基于NB-IOT网络的智能交通信号控制系统及方法与流程

本发明涉及通信领域，尤其涉及交通信号控制领域，具体是指一种基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统及方法。

背景技术：

智能交通信号控制装置是道路交通信号控制系统的重要组成部分，其目的在于采集道路交通信号的故障信息、环境信息以及地理位置信息等，即时发送该道路交通信号状态信息给通信基站。

现有的智能交通信号控制装置主要基于有线传输方案和基于gsm或4g通信技术的无线传输方案。有线传输方案主要利用光纤接入或租用电缆传输交通信号，这种方法虽然稳定可靠，但在工程实施时，电缆一般采用空中架设后地下铺设的方式，由于城市中有各种空中、地下设施，这给工程施工带来了许多困难，提高了工程成本，且后期维护困难，扩展性也较差，因而在发展前景、环境适应等方面存在较大不足。而目前市场上采用的无线传输技术基本上都是基于gsm和4g蜂窝网通信技术的传输方案，需要通过中继网关收集信息再反馈给基站，网络部署复杂、多网络组网、高成本、安全性低、且在恶劣环境下不能正常监测。

nb-iot(narrowbandinternetofthings)网络是一种新兴的网络技术，其是一种基于蜂窝的窄带物联网，可直接部署于gsm网络、umts网络或lte网络，支持待机时间短、对网络连接要求较高设备的高效连接，具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少、架构优等特点，目前已成为万物物联网的一个重要分支。

技术实现要素：

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现智慧化管控的基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统及方法。

为了实现上述目的，本发明的基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统及方法具有如下构成：

该基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统，其主要特点是，所述的系统包括：

加密模块，用于对数据进行加密处理；

mcu控制器，通过通信协议分别与所述的加密模块和一前端控制器相连接，用于获取数据并对其进行加密处理后发送至一后端服务器；

nb-iot通信模块，与所述的mcu微控制器相连接，并通过网络与所述的后端服务器相连接，用于实现所述的智能交通信号控制系统与所述的后端服务器之间的通信。

该基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统的mcu控制器包括arm处理器，所述的arm处理器通过通信协议与所述的加密模块相连接。

该基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统的arm处理器通过i2c总线与所述的加密模块相连接。

该基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统的mcu控制器通过uart总线与所述的前端控制器相连接。

该基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统的nb-iot通信模块包括nb-iot移动sim卡，所述的nb-iot移动sim卡通过网络与所述的后端服务器相连接，用于实现所述的智能交通信号控制系统与所述的后端服务器之间的安全通信。

该基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统的nb-iot移动sim卡通过nb-iot网络与所述的后端服务器相连接。

该基于上述系统实现智能交通信号控制的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的mcu微控制器进行后端服务器的身份认证；

(2)所述的mcu控制器通过所述的加密模块对来自前端控制器的数据进行加密处理以得到前端加密密文；

(3)所述的前端加密密文通过所述的nb-iot通信模块发送至所述的后端服务器；

(4)所述的后端服务器对所述的前端加密密文进行解密以得到前端解密密文；

(5)根据所述的前端解密密文，所述的后端服务器向所述的mcu控制器发送控制指令；

(6)所述的mcu控制器接收所述的控制指令，实现对所述前端控制器的控制。

该实现智能交通信号控制的方法的步骤(1)包括以下步骤：

(1.1)所述的后端服务器对密钥进行设置后通过所述的nb-iot通信模块存储至所述的加密模块；

(1.2)所述的mcu控制器生成一随机数，并将所述的随机数下发至所述的加密模块和所述的后端服务器；

(1.3)所述的加密模块利用所存储的密钥并根据加密参数得到mac1报文摘要，同时所述的后端服务器根据所述的加密参数得到mac2报文摘要；

(1.4)所述的mcu控制器通过比较所述的mac1报文摘要和所述的mac2报文摘要是否一致，以此对所述的后端服务器的身份进行认证。

该实现智能交通信号控制的方法的步骤(2)中，所述的前端控制器的数据的加密处理具体为：

所述的前端控制器的数据与所述的mac1报文摘要进行异或逻辑运算。

该实现智能交通信号控制的方法的步骤(4)中，所述的前端加密密文的解密处理具体为：

所述的前端加密密文与所述的mac1报文摘要进行异或逻辑运算。

该实现智能交通信号控制的方法的步骤(1.3)中，所述的加密模块通过sha-256安全散列算法得到所述的mac1报文摘要，所述的后端服务器通过所述的sha-256安全散列算法得到所述的mac2报文摘要。

