基于二維碼的監(jiān)控設(shè)備一致性系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：一致性校驗(yàn)；唯一標(biāo)識符；狀態(tài)位管理

中圖分類號：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）25-0065-04

0 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，設(shè)備管理和監(jiān)控的重要性日益凸顯。為了防止設(shè)備被復(fù)制和偽造，確保設(shè)備信息的唯一性和一致性，二維碼技術(shù)被廣泛應(yīng)用于設(shè)備管理中。二維碼生成與匹配監(jiān)控設(shè)備一致性系統(tǒng)正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的[1]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與功能模塊

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體架構(gòu)包括主控中心、主設(shè)備、附屬設(shè)備和終端監(jiān)測設(shè)備四大部分。各部分之間通過無線通信或有線通信連接，共同實(shí)現(xiàn)二維碼的生成、掃描、校驗(yàn)和數(shù)據(jù)管理，如圖1所示。各個(gè)設(shè)備之間通過以太網(wǎng)、Wi-Fi、ZigBee、RS-232/485等通信方式連接系統(tǒng)，支持TCP/IP、Modbus、HTTP/HTTPS、MQTT 等協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸采用TLS/SSL和AES加密，并通過雙因素認(rèn)證和API密鑰等措施保障安全性[2]。

1.1.1 主控中心

主控中心是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理和協(xié)調(diào)工作。它生成主設(shè)備和附屬設(shè)備的二維碼，記錄和管理二維碼信息，進(jìn)行一致性校驗(yàn)，并提供系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和日志記錄。主控中心通常部署于高性能服務(wù)器或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和高效處理[3]。

1.1.2 主設(shè)備

主設(shè)備是指需要進(jìn)行唯一標(biāo)識和監(jiān)控的主要設(shè)備，如生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備、重要的工業(yè)機(jī)器等。每個(gè)主設(shè)備在出廠時(shí)會被分配一個(gè)唯一的二維碼，該二維碼包含了設(shè)備的基本信息和標(biāo)識符。主設(shè)備的二維碼由主控中心生成，并在數(shù)據(jù)庫中記錄[4]。

1.1.3 附屬設(shè)備

附屬設(shè)備是與主設(shè)備相關(guān)聯(lián)的其他設(shè)備或部件，如傳感器、輔助機(jī)器等。附屬設(shè)備上也會生成一個(gè)唯一的二維碼，該二維碼通過加密算法與主設(shè)備的二維碼進(jìn)行關(guān)聯(lián)，確保二者的一致性。附屬設(shè)備的二維碼信息由主控中心生成，并存儲在數(shù)據(jù)庫中。

1.1.4 終端監(jiān)測設(shè)備

終端監(jiān)測設(shè)備是用于現(xiàn)場掃描和上傳二維碼信息的設(shè)備，如平板電腦、智能手機(jī)、掃碼槍等。這些設(shè)備通過安裝專用的二維碼掃描識別軟件，能夠?qū)崟r(shí)掃描主設(shè)備和附屬設(shè)備的二維碼，并將掃描結(jié)果上傳至主控中心進(jìn)行校驗(yàn)[5]。

1.2 各模塊功能描述

1.2.1 二維碼生成模塊

二維碼生成模塊負(fù)責(zé)按照設(shè)定的規(guī)則生成主設(shè)備和附屬設(shè)備的二維碼。主設(shè)備的二維碼包含唯一標(biāo)識符和基本信息，附屬設(shè)備的二維碼包含時(shí)間戳和隨機(jī)數(shù)，并通過加密算法與主設(shè)備的二維碼關(guān)聯(lián)。生成的二維碼信息將被存儲在主控中心的數(shù)據(jù)庫中。

1.2.2 一致性校驗(yàn)?zāi)K

一致性校驗(yàn)?zāi)K用于驗(yàn)證主設(shè)備和附屬設(shè)備的二維碼信息是否匹配。終端監(jiān)測設(shè)備上傳二維碼信息后，校驗(yàn)?zāi)K查詢數(shù)據(jù)庫記錄并檢查二維碼的一致性狀態(tài)位。具體校驗(yàn)規(guī)則和算法如下

