一種改進的加密算法在空調群控系統(tǒng)中的研究與實現(xiàn)

張開生+王沛

摘要：目前，空調已經(jīng)成為辦公樓里最基本的設備，人們在工作時間需要頻繁的對空調進行開關以及調溫等操作，如何對空調進行統(tǒng)一、有效的操控是人們非常關注的一個問題。課題以嵌入式微控制器LPC2103為核心，利用電力載波技術設計了一種樓宇空調群控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用現(xiàn)有的電力線對空調開關控制指令進行傳輸，并提出了一種新的加密算法對電力線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密以確?？刂浦噶畹陌踩浴Ｅc傳統(tǒng)的人工控制方式相比，該系統(tǒng)很好地解決了樓宇空調群控工作量大的問題，并且可以做到“隨時控溫、定時開關、統(tǒng)一操控”的效果，有效地避免了資源浪費的現(xiàn)象。

關鍵詞：加密算法；嵌入式系統(tǒng)；電力載波；空調群控；紅外編碼

中圖分類號：TP79 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）16-0231-03

Abstract： Now， air conditioning has become the most basic equipment in office， and how to control the air conditioning uniformly and effectively has been a problem that people concerned. The subject took the embedded microcontroller LPC2103 as the core， designed a building air conditioning group control system by using power carrier technology， the system used the existing power lines to transmit the air conditioner control commands， and proposed a new encryption algorithm to encrypt the data which transmitted by power line to ensure the security of control instructions. Compared with the traditional manual control method， the system solves the problem of heavy workload in building air conditioning control system well， and realize the effect of controlling temperature at any time， timing switch and uniformly control， which effectively avoid the waste of resources.

Key words：encryption algorithm； power line carrier； group control system； embedded system； infrared coding

隨著人們對工作環(huán)境條件的不斷提高，在辦公樓或者寫字樓里的使用空調的數(shù)量和頻率大幅增加，同時由于空調分布在不同房間內(nèi)，數(shù)量多，且線路復雜，這無疑增加了樓宇電控室的控制難度[1]。目前已有智能家居的相關技術已經(jīng)投產(chǎn)使用，但是都限于一個房間內(nèi)或幾個房間內(nèi)的智能控制，無法達到對于一些有著較高管理要求的場所進行控制，例如學校公寓，公司辦公室。大型樓宇中，電控室控制每個房間的空調不僅工作量大，而且效率低，出現(xiàn)浪費能源的情況，同時也可能由于房間內(nèi)使用空調遙控器的人員操作不當會對遙控器或空調造成損壞為了解決上述現(xiàn)有問題，系統(tǒng)采用電力載波通訊技術對空調進行群控，實現(xiàn)遠程操作，不僅可以由電控室值班人員遠程控制任一房間內(nèi)的空調，還可以通過計算機進行統(tǒng)一控制[2-3]。在當前技術條件下，電控室希望通過電控室由值班人員遠程控制任一房間內(nèi)的空調，并且通過計算機進行統(tǒng)一控制，使用電力載波通訊技術進行系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)遠程操作。

1 系統(tǒng)總體設計

樓宇空調群控系統(tǒng)由主控計算機、微控制器模塊、電力載波模塊以及溫度傳感器組成。

系統(tǒng)內(nèi)設置有若干個微控制器，其中一個與主控計算機相連，通過UART串口進行溫度信息的收發(fā)，其余的微控制器設置在各個房間內(nèi)，一方面可以接收主控計算機下發(fā)的控制命令并通過無線紅外技術對空調的開關以及溫度調節(jié)進行操作，另一方面將溫度傳感器采集的環(huán)境溫度信息與EEPROM里存儲的溫度閾值進行比較，并采取相應的控制方法。

電力載波模塊具有對信息進行調制解調的功能，用于溫度信息與220V電力線傳輸?shù)念l率信號之間的轉換。

溫度傳感器用于采集室內(nèi)環(huán)境溫度并將其轉換為相應的信息輸出，系統(tǒng)選用的溫度傳感器為DS18B20，其輸出的數(shù)字信號可方便地被微控制器識別。

