基于二维码的监控设备一致性系统设计

关键词：一致性校验；唯一标识符；状态位管理

中图分类号：TP301 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）25-0065-04

0 引言

随着工业自动化和物联网技术的快速发展，设备管理和监控的重要性日益凸显。为了防止设备被复制和伪造，确保设备信息的唯一性和一致性，二维码技术被广泛应用于设备管理中。二维码生成与匹配监控设备一致性系统正是在这种背景下应运而生的[1]。

1 系统架构与功能模块

1.1 系统架构设计

系统总体架构包括主控中心、主设备、附属设备和终端监测设备四大部分。各部分之间通过无线通信或有线通信连接，共同实现二维码的生成、扫描、校验和数据管理，如图1所示。各个设备之间通过以太网、Wi-Fi、ZigBee、RS-232/485等通信方式连接系统，支持TCP/IP、Modbus、HTTP/HTTPS、MQTT 等协议。数据传输采用TLS/SSL和AES加密，并通过双因素认证和API密钥等措施保障安全性[2]。

1.1.1 主控中心

主控中心是系统的核心，负责整个系统的管理和协调工作。它生成主设备和附属设备的二维码，记录和管理二维码信息，进行一致性校验，并提供系统运行状态的监控和日志记录。主控中心通常部署于高性能服务器或工业控制计算机，确保系统的稳定运行和高效处理[3]。

1.1.2 主设备

主设备是指需要进行唯一标识和监控的主要设备，如生产线上的关键设备、重要的工业机器等。每个主设备在出厂时会被分配一个唯一的二维码，该二维码包含了设备的基本信息和标识符。主设备的二维码由主控中心生成，并在数据库中记录[4]。

1.1.3 附属设备

附属设备是与主设备相关联的其他设备或部件，如传感器、辅助机器等。附属设备上也会生成一个唯一的二维码，该二维码通过加密算法与主设备的二维码进行关联，确保二者的一致性。附属设备的二维码信息由主控中心生成，并存储在数据库中。

1.1.4 终端监测设备

终端监测设备是用于现场扫描和上传二维码信息的设备，如平板电脑、智能手机、扫码枪等。这些设备通过安装专用的二维码扫描识别软件，能够实时扫描主设备和附属设备的二维码，并将扫描结果上传至主控中心进行校验[5]。

1.2 各模块功能描述

1.2.1 二维码生成模块

二维码生成模块负责按照设定的规则生成主设备和附属设备的二维码。主设备的二维码包含唯一标识符和基本信息，附属设备的二维码包含时间戳和随机数，并通过加密算法与主设备的二维码关联。生成的二维码信息将被存储在主控中心的数据库中。

1.2.2 一致性校验模块

一致性校验模块用于验证主设备和附属设备的二维码信息是否匹配。终端监测设备上传二维码信息后，校验模块查询数据库记录并检查二维码的一致性状态位。具体校验规则和算法如下

1） 二维码解析：解析上传的主设备和附属设备二维码，提取包含的唯一标识符和加密信息。

2） 数据库查询：通过唯一标识符在数据库中查询对应的二维码记录。

3） 加密验证：使用预设的加密算法对二维码的加密信息进行解密比对，确保二维码信息的完整性和真实性。

4） 状态位检查：

若数据库记录的状态位显示为“未占用”，表示二维码信息匹配一致。

若状态位显示为“占用”，则二维码信息不匹配，可能存在重复使用或篡改的情况。

1.2.3 时间与加密模块

时间与加密模块负责生成附属设备二维码中的时间戳和随机数，并对其进行加密处理。加密算法（如DES加密算法）确保二维码信息的安全性和唯一性。加密后的二维码信息将通过二维码生成模块生成唯一的二维码。

1.2.4 数据存储与管理模块

数据存储与管理模块用于存储和管理主设备和附属设备的二维码信息，以及二者之间的一致性信息。该模块还负责记录系统的操作日志和状态信息，提供数据备份和恢复功能，确保数据的安全和完整。数据库设计方案如下：

1） 主设备表（MainDevice） 字段定义：

DeviceID：主设备唯一标识符（主键）

QRCode：主设备二维码信息

DeviceName：主设备名称

ProductionDate：生产日期

Status：设备状态（如：在用、闲置、维护中）

CreatedAt：记录创建时间

UpdatedAt：记录更新时间

2） 附属设备表（SubDevice） 字段定义：

SubDeviceID：附属设备唯一标识符（主键）

QRCode：附属设备二维码信息

MainDeviceID：关联主设备的唯一标识符（外键）

DeviceName：附属设备名称

ProductionDate：生产日期

Status：设备状态（如：在用、闲置、维护中）

CreatedAt：记录创建时间

UpdatedAt：记录更新时间

3） 一致性校验表（ConsistencyCheck） 字段定义：

CheckID：校验记录唯一标识符（主键）

MainDeviceID：主设备唯一标识符（外键）

SubDeviceID：附属设备唯一标识符（外键）

CheckStatus：校验状态（如：匹配、不匹配）

CheckTime：校验时间

4） 操作日志表（OperationLog） 字段定义：

LogID：日志记录唯一标识符（主键）

OperationType：操作类型（如：创建、更新、删除）

DeviceID：操作涉及的设备唯一标识符

Description：操作描述

Timestamp：操作时间

1.2.5 二维码扫描识别软件

二维码扫描识别软件安装在终端监测设备上，用于扫描主设备和附属设备的二维码。该软件能够实时上传扫描结果至主控中心，并显示校验结果。扫描识别软件的界面设计简洁友好，操作便捷，确保现场操作人员能够快速、准确地进行二维码扫描和数据上传。

