一种基于433MHz的广播式消息通讯装置
技术领域
本发明属于数据通讯技术领域，涉及一种基于433MHz的广播式消息通讯装置。
背景技术
在一对多的消息通讯中，涉及的成熟方案比较多。比如传统手机短信群发；广泛使用的基于互联网的通讯，如微信，QQ等等；运用一定频段的民用对讲机通讯，目前在物联网领域较多的LoRa通讯，NB-IoT通讯等等。
其存在的问题是：短信群发依赖于网络运营商的信号，并有一定的成本，其保密程序一般。基于互联网的通讯，如微信，QQ虽然在目前通讯是可靠的，但是更多的是私人性质，即使公有使用，也要依赖于互联网络，其保密程度一般。目前民用对讲机通讯，在其语音通讯的同时，如果有数据通讯则是困难的。基于LoRa，NB-IoT等更多的是应用物联网中的数据通讯，有些也具有AES128以上的加密，虽然也有一对多，自组网等特征，但是其应用非是本发明应用的范围。
如在政府部门，经常需要给指定部门或者指定人群发布公开或者加密的消息，通知其重要事项或者进行会议通知。如果在这些指定部门指定人群桌面有公共的显示终端则是方便的。如果是在办事大厅等场合，如果是公开的比如办事指南、注意事项、甚至天气、温度、交通指南等消息，作为数据的补充，随时可移动的无线方式无疑是灵活的。如果是单位或者部门内部，无线方式的加密消息传递具有一定的保密性。
在学校，大量的教室在上课、开展活动时需要显示终端显示本教室的利用情况。在学生宿舍、需要一个公共的显示终端显示学校发来的消息、院系给学生的消息、教师给学生的消息等。如通知学生参加学术讲座、演讲、讨论会等。
在医院的特定部门、有时候需要发布全院性的公开或者加密的消息，通知。有时候需要通知某些科室人员参加会议、联合会诊。带有文字带有提醒功能的安装于办公室桌面的显示终端则是方便的。
在一些企业和政府部分，有专门的用于业务的专用网络。内部的许多联系基于专网进行。有些禁止互联网接入，甚至限制了移动互联网的使用。在这种情况下，基于无线的加密消息通信就有了应用的可能。
在社会服务的公共部门，如消防、公安、水利、供水供电等部门，在紧急状况下，作为传统通讯的补充，安装于公共场所或者办公室或者宿舍等场合的公共接收终端是需要的。在紧急状态下，终端系统具有的报警系统能在紧急通知特定人员争分夺秒完成某件事情上相当重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于433MHz的广播式消息通讯装置。
其技术方案如下：
一种基于433MHz的广播式消息通讯装置，包括一个发送端和多个接收端。
所述发送端是由PC端，发射端MCU，433MHz串口无线通讯模块，GPS接收器， 4G/GPRS接口以及运行在PC端的专用发送软件所组成。
所述发射端有两种模式，一是广播模式，可以全体广播，也可以局部广播；二是点对点模式，就是将数据发给特定地址的接收端，这样即可实现对特定部门和特定人群发布消息。
发射端和接收端采用自定义协议的方法进行数据通讯，其格式是：接收端地址(2B)，发射端地址(2B)，数据长度(2B)，紧急特征(1B)，回应特征(1B)，加密特征(1B)，CRC16(2B)，数据头(5B)，日期时间(12B)，采用AES128位算法加密的数据部分(nB)。
PC端通过RS485连接所述发射端MCU.所述PC端运行专用软件是运行于Windows下具有消息发送界面的计算机软件。该软件具有选择群发和指定地址发送功能、具有紧急消息、普通消息选择功能，具有是否回应功能、具有是否加密功能等，最后将数据传递给所述的发送端的MCU.
