基于二維碼的監控設備一致性系統設計

關鍵詞：一致性校驗；唯一標識符；狀態位管理

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）25-0065-04

0 引言

隨著工業自動化和物聯網技術的快速發展，設備管理和監控的重要性日益凸顯。為了防止設備被復制和偽造，確保設備信息的唯一性和一致性，二維碼技術被廣泛應用于設備管理中。二維碼生成與匹配監控設備一致性系統正是在這種背景下應運而生的[1]。

1 系統架構與功能模塊

1.1 系統架構設計

系統總體架構包括主控中心、主設備、附屬設備和終端監測設備四大部分。各部分之間通過無線通信或有線通信連接，共同實現二維碼的生成、掃描、校驗和數據管理，如圖1所示。各個設備之間通過以太網、Wi-Fi、ZigBee、RS-232/485等通信方式連接系統，支持TCP/IP、Modbus、HTTP/HTTPS、MQTT 等協議。數據傳輸采用TLS/SSL和AES加密，并通過雙因素認證和API密鑰等措施保障安全性[2]。

1.1.1 主控中心

主控中心是系統的核心，負責整個系統的管理和協調工作。它生成主設備和附屬設備的二維碼，記錄和管理二維碼信息，進行一致性校驗，并提供系統運行狀態的監控和日志記錄。主控中心通常部署于高性能服務器或工業控制計算機，確保系統的穩定運行和高效處理[3]。

1.1.2 主設備

主設備是指需要進行唯一標識和監控的主要設備，如生產線上的關鍵設備、重要的工業機器等。每個主設備在出廠時會被分配一個唯一的二維碼，該二維碼包含了設備的基本信息和標識符。主設備的二維碼由主控中心生成，并在數據庫中記錄[4]。

1.1.3 附屬設備

附屬設備是與主設備相關聯的其他設備或部件，如傳感器、輔助機器等。附屬設備上也會生成一個唯一的二維碼，該二維碼通過加密算法與主設備的二維碼進行關聯，確保二者的一致性。附屬設備的二維碼信息由主控中心生成，并存儲在數據庫中。

1.1.4 終端監測設備

終端監測設備是用于現場掃描和上傳二維碼信息的設備，如平板電腦、智能手機、掃碼槍等。這些設備通過安裝專用的二維碼掃描識別軟件，能夠實時掃描主設備和附屬設備的二維碼，并將掃描結果上傳至主控中心進行校驗[5]。

1.2 各模塊功能描述

1.2.1 二維碼生成模塊

二維碼生成模塊負責按照設定的規則生成主設備和附屬設備的二維碼。主設備的二維碼包含唯一標識符和基本信息，附屬設備的二維碼包含時間戳和隨機數，并通過加密算法與主設備的二維碼關聯。生成的二維碼信息將被存儲在主控中心的數據庫中。

1.2.2 一致性校驗模塊

一致性校驗模塊用于驗證主設備和附屬設備的二維碼信息是否匹配。終端監測設備上傳二維碼信息后，校驗模塊查詢數據庫記錄并檢查二維碼的一致性狀態位。具體校驗規則和算法如下

1） 二維碼解析：解析上傳的主設備和附屬設備二維碼，提取包含的唯一標識符和加密信息。

2） 數據庫查詢：通過唯一標識符在數據庫中查詢對應的二維碼記錄。

3） 加密驗證：使用預設的加密算法對二維碼的加密信息進行解密比對，確保二維碼信息的完整性和真實性。

4） 狀態位檢查：

若數據庫記錄的狀態位顯示為“未占用”，表示二維碼信息匹配一致。

若狀態位顯示為“占用”，則二維碼信息不匹配，可能存在重復使用或篡改的情況。

1.2.3 時間與加密模塊

時間與加密模塊負責生成附屬設備二維碼中的時間戳和隨機數，并對其進行加密處理。加密算法（如DES加密算法）確保二維碼信息的安全性和唯一性。加密后的二維碼信息將通過二維碼生成模塊生成唯一的二維碼。

1.2.4 數據存儲與管理模塊

數據存儲與管理模塊用于存儲和管理主設備和附屬設備的二維碼信息，以及二者之間的一致性信息。該模塊還負責記錄系統的操作日志和狀態信息，提供數據備份和恢復功能，確保數據的安全和完整。數據庫設計方案如下：

