抗干扰的无线M-Bus短距离抄表控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种抗干扰的无线M?Bus短距离抄表控制方法，包括计量模块和数据集中模块，所述计量模块包括数据发送端应用层、数据发送端扩展链路层、数据发送端链路层和数据发送端物理层，所述数据集中模块包括数据接收端物理层、数据接收端链路层、数据接收端扩展链路层和数据接收端应用层，其特征在于在所述发送端扩展链路层和接收端扩展链路层分别增加SM4CBC对称密码算法，在发送端链路层和接收端链路层分别增加整帧校验数据，在发送端物理层和接收端物理层按字节异或0x5A进行编码，编码后的数据长度保持不变，增加了无线数据中比特0和1分布的随机性，本发明解决了无线M?Bus在密码运算、载荷效率、功耗和抗干扰性方面的问题。
【专利说明】
抗干扰的无线M- Bu s短距禹抄表控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无线数据通信技术领域，具体地说是一种抗干扰的无线M-BUS短距离 抄表控制方法。
【背景技术】
[0002] 在水、气、热等民用能源计量中，传统的数据远传通讯采用有线方式，包括M-Bus、 RS485、PLC电力载波通讯等。有线传输方式安装布线工作量大，调试及安装困难，后期出现 故障维护难度大，线路易被人为或雷电等破坏。
[0003] 无线抄表及数据传输技术是近几年基于无线通讯技术迅速发展起来的一项新技 术，具有实时监控传输、安装施工简单、维护量小等特点，符合抄表技术的发展趋势，但是一 些关键技术问题如可靠性、功耗、抗干扰性等方面仍然需要深入研究。
[0004] 目前无线抄表方式包括:GPRS、LoRa、SubG RF等，其中SubG频段的RF抄表有多种方 式，一些有技术实力的厂商正在研究推广自己的无线抄表方式。EN13757标准是欧洲表计的 通讯标准，EN13757中的M-Bus相关标准在国内外已经得到广泛应用，成为户用有线抄表领 域中的工业标准。在M_Bu s基础上，最新推出的EN13 7 5 7 -4标准制定了无线M_Bu s (wireless M-Bus)规范，定义了S、T、C、R、N、F多种无线M-Bus模式，可以工作在868MHz、433MHz、169MHz 三个SubG频段。
[0005] 无线M-Bus协议栈从上到下可分为应用层、扩展链路层、链路层、物理层多个层次。 应用层定义无线M-Bus报文的具体内容，应用层上承载的数据格式定义与有线M-Bus相同； 扩展链路层定义了控制域、通讯控制域、存取号等数据帧的各域内容，特别是，扩展链路层 定义了数据加密的处理;链路层定义了数据帧格式，包括format A和format B两种帧，同时 也定义CRC的计算方式;物理层主要定义了无线数据流的编码格式，包括"3 out of 6"编 码、曼彻斯特编码和NRZ三种编码方式。
[0006]无线M-Bus协议标准推出比较晚，在国内还没有规模应用，协议栈存在一些值得改 进的地方： 1.扩展链路层加密算法采用美国制定的AES算法，不符合我国密码算法的管理规定。
[0007] 2.链路层CRC分块计算，在算法效率和有效载荷上有待提高。
[0008] 3.物理层编码不能很好的平衡载荷效率和抗干扰性。"3 out of 6"编码和曼彻斯 特编码的效率较低，曼彻斯特编码只能达到50%的载荷效率，相应的功耗也比较大;NRZ编码 虽然效率较高，但对于连续的〇或1比特流的抗干扰能力较差。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种实时监控传输、算法效率高、功 耗性能低、抗干扰性能高的抗干扰的无线M-Bus短距离抄表控制方法。
