摘要：將GSM移動(dòng)通信技術(shù)和Meter-Bus總線協(xié)議用于遠(yuǎn)程無線水表抄表系統(tǒng)，可以對(duì)用戶用水量進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控，減少人力物力，簡(jiǎn)化布線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和能量共同傳輸。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線抄表，采用光電直讀技術(shù)計(jì)量水表數(shù)據(jù)，Meter-Bus總線讀取水表數(shù)據(jù)，GSM通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送水表數(shù)據(jù)三者結(jié)合的方法，通過微控制器的綜合管理，得到穩(wěn)定可靠的遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)；對(duì)數(shù)據(jù)短信采用對(duì)稱加密算法，CRC校驗(yàn)、插入隨機(jī)數(shù)、異或、字節(jié)置換和映射的方法實(shí)施加密操作，提高了系統(tǒng)安全性，適合以MCU為核心的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：無線抄表系統(tǒng)；光電直讀技術(shù)；GSM；Meter-Bus；對(duì)稱加密

0 引言
隨著電子技術(shù)，通信技術(shù)和傳感技術(shù)的不斷綜合發(fā)展，遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，尤其在近幾年發(fā)展十分迅猛。但目前國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)一般采用有線方式，有線抄表系統(tǒng)供電困難，尤其在環(huán)境惡劣的水表窖井中更為不便。其功耗較大，檢修困難，一旦組網(wǎng)，維護(hù)成本較高，這將對(duì)今后智能化、節(jié)約化小區(qū)的建設(shè)帶來極大不便，影響用戶正常生活。
針對(duì)上述問題，利用GSM通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表，將用戶用水量以短信的形式發(fā)送到自來水公司，不但可以解決普通用戶水表的抄表問題，還可以對(duì)用水大戶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止偷水和管道泄漏的發(fā)生。但是GSM網(wǎng)絡(luò)并沒有啟用A5對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)和信令進(jìn)行加密，現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)無法保障端到端之間的應(yīng)用層安全，在這種非定向的無線傳輸環(huán)境下傳送明文信息，很容易被人監(jiān)聽、冒用和篡改。用水大戶用水量較大，準(zhǔn)確的水表數(shù)據(jù)對(duì)自來水公司和用戶都非常重要，萬一在數(shù)據(jù)傳送過程中被人截獲篡改，將會(huì)給雙方造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，因此很有必要對(duì)數(shù)據(jù)消息進(jìn)行加密，提高系統(tǒng)的安全性，確保數(shù)據(jù)傳送無誤。
針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了基于GSM網(wǎng)絡(luò)的無線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，給出了一套針對(duì)該系統(tǒng)數(shù)據(jù)加密的方法，提高了數(shù)據(jù)消息的可靠性。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，占用CPU資源較少，適合在以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)中使用，對(duì)嵌入式在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用與普及具有參考意義。

1 無線抄表系統(tǒng)的基礎(chǔ)和總體設(shè)計(jì)
整個(gè)無線抄表系統(tǒng)包括光電直讀式水表表頭，Meter-Bus總線接口電路，GSM模塊，微控制器和自來水公司計(jì)算機(jī)終控端五大部分，如圖1所示。為了降低功耗，本設(shè)計(jì)中所有的模塊不是一直處于工作狀態(tài)，各個(gè)模塊應(yīng)在微控制器的指揮下定時(shí)工作。即抄表系統(tǒng)的所有模塊的工作方式為“長(zhǎng)時(shí)間休眠，短時(shí)間工作”。其中，休眠周期(小時(shí)、天、周、月)和加密密碼由管理員用計(jì)算機(jī)終控端通過GSM模塊發(fā)布。微控制器接收GSM模塊收的指令后，修改抄表周期和加密密碼。同時(shí)根據(jù)設(shè)定的抄表周期通過Meter-Bus接口電路控制光電直讀水表表頭讀取當(dāng)前的水量值，然后再以短信的形式用GSM通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)給計(jì)算機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)定時(shí)自動(dòng)抄表。

1．1 Meter-Bus總線
目前大部分光電直讀水表通過Meter-Bus通信協(xié)議(歐洲標(biāo)準(zhǔn))實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)。Meter-Bus是專為“三表”抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總線協(xié)議，采用一主多從的結(jié)構(gòu)。所有的從機(jī)并聯(lián)在總線上，通過總線實(shí)現(xiàn)主從間的通信，并獲得工作的電能。總線僅由一對(duì)雙絞線構(gòu)成，工作電壓為24 V，由Meter-Bus主機(jī)提供。下行通信采用電壓調(diào)制方式，上行通信采用電流調(diào)制的方法。
1．2 光電直讀表頭
光電直讀技術(shù)是水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要突破。基于該技術(shù)水表的水量計(jì)量仍由傳統(tǒng)的流量計(jì)式測(cè)量裝置構(gòu)成，讀數(shù)也仍然可以采用人工方式完成。但它在傳統(tǒng)的阿拉伯?dāng)?shù)字讀數(shù)裝置之外，增加了用黑白條印制的格雷碼。格雷碼和阿拉伯?dāng)?shù)字被印制在同一個(gè)桶裝字輪上，且具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，讀出格雷碼所表示的數(shù)量就相當(dāng)于讀出了阿拉伯?dāng)?shù)字的大小，也就是讀出了水量計(jì)量裝置輸出的水量值。因此可以采用單片機(jī)通過光電技術(shù)來讀取黑白條表示的格雷碼，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表。該設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)，并具有Meter-Bus接口光電直讀水表表頭模塊，將水表數(shù)據(jù)以ASCII碼讀出，給GSM模塊對(duì)信息的傳輸和MCU對(duì)數(shù)據(jù)的加密提供方便。
1．3 GSM通信網(wǎng)絡(luò)
GSM(Global System of Mobile Communication，全球移動(dòng)通訊系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、不需建立新基站、通信質(zhì)量高。采用GSM短信抄表不占用語(yǔ)音信道，費(fèi)用低，投資小，簡(jiǎn)單可靠，且不受距離限制。因此，該設(shè)計(jì)使用內(nèi)核為TC35i(Siemens)的GSM MODEM，微控制器通過AT指令與其通信，利用GSM短信進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。