1） 主設備表（MainDevice） 字段定義：

DeviceID：主設備唯一標識符（主鍵）

QRCode：主設備二維碼信息

DeviceName：主設備名稱

ProductionDate：生產日期

Status：設備狀態（如：在用、閑置、維護中）

CreatedAt：記錄創建時間

UpdatedAt：記錄更新時間

2） 附屬設備表（SubDevice） 字段定義：

SubDeviceID：附屬設備唯一標識符（主鍵）

QRCode：附屬設備二維碼信息

MainDeviceID：關聯主設備的唯一標識符（外鍵）

DeviceName：附屬設備名稱

ProductionDate：生產日期

Status：設備狀態（如：在用、閑置、維護中）

CreatedAt：記錄創建時間

UpdatedAt：記錄更新時間

3） 一致性校驗表（ConsistencyCheck） 字段定義：

CheckID：校驗記錄唯一標識符（主鍵）

MainDeviceID：主設備唯一標識符（外鍵）

SubDeviceID：附屬設備唯一標識符（外鍵）

CheckStatus：校驗狀態（如：匹配、不匹配）

CheckTime：校驗時間

4） 操作日志表（OperationLog） 字段定義：

LogID：日志記錄唯一標識符（主鍵）

OperationType：操作類型（如：創建、更新、刪除）

DeviceID：操作涉及的設備唯一標識符

Description：操作描述

Timestamp：操作時間

1.2.5 二維碼掃描識別軟件

二維碼掃描識別軟件安裝在終端監測設備上，用于掃描主設備和附屬設備的二維碼。該軟件能夠實時上傳掃描結果至主控中心，并顯示校驗結果。掃描識別軟件的界面設計簡潔友好，操作便捷，確保現場操作人員能夠快速、準確地進行二維碼掃描和數據上傳。

2 二維碼生成與匹配方法

2.1 二維碼生成規則

二維碼生成規則包括主設備二維碼和附屬設備二維碼的生成方法。每個二維碼都包含唯一的標識信息，以確保其在整個生命周期中的唯一性和不可復制性。下面是用于生成主設備和附屬設備二維碼的Python代碼示例，使用UUID庫生成唯一標識信息，并使用qrcode庫生成二維碼圖像。

import uuid

import qrcode

from PIL import Image

def generate_qr_code（data， filename）：

""" 生成二維碼并保存為圖像文件

：param data： 二維碼包含的信息

：param filename： 保存的文件名

"""

qr = qrcode.QRCode（

version=1，

error_correction=qrcode. constants. ERROR_CORRECT_L，

box_size=10，

border=4，

）

qr.add_data（data）

qr.make（fit=True）

img = qr. make_image（fill_color= "black"， back_color="whiteAd+RaIaU0Su29iQ1XKTidP+MQ6CKnbNcZIDHqSpX0Js="）

img.save（filename）

def generate_device_qr_code（device_type， de?vice_id）：

""" 生成主設備或附屬設備的二維碼

：param device_type： 設備類型（主設備：′Main′，附屬設備：′Sub′）

：param device_id： 設備唯一標識符

：return： 二維碼信息

"""

data = {

"type"： device_type，

"id"： device_id，

"uuid"： str（uuid.uuid4（））

}

return data

# 生成主設備二維碼

main_device_id = "MD123456"

main_device_qr_data = generate_device_qr_code

（"Main"， main_device_id）

main_device_qr_filename = f"MainDevice_{main_device_id}.png"

generate_qr_code（main_device_qr_data， main_de?vice_qr_filename）

print（f"主設備二維碼已生成并保存為 {main_de?vice_qr_filename}"）

# 生成附屬設備二維碼

sub_device_id = "SD654321"

sub_device_qr_data = generate_device_qr_code

（"Sub"， sub_device_id）

sub_device_qr_filename = f"SubDevice_{sub_de?vice_id}.png"

generate_qr_code（sub_device_qr_data， sub_de?vice_qr_filename）

print（f"附屬設備二維碼已生成并保存為 {sub_de?vice_qr_filename}"） 這樣，每個生成的二維碼都包含唯一的標識信息，以確保其在整個生命周期中的唯一性和不可復制性。