1） 二維碼解析：解析上傳的主設(shè)備和附屬設(shè)備二維碼，提取包含的唯一標(biāo)識符和加密信息。

2） 數(shù)據(jù)庫查詢：通過唯一標(biāo)識符在數(shù)據(jù)庫中查詢對應(yīng)的二維碼記錄。

3） 加密驗(yàn)證：使用預(yù)設(shè)的加密算法對二維碼的加密信息進(jìn)行解密比對，確保二維碼信息的完整性和真實(shí)性。

4） 狀態(tài)位檢查：

若數(shù)據(jù)庫記錄的狀態(tài)位顯示為“未占用”，表示二維碼信息匹配一致。

若狀態(tài)位顯示為“占用”，則二維碼信息不匹配，可能存在重復(fù)使用或篡改的情況。

1.2.3 時(shí)間與加密模塊

時(shí)間與加密模塊負(fù)責(zé)生成附屬設(shè)備二維碼中的時(shí)間戳和隨機(jī)數(shù)，并對其進(jìn)行加密處理。加密算法（如DES加密算法）確保二維碼信息的安全性和唯一性。加密后的二維碼信息將通過二維碼生成模塊生成唯一的二維碼。

1.2.4 數(shù)據(jù)存儲與管理模塊

數(shù)據(jù)存儲與管理模塊用于存儲和管理主設(shè)備和附屬設(shè)備的二維碼信息，以及二者之間的一致性信息。該模塊還負(fù)責(zé)記錄系統(tǒng)的操作日志和狀態(tài)信息，提供數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)功能，確保數(shù)據(jù)的安全和完整。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方案如下：

1） 主設(shè)備表（MainDevice） 字段定義：

DeviceID：主設(shè)備唯一標(biāo)識符（主鍵）

QRCode：主設(shè)備二維碼信息

DeviceName：主設(shè)備名稱

ProductionDate：生產(chǎn)日期

Status：設(shè)備狀態(tài)（如：在用、閑置、維護(hù)中）

CreatedAt：記錄創(chuàng)建時(shí)間

UpdatedAt：記錄更新時(shí)間

2） 附屬設(shè)備表（SubDevice） 字段定義：

SubDeviceID：附屬設(shè)備唯一標(biāo)識符（主鍵）

QRCode：附屬設(shè)備二維碼信息

MainDeviceID：關(guān)聯(lián)主設(shè)備的唯一標(biāo)識符（外鍵）

DeviceName：附屬設(shè)備名稱

ProductionDate：生產(chǎn)日期

Status：設(shè)備狀態(tài)（如：在用、閑置、維護(hù)中）

CreatedAt：記錄創(chuàng)建時(shí)間

UpdatedAt：記錄更新時(shí)間

3） 一致性校驗(yàn)表（ConsistencyCheck） 字段定義：

CheckID：校驗(yàn)記錄唯一標(biāo)識符（主鍵）

MainDeviceID：主設(shè)備唯一標(biāo)識符（外鍵）

SubDeviceID：附屬設(shè)備唯一標(biāo)識符（外鍵）

CheckStatus：校驗(yàn)狀態(tài)（如：匹配、不匹配）

CheckTime：校驗(yàn)時(shí)間

4） 操作日志表（OperationLog） 字段定義：

LogID：日志記錄唯一標(biāo)識符（主鍵）

OperationType：操作類型（如：創(chuàng)建、更新、刪除）

DeviceID：操作涉及的設(shè)備唯一標(biāo)識符

Description：操作描述

Timestamp：操作時(shí)間

1.2.5 二維碼掃描識別軟件

二維碼掃描識別軟件安裝在終端監(jiān)測設(shè)備上，用于掃描主設(shè)備和附屬設(shè)備的二維碼。該軟件能夠?qū)崟r(shí)上傳掃描結(jié)果至主控中心，并顯示校驗(yàn)結(jié)果。掃描識別軟件的界面設(shè)計(jì)簡潔友好，操作便捷，確?，F(xiàn)場操作人員能夠快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行二維碼掃描和數(shù)據(jù)上傳。

