(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111654936.2 (22)申请日 2021.12.31 (71)申请人 郑州大学 地址 450000 河南省郑州市高新 技术开发 区科学大道100号 (72)发明人 狄丹阳　吴泽宁　王慧亮　张丰翼　 石琦　 (74)专利代理 机构 郑州浩翔专利代理事务所 (特殊普通 合伙) 41149 代理人 边延松 (51)Int.Cl. G08B 21/10(2006.01) G08B 25/10(2006.01) H04L 9/08(2006.01) H04L 9/40(2022.01) (54)发明名称 一种基于ZigBee技术的智 能水利无线预警 系统 (57)摘要 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。 权利要求书2页 说明书4页 附图4页 CN 114299694 A 2022.04.08 CN 114299694 A 1.一种基于ZigBee技术的智能水利无线预警系统， 其特征在于： 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 （1） ， 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。 2.根据权利 要求1所述的基于ZigBee技术的智能水利无线预警系统， 其特征在于： 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。 3.根据权利 要求1所述的基于ZigBee技术的智能水利无线预警系统， 其特征在于： 所述 协调器、 路由器和预警终端 中均含有ZigBee  CC2538芯片 （1） （含ECC加解密算法协处理器） 和CC2591芯片， CC2538芯片 （1） 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 。 4.根据权利 要求1所述的基于ZigBee技术的智能水利无线预警系统， 其特征在于： 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。 5.根据权利 要求1所述的基于ZigBee技术的智能水利无线预警系统， 其特征在于： 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。 6.根据权利 要求1所述的基于ZigBee技术的智能水利无线预警系统， 其特征在于： 所述 协调器、 路由器的电路相同， 均含有人机交互模块 （4） 、 串口通信模块 （2） 、 LCD模块 （3） 、 射频 收发模块 （5） 、 CC2 591芯片和CC2 538芯片 （1） 、 USB通信模块 （6） 、 电源电压转换模块 （7） 、 时钟 模块 （8） 、 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 （4） 、 射频收发模块 （5） 、 CC2591芯片 （11） 、 CC2 538芯片 （1） 、 电源电压转换模块 （7） 、 时钟模块 （8） 、 水利预警传感器 （10） 、 供电控制模块 （9） ， 预警终端定义为智能水利无线预警 装置B。 7.根据权利 要求1所述的基于ZigBee技术的智能水利无线预警系统， 其特征在于： 所述 密钥预制及定期更新 流程步骤如下： 步骤1： 协调器、 路由器和水利预警终端在固件烧写时flash中预制一对公私钥对， 特别 地， 协调器flash中维护一个所有节点私钥信息的列表， 即协调器掌握其他所有节点的私 钥， 其他节点只维护自身的私钥； 步骤2： 协调器向目标节点搜索通信的最优路径并保存路径中的各个节点； 步骤3： 协调器利用路径中最终的目标节点更新前的公钥对更新前的私钥和更新后的 私钥进行加密处 理； 步骤4： 在步骤3的基础上， 协调器利用路径中首个节点的公钥对上一步处理信息进行 加密处理并传输 到路径中首个节点； 步骤5： 在步骤4的基础上， 目标节点收到密文后解密得到明文， 比对自身持有的更新前 私钥与明文中包 含的该节点更新前私钥是否一 致；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114299694 A 2步骤6： 若目标节点的更新前私钥和收到的更新前私钥比对一致， 则更新目标节点的私 钥， 若不一致， 则目标节点拒绝更新私钥； 步骤7： 判断是否达到私钥更新周期T， 若达到， 则协调器向全网发送私钥更新数据帧， 否则， 目标节点拒绝更新私钥。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114299694 A 3