[发明专利]一种基于ZigBee技术的智能水利无线预警系统

说明书

本发明提供一种基于ZigBee技术的智能水利无线预警系统，包括由协调器、多个路由器、多个水利预警终端组成的三层拓补的树状网络结构，还包括管理中心；协调器处于该网络结构的最顶层，协调器的硬件设计中采用了CC2538芯片，负责预警数据帧的ECC加解密、接收水利预警终端上传的预警信息、全网广播预警信息以及全网ECC加解密密钥的定期更新；路由器处于网络的中间层次，用于数据转发、基于CC2591的无线发射功率放大和基于ECC的数据加解密功能，并支持对各水利预警节点ECC加解密公私钥对的密钥数据表维护。本发明基于硬件CC2538芯片、CC2591芯片、密钥配用机制、帧序号机制和Zstack协议栈设计实现一种能够满足网络数据防重放、数据防篡改和低时延的智能水利无线预警系统。

技术领域

本发明属于生态水文技术领域，具体涉及一种基于ZigBee技术的智能水利无线预警系统。

背景技术

水利预警是防汛预报预警和减灾工作的重中之重。近年来，城市内涝、水库决堤、春季冰凌等水利自然灾害发生的频率逐年增高。现有水利预警系统仍然大量依靠各监测站点汇聚数据到监测中心进行预警决策，从监测到异常情况到广播预警的时延较长，缺乏智能化实时化的预警手段，且通信线路中无防重放和防篡改等数据安全防护机制。一旦水利预警延迟或者不法人员恶意篡改各站点的预警数据造成假预警，将会威胁水利公共基础设施安全，给政府和民众带来不必要的人身和财产损失。

本发明要解决的技术问题是现有水利预警系统中缺乏防重放和防篡改机制，且广播预警的时延较长。而随着无线网络安全芯片及其应用技术的快速发展以及硬件实现技术的不断成熟，设计一种高安全的基于无线网络的智能水利无线预警装置（系统）势在必行。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于ZigBee技术的智能水利无线预警系统，具体方案如下：

一种基于ZigBee技术的智能水利无线预警系统，包括由协调器、多个路由器、多个水利预警终端组成的三层拓补的树状网络结构，还包括与所述协调器通过串口方式连接的管理中心；所述协调器处于该网络结构的最顶层，协调器的硬件设计中采用了CC2538芯片，负责预警数据帧的ECC加解密、接收水利预警终端上传的预警信息、全网广播预警信息以及全网ECC加解密密钥的定期更新；所述路由器处于网络的中间层次，用于数据转发、基于CC2591的无线发射功率放大和基于ECC的数据加解密功能，并支持对各水利预警节点ECC加解密公私钥对的密钥数据表维护；所述预警终端包括水利预警传感器；所述密钥更新过程中采用层层加密的形式。

基于上述，所述协调器、路由器和预警终端都通过Z-Stack协议栈固件实现通信。

基于上述，所述协调器、路由器和预警终端中均含有ZigBee CC2538芯片（含ECC加解密算法协处理器）和CC2591芯片，CC2538芯片硬件内部的ECC算法协处理器配合公私钥对实现数据加解密，同时在数据帧结构中增加帧序号字段，防止攻击者对数据帧实施重放和篡改攻击。

基于上述，所述管理中心负责定期更新每个所述水利预警终端、路由器的私钥，同时公开发布各水利预警终端、路由器的公钥，保证密钥的新鲜性。

基于上述，所述路由器、水利预警终端的自身私钥和所有无线通信节点的公钥以数据列表的形式存储在各硬件flash内。

基于上述，所述协调器、路由器的电路相同，均含有人机交互模块、串口通信模块、LCD模块、射频收发模块、CC2591芯片和CC2538芯片、USB通信模块、电源电压转换模块、时钟模块、协调器、路由器均定义为智能水利无线预警装置A；所述预警终端的电路含有人机交互模块、射频收发模块、CC2591芯片、CC2538芯片、电源电压转换模块、时钟模块、水利预警传感器、供电控制模块，预警终端定义为智能水利无线预警装置B。

基于上述，所述密钥预制及定期更新流程步骤如下：