2 二維碼生成與匹配方法

2.1 二維碼生成規(guī)則

二維碼生成規(guī)則包括主設(shè)備二維碼和附屬設(shè)備二維碼的生成方法。每個(gè)二維碼都包含唯一的標(biāo)識信息，以確保其在整個(gè)生命周期中的唯一性和不可復(fù)制性。下面是用于生成主設(shè)備和附屬設(shè)備二維碼的Python代碼示例，使用UUID庫生成唯一標(biāo)識信息，并使用qrcode庫生成二維碼圖像。

import uuid

import qrcode

from PIL import Image

def generate_qr_code（data， filename）：

""" 生成二維碼并保存為圖像文件

：param data： 二維碼包含的信息

：param filename： 保存的文件名

"""

qr = qrcode.QRCode（

version=1，

error_correction=qrcode. constants. ERROR_CORRECT_L，

box_size=10，

border=4，

）

qr.add_data（data）

qr.make（fit=True）

img = qr. make_image（fill_color= "black"， back_color="whiteAd+RaIaU0Su29iQ1XKTidP+MQ6CKnbNcZIDHqSpX0Js="）

img.save（filename）

def generate_device_qr_code（device_type， de?vice_id）：

""" 生成主設(shè)備或附屬設(shè)備的二維碼

：param device_type： 設(shè)備類型（主設(shè)備：′Main′，附屬設(shè)備：′Sub′）

：param device_id： 設(shè)備唯一標(biāo)識符

：return： 二維碼信息

"""

data = {

"type"： device_type，

"id"： device_id，

"uuid"： str（uuid.uuid4（））

}

return data

# 生成主設(shè)備二維碼

main_device_id = "MD123456"

main_device_qr_data = generate_device_qr_code

（"Main"， main_device_id）

main_device_qr_filename = f"MainDevice_{main_device_id}.png"

generate_qr_code（main_device_qr_data， main_de?vice_qr_filename）

print（f"主設(shè)備二維碼已生成并保存為 {main_de?vice_qr_filename}"）

# 生成附屬設(shè)備二維碼

sub_device_id = "SD654321"

sub_device_qr_data = generate_device_qr_code

（"Sub"， sub_device_id）

sub_device_qr_filename = f"SubDevice_{sub_de?vice_id}.png"

generate_qr_code（sub_device_qr_data， sub_de?vice_qr_filename）

print（f"附屬設(shè)備二維碼已生成并保存為 {sub_de?vice_qr_filename}"） 這樣，每個(gè)生成的二維碼都包含唯一的標(biāo)識信息，以確保其在整個(gè)生命周期中的唯一性和不可復(fù)制性。

2.1.1 主設(shè)備二維碼生成

主控中心為每個(gè)主設(shè)備分配一個(gè)唯一的標(biāo)識符（如設(shè)備序列號）。將設(shè)備的基本信息（如設(shè)備型號、生產(chǎn)日期、批次號等）與唯一標(biāo)識符進(jìn)行組合，形成二維碼信息。使用加密算法（如DES加密）對二維碼信息進(jìn)行加密，確保信息的安全性。將加密后的信息生成二維碼，并打印或標(biāo)記在主設(shè)備上。將二維碼信息及設(shè)備相關(guān)信息存儲在主控中心的數(shù)據(jù)庫中。

2.1.2 附屬設(shè)備二維碼生成

附屬設(shè)備生成二維碼時(shí)，首先從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用對應(yīng)的主設(shè)備二維碼信息。為附屬設(shè)備分配一個(gè)唯一標(biāo)識符，并生成時(shí)間戳和隨機(jī)數(shù)。將附屬設(shè)備的標(biāo)識符、時(shí)間戳、隨機(jī)數(shù)與主設(shè)備二維碼信息組合，形成附屬設(shè)備二維碼信息。對組合后的二維碼信息進(jìn)行加密處理。將加密后的信息生成二維碼，并打印或標(biāo)記在附屬設(shè)備上。將附屬設(shè)備二維碼信息及其與主設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系存儲在數(shù)據(jù)庫中。

2.2 一致性信息建立

為了確保主設(shè)備和附屬設(shè)備的一致性，系統(tǒng)需要在數(shù)據(jù)庫中建立一致性信息，并進(jìn)行管理和校驗(yàn)。

2.2.1 數(shù)據(jù)庫記錄與管理

在數(shù)據(jù)庫中記錄主設(shè)備和附屬設(shè)備的二維碼信息，包括設(shè)備標(biāo)識符、生成時(shí)間、加密信息等。在數(shù)據(jù)庫中建立主設(shè)備與附屬設(shè)備之間的對應(yīng)關(guān)系，記錄二者的關(guān)聯(lián)信息。為每對設(shè)備設(shè)置一致性狀態(tài)位，用于記錄其校驗(yàn)狀態(tài)。初始狀態(tài)設(shè)為未占用。

