趙二剛，郭天勇

（1.南開(kāi)大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院，天津 300071；2.南開(kāi)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，天津 300071）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多地融入人們生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，由于無(wú)線通信具有不必鋪設(shè)電纜，擴(kuò)展性、靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，物聯(lián)網(wǎng)中子節(jié)點(diǎn)間及子節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)間的通信一般采用無(wú)線的形式。常見(jiàn)的無(wú)線通信技術(shù)包括Zig-Bee，藍(lán)牙（Bluetooth），無(wú)線寬帶（Wi-Fi），LoRa等[1-3]。 遠(yuǎn)距離無(wú)線電 LoRa（long range radio）技術(shù)與上述幾種無(wú)線通信技術(shù)相比具有功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、信號(hào)穿透性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[4-6]。鑒于上述原因在此研究了一種基于LoRa技術(shù)的無(wú)線通信方法，并在通信過(guò)程中加入加密機(jī)制。所研究的技術(shù)方案，可以為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間的通信特別是需要數(shù)據(jù)加密通信的應(yīng)用場(chǎng)景，提供有益的參考。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括無(wú)線發(fā)送端及無(wú)線接收端2個(gè)部分。待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以bin文件的形式存儲(chǔ)于發(fā)送端的SD卡中。發(fā)送端的處理器通過(guò)檢測(cè)按鍵來(lái)觸發(fā)一次bin文件的傳輸過(guò)程，如果按鍵有效則首先生成密鑰數(shù)組，然后開(kāi)始通過(guò)LoRa模塊與接收端進(jìn)行握手通信，如果握手成功則通過(guò)LoRa模塊傳送bin文件，在傳送過(guò)程中加入加密機(jī)制、拆幀機(jī)制、CRC校驗(yàn)機(jī)制[7-10]、錯(cuò)誤重傳機(jī)制及接收超時(shí)退出機(jī)制。接收端處理器對(duì)收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解密、校驗(yàn)，最終將數(shù)據(jù)以bin文件格式存入SD卡中?；贚oRa技術(shù)的加密無(wú)線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于LoRa技術(shù)的加密無(wú)線通信系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of encrypted wireless communication system based on LoRa technology

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

由圖1可見(jiàn)，無(wú)線發(fā)送端和接收端的硬件結(jié)構(gòu)是一樣的，均利用處理器與LoRa模塊進(jìn)行通信及利用SD卡實(shí)現(xiàn)bin文件的存儲(chǔ)。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 嵌入式處理器及SD卡接口

在此，采用意法半導(dǎo)體公司的基于ARM Cortex-M7 32位RISC內(nèi)核的STM32F767IGT6處理器作為無(wú)線收、發(fā)端的主控芯片，該處理器工作頻率可達(dá)216 MHz，內(nèi)置1 MB的閃存，512 kB SRAM及多種外設(shè)和通信接口。利用該處理器內(nèi)置的SDIO接口驅(qū)動(dòng)SD卡，SD卡接口部分的電路原理如圖2所示。

2.1.2 LoRa模塊

LoRa無(wú)線通信模塊采用安信可公司的LoRa擴(kuò)頻無(wú)線模塊Ra-02。該模塊基于SEMTECH公司的無(wú)線收發(fā)芯片SX1278設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，SX1278芯片采用SEMTECH的LoRaTM專利調(diào)制技術(shù)，接收靈敏度高達(dá)-148 dBm，功率輸出可達(dá)+20 dBm，傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性高。Ra-02模塊采用SPI總線與處理器進(jìn)行通信，3.3 V供電，該部分的電路原理如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

發(fā)送、接收端的STM32F767IGT6處理器利用SPI總線和LoRa模塊進(jìn)行通信。首先初始化該模塊，設(shè)置其載波頻率、擴(kuò)頻因子SF（spreading factor）、編碼率 CR（code rate）、校驗(yàn)?zāi)Ｊ?、帶?BW（bandwidth）等，然后利用LoRa模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)。

