丁 華

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智能水表營收通信系統(tǒng)中的安全性分析

丁 華

重慶市自來水有限公司，重慶 400000

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市聚集了大量人口，對淡水需求量急劇上升。不僅提升了用水抄表作業(yè)工作量，而且導(dǎo)致人工抄表成本的上升甚至漏抄、錯抄、估抄等問題。因此進(jìn)行準(zhǔn)確、及時、有效的抄表成為每個水務(wù)企業(yè)都需要面對的。相對于傳統(tǒng)人工抄表，智能水表營收系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地將用水?dāng)?shù)據(jù)傳輸給水務(wù)管理者并進(jìn)行處理與結(jié)算。LoRa等通信技術(shù)自適應(yīng)強(qiáng)、調(diào)試方便且性能穩(wěn)定，成為目前最常用的方式之一。主要對智能水表營收通信系統(tǒng)的安全性進(jìn)行了分析，促進(jìn)智能抄表系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用。

智能抄表；LoRa系統(tǒng)；系統(tǒng)安全

城市規(guī)模大，人口多且集中，因此城市居民用水計量一直是水務(wù)企業(yè)面臨的難點之一，給人工抄表也帶來很大的工作壓力。近年來，興起了多種智能抄表系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能計費、在線查詢等功能，解決了人工抄表帶來的煩瑣問題等。但是由于技術(shù)不成熟，也帶來一些問題。多數(shù)智能表依賴于有線網(wǎng)絡(luò)和電源。一臺智能水表需要一根電源線和一根通信線，施工成本較高，且容易受到損壞。后期也有部分水表采用Wi-Fi等方式走無線通信協(xié)議，但是由于系統(tǒng)不穩(wěn)定，易受干擾，故障率高，系統(tǒng)運維成本很高，甚至導(dǎo)致一些矛盾出現(xiàn)。

1 LoRa系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢與系統(tǒng)組成

LoRa是一種采用擴(kuò)頻技術(shù)的無線傳輸通信方案。此方案解決了超遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題，工作在全球公共通信頻段[1]，平衡了超遠(yuǎn)距離和超低功耗，能夠提供具有遠(yuǎn)距離、長電池壽命、低延時、大容量等優(yōu)點的無線通信解決方案。選擇LoRa方案是因為智能抄表應(yīng)用中，數(shù)據(jù)吞吐量不大，而對終端的持續(xù)在線運行時間要求較高。LoRa能夠維持終端電池的使用時間長達(dá)數(shù)年，且通信距離可達(dá)5?km，穿墻能力特別適合智能抄表這類長距離小流量數(shù)據(jù)通信使用。LoRa通信方案由使用LoRa芯片的數(shù)據(jù)采集終端——智能表和LoRa集中器組成。采用簡單的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這個結(jié)構(gòu)中，LoRa集中器作為中繼，鏈接使用中的終端設(shè)備和后端服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通過標(biāo)準(zhǔn)的IP6協(xié)議網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，由于網(wǎng)關(guān)充當(dāng)透明中繼，終端設(shè)備可以和多個網(wǎng)關(guān)通信，所有的節(jié)點均可進(jìn)行雙向通信。

LoRa技術(shù)采用星形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，具有低延遲的最簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?；贚oRa的擴(kuò)頻芯片，可以實現(xiàn)水表與集中器直接組網(wǎng)連接，構(gòu)成星形。由于LoRa技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn)，應(yīng)用于智能水表遠(yuǎn)程通信時無需中繼器，使用簡單的星形組網(wǎng)就可以建立LoRa微功率網(wǎng)絡(luò)，因此其通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為典型的星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。每個智能水表終端，使用一個固定的硬件地址，并將硬件地址銘刻在智能水表外殼上。在智能水表安裝以后，統(tǒng)計住宅位置和智能水表的硬件地址。在工作站系統(tǒng)上進(jìn)行硬件匹配，即可工作。更換損壞的智能水表也僅須重新匹配硬件地址和住宅地址即可，系統(tǒng)配置靈活，操作便利。一個集中器與多個智能水表相連接，智能水表表端的通信模塊上裝有LoRa模塊，將表端的數(shù)字信號調(diào)制為LoRa信號并發(fā)送至集中器，集中器上裝有LoRa模塊和有線網(wǎng)絡(luò)模塊，利用LoRa模塊將接收到的LoRa信號解調(diào)處理，轉(zhuǎn)換為有線網(wǎng)絡(luò)信號并傳輸至基站，基站收到信息后進(jìn)一步通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央數(shù)據(jù)中心，也可不上傳。理論上LoRa集中器可以連接62?500個節(jié)點，所以采用單一LoRa集中器即可組成智能抄表網(wǎng)絡(luò)，而且可以孤網(wǎng)運行。由于LoRa傳輸距離遠(yuǎn)，穿墻能力強(qiáng)，一般一個單元樓使用一個LoRa集中器即可，可以靈活布置LoRa集中器，具有架設(shè)網(wǎng)絡(luò)容易、成本低廉的特點。

圖1 LoRa智能抄表系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)安全面臨的問題與設(shè)計措施

