体育中考物联网系统感知层及安全保护机制的设计与实现

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2020年教育部发布《关于深化体教融合促进青少年健康发展的意见》,将体育科目纳入高中资格考试范围。在体育教育改革的背景下,2020年云南省发布“中考体育100分”,中考体育分值与文化课相同,代表体育中考应和传统考试一样形成标准化、规范化、严格性的考试模式。将体测设备通过物联网接入到云平台中,可快速实现体测数据的采集、传输到数据共享。但由于体育中考的特殊性,大量体测设备的接入,必须确保合法体测设备的接入认证及防止非法设备接入,同时在体测数据公开的前提下确保体测数据的准确性和真实性以供考生家长随时查看。感知层中体测设备资源受限,传统数据加密方案及应用层协议也不适用。针对上述问题,本文提出了一种体育中考物联网安全系统,结合感知层节点资源受限的特点,基于Co AP(Constrained Application Protocol)应用层协议,设计了安全保护机制,包括握手环节、身份认证、密钥交换和数据校验。该安全保护机制通过将体测设备唯一ID进行数字签名建立身份认证机制,采用HMAC(Hash-based Message Authentication Code)算法对体测数据计算摘要值校验数据完整性和真实性,并通过非对称加密算法实现HMAC的密钥交换。以跳绳项目为例,设计了跳绳成绩采集物联网安全系统,以自主设计的跳绳成绩采集设备作为Co AP服务器采集跳绳次数并建立数据资源供Co AP客户端获取相关资源。本文主要工作有:1)提出了一种体育中考物联网安全系统,依据体育中考应用场景特点并结合Co AP协议特点设计了安全保护机制;2)以跳绳项目为例,提出跳绳成绩采集物联网系统并设计了跳绳成绩采集设备,包括硬件电路设计、程序编写、软硬件调试等;3)在跳绳成绩采集设备中实现跳绳数据采集、安全机制及Co AP服务器并验证了系统稳定性;4)对安全保护机制进行了测试与分析,结果表明机制安全有效,占用资源低,适用于实际体育中考场景。本文主要创新点有:提出了一种针对体育中考场景的安全保护机制,实现设备接入认证及体测数据防篡改,数据校验中将每次数据数字签名转换为单次密钥交换,建立“二次”身份认证并提高计算效率,经测试,在相同时间内,采用HMAC算法校验次数是数字签名的2320倍;在资源受限的体测设备中实现了整套安全机制,并以体测设备作为Co AP服务器,实现感知层设备自我管理。
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