该实现智能交通信号控制的方法的步骤(4)中，所述的后端服务器还包括一基站，所述的基站对所述的前端加密密文进行解密以得到所述的前端解密密文。

采用了该发明中的基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统及方法，具有以下有益效果：

1、部署便捷灵活，大大降低了工程布线成本，维护便捷性得到巨大提高；

2、低功耗、低成本、强连接、高效率：

nb-iot构建于蜂窝网络，只消耗大约180khz的带宽，可直接部署于gsm网络、umts网络或lte网络，以降低部署成本、实现平滑升级。nb-iot是iot领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(lpwan)。

nb-iot具有海量连接的支撑能力，nb-iot一个扇区能够支持10万个连接，可接入的物联网终端数高达4500亿个。同时nb-iot的功耗更低，仅为2g的1/10。

3、建立交通信号控制器地理信息系统，实现资源管理精细化：

通过nb-iot网络基站定位，可全面普查、编码和定位，形成直观可视、图表结合、条理清晰、条块合理的城市道路交通信号控制网，以地理信息系统(gis)为基础，实现精细化、可视化、动态化管理。

4、实现运维服务主动化、降本增效、解放人力：

通过收集前端控制器的流量、日志、故障报警等信息，将信息通过nb-iot无线传输至后端控制器，用户可快速、便捷、实时地查阅每台信号控制设备的状态，并且可根据用户需求对各个路口进行动态调整及灵活配置，实现定向运维、主动服务、减轻劳动强度、提高运维效率以及降低运维成本。

采用该基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统及方法，通过采用nb-iot通信模块进行无线数据传输，在控制系统中心即可安全地实现无线控制众多分散在区域内的交通信号控制器，具有部署成本低、维护简单、部署灵活、实时信息采集以及故障实时检测等巨大优势。同时，还可通过控制系统中心的运营管理平台分析采集到的信息，如检测到交通信号控制器现场供电电压不稳情况，就可实行相应的降级处理，并且告知用户需要进行故障处理以恢复电压正常等，实现进一步智慧化管控。

附图说明

图1为本发明的控制系统的各模块内部以及各模块与外部系统之间的连接结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

请参阅图1所示，其为本发明的控制系统的各模块内部以及各模块与外部系统之间的连接结构示意图。该基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统，其主要特点是，所述的系统包括：

加密模块，用于对数据进行加密处理；

mcu控制器，通过通信协议分别与所述的加密模块和一前端控制器相连接，用于获取数据并对其进行加密处理后发送至一后端服务器；

nb-iot通信模块，与所述的mcu微控制器相连接，并通过网络与所述的后端服务器相连接，用于实现所述的智能交通信号控制系统与所述的后端服务器之间的通信。

该基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统的mcu控制器包括arm处理器，所述的arm处理器通过通信协议与所述的加密模块相连接。

该基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统的arm处理器通过i2c总线与所述的加密模块相连接。

该基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统的mcu控制器通过uart总线与所述的前端控制器相连接。

该基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统的nb-iot通信模块包括nb-iot移动sim卡，所述的nb-iot移动sim卡通过网络与所述的后端服务器相连接，用于实现所述的智能交通信号控制系统与所述的后端服务器之间的安全通信。

该基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统的nb-iot移动sim卡通过nb-iot网络与所述的后端服务器相连接。

该基于上述系统实现智能交通信号控制的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的mcu微控制器进行后端服务器的身份认证；

(2)所述的mcu控制器通过所述的加密模块对来自前端控制器的数据进行加密处理以得到前端加密密文；

(3)所述的前端加密密文通过所述的nb-iot通信模块发送至所述的后端服务器；

(4)所述的后端服务器对所述的前端加密密文进行解密以得到前端解密密文；

(5)根据所述的前端解密密文，所述的后端服务器向所述的mcu控制器发送控制指令；

(6)所述的mcu控制器接收所述的控制指令，实现对所述前端控制器的控制。

该实现智能交通信号控制的方法的步骤(1)包括以下步骤：

(1.1)所述的后端服务器对密钥进行设置后通过所述的nb-iot通信模块存储至所述的加密模块；

(1.2)所述的mcu控制器生成一随机数，并将所述的随机数下发至所述的加密模块和所述的后端服务器；

(1.3)所述的加密模块利用所存储的密钥并根据加密参数得到mac1报文摘要，同时所述的后端服务器根据所述的加密参数得到mac2报文摘要；

(1.4)所述的mcu控制器通过比较所述的mac1报文摘要和所述的mac2报文摘要是否一致，以此对所述的后端服务器的身份进行认证。

该实现智能交通信号控制的方法的步骤(2)中，所述的前端控制器的数据的加密处理具体为：

所述的前端控制器的数据与所述的mac1报文摘要进行异或逻辑运算。

该实现智能交通信号控制的方法的步骤(4)中，所述的前端加密密文的解密处理具体为：

所述的前端加密密文与所述的mac1报文摘要进行异或逻辑运算。

该实现智能交通信号控制的方法的步骤(1.3)中，所述的加密模块通过sha-256安全散列算法得到所述的mac1报文摘要，所述的后端服务器通过所述的sha-256安全散列算法得到所述的mac2报文摘要。