2.1 系統(tǒng)安全隱患

隨著信息技術(shù)的逐漸發(fā)展，為提高企業(yè)的工作效率和質(zhì)量，各類信息系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，使企業(yè)內(nèi)部的信息交流增多，讓企業(yè)的管理更加便捷化、系統(tǒng)化和智能化。隨著企業(yè)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，企業(yè)內(nèi)部的信息也逐漸增多，信息系統(tǒng)也更加復(fù)雜，使企業(yè)信息被破壞、篡改以及丟失的風(fēng)險加劇，再加上員工的信息安全意識不高，企業(yè)對信息安全專業(yè)的人才關(guān)注較少，使企業(yè)信息得不到專業(yè)的規(guī)劃與管理，增大了信息系統(tǒng)的風(fēng)險。其次，在智能抄表系統(tǒng)運行中，需要與外部的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行關(guān)聯(lián)才能完成信息交換以及對外服務(wù)，所以內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的交流頻繁，加劇了信息系統(tǒng)被干擾侵略的風(fēng)險。不僅如此，智能抄表信息系統(tǒng)還可能會受到外部病毒或木馬的攻擊，使企業(yè)受到信息數(shù)據(jù)破壞、信息系統(tǒng)癱瘓或重要信息外泄等情況，影響企業(yè)的工作效率和質(zhì)量，繼而影響企業(yè)在市場中的發(fā)展[2]。

2.2 安全性設(shè)計與分析[3]

2.2.1 數(shù)據(jù)安全性

（1）數(shù)據(jù)庫備份采用定期自動備份數(shù)據(jù)庫和工作日志的方法，并配置數(shù)據(jù)管理員。

（2）市級大容量數(shù)據(jù)庫還可以使用添加建立鏡像服務(wù)器技術(shù)，保證數(shù)據(jù)存儲安全性。

（3）在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中針對不同類型的訪問系統(tǒng)建立不同的用戶，并只開放其業(yè)務(wù)范圍內(nèi)的操作權(quán)限。

（4）通過對業(yè)務(wù)功能模塊針對不同類型用戶設(shè)置操作權(quán)限控制，和加強(qiáng)Web?Service 訪問安全機(jī)制保證數(shù)據(jù)不被侵犯和破壞；要求客戶制定有效的用戶密碼權(quán)限管理制度。

（5）使用中間服務(wù)器技術(shù)避免了蓄意破壞人員通過外網(wǎng)直接訪問數(shù)據(jù)庫的可能性。

（6）針對購水?dāng)?shù)據(jù)和操作日志等大容量數(shù)據(jù)表，建立按時間階段（例如以年為周期）進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲制度，讓運行系統(tǒng)只保存最近兩年的用戶購水?dāng)?shù)據(jù)，規(guī)避系統(tǒng)因數(shù)據(jù)量過大而降低性能。

（7）上級自來水單位集中售水?dāng)?shù)據(jù)庫存放了本管轄范圍內(nèi)各網(wǎng)點的完整的售水系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份，在網(wǎng)點數(shù)據(jù)庫遭到破壞后可以從上級集中售水?dāng)?shù)據(jù)庫復(fù)制數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。

（8）充分利用大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫的功能與特性，例如唯一性約束、主鍵約束等，使數(shù)據(jù)庫達(dá)到A1的安全級別。

2.2.2 其他安全性

（1）在可靠性措施中已提到，建議網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用主備模式，同時充分利用服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、磁盤陣列自身的RAID容差機(jī)制來保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（2）使用機(jī)器鎖和鍵盤鎖。

（3）單獨建立監(jiān)控中心，及時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運行狀況。

（4）內(nèi)部系統(tǒng)如需接入internet，內(nèi)外網(wǎng)一定要做充分的隔離，可利用防火墻 IP映射機(jī)制來對公網(wǎng)進(jìn)行訪問。

（5）采用 UNIX（AIX、HP-UNIX、SOLIRAS）及 Windows NT 操作系統(tǒng)，具備更強(qiáng)的安全性及穩(wěn)定性。

（6）系統(tǒng)操作應(yīng)根據(jù)不同級別用戶分配不同的增、刪、查、改權(quán)限，且應(yīng)具備操作日志記錄功能，留下追源問責(zé)的余地。

3 小結(jié)

隨著城市信息化水平提高，LoRa通信的低功耗長距離通信優(yōu)勢的智能無線抄表將是未來發(fā)展的趨勢，將逐漸替代人工抄表和有線自動抄表。LoRa無線技術(shù)不僅能夠適用于水電表，而且可以推廣到有線范圍內(nèi)，低功耗、遠(yuǎn)距離、低速率的數(shù)據(jù)傳輸及智能的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，特別是LoRa組成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以孤網(wǎng)運行，不依賴運營商，可以降低系統(tǒng)的使用費用。相信，LoRa技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用。

[1]梁凱. 智能抄核串表的預(yù)防措施及解決方法[J]. 中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018（40）：216.

[2]李波，吳偉. 智能抄表系統(tǒng)實際應(yīng)用與解決方案[J].中國高新區(qū)，2018（11）：32.

[3]高鶯，張琦，陳黎潔，等. 列控-安全信息傳輸系統(tǒng)可靠性及安全性的形式化分析[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報，2018，42（2）：61-68.

Security Analysis in the Communication of the Revenue System of Intelligent Water Meter

Ding Hua

Chongqing Water Supply Co., Ltd., Chongqing 400000

With the development of urbanization, the demand for fresh water has increased. It not only improves the workload of water meter reading, but also leads to the increase in the cost of manual meter reading and even misses, mistakes, estimates and other problems. Therefore, accurate, timely and effective reading of the meter has become a water enterprises need to face. Compared with traditional manual meter reading, the intelligent water meter revenue system can accurately transfer water data to the water manager and process and settle. LoRa and other communication technologies have strong adaptive, easy debugging and stable performance, and have become one of the most commonly used methods. The paper mainly analyzes the security of the communication system and promotes the development and application of the intelligent meter reading system.

smart meter reading; LoRa system; system security

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