[0010] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 一种抗干扰的无线M-BUS短距离抄表控制方法，包括计量模块和数据集中模块，所述计 量模块包括数据发送端应用层、数据发送端扩展链路层、数据发送端链路层和数据发送端 物理层，所述数据集中模块包括数据接收端物理层、数据接收端链路层、数据接收端扩展链 路层和数据接收端应用层，其特征在于所述数据发送端扩展链路层的帧格式以整帧数据作 为一个块计算CRC，且只需要计算一次，减少计算次数和附加的CRC字节数据长度，具体为： 签名域中的4位模式子域设置为7，密码标识为SM4 CBC密码算法，加密验证域为0x2F字节， 在数据尾部添加0x2F字节，补齐为16字节的整数倍，长度域设置分组块数，采用CBC密码算 法加密数据，算法的初始化向量由数据包中的2字节厂商代码、6字节地址域和8字节序号域 共16字节组成，将加密数据转发至链路层，通过增加有效载荷的长度，使帧格式在相同应用 层数据的情况下，减少无线发射的功耗，达到降低功耗的作用。
[0011] 本发明所述数据发送端链路层按照多项式"x16 + x13 + x12 + x11 +，+ X8 + x6 + x5 + x2 + 1"计算2字节的CRC，并添加在帧尾部，长度域为包含CRC的整帧长度减1，并 将数据转发至物理层，以达到整体计量的作用，进一步降低了的功耗。
[0012] 本发明所述数据发送端物理层将数据按字节异或0x5A进行编码，在帧前部增加前 导码和同步字"n X (01) 0000111010"，n彡19,在帧后部增加0x55后缀码，解决了由于无 线M-Bus因应用层数据格式定义的原因，数据中经常存在连续的全0字节，对于未加密的数 据模式，本发明的编码方式增强了比特〇和比特1分布的随机性，从而大大增强了无线数据 的抗干扰性。
[0013] 本发明所述数据接收端物理层由设置的前导码和同步字唤醒，接收发送端物理层 数据，并去掉后缀码0X55,将数据上送至链路层，以达到进一步抗干扰性能高、减少发射功 耗的作用。
[0014] 本发明所述数据接收端链路层按照多项式"x16 + x13 + x12 + x11 + x1Q + X8 + x6 + x5 + x2 + 1"计算2字节的CRC，并与帧尾部附加的CRC字节进行对比，不一致则数据丢 弃，一致则数据验证通过，长度域为去掉CRC字节后的长度，将数据上送至扩展链路层，以达 到进一步降低功耗的作用。
[0015] 本发明所述接收端扩展链路层采用SM4 CBC算法解密数据，并对比加密验证域是 否等于0x2F，不相等则解密错误丢弃数据，相等则剥离数据尾部填充的0x2F字节，修改长度 域为实际字节长度，并将数据上送至应用层，以达到进一步降低功耗的作用。
[0016] 本发明所述SM4 CBC密码算法可以采用SM1对称密码算法，也可以采用SM6对称密 码算法，以使算法符合管理规定。
[0017] 本发明所述长度域包含2个CRC字节的长度，所述发送端链路层和接收端链路层数 据域的最大长度为243字节，以使算法效率和有效载荷得到进一步提高。
[0018] 本发明由于采用上述抄表方法，具有实时监控传输、算法效率高、功耗性能低、抗 干扰性能高等优点。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明通信网络协议步骤图。
[0020] 附图标记:计量模块1、数据集中模块2、发送端应用层3、发送端扩展链路层4、发送 端链路层5、发送端栈物理层6、接收端物理层7、接收端链路层8、接收端扩展链路层9、接收 端应用层10、水表11、集中器12。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图实例对本发明进行进一步的详细说明。
[0022] 一种抗干扰的无线M-Bus短距离抄表控制方法，包括计量模块和数据集中模块，所 述计量模块包括数据发送端应用层、数据发送端扩展链路层、数据发送端链路层和数据发 送端物理层，所述数据集中模块包括数据接收端物理层、数据接收端链路层、数据接收端扩 展链路层和数据接收端应用层，其特征在于控制方法步骤为： 步骤1:数据发送端应用层协议模块获取配置模式，按照长度域、控制域、制造商域、地 址域、控制信息域、序号域、状态域、签名域、加密验证域、流量/流速/时间等数据域的顺序 组合应用层数据包，将数据转发至扩展链路层； 步骤2:数据发送端扩展链路层协议模块接收应用层数据，所述数据发送端扩展链路层 