该实现智能交通信号控制的方法的步骤(4)中，所述的后端服务器还包括一基站，所述的基站对所述的前端加密密文进行解密以得到所述的前端解密密文。

在实际应用中，该mcu控制采用arm处理器设计，通过uart总线实现与nb-iot模块及控制中心服务器数据交换。主要用于获取道路交通信号的状态及故障信息，如电压、电流、烟雾、水浸、各故障板卡状态、车流量以及地理位置等信息。

在实际应用中，该nb-iot通信模块用于通过nb-iot网络与外部的基站通信，由nb-iot网络技术连接到附近的基站，从而使得智能交通信号控制系统与后端服务器之间的通信。同时，该nb-iot通信模块内置nb-iot移动sim卡，通过绑定固定的号码，实现数据可靠、安全地收发。

在实际应用中，该加密模块采用了国产加密芯片，通过i2c总线与arm处理器通信，采用软件和硬件组合的加密方案，通过复杂的加密算法，防止了对硬件pcba进行抄板、复制；同时防止数据在传输过程中被篡改，确保数据的安全性。

在一具体实施方式中，该智能交通信号控制方法中：

首先，将8字节的密钥可通过后端服务器设置，并通过nb-iot网络的tcp/ip下发到加密模块中的加密芯片存放，随即由mcu控制器中的arm处理器产生的随机数下发给加密模块中的加密芯片和后端服务器，加密芯片根据多个参数通过sha-256硬件加密电路计算出32字节的报文摘要mac1；同时后端服务器也根据这些参数通过sha-256软件加密程序计算出32字节的报文摘要mac2；

然后，arm处理器比较mac1和mac2是否一致来判断后端服务器的身份，身份认证通过后，arm处理器才处理后端服务器发送来的密文数据和向后端服务器发送密文数据；arm处理器加密数据的方法是：data(32byte)与mac1(32byte)进行异或逻辑运算，data异或mac1＝data1，将密文data1发给服务器；

最后，后端服务器接收到密文data1后采用反向逻辑运算即可还原data，data1异或mac1＝data；至此，智能交通信号控制装置与控制中心服务器完成了整个的数据传输、加密和解密。

采用了该发明中的基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统及方法，具有以下有益效果：

1、部署便捷灵活，大大降低了工程布线成本，维护便捷性得到巨大提高；

2、低功耗、低成本、强连接、高效率：

nb-iot构建于蜂窝网络，只消耗大约180khz的带宽，可直接部署于gsm网络、umts网络或lte网络，以降低部署成本、实现平滑升级。nb-iot是iot领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(lpwan)。

nb-iot具有海量连接的支撑能力，nb-iot一个扇区能够支持10万个连接，可接入的物联网终端数高达4500亿个。同时nb-iot的功耗更低，仅为2g的1/10。

3、建立交通信号控制器地理信息系统，实现资源管理精细化：

通过nb-iot网络基站定位，可全面普查、编码和定位，形成直观可视、图表结合、条理清晰、条块合理的城市道路交通信号控制网，以地理信息系统(gis)为基础，实现精细化、可视化、动态化管理。

4、实现运维服务主动化、降本增效、解放人力：

通过收集前端控制器的流量、日志、故障报警等信息，将信息通过nb-iot无线传输至后端控制器，用户可快速、便捷、实时地查阅每台信号控制设备的状态，并且可根据用户需求对各个路口进行动态调整及灵活配置，实现定向运维、主动服务、减轻劳动强度、提高运维效率以及降低运维成本。

采用该基于nb-iot网络的智能交通信号控制系统及方法，通过采用nb-iot通信模块进行无线数据传输，在控制系统中心即可安全地实现无线控制众多分散在区域内的交通信号控制器，具有部署成本低、维护简单、部署灵活、实时信息采集以及故障实时检测等巨大优势。同时，还可通过控制系统中心的运营管理平台分析采集到的信息，如检测到交通信号控制器现场供电电压不稳情况，就可实行相应的降级处理，并且告知用户需要进行故障处理以恢复电压正常等，实现进一步智慧化管控。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。