量較大，具有豐富的外圍接口，輸入電壓為SV.工作電壓為3.3 V.可采用USB接口或GPIO引腳接口供電[12];第二.NodeMCU燒錄程序比傳統(tǒng)的單片機更簡單、方便，不需要額外的燒錄器，直接通過USB接口上傳程序[13];第三，采用NodejS語言編寫網(wǎng)絡應用事件驅動型API，開發(fā)人員不需要熟悉芯片寄存器就可實現(xiàn)程序開發(fā)，編寫代碼容易，開發(fā)效率更高[14]。NodeMCU的主要作用：獲取傳感器感知的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行加密處理;與Mosquitto消息服務器進行無線通信;根據(jù)用戶終端下發(fā)的指令對灌溉水泵進行控制。

空氣溫濕度傳感器采用DHTI1，用于環(huán)境溫度與濕度的測量，該傳感器是一種復合傳感器，體積較小、功耗低，該傳感器輸出的數(shù)字信號已被校準過，其專用的數(shù)字模塊采集技術和溫度、濕度傳感器技術，確保了傳感器可靠性高，能長期穩(wěn)定運行[15]。NodeMCU通過調用dht.readll（ D1）函數(shù)獲取傳感器數(shù)據(jù)。

土壤濕度傳感器采用Soil moisture sensor vl.0，該傳感器為電容式傳感器，響應快，受土壤鹽度影響小，耐電解、耐腐蝕、防水防銹，適用于各種土壤類型，可長期埋于土壤中[16]。NodeMCU通過調用adc.force_init_mode（ adc.INIT_ADC）、adc.read（0）函數(shù)獲取土壤電阻值，根據(jù)所測電阻值計算出土壤含水率。

蓄水容器水位測量采用HC -SR04超聲測距傳感器，該模塊精確度能達到0.3 cm，具有高精度、盲區(qū)小等特點[17-18]。模塊基本原理：NodeMCU提供10μs的高電平給模塊引腳Trig，模塊會自動發(fā)送頻率為40kHz的8個方波信號，同時自動檢測信號的返回情況;當存在信號返回時，通過Echo引腳端輸出一個高電平信號，通過記錄高電平信號的持續(xù)時間，可判斷出超聲波從發(fā)射到結束返回的時間，從而計算出距離。

L298N模塊用于灌溉水泵的驅動。NodeMCU對L298N電機驅動模塊引腳ENA提供PWM脈沖寬度調制信號，通過改變其占空比來調節(jié)水泵電機轉速，控制灌溉水量。NodeMCU通過調用pwm. setup（ pin，clock，duty）、pwm. start（ pin）函數(shù)對ENA引腳初始化與啟動PWM輸出，函數(shù)中的pm參數(shù)為引腳對象，clock參數(shù)為PWM脈沖寬度調制頻率.duty參數(shù)為PWM占空比，最終實現(xiàn)作物所需水量的精準控制。

使用NodeMCU時，首先需要燒寫固件并預裝Crypto庫與MQTI庫，MQTT庫則提供與消息服務器的通信功能，采用的主要MQTT庫函數(shù)有Client（）、connect（）、subscribe（）、publish（），分別提供MQTT客戶端連接池的創(chuàng)建、服務器的連接、消息主題的訂閱與發(fā)布功能，MQTT協(xié)議通信傳輸核心參考代碼如下。

第15行代碼對DHTI1傳感器溫度數(shù)據(jù)進行AES加密，第16行代碼為MQTI傳輸協(xié)議把數(shù)據(jù)發(fā)布至消息服務器。

4 軟件系統(tǒng)設計

4.1 用戶終端軟件

用戶終端軟件流程見圖8.智能灌溉系統(tǒng)用戶終端軟件基于B/S架構開發(fā)，采用Linux、PHP與MySQL數(shù)據(jù)庫，遵循HTML5標準，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在線可視化分析、灌溉設備遠程控制功能。HTML5作為新一代WEB應用標準，其不僅支持PC端，而且適用于各種移動終端，采用HTML5進行移動應用程序開發(fā)，開發(fā)成本低、效率高且易于維護，不但支持傳統(tǒng)多媒體等應用功能，還支持離線存儲、圖像繪制等功能，具有強大的API接口[19-20]。用戶訪問終端軟件時，需要鑒別身份才能進行下一步操作，防止了非法用戶越權訪問系統(tǒng)。

4.2 用戶消息通知

采用阿里釘釘APP作為用戶的消息通知軟件。當水位不足或數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，阿里釘釘APP實時接收服務器推送的警告信息。阿里釘釘APP是輕量級應用程序，具有良好的用戶體驗、流量消耗少、API接口豐富等特點，更易被用戶所接受和廣泛應用，提供其個人服務器通信接口，借助其接口，開發(fā)人員可以快速實現(xiàn)消息通知類APP.并且阿里釘釘是免費平臺，每分鐘為用戶免費提供20條消息推送服務，每分鐘超過20條信息后，平臺會自動限流10 min，基于其進行消息通知的應用部署，幾乎無成本且性能更穩(wěn)定[21]，滿足智能灌溉系統(tǒng)的消息告警需求。由于阿里釘釘APP是第三方平臺軟件，可能存在收集用戶隱私、行為等風險，因此用戶應只賦予其最低權限，避免推送敏感信息，防止信息泄漏。智能灌溉系統(tǒng)消息服務器與阿里釘釘開放平臺通信采用NodejS語言，通信實現(xiàn)的參考代碼如下。