的帧格式以整帧数据作为一个块计算CRC，且只需要计算一次，减少计算次数和附加的CRC 字节数据长度，具体为:签名域中的4位模式子域设置为7，密码标识为SM4 CBC密码算法，加 密验证域为0x2F字节，在数据尾部添加0x2F字节，补齐为16字节的整数倍，长度域设置分组 块数，采用CBC密码算法加密数据，算法的初始化向量由数据包中的2字节厂商代码、6字节 地址域和8字节序号域共16字节组成，将加密数据转发至链路层，通过增加有效载荷的长 度，使帧格式在相同应用层数据的情况下，减少无线发射的功耗，达到降低功耗的作用； 步骤3:数据发送端链路层协议模块接收扩展链路层数据，所述数据发送端链路层按照 多项式 "X16 + x13 + x12 + x11 + x1Q + X8 + x6 + x5 + x2 + 1" 计算 2 字节的 CRC，并添加在 帧尾部，长度域为包含CRC的整帧长度减1，并将数据转发至物理层，以达到整体计量的作 用，进一步降低了的功耗； 步骤4:数据发送端物理层协议模块接收链路层数据，所述数据发送端物理层将数据按 字节异或0x5A进行编码，在帧前部增加前导码和同步字"n X (01) 0000111010"，n彡19， 在帧后部增加0x55后缀码，再将数据通过RF硬件发出，解决了由于无线M-Bus因应用层数据 格式定义的原因，数据中经常存在连续的全〇字节，对于未加密的数据模式，本发明的编码 方式增强了比特0和比特1分布的随机性，从而大大增强了无线数据的抗干扰性； 步骤5:数据接收端物理层协议模块RF硬件接收无线M-Bus数据，由设置的前导码和同 步字唤醒，剥离数据头尾，按字节异或0x5A，进行物理层数据解码，并去掉后缀码0X55，将数 据上送至链路层，以达到进一步抗干扰性能高、减少发射功耗的作用； 步骤6:数据接收端链路层协议模块计算数据CRC校验值，校验方法是按照多项式"x16 + x13 + x12 + x11 + x1() + X8 + x6 + x5 + x2 + 1"计算2字节的CRC，并与帧尾部附加的 CRC字节进行对比，不一致则数据丢弃，一致则数据验证通过，长度域为去掉CRC字节后的长 度，将数据上送至扩展链路层，以达到进一步降低功耗的作用； 步骤7:数据接收端扩展链路层协议模块采用SM4 CBC算法解密数据，并对比加密验证 域是否等于0x2F，不相等则解密错误丢弃数据，相等则剥离数据尾部填充的0x2F字节，修改 长度域为实际字节长度，并将数据上送至应用层，以达到进一步降低功耗的作用； 步骤8:数据接收端应用层协议模块解析应用层数据格式，获取计量数据并进行存储。
[0023] 本发明中，链路层数据加密算法由AES对称密码算法修改为国产密码算法，可采用 SMI、SM4、SM6对称密码算法，符合我国密码算法的管理规定。
[0024] 本发明所述SM4 CBC密码算法可以采用SM1对称密码算法，也可以采用SM6对称密 码算法，以使算法符合管理规定。
[0025]本发明所述长度域包含2个CRC字节的长度，所述发送端链路层和接收端链路层数 据域的最大长度为243字节，以使算法效率和有效载荷得到进一步提高。
[0026]如附图1所示，实施实例以抄表领域中两种无线M-Bus设备，计量模块1采用水表 11，数据集中模块2采用集中器12,所述水表和集中器采用T1模式通讯，即868MHz频段上水 表向集中器单向发送抄表数据为例进行说明；其抄表方法的步骤为： 步骤1:无线M-Bus水表11的计量模块1采集流量数据，计算并存储显示； 步骤2:每隔1分钟，无线M-Bus水表11汇总计量信息，下发给计量模块1中的发送端应用 层3; 步骤3:水表11的发送端应用层3按照长度域、控制域、制造商域、地址域、控制信息域、 序号域、状态域、签名域、加密验证域、流量/流速/时间等数据域的顺序组合应用层数据包， 如下表所示，下述数据字节均为16进制：