所述发射端MCU，其串口1连接所述433MHz串口无线通讯模块；其串口2连接所述4G/GPRS接口；通过RS485转接器连接所述GPS接收器。其作用是将PC端软件发来的消息在内存中进行自定义消息协议的封装。封装的数据中包括了将GPS授时消息解码得到的日期和时间信息。将封装完成的数据包以串口的方式连接所述433MHz串口无线通讯模块进行发射。
所述4G/GPRS模块是一种连接移动互联网的模块，通过串口2连接所述发射端MCU。多个授权的手机号码可以通过4G信号连接所述的4G/GPRS模块，通过特定软件发送透明的数据给所述的发射端MCU，以同样的方式在所述MCU中进行自定义消息协议的封装，最后进行发射。其目的是授权的工作人员可以在使用手机远程连接4G/GPRS模块发布消息给本网用户，在紧急情况下使用，比较方便。
所述433MHz串口无线通讯模块是一种基于串口的远距离数据传输模块，通过其串口连接到所述发射端MCU串口1。既可以接收也可以发射。通讯速率一般设定为9600bps，空中波特率默认为2.5Kbps，通讯的信道从410MHz每隔1M间隔32的信道。
接收端包括433MHz的串口无线通讯模块，7寸串口彩屏，接收端MCU以及报警单元所组成。
所述433MHz串口无线通讯通讯模块与发射端所述的模块一致。
所述433MHz串口无线通讯通讯模块的串口连接到所述接收端MCU的串口2。用于接收发射器远距离发射的无线信号，并透明传输到所述接收端的MCU。
所述接收端MCU，其串口1连接所述7寸串口彩屏。串口2连接所述433MHz无线通讯模块，其P1.0端口连接所述报警单元。所述433MHz无线通讯模块将发给本机的数据传递给所述接收端的MCU，在接收端的MCU中，将发来的消息按自定义的消息协议分别进行解码，得到各个字段的数据。使用接收端MCU芯片硬件中存储的解密密钥对数据部分进行解密，将非法的消息滤除，将要显示的数据通过串口1推送到7寸彩屏上显示。在正常情况下，接收端消息显示在7寸彩屏上，在紧急情况下，在接收端接收消息的同时还发出报警信号，如果在字段中要求回应，则接收者通过按钮进行回应发送端。
所述报警单元连接到所述接收端的MCU的P1.0接口。具有驱动电路和蜂鸣器报警和 LED闪光功能。
所述接收端7寸彩屏应该至少包含6763个汉字的汉字硬件字库。在接收端接收的消息中，如果是汉字，则是汉字内码编码方式。一个汉字用2个字节的汉字内码方式表示，这样的方式，极大减少了无线数据传输量。
数据在发射端和接收端采用AES128为对称加密算法。加密密钥和解密密钥是一致的。其加密方法是：加密密钥和所述发射端MCU的程序文件一起烧录到所述单片机中，加密时，程序本身读取加密密钥作为一个常量来加密数据；同理，解密密钥和所述接收端MCU 的程序文件一起烧录到所述单片机中，解密时，程序本身读取解密密钥作为一个常量来解密数据。
加密密钥和解密密钥防范被非法读取的方法是：MCU采用STC15W4K32S4，此MCU 本身具有程序文件的硬件加密功能，其加密原理是采用此MCU芯片制造时全球唯一的ID 号通过复杂算法对程序文件进行加密，一旦含有密钥的程序文件被烧录到此MCU中，目前的技术和方法无法读取解密。而此MCU正常运行时，自动解密存储在其内部的程序文件正常运行，也能通过正常的程序文件读取作为常量存储的密钥，从而实现加密和解密的过程。
防范程序文件被非法改写的方法是：下载口令保护，没有口令无法改写发射端和接收端所述MCU的的运行程序。
433MHz无线通讯模块发射的频率范围：410Mhz～441MHz，每隔1MHz一个频段，共32个频段，采用无线数传电台的无中继的广播可达8000m。为了避免非法的同一个频段433MHz，同一个信道，比如17号，同一个地址，比如(9999)数据的干扰，采用的方法是：在自定义消息协议的数据部分，定义了5个字节的数据头，例如：“MNPQR”。非法的数据即使已知频率、信道、接收地址，但是因为无法得到解密密钥从而无法得到正确的数据头而使得非法的数据被丢弃。从而避免了数据干扰。
进一步，在所述发射端，通常情况下，将发射端MCU、GPS(除天线)、4G/GPRS模块、交流220V转+5V电源供电模块都封装于一个外壳中。USB转RS485模块则独立外置，这样，可以将USB转RS485模块安装于PC附近，而将发射端通过RS485电缆连接安装在较远的位置，便于在楼顶等位置安装GPS天线和所述的无线发射模块天线。
在所述电源部分，采用标准化工业开关电源，输出+5V，电流5A，具有防雷保护、短路保护、良好的散热等功能。
USB转RS485模块采用光电隔离型，具有防雷保护、工业抗干扰性强。采用工业的RS485信号电缆。
所述发射端外接GPS天线要求增益在38db以上，噪声值1.5db，驻波比<1.5:1，圆形极化，采用SMA接口天线，天线长度至少5m，要将GPS天线装设到室外无遮挡环境。能同时接受北斗和GPS信号。