5 試驗結果與分析

圖9為阿里釘釘告警信息推送與用戶移動終端WEB端界面。在完成系統(tǒng)設計后，對智能灌溉系統(tǒng)的功能、性能、安全性進行測試，系統(tǒng)運行周期為75 d，7x24 h不間斷運行。

5.1 功能測試

功能測試主要測試智能灌溉系統(tǒng)硬件主控單元能否正常、穩(wěn)定運行，各傳感器能否正常感知數(shù)據(jù)，灌溉系統(tǒng)水泵能否正常作業(yè)。對智能灌溉系統(tǒng)用戶終端WEB平臺端數(shù)據(jù)實時推送、遠程灌溉功能和阿里釘釘客戶端告警信息推送功能進行了測試，并對系統(tǒng)中的土壤水分、空氣溫度及灌溉需求水量3個指標進行了對比分析，試驗數(shù)據(jù)見表1。

測試結果表明：平臺實時刷新數(shù)據(jù)功能正常：當環(huán)境溫度過高時，土壤水分低于系統(tǒng)設置的最低閾值，蓄水容器水位低于正常閾值，阿里釘釘客戶端能及時、主動向用戶推送告警信息;當土壤濕度為30% - 68%時，試驗值與實際值之間的誤差在1%以內;當灌溉水量為40 - 90 L/m2范圍內時，試驗值與實際值之間的誤差在0.3%以內，能精確控制灌溉水量，滿足灌溉需求。

5.2 性能測試

性能測試主要測試MQTI協(xié)議中數(shù)據(jù)傳輸時延，消息服務器在高負載情況下能否正常運行，運用MQTI -JMeter插件測試服務器性能，利用用戶插件創(chuàng)建2個虛擬用戶組，用戶組分別為消息發(fā)布者與消息訂閱者，進行發(fā)布、訂閱操作，虛擬用戶數(shù)量分別為100、200、300、500、600、800、1 000個，消息數(shù)量分別為10、100、300、500條，每隔一秒發(fā)送一條32字節(jié)的隨機字符串，附加時間戳，時間戳用于數(shù)據(jù)傳輸時延計算，循環(huán)10次結束，性能測試結果見表2。

從表2可以看出，在消息推送數(shù)量不變的情況下，消息推送時間與接收時間會隨著用戶數(shù)的增大而延長，但延長趨勢并不明顯，用戶數(shù)量的增加對灌溉系統(tǒng)的性能影響不大：隨著消息發(fā)送數(shù)量的增多，在用戶數(shù)量不變情況下，消息推送時間和接收時間增幅較大，消息推送時間明顯延長，可看出消息的推送數(shù)量對系統(tǒng)性能影響較大。從性能上分析，本系統(tǒng)傳輸時延短、性能穩(wěn)定，用戶能實時無縫獲取信息，并且能遠程精確執(zhí)行灌溉指令。

5.3 安全測試

安全性測試主要測試傳輸協(xié)議改進后的安全效果，測試消息報文在傳輸過程中是否存在被非法篡改、竊取的風險。利用Wireshark抓包工具對消息報文加簽、數(shù)據(jù)加密情況進行分析，見圖10。

從圖10可看出，MQTI協(xié)議中的Header Flags、Message Type、Dup Flag、Qos Level等報文信息已通過橢圓算法加密，并且對原始報文信息進行了加簽，形成了新的報文信息，數(shù)字簽名數(shù)據(jù)為Msg—context后的128位數(shù)據(jù)，同時，對空氣溫度、土壤濕度、空氣濕度、灌溉系統(tǒng)水位也進行了加密處理。因此，消息服務器只需進行驗證簽名就可防止報文在傳輸過程中被非法篡改，并且消息接收端利用私鑰就能還原推送過來的數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)被非法竊取，從而保證智能灌溉系統(tǒng)安全運行。

6 結論

本文論述了一種消息隊列加密傳輸?shù)墓喔认到y(tǒng)，對傳輸協(xié)議進行了安全改進，通過NodeMCU微控單元、消息應用服務器與用戶端移動WEB平臺、阿里釘釘?shù)慕Y合，能夠對實時數(shù)據(jù)進行推送，對異常數(shù)據(jù)進行報警，并且能遠程控制灌溉水泵。試驗結果證明：該系統(tǒng)運行效果良好，系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性較高，不僅可以應用于農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域，也可以應用于其他場景，比如用于智能家居、智能工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等。

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【責任編輯 翟戌亮】

收稿日期：2019- 07 - 23

基金項目：重慶市高等教育教學改革研究項目（183051）

作者簡介：康云川（1987-），男，重慶銅梁人，高級工程師，碩士，主要研究領域為物聯(lián)網(wǎng)技術、WEB技術、網(wǎng)絡與信息安全

通信作者：鐘靜（1976-），女，重慶潼南人，副教授，碩士生導師，主要研究領域為神經(jīng)網(wǎng)絡與大數(shù)據(jù)