将数据转发至发送端扩展链路层4; 步骤4:水表的发送端扩展链路层4修改签名域中的密码标识为0x07 SM4 CBC密码算 法，修改加密验证域为0x2F字节，在数据尾部添加0x2F字节，补齐为16字节的整数倍，修改 长度域，设置分组块数，修改后的完整数据帧为：2e 44 8f 41 10 01 15 20 01 07 7a 00 08 20 07 2f 2f 0c 14 00 00 00 00 0c 3b 00 00 00 00 04 6d Od 8d 16 26 02 fd 17 00 00 2f 2f2f2f2f2f2f。采用SM4 CBC算法加密数据，算法的初始化向量由数据包中的2字 节厂商代码、6字节地址域和8字节序号域共16字节组成，加密后的数据帧为:2e 44 8f 41 10 01 15 20 01 07 7a 00 08 20 07 2b bl el 49 2f 07 c5 fb 43 97 54 9f 72 c3 70 cf 9d bb ef 70 04 e6 bb 3a bl 3e 41 5d af 8f af 8a，将加密数据转发至发送端链路 层5; 步骤5:水表的发送端链路层5先将长度域加2,即CRC的长度，然后按照多项式"xl6 + xl3 + xl2 + xll + xlO + x8 + x6 + x5 + x2 + 1"计算2字节的CRC，并添加在帧尾部， 修改后的数据帧为：30 44 8f 41 10 01 15 20 01 07 7a 00 08 20 07 2b bl el 49 2f 07 c5 fb 43 97 54 9f 72 c3 70 cf 9d bb ef 70 04 e6 bb 3a bl 3e 41 5d af 8f af 8a 0e 02,将数据转发至发送端物理层； 步骤6:水表的发送端物理层6将数据按字节异或0x5A进行编码，在帧前部增加前导码 和同步字"n X (01) 0000111010"，n彡19,在帧后部增加0x55后缀码。数据帧修改为：55 55 54 3d 6a le d5 lb 4a 5b 4f 7a 5b 5d 20 5a 52 7a 5d 71 eb bb 13 75 5d 9f al 19 cd Oe c5 28 99 2a 95 c7 el b5 2a 5e be el 60 eb 64 lb 07 f5 d5 f5 dO 54 58 55； 步骤7:水表的发送端栈物理层6通过RF无线驱动发射数据流至集中器的接收端物理层 7； 步骤8:集中器的接收端物理层7由设置的前导码和同步字唤醒，接收接收端物理层7数 据，并去掉后缀码，数据帧为：30 44 8f 41 10 01 15 20 01 07 7a 00 08 20 07 2b bl el 49 2f 07 c5 fb 43 97 54 9f 72 c3 70 cf 9d bb ef 70 04 e6 bb 3a bl 3e 41 5d af 8f af 8a Oe 02,将数据上送至接收端链路层8; 步骤9:集中器接收端链路层8按照多项式"x16 + x13 + x12 + x11 + x1() + x8 + x6 + x5 + x2 + 1"计算2字节的CRC，并与帧尾部附加的CRC字节进行对比，不一致则数据丢弃，一 致则数据验证通过，修改长度域为去掉CRC字节后的长度，数据帧为：2e 44 8f 41 10 01 15 20 01 07 7a 00 08 20 07 2b bl el 49 2f 07 c5 fb 43 97 54 9f 72 c3 70 cf 9d bb ef 70 04 e6 bb 3a bl 3e 41 5d af 8f af 8a，将数据上送至接收端扩展链路层9; 步骤10:集中器的接收端扩展链路层9采用SM4 CBC算法解密数据，并对比加密验证域 是否等于0x2F，不相等则解密错误丢弃数据，相等则剥离数据尾部填充的0x2F字节，修改长 度域为实际字节长度，数据帧为：27 44 8f 41 10 01 15 20 01 07 7a 00 08 20 070000 0c 14 00 00 00 00 0c 3b 00 00 00 00 04 6d 0d 8d 16 26 02 fd 17 00 00,将数据上 送至应用层10; 步骤11:集中器的接收端应用层10解析实际的计量数据，并将计量数据传送给集中器 计量处理模块； 步骤12:集中器计量处理模块存储计量数据到本地存储区，并通过网络上传至互联网 服务器，集中分析管理。