2.1.1 主設備二維碼生成

主控中心為每個主設備分配一個唯一的標識符（如設備序列號）。將設備的基本信息（如設備型號、生產日期、批次號等）與唯一標識符進行組合，形成二維碼信息。使用加密算法（如DES加密）對二維碼信息進行加密，確保信息的安全性。將加密后的信息生成二維碼，并打印或標記在主設備上。將二維碼信息及設備相關信息存儲在主控中心的數據庫中。

2.1.2 附屬設備二維碼生成

附屬設備生成二維碼時，首先從數據庫中調用對應的主設備二維碼信息。為附屬設備分配一個唯一標識符，并生成時間戳和隨機數。將附屬設備的標識符、時間戳、隨機數與主設備二維碼信息組合，形成附屬設備二維碼信息。對組合后的二維碼信息進行加密處理。將加密后的信息生成二維碼，并打印或標記在附屬設備上。將附屬設備二維碼信息及其與主設備的對應關系存儲在數據庫中。

2.2 一致性信息建立

為了確保主設備和附屬設備的一致性，系統需要在數據庫中建立一致性信息，并進行管理和校驗。

2.2.1 數據庫記錄與管理

在數據庫中記錄主設備和附屬設備的二維碼信息，包括設備標識符、生成時間、加密信息等。在數據庫中建立主設備與附屬設備之間的對應關系，記錄二者的關聯信息。為每對設備設置一致性狀態位，用于記錄其校驗狀態。初始狀態設為未占用。

2.2.2 一致性狀態位的設定

在系統中，為了確保主設備和附屬設備的二維碼信息的一致性，引入了一致性狀態位的概念。狀態位用于標識每個二維碼的當前狀態，以便主控中心進行有效地管理和校驗。具體狀態位的取值及其含義如下：

未占用（0） ：表示二維碼信息匹配，設備狀態正常。

占用（1） ：表示二維碼信息不匹配，存在不一致的設備狀態。

2.3 二維碼掃描與匹配流程

二維碼掃描與匹配流程包括終端設備的操作和主控中心的校驗過程。

2.3.1 終端設備掃描主設備二維碼

現場操作人員使用終端監測設備掃描主設備上的二維碼。掃描結果通過無線通信上傳至主控中心。主控中心接收并記錄掃描結果。

2.3.2 終端設備掃描附屬設備二維碼

操作人員使用終端監測設備掃描附屬設備上的二維碼。掃描結果通過無線通信上傳至主控中心。主控中心接收并記錄掃描結果。

2.3.3 一致性信息上傳與校驗

主控中心接收二維碼信息后，通過數據庫查詢主設備和附屬設備的對應關系，檢查一致性狀態位。根據一致性狀態位進行判斷：若狀態位為未占用且信息匹配，確認主設備和附屬設備一致；若狀態位為占用或信息不匹配，確認主設備和附屬設備不一致。根據校驗結果，更新數據庫中的一致性狀態位。將校驗結果反饋給終端監測設備，供現場操作人員確認。

3 結束語

本文設計并實現了一種基于二維碼的監控設備一致性系統，旨在解決設備復制和偽造問題，確保設備信息的唯一性和一致性。系統采用了高級加密算法、多層次安全措施以及嚴格的權限管理機制，通過生成唯一的主設備和附屬設備二維碼，保證了設備在整個生命周期中的安全性和不可復制性。系統的模塊化設計、開放標準的數據接口以及靈活的擴展性，使其能夠適應未來的升級和擴展需求。此外，系統還引入了冗余備份機制和詳細的操作日志記錄，確保數據的安全和完整。

本文的主要創新點在于采用加密算法生成唯一的二維碼，確保了設備信息的安全性；通過模塊化設計和開放標準的數據接口，提高了系統的擴展性和靈活性；引入冗余備份機制和操作日志記錄，增強了系統的可靠性和可維護性。該系統已在多個工業現場成功應用，實踐證明其具有高安全性、高可靠性和良好的擴展性。

展望未來，隨著物聯網和工業4.0的發展，設備管理和信息安全將面臨更多的挑戰。未來的研究方向可以集中在以下幾個方面：進一步優化二維碼生成和管理算法，提高系統的效率和安全性；探索更多的應用場景，如智能制造、智慧城市等，擴展系統的應用范圍；結合人工智能技術，提升系統的自動化和智能化水平，實現更加精準和高效的設備管理。通過不斷地研究和改進，基于二維碼的監控設備一致性系統將在更多領域發揮重要作用，推動設備管理的智能化發展。