2 硬件設計

2.1 無線遙控設計

由于樓宇內(nèi)部有大量的辦公室，且每個辦公室安裝的空調型號各不相同，為了對整個樓宇內(nèi)部的空調進行統(tǒng)一控制，而不用更換空調或者改變空調線路，通過現(xiàn)有電力線對空調開關控制信號進行傳輸，利用微控制器的紅外收發(fā)裝置代替空調遙控器對各個空調分別進行調溫操控。微控制器選用嵌入式ARM7系列的LPC2103芯片，控制系統(tǒng)按最小化工作模式設計，通過DC電源轉換器將+220V電壓降為+5V為微控制器提供工作電壓。芯片的RXD/TXD（分別接紅外接收裝置以及紅外發(fā)射裝置）接微控制的TXD/RXD端口進行串口通訊。紅外接收裝置采用VS1838B，紅外發(fā)射頭為IR333，當進行遙控碼學習時，微控制器進入中斷模式，紅外接收頭接收空調遙控器發(fā)出的紅外編碼，將其保存到微控制器的EEPROM中，微控制器通過紅外發(fā)射頭將存儲的遙控碼發(fā)射出去對空調進行控制，紅外收發(fā)裝置的電路圖如圖1所示。

2.2 通信電路設計

電力載波通信模塊采用芯片HL-PLC V3.0，它是專為通信環(huán)境比較惡劣的電力網(wǎng)絡而研制的調制解調器，具有使用方便、價格低廉、精度高以及可靠性好的特點。該芯片正常工作需要+5V的直流電壓，采用可以抑制噪聲且具有較好的抗衰減性的FSK移頻鍵控的方式進行調制解調[4]，軟件采用超級模糊算法，即使傳輸信號被干擾或數(shù)據(jù)丟失率達百分之四十，也能準確還原載波信號。

芯片采用半雙工的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，當進行數(shù)據(jù)發(fā)送時，采用直接序列擴頻技術對數(shù)據(jù)進行預處理，經(jīng)過D/A數(shù)模轉換器和放大器擴頻之后發(fā)送信號；當進行數(shù)據(jù)接收時，將從電力線上解調的數(shù)據(jù)包經(jīng)過A/D模數(shù)轉換后進行解擴頻處理并輸出至微控制器。

2.3 調制解調電路設計

電力載波模塊進行數(shù)據(jù)傳輸時，發(fā)送端首先將數(shù)據(jù)以調頻或調幅的形式調制在一個高頻載波信號上，經(jīng)線路耦合后在電力線上進行傳輸。在接收端，先經(jīng)過線路耦合和信號濾波，將高頻調制信號從電力線路上濾出，再經(jīng)過解調和功率放大還原成原信號[5]...

電力載波模塊包括信號調制、信號解調、信號濾波和耦合保護電路幾個部分，其中，調制信號首先經(jīng)過電壓頻率轉換，把電壓信號轉化為頻率信號，然后經(jīng)調頻調制電路調制到高頻載波信號上，最后經(jīng)過功率放大和耦合發(fā)射電路發(fā)送到低壓電力線上。解調信號為該過程的逆過程。信號濾波是模塊處理過程中非常重要的部分，包括輸入窄帶濾波和輸出窄帶濾波兩個部分。輸入濾波電路采用并聯(lián)電流諧振電路構成濾波電路，可以過濾指定的頻率以外的無用信號噪聲，其諧振點頻率為

系統(tǒng)的耦合放大電路分接收信號分耦合放大和發(fā)送信號是耦合放大。接收信號時，信號經(jīng)220V的交流插座入載波模塊，經(jīng)熔斷器保護電路，由電容及變壓器線圈組成的降壓選頻電路，經(jīng)變壓器耦合，通過變壓器線圈組成的并聯(lián)諧振回路選頻后，繼而加入到運算放大器進行電壓放大及整形，放大后的信號經(jīng)耦合輸入到載波芯片的RAD腳[6]。發(fā)送信號時，待發(fā)送信號經(jīng)處理后由載波芯片的TXD腳輸出，經(jīng)電壓放大后，由三極管組成的功率放大器進行功率放大，由變壓器線圈組成的并聯(lián)諧振回路選頻由變壓器耦合到220V。

3 軟件設計

3.1 信息加密算法

由于樓宇內(nèi)部鋪設的220V電力線為公共傳輸線，并且變電站的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡是以TCP/IP協(xié)議作為通信基礎的，而TCP/IP協(xié)議本身并不涉及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩訹7]。因此，為了保證系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c保密性，對所傳輸?shù)目刂泼钸M行加密處理。