2 二维码生成与匹配方法

2.1 二维码生成规则

二维码生成规则包括主设备二维码和附属设备二维码的生成方法。每个二维码都包含唯一的标识信息，以确保其在整个生命周期中的唯一性和不可复制性。下面是用于生成主设备和附属设备二维码的Python代码示例，使用UUID库生成唯一标识信息，并使用qrcode库生成二维码图像。

import uuid

import qrcode

from PIL import Image

def generate_qr_code（data， filename）：

""" 生成二维码并保存为图像文件

：param data： 二维码包含的信息

：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）：

""" 生成主设备或附属设备的二维码

：param device_type： 设备类型（主设备：′Main′，附属设备：′Sub′）

：param device_id： 设备唯一标识符

：return： 二维码信息

"""

data = {

"type"： device_type，

"id"： device_id，

"uuid"： str（uuid.uuid4（））

}

return data

# 生成主设备二维码

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"主设备二维码已生成并保存为 {main_de⁃vice_qr_filename}"）

# 生成附属设备二维码

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"附属设备二维码已生成并保存为 {sub_de⁃vice_qr_filename}"） 这样，每个生成的二维码都包含唯一的标识信息，以确保其在整个生命周期中的唯一性和不可复制性。

2.1.1 主设备二维码生成

主控中心为每个主设备分配一个唯一的标识符（如设备序列号）。将设备的基本信息（如设备型号、生产日期、批次号等）与唯一标识符进行组合，形成二维码信息。使用加密算法（如DES加密）对二维码信息进行加密，确保信息的安全性。将加密后的信息生成二维码，并打印或标记在主设备上。将二维码信息及设备相关信息存储在主控中心的数据库中。

2.1.2 附属设备二维码生成

附属设备生成二维码时，首先从数据库中调用对应的主设备二维码信息。为附属设备分配一个唯一标识符，并生成时间戳和随机数。将附属设备的标识符、时间戳、随机数与主设备二维码信息组合，形成附属设备二维码信息。对组合后的二维码信息进行加密处理。将加密后的信息生成二维码，并打印或标记在附属设备上。将附属设备二维码信息及其与主设备的对应关系存储在数据库中。

2.2 一致性信息建立

为了确保主设备和附属设备的一致性，系统需要在数据库中建立一致性信息，并进行管理和校验。

2.2.1 数据库记录与管理

在数据库中记录主设备和附属设备的二维码信息，包括设备标识符、生成时间、加密信息等。在数据库中建立主设备与附属设备之间的对应关系，记录二者的关联信息。为每对设备设置一致性状态位，用于记录其校验状态。初始状态设为未占用。

2.2.2 一致性状态位的设定

在系统中，为了确保主设备和附属设备的二维码信息的一致性，引入了一致性状态位的概念。状态位用于标识每个二维码的当前状态，以便主控中心进行有效地管理和校验。具体状态位的取值及其含义如下：

未占用（0） ：表示二维码信息匹配，设备状态正常。

占用（1） ：表示二维码信息不匹配，存在不一致的设备状态。

2.3 二维码扫描与匹配流程

二维码扫描与匹配流程包括终端设备的操作和主控中心的校验过程。

2.3.1 终端设备扫描主设备二维码

现场操作人员使用终端监测设备扫描主设备上的二维码。扫描结果通过无线通信上传至主控中心。主控中心接收并记录扫描结果。

2.3.2 终端设备扫描附属设备二维码

操作人员使用终端监测设备扫描附属设备上的二维码。扫描结果通过无线通信上传至主控中心。主控中心接收并记录扫描结果。

2.3.3 一致性信息上传与校验

主控中心接收二维码信息后，通过数据库查询主设备和附属设备的对应关系，检查一致性状态位。根据一致性状态位进行判断：若状态位为未占用且信息匹配，确认主设备和附属设备一致；若状态位为占用或信息不匹配，确认主设备和附属设备不一致。根据校验结果，更新数据库中的一致性状态位。将校验结果反馈给终端监测设备，供现场操作人员确认。

3 结束语

本文设计并实现了一种基于二维码的监控设备一致性系统，旨在解决设备复制和伪造问题，确保设备信息的唯一性和一致性。系统采用了高级加密算法、多层次安全措施以及严格的权限管理机制，通过生成唯一的主设备和附属设备二维码，保证了设备在整个生命周期中的安全性和不可复制性。系统的模块化设计、开放标准的数据接口以及灵活的扩展性，使其能够适应未来的升级和扩展需求。此外，系统还引入了冗余备份机制和详细的操作日志记录，确保数据的安全和完整。

本文的主要创新点在于采用加密算法生成唯一的二维码，确保了设备信息的安全性；通过模块化设计和开放标准的数据接口，提高了系统的扩展性和灵活性；引入冗余备份机制和操作日志记录，增强了系统的可靠性和可维护性。该系统已在多个工业现场成功应用，实践证明其具有高安全性、高可靠性和良好的扩展性。

展望未来，随着物联网和工业4.0的发展，设备管理和信息安全将面临更多的挑战。未来的研究方向可以集中在以下几个方面：进一步优化二维码生成和管理算法，提高系统的效率和安全性；探索更多的应用场景，如智能制造、智慧城市等，扩展系统的应用范围；结合人工智能技术，提升系统的自动化和智能化水平，实现更加精准和高效的设备管理。通过不断地研究和改进，基于二维码的监控设备一致性系统将在更多领域发挥重要作用，推动设备管理的智能化发展。