圖2 SD卡接口電路Fig.2 SD card interface circuit

圖3 LoRa模塊接口電路Fig.3 LoRa module interface circuit

2.2.1 加密算法

加密主要采用異或及換序算法。假定有randomA、randomB及randomC三個(gè)數(shù)組，這3個(gè)數(shù)組的元素均為8位無(wú)符號(hào)類型（取值范圍0～255）。randomA為收、發(fā)端公共密鑰；randomB為換序密鑰；randomC為異或密鑰。

randomA數(shù)組共有256個(gè)元素，數(shù)組中每個(gè)元素的值都不相同，并且以常量數(shù)組的形式預(yù)先存儲(chǔ)在發(fā)送及接收端的程序中。假定無(wú)線傳輸每幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為SEND_LEN個(gè)字節(jié)，則令RandomB，randomC數(shù)組元素的個(gè)數(shù)為SEND_LEN。

STM32F767IGT6處理器內(nèi)部集成了硬件隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 RNG（random number generator），發(fā)生器以連續(xù)模擬噪聲為基礎(chǔ)產(chǎn)生32位的隨機(jī)數(shù)。利用該發(fā)生器產(chǎn)生randomB數(shù)組。首先，在程序中使能RNG的時(shí)鐘，并配置RRNG_CR寄存器來(lái)初始化RNG，待RNG準(zhǔn)備就緒后就可以調(diào)用STM32F7處理器HAL庫(kù)的HAL_RNG_GetRandomNumber函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)；對(duì)所產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行取模處理，可以產(chǎn)生指定范圍的隨機(jī)數(shù)，即RNG產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)對(duì)SEND_LEN進(jìn)行取模，就可以產(chǎn)生0～SEND_LEN-1范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。令randomB數(shù)組每個(gè)元素的初始值均為0，把利用所述方法產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)填充到該數(shù)組中，同時(shí)地址下標(biāo)加1。其填充規(guī)則是每次產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)與數(shù)組中已經(jīng)填充的所有元素都不相等才能填充。這樣當(dāng)?shù)刂废聵?biāo)加到SEND_LEN時(shí)，randomB數(shù)組中的元素即為互不相等的隨機(jī)數(shù)且取值范圍為0～SEND_LEN-1。

randomC數(shù)組由數(shù)組randomA與randomB按照式（1）異或得到。即：

式中：randomC［i］為randomC數(shù)組中的第i個(gè)元素。發(fā)送端在傳輸bin文件時(shí)，將文件拆分成若干幀，每幀SEND_LEN-4個(gè)字節(jié)，最后一幀（“尾幀”）長(zhǎng)度可能少于SEND_LEN-4。然后對(duì)每一幀加入幀序（2 B）及CRC16校驗(yàn)值（2 B），這樣每一幀的總長(zhǎng)度仍為SEND_LEN個(gè)字節(jié)。另外，將bin文件的長(zhǎng)度（4 B）、文件內(nèi)容的CRC32校驗(yàn)值（4 B）及randomB數(shù)組整合成一幀，再加入幀序及CRC16校驗(yàn)值最終封裝成“首幀”。在傳輸文件時(shí)，“首幀”和“尾幀”采用與randomA數(shù)組異或的方式加密，其他幀的加密方式為先異或再換序：先與randomC數(shù)組異或得到buf數(shù)組，然后buf數(shù)組再根據(jù)randomB數(shù)組換序最終得到buf_chv數(shù)組。異或的方法同式（1），換序方法為

式中：buf_chv數(shù)組為最終發(fā)送給接收端的加密數(shù)據(jù)，buf_chv［i］為buf_chv 數(shù)組中的第 i個(gè)元素。根據(jù)發(fā)送端的加密算法及異或運(yùn)算的特性，接收端對(duì)“首幀”和“尾幀”采用與randomA數(shù)組異或的方式即可進(jìn)行解密，然后就可以得到randomB數(shù)組，再根據(jù)式（1）進(jìn)而得到randomC數(shù)組。其他幀先根據(jù)式（2）換序然后再與randomC數(shù)組異或進(jìn)行解密。