由于主控計算機下發(fā)的不同的控制命令，其傳輸?shù)男畔?nèi)容也有所區(qū)別，為了使數(shù)據(jù)傳輸更加準確、可靠，系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀主要由統(tǒng)一控制位、單獨控制位、奇偶校驗位以及控制指令組成，其中，統(tǒng)一控制位和單獨控制位的信息內(nèi)容分別為0和各個空調的編號，用一個字節(jié)的單獨控制位可以對多達256個空調進行單獨編號，當主控計算機對樓宇內(nèi)的所有空調進行群控時，下發(fā)的數(shù)據(jù)幀中統(tǒng)一控制位為0，單獨控制位全為0。若對空調單獨進行控制時，統(tǒng)一控制位為1，單獨控制位包含了目標空調的編號便于微控制器進行匹配識別。而奇偶校驗位和控制指令則經(jīng)過解調之后由微控制器進行解密并識別其中包含的控制指令。

3.2 空調控制設計

系統(tǒng)進行空調群控的設計思路是在主控計算機上設置空調每天的工作時間，當設置時間到時，主控計算機通過電力線傳輸?shù)姆绞浇o每個房間內(nèi)的微控制器發(fā)送相應的開關命令對空調進行統(tǒng)一操控，若在空調工作時間之外需要對某個房間內(nèi)的空調單獨進行操作時，可通過在傳輸?shù)目刂泼钪疤砑訕酥疚坏姆绞綄照{進行控制。安裝在室內(nèi)的溫度傳感器實時采集室內(nèi)環(huán)境溫度并將其傳輸給微控制器，微控制器內(nèi)設置有人體最舒適的室溫閾值（系統(tǒng)設置為20度～25度），當溫度傳感器采集的室內(nèi)溫度超出設置的閾值范圍時，微控制器通過紅外發(fā)送裝置發(fā)出相應的調溫信息控制空調的溫度。

4 系統(tǒng)測試分析

系統(tǒng)硬件電路以及算法設計完成之后，對系統(tǒng)進行在線測試。系統(tǒng)監(jiān)控需要通過主控計算機來完成，主控計算機上設置有不同的功能模塊用于對空調進行單獨或統(tǒng)一操控，監(jiān)控界

面如圖2所示。監(jiān)控人員可以根據(jù)實際情況在主控計算機上設置空調的工作時間以及合適的室內(nèi)環(huán)境溫度閾值，當工作時間或者室溫閾值需要更改時，只需在對應的輸入框中填寫相應的信息并點擊確定按鈕。

5 小結

空調群控系統(tǒng)將電力載波技術與嵌入式技術相結合，可以有效地將上位機的群控指令準確、快速、穩(wěn)定的通過電力線經(jīng)紅外發(fā)射器傳輸?shù)礁鱾€居室內(nèi)的空調，同時在電力線傳輸中采用的加密校驗編碼方法可以有效地保證信號的正確安全傳輸。在實際測試中，微控制器的顯示屏和上位機的工作界面可以實時顯示居室內(nèi)空調的工作溫度和開關狀態(tài)，同時，紅外編碼的自動學習技術解決了各個居室內(nèi)空調型號不統(tǒng)一的問題，體現(xiàn)了嵌入式技術下了智能學習能力[11]。本文所設計改進的加密算法，既適用于本系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀是多字節(jié)數(shù)據(jù)，又不影響計算機的運行速度，同時還可以對信號的傳輸起到保護的作用，采用該加密算法設計的基于電力載波技術的空調群控技術實時性能較強，布線簡單方便，人機交互界面簡單造作，同時達到了空調隨用隨開，快速調溫，集體群控的效果，既節(jié)能減排又節(jié)約人力。

參考文獻：

[1] 張開生，王沛，郭國法.一種樓宇空調群控裝置及方法[P].陜西：CN105222280A，2016-01-06.

[2] 許文香，蔡麗娟，張文勇.基于電力載波的教室電器智能節(jié)能系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2008，31（4）：189-191，194.

[3] 余東峰，劉強，劉虎生，等.通用紅外遙控解碼器的設計[J].現(xiàn)代電子技術，2011，34（16）：158-160.

[4] 杜艷，王者龍，楊杰，等.點對點紅外通訊裝置的設計[J]. 電測與儀表，2015（7）：97-100.