2.2.2 一致性狀態(tài)位的設(shè)定

在系統(tǒng)中，為了確保主設(shè)備和附屬設(shè)備的二維碼信息的一致性，引入了一致性狀態(tài)位的概念。狀態(tài)位用于標(biāo)識每個(gè)二維碼的當(dāng)前狀態(tài)，以便主控中心進(jìn)行有效地管理和校驗(yàn)。具體狀態(tài)位的取值及其含義如下：

未占用（0） ：表示二維碼信息匹配，設(shè)備狀態(tài)正常。

占用（1） ：表示二維碼信息不匹配，存在不一致的設(shè)備狀態(tài)。

2.3 二維碼掃描與匹配流程

二維碼掃描與匹配流程包括終端設(shè)備的操作和主控中心的校驗(yàn)過程。

2.3.1 終端設(shè)備掃描主設(shè)備二維碼

現(xiàn)場操作人員使用終端監(jiān)測設(shè)備掃描主設(shè)備上的二維碼。掃描結(jié)果通過無線通信上傳至主控中心。主控中心接收并記錄掃描結(jié)果。

2.3.2 終端設(shè)備掃描附屬設(shè)備二維碼

操作人員使用終端監(jiān)測設(shè)備掃描附屬設(shè)備上的二維碼。掃描結(jié)果通過無線通信上傳至主控中心。主控中心接收并記錄掃描結(jié)果。

2.3.3 一致性信息上傳與校驗(yàn)

主控中心接收二維碼信息后，通過數(shù)據(jù)庫查詢主設(shè)備和附屬設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系，檢查一致性狀態(tài)位。根據(jù)一致性狀態(tài)位進(jìn)行判斷：若狀態(tài)位為未占用且信息匹配，確認(rèn)主設(shè)備和附屬設(shè)備一致；若狀態(tài)位為占用或信息不匹配，確認(rèn)主設(shè)備和附屬設(shè)備不一致。根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果，更新數(shù)據(jù)庫中的一致性狀態(tài)位。將校驗(yàn)結(jié)果反饋給終端監(jiān)測設(shè)備，供現(xiàn)場操作人員確認(rèn)。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于二維碼的監(jiān)控設(shè)備一致性系統(tǒng)，旨在解決設(shè)備復(fù)制和偽造問題，確保設(shè)備信息的唯一性和一致性。系統(tǒng)采用了高級加密算法、多層次安全措施以及嚴(yán)格的權(quán)限管理機(jī)制，通過生成唯一的主設(shè)備和附屬設(shè)備二維碼，保證了設(shè)備在整個(gè)生命周期中的安全性和不可復(fù)制性。系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)、開放標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口以及靈活的擴(kuò)展性，使其能夠適應(yīng)未來的升級和擴(kuò)展需求。此外，系統(tǒng)還引入了冗余備份機(jī)制和詳細(xì)的操作日志記錄，確保數(shù)據(jù)的安全和完整。

本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于采用加密算法生成唯一的二維碼，確保了設(shè)備信息的安全性；通過模塊化設(shè)計(jì)和開放標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性和靈活性；引入冗余備份機(jī)制和操作日志記錄，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。該系統(tǒng)已在多個(gè)工業(yè)現(xiàn)場成功應(yīng)用，實(shí)踐證明其具有高安全性、高可靠性和良好的擴(kuò)展性。

展望未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的發(fā)展，設(shè)備管理和信息安全將面臨更多的挑戰(zhàn)。未來的研究方向可以集中在以下幾個(gè)方面：進(jìn)一步優(yōu)化二維碼生成和管理算法，提高系統(tǒng)的效率和安全性；探索更多的應(yīng)用場景，如智能制造、智慧城市等，擴(kuò)展系統(tǒng)的應(yīng)用范圍；結(jié)合人工智能技術(shù)，提升系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化水平，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)和高效的設(shè)備管理。通過不斷地研究和改進(jìn)，基于二維碼的監(jiān)控設(shè)備一致性系統(tǒng)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動(dòng)設(shè)備管理的智能化發(fā)展。