2.2.2 發(fā)送端和接收端的程序流程

發(fā)送端的STM32F767IGT6處理器在上電或復(fù)位后，首先初始化LoRa模塊，然后檢測(cè)按鍵。如果按鍵被按下，則生成randomB及randomC數(shù)組，讀取SD卡中的bin文件，并通過(guò)所述拆幀機(jī)制和加密算法，將bin文件通過(guò)LoRa模塊發(fā)送給接收端。在傳送過(guò)程中加入CRC校驗(yàn)機(jī)制、錯(cuò)誤重傳機(jī)制及接收超時(shí)退出機(jī)制，如果收到接收端回應(yīng)的“ok”則傳送下一幀，如果收到“error”或1 s內(nèi)均未收到回應(yīng)則重傳該幀，如果重傳超過(guò)10次則中斷發(fā)送并給出錯(cuò)誤提示。如果所有幀均發(fā)送完畢，則給出bin文件發(fā)送成功提示，并重新檢測(cè)按鍵，等待下次發(fā)送新的bin文件。發(fā)送端的程序流程如圖4所示。

圖4 無(wú)線發(fā)送端程序流程Fig.4 Flow chart of wireless sender

接收端的STM32F767IGT6處理器上電后，首先初始化LoRa模塊，然后查詢LoRa模塊是否接收到數(shù)據(jù)，如果接收到“首幀”則進(jìn)行異或解密，再CRC16校驗(yàn)，校驗(yàn)通過(guò)則回復(fù)給發(fā)送端“ok”，同時(shí)提取文件長(zhǎng)度、文件內(nèi)容的CRC32校驗(yàn)值及randomB數(shù)組，并進(jìn)入數(shù)據(jù)幀接收流程，否則回復(fù)給發(fā)送端“error”。

在數(shù)據(jù)幀接收流程中，對(duì)每一幀都以先換序再異或的方式解密（“尾幀”只進(jìn)行異或解密），解密后進(jìn)行CRC16校驗(yàn)，如果校驗(yàn)通過(guò)則回應(yīng)給主機(jī)“ok”，并按照幀序?qū)?shù)據(jù)存入內(nèi)部RAM，如果校驗(yàn)失敗則回應(yīng)給主機(jī)“error”，如果10 s內(nèi)均未收到數(shù)據(jù)或連續(xù)10次收到的數(shù)據(jù)CRC16校驗(yàn)都不通過(guò)，則退出整個(gè)bin文件的接收，重新等待發(fā)送端下次發(fā)送新的bin文件。如果所有的數(shù)據(jù)幀都接收完畢，則對(duì)存入RAM的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC32校驗(yàn)，如果校驗(yàn)值和“首幀”的CRC32校驗(yàn)值一致，則將上述數(shù)據(jù)寫(xiě)入bin文件并保存在SD卡中，然后重新等待“首幀”，準(zhǔn)備接收新的bin文件。接收端的程序流程如圖5所示。

圖5 無(wú)線接收端程序流程Fig.5 Flow chart of wireless receiver

3 系統(tǒng)測(cè)試

將不同大小的bin文件存入SD卡中，測(cè)試加密無(wú)線通信的效果。測(cè)試條件：無(wú)線發(fā)送、接收端距離50 m左右（樓宇內(nèi)）。將bin文件拆分成64 B每幀，設(shè)置LoRa模塊的帶寬wb=500 kHz，擴(kuò)頻因子fs=7，編碼率 rc=4/6，則求得數(shù)據(jù)速率（Data Rate）為

在實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)幀時(shí)考慮到收發(fā)握手機(jī)制、加密解密及LCD顯示等時(shí)間消耗，每傳輸1幀數(shù)據(jù)（64 B）大概耗時(shí)0.07 s。利用3個(gè)bin進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，系統(tǒng)實(shí)物及LCD顯示的測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

表1 加密無(wú)線通信系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果Tab.1 Encrypted wireless communication system test result

圖6 無(wú)線加密通信系統(tǒng)實(shí)物Fig.6 Actual picture of encrypted wireless communication system

多次試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)線傳輸bin文件的耗時(shí)與理論計(jì)算時(shí)間基本一致，發(fā)送、接收端SD卡中的bin文件內(nèi)容完全一致。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于LoRa技術(shù)的無(wú)線通信系統(tǒng)，并對(duì)通信過(guò)程中用到的加密算法進(jìn)行了研究。實(shí)測(cè)結(jié)果證明了該技術(shù)方案的可行性。該技術(shù)方案可以為需要無(wú)線通信特別是通信數(shù)據(jù)需要加密的應(yīng)用場(chǎng)景提供有益的參考。