所述发射端433MHz无线通讯模块的天线也采用外置式，采用室外玻璃钢全向型天线，馈线长度至少3m，垂直极化方式，增益至少5db，阻抗50Ω，SMA接口。
在所述接收端，通常情况下，将所述MCU，所述无线通讯接收单元、报警单元等设计安装于一块PCB板上，提供具有DC005结构的电源接口，采用交流220V转+5V电源适配器，外置供电，也可以采用电脑USB接口供电。
所述接收端7寸彩屏，提供+5V、GND、RXD、TXD四个IO接口，具有能显示全彩色、文字和图像等功能。长200cm，宽100mm，将接收端的PCB板后置于7寸彩屏，右侧具有12mm*12mm*5mm的大按键，垂直方向排列三个，分别是紧急回复、关闭显示器、待机模式按键。设计支架结构斜45度立于桌面。
接收端无线模块天线采用外置的吸盘天线，具有SMA内针接口，天线高度17cm。因为接收433M无线信号，因而连接所述接收端的天线可以在室内。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
首先能在社会生活的各个领域广泛使用。如政府政策消息发布时，可在多个位置发布消息。在公共区域，如公园、广场、社区、酒店、餐厅等位置发布消息。在学校、医院、消防、公安、水利电力、通讯、农业、交通运输等部门内部正常使用或者紧急使用。其次是成本低，比如传统的企业级短信存在成本，也不依赖移动网、互联网不必申请就可使用，也因为多数消息为文字消息，无论是接收端还是发送端基于文字处理的速度快，成本很低，接收端有几十上百个除了通讯稍有延迟外，其他没有影响。第三，是可靠性，目前无中继带天线的模块在空中速率2.5Kbps，传输距离在8000m时几乎没有丢包。在一般情况下，复杂环境下5km～6km是可靠的。有一级中继时，可达12～15km.第四，是安装方便，接收端可以在公共区域，可以在办公室也可在家里。第五，是作为目前局域通讯的补充。在紧急情况下，授权发布的用户可用手机连接4G/GPRS接口，直接以广播式消息进行数据发布，也就是实现了远程数据无线发布。当然，正常情况下，也可以使用手机连接4G/GPRS 接口进行发布。
附图说明
图1a为本发明实施例中基于433MHz的广播式消息通讯装置的发射端结构框图；
图1b为本发明实施例中基于433MHz的广播式消息通讯装置的接收端结构框图；
图2为本发明实施例提供发射端MCU封装数据包的流程图；
图3为本发明实施例提供发射端MCU封装数据包的实施例；
图4为本发明实施例提供的接收端接收数据包流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
为了更进一步说明本发明的优点：
实验环境：发射端，离地面高度30米，外置无线发射端并外置吸盘天线，GPS天线外置无遮挡。MCU与无线模块串口通讯速率9600bps。空中速率2400bps，信道17，发射功率30db，发射端地址8888，定向传输方式，加密前缀5字节，含CRC校验。包载荷64个字节，载荷中含有计数器，发射端连续发射100个包，包间隔1秒。采用循环发射方式，即给第一个接收端定向传输，之后给第二个接收端定向传输，最后给第三个接收端定向传输，以此类推。
接收端有3个，接收端无线模块天线采用外置的吸盘天线，具有SMA内针接口，天线高度17cm。因为接收433M无线信号，因而连接所述接收端的天线可以在室内，MCU与无线模块串口通讯速率9600bps。空中速率2400bps，信道17，接收端地址： 9991,9992,9993，共设三个接收端，在接收端设计四位数码管显示接收到包的计数器，此计数器表示接收端在一定距离接收包并进行正确解码的数量。
在城市多楼宇地区，5km～6km以内，室内接收，丢包率<1％，在空旷地区，无楼宇遮挡，原模块测试距离8000m准确收到信号，实际测试5km～6km以内无丢包。如果采用自动中继，接收端计数器显示10km左右丢包率<3％。因为采用LoRa扩频相比传统的FSK 极大地提升了穿透能力，可以做到大功率远距离，抗干扰能力强。
发射端必须和接收端在收发频率一致，空中波特率一致，射频速率等一致情况下，才能正确收发。非法的发射端即使能通过这些参数发射，但是因为本发明所述的在发射端MCU中进行了数据封包，并且在数据封包头采用AES128为加密，非法的发射信息因为不能解密数据头而被接收端丢弃。从而保证了数据的不受非法干扰。例如：数据头部分加密存储于MCU中的常量字符串“MNPQR”，在实验中，因为在发射端可以设置为广播式发射，就是在MCU中设置接收端地址为0xFFFF，这样，三个接收端均接收到信号，但是因为无法解密数据头而使得非法数据被丢弃。
在多楼宇环境，6km距离，1个发射端和3个接收端，在空闲状态下，发射所述的 GPS解码得到的时间和日期信息，显示在接收端的所述的7寸彩屏上，经过几个月实验运行，装置运行正常。