[0027]本发明中的发送端扩展链路层和接收端链路层的帧格式修改为整帧数据作为一 个块计算CRC，且只需要计算一次，以减少计算次数和附加的CRC字节数据长度，达到显著增 加有效载荷的长度，在相同应用层数据的情况下，减少无线发射的功耗。
[0028]本发明中的发送端物理层和接收端物理层的编码方式采用按字节异或0x5A，编码 效率高于原协议中的"3 out of 6"编码和曼彻斯特编码，与原协议中的NRZ编码效率相当， 不会增加编码后的长度，减少了无线发射功耗，由于无线M-Bus应用层数据格式定义的原 因，数据中经常存在连续的全0字节，对于未加密的数据模式，本发明增强了比特0和比特1 的分布的随机性，从而大大增强了无线数据的抗干扰性。
[0029]综上所述，本发明有效解决了无线M-Bus在密码运算、载荷效率、功耗和抗干扰性 方面的问题，具有实时监控传输、算法效率高、功耗性能低、抗干扰性能高等优点。
【主权项】
1. 一种抗干扰的无线M-Bus短距离抄表控制方法，包括计量模块和数据集中模块，所述 计量模块包括数据发送端应用层、数据发送端扩展链路层、数据发送端链路层和数据发送 端物理层，所述数据集中模块包括数据接收端物理层、数据接收端链路层、数据接收端扩展 链路层和数据接收端应用层，其特征在于所述数据发送端扩展链路层的帧格式以整帧数据 作为一个块计算CRC，且只需要计算一次，减少计算次数和附加的CRC字节数据长度，具体 为:签名域中的4位模式子域设置为7，密码标识为SM4 CBC密码算法，加密验证域为0x2F字 节，在数据尾部添加0x2F字节，补齐为16字节的整数倍，长度域设置分组块数，采用SM4 CBC 密码算法加密数据，算法的初始化向量由数据包中的2字节厂商代码、6字节地址域和8字节 序号域共16字节组成，将加密数据转发至链路层。2. 根据权利要求1所述的一种抗干扰的无线M-Bus短距离抄表控制方法，其特征在于所 述数据发送端链路层按照多项式"X16 + X13 + X12 + X11 + x1() + X8 + X6 + X5 + X2 + Γ 计算2字节的CRC，并添加在帧尾部，长度域为包含CRC的整帧长度减1，并将数据转发至物理 层。3. 根据权利要求1或2所述的一种抗干扰的无线M-Bus短距离抄表控制方法，其特征在 于所述数据发送端物理层将数据按字节异或0x5A进行编码，在帧前部增加前导码和同步字 "η X (Ol) 0000111010"，n彡19,在帧后部增加0x55后缀码。4. 根据权利要求1或2或3所述的一种抗干扰的无线M-Bus短距离抄表控制方法，其特征 在于所述数据接收端物理层由设置的前导码和同步字唤醒，接收发送端物理层数据，并去 掉后缀码0X55，将数据上送至链路层。5. 根据权利要求4所述的一种抗干扰的无线M-Bus短距离抄表控制方法，其特征在于所 述数据接收端链路层按照多项式"X16 + X13 + X12 + X11 + x1() + X8 + X6 + X5 + X2 + 1" 计算2字节的CRC，并与帧尾部附加的CRC字节进行对比，不一致则数据丢弃，一致则数据验 证通过，长度域为去掉CRC字节后的长度，将数据上送至扩展链路层。6. 根据权利要求5所述的一种抗干扰的无线M-Bus短距离抄表控制方法，其特征在于所 述接收端扩展链路层采用SM4 CBC算法解密数据，并对比加密验证域是否等于0x2F，不相等 则解密错误丢弃数据，相等则剥离数据尾部填充的0x2F字节，修改长度域为实际字节长度， 并将数据上送至应用层。7. 据权利要求2或5所述的一种抗干扰的无线M-Bus短距离抄表控制方法，其特征在于 所述长度域包含2个CRC字节的长度，所述发送端链路层和接收端链路层数据域的最大长度 为243字节。
【文档编号】H04L29/06GK105931445SQ201610461490
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】王晓春, 魏元, 赵玉敏
【申请人】威海市天罡仪表股份有限公司