本发明实施例图1a、图1b、图2、图3和图4。提供了一种433MHz广播式消息通讯装置，包括一个发射端和多个接收端。
所述发送端是由PC端，发射端MCU，433MHz串口无线发射器，GPS接收器， 4G/GPRS接口以及运行在PC端的专用发送软件所组成。
所述PC端通过RS485接口总线连接到所述发射端MCU。将要发送的消息以串口形式发送到所述的发射端MCU进行处理。因为发射端安装于室外，因此一般要通过集线器，如采用带有防雷和光电隔离的4口RS485接口集线器。
所述发射端MCU是采用STC15W4K32S4，作用是接收所述PC发来的已经封装好的数据包消息，接收GPS消息并进行解码，接收手机通过4G/GPRS接口发来的消息，所述发射端MCU通过参见图2所示的流程方法封装数据包，封装好的数据包传递给所述的 433MHz串口无线发射器发射。
所述433MHz串口无线发射器，是基于串口的远距离数据发射模块，LORA扩频传输，型号是SX1278，所述发射端MCU到SX1278无线串口模块设定速率9600bps，功率1W.工作电压+5V，工作频率410～441MHz之间选择433MHz，空中传输速率2.5Kbps。采用点对点定点传输方式和广播方式结合，带有天线。在空旷无中继方式下，传输距离可达 8000m。
所述GPS接收器是带有RS485接口的接收器，能同时接收GPS和北斗信号。主要给所述核心MCU授时，授时的信息包括时间字段和日期字段，时间字段和日期字段作为数据载荷的一部分。
所述4G/GPRS接口是一种带有串口输出的基于4G移动网络的接口模块，可实现信号的透明传输。目的是将手机发来的消息(需要授权)通过串口传递给所述的核心MCU，核心MCU按照图2所示的流程方法将消息封装为数据包的形式，传递给所述433MHz的发射器发射。具体实施时，可采用型号是USR-780-V2.满足所述的4G/GPRS接口要求。
所述PC端运行专用软件是运行于Windows下具有消息发送界面的计算机软件。该软件具有选择群发和指定地址发送功能、具有紧急消息、普通消息选择功能，具有是否回应功能、具有是否加密功能等，最后将数据传递给所述的发送端的MCU.采用Delphi7.0软件开发，连接Microsoft SQL Server2005数据库，具有查询、删除、统计和修改等功能。
作为发射端中实施例如：构造的数据包如附图3所示。
所述接收端包括433MHz的串口无线接收端，7寸彩屏，STC15W为核心的MCU以及报警单元组成。
所述433MHz的串口无线接收端具有与发射端同样的频率，如433MHz(410～441可选)、同样的信道，如17号信道(0～31可选)、同样的空中传输速率，如2.5Kbps，可以在静态配置其参数，可以在运行时动态配置其参数。
所述接收端采用带有串口的7寸彩屏。显然，在办公室等室内环境使用和室外环境使用应当有所区别，室外应当采用比如10寸以上的显示屏较好。这种彩色显示屏本身带有基本的应用程序环境，只要通过串口发送数据到彩屏本身的控件单元，这些控件单元就在相应的位置显示文字或符号。因为彩屏本身必须带有汉字库，汉字库一般至少包含6763个汉字，在对汉字进行编码时只要将1个汉子编码为2个字节的汉字内码就可以，这样既大大减少了数据在空中的传输量。
所述报警单元连接到所述接收端的MCU的P1.0接口。具有驱动电路和蜂鸣器报警和 LED闪光功能
参见本发明实例附图4，所述接收端接收数据与发射器封包的过程相反。从定义的数据包中解码得到各个字段的数据。
加密密钥和解密密钥防范被非法读取的方法是：MCU采用STC15W4K32S4，此MCU 本身具有程序文件的硬件加密功能，其加密原理是采用此MCU芯片制造时全球唯一的ID 号通过复杂算法对程序文件进行加密，一旦含有密钥的程序文件被烧录到此MCU中，目前的技术和方法无法读取解密。而此MCU正常运行时，自动解密存储在其内部的程序文件正常运行，也能通过正常的程序文件读取作为常量存储的密钥，从而实现加密和解密的过程。
防范程序文件被非法改写的方法是：下载口令保护，没有口令无法改写发射端和接收端所述MCU的运行程序。
433MHz无线通讯模块发射的频率范围：410Mhz～441MHz，每隔1MHz一个频段，共32个频段，采用无线数传电台的无中继的广播可达8000m。为了避免非法的同一个频段433MHz，同一个信道，比如17号，同一个地址，比如(9999)数据的干扰，采用的方法是：在自定义消息协议的数据部分，定义了5个字节的数据头，例如：“MNPQR”。非法的数据即使已知频率、信道、接收地址，但是因为无法得到解密密钥从而无法得到正确的数据头而使得非法的数据被丢弃。从而避免了数据干扰。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
