一种改进的加密算法在空调群控系统中的研究与实现

张开生+王沛

摘要：目前，空调已经成为办公楼里最基本的设备，人们在工作时间需要频繁的对空调进行开关以及调温等操作，如何对空调进行统一、有效的操控是人们非常关注的一个问题。课题以嵌入式微控制器LPC2103为核心，利用电力载波技术设计了一种楼宇空调群控系统，该系统利用现有的电力线对空调开关控制指令进行传输，并提出了一种新的加密算法对电力线传输的数据进行加密以确保控制指令的安全性。与传统的人工控制方式相比，该系统很好地解决了楼宇空调群控工作量大的问题，并且可以做到“随时控温、定时开关、统一操控”的效果，有效地避免了资源浪费的现象。

关键词：加密算法；嵌入式系统；电力载波；空调群控；红外编码

中图分类号：TP79 文献标识码：A 文章编号：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

随着人们对工作环境条件的不断提高，在办公楼或者写字楼里的使用空调的数量和频率大幅增加，同时由于空调分布在不同房间内，数量多，且线路复杂，这无疑增加了楼宇电控室的控制难度[1]。目前已有智能家居的相关技术已经投产使用，但是都限于一个房间内或几个房间内的智能控制，无法达到对于一些有着较高管理要求的场所进行控制，例如学校公寓，公司办公室。大型楼宇中，电控室控制每个房间的空调不仅工作量大，而且效率低，出现浪费能源的情况，同时也可能由于房间内使用空调遥控器的人员操作不当会对遥控器或空调造成损坏为了解决上述现有问题，系统采用电力载波通讯技术对空调进行群控，实现远程操作，不仅可以由电控室值班人员远程控制任一房间内的空调，还可以通过计算机进行统一控制[2-3]。在当前技术条件下，电控室希望通过电控室由值班人员远程控制任一房间内的空调，并且通过计算机进行统一控制，使用电力载波通讯技术进行系统的控制，实现远程操作。

1 系统总体设计

楼宇空调群控系统由主控计算机、微控制器模块、电力载波模块以及温度传感器组成。

系统内设置有若干个微控制器，其中一个与主控计算机相连，通过UART串口进行温度信息的收发，其余的微控制器设置在各个房间内，一方面可以接收主控计算机下发的控制命令并通过无线红外技术对空调的开关以及温度调节进行操作，另一方面将温度传感器采集的环境温度信息与EEPROM里存储的温度阈值进行比较，并采取相应的控制方法。

电力载波模块具有对信息进行调制解调的功能，用于温度信息与220V电力线传输的频率信号之间的转换。

温度传感器用于采集室内环境温度并将其转换为相应的信息输出，系统选用的温度传感器为DS18B20，其输出的数字信号可方便地被微控制器识别。

2 硬件设计

2.1 无线遥控设计

由于楼宇内部有大量的办公室，且每个办公室安装的空调型号各不相同，为了对整个楼宇内部的空调进行统一控制，而不用更换空调或者改变空调线路，通过现有电力线对空调开关控制信号进行传输，利用微控制器的红外收发装置代替空调遥控器对各个空调分别进行调温操控。微控制器选用嵌入式ARM7系列的LPC2103芯片，控制系统按最小化工作模式设计，通过DC电源转换器将+220V电压降为+5V为微控制器提供工作电压。芯片的RXD/TXD（分别接红外接收装置以及红外发射装置）接微控制的TXD/RXD端口进行串口通讯。红外接收装置采用VS1838B，红外发射头为IR333，当进行遥控码学习时，微控制器进入中断模式，红外接收头接收空调遥控器发出的红外编码，将其保存到微控制器的EEPROM中，微控制器通过红外发射头将存储的遥控码发射出去对空调进行控制，红外收发装置的电路图如图1所示。

2.2 通信电路设计

电力载波通信模块采用芯片HL-PLC V3.0，它是专为通信环境比较恶劣的电力网络而研制的调制解调器，具有使用方便、价格低廉、精度高以及可靠性好的特点。该芯片正常工作需要+5V的直流电压，采用可以抑制噪声且具有较好的抗衰减性的FSK移频键控的方式进行调制解调[4]，软件采用超级模糊算法，即使传输信号被干扰或数据丢失率达百分之四十，也能准确还原载波信号。

芯片采用半双工的方式进行数据传输，当进行数据发送时，采用直接序列扩频技术对数据进行预处理，经过D/A数模转换器和放大器扩频之后发送信号；当进行数据接收时，将从电力线上解调的数据包经过A/D模数转换后进行解扩频处理并输出至微控制器。

2.3 调制解调电路设计

电力载波模块进行数据传输时，发送端首先将数据以调频或调幅的形式调制在一个高频载波信号上，经线路耦合后在电力线上进行传输。在接收端，先经过线路耦合和信号滤波，将高频调制信号从电力线路上滤出，再经过解调和功率放大还原成原信号[5]...

电力载波模块包括信号调制、信号解调、信号滤波和耦合保护电路几个部分，其中，调制信号首先经过电压频率转换，把电压信号转化为频率信号，然后经调频调制电路调制到高频载波信号上，最后经过功率放大和耦合发射电路发送到低压电力线上。解调信号为该过程的逆过程。信号滤波是模块处理过程中非常重要的部分，包括输入窄带滤波和输出窄带滤波两个部分。输入滤波电路采用并联电流谐振电路构成滤波电路，可以过滤指定的频率以外的无用信号噪声，其谐振点频率为

系统的耦合放大电路分接收信号分耦合放大和发送信号是耦合放大。接收信号时，信号经220V的交流插座入载波模块，经熔断器保护电路，由电容及变压器线圈组成的降压选频电路，经变压器耦合，通过变压器线圈组成的并联谐振回路选频后，继而加入到运算放大器进行电压放大及整形，放大后的信号经耦合输入到载波芯片的RAD脚[6]。发送信号时，待发送信号经处理后由载波芯片的TXD脚输出，经电压放大后，由三极管组成的功率放大器进行功率放大，由变压器线圈组成的并联谐振回路选频由变压器耦合到220V。

3 软件设计

3.1 信息加密算法

由于楼宇内部铺设的220V电力线为公共传输线，并且变电站的数据传输网络是以TCP/IP协议作为通信基础的，而TCP/IP协议本身并不涉及数据传输的安全性[7]。因此，为了保证系统内部数据传输的可靠性与保密性，对所传输的控制命令进行加密处理。

由于主控计算机下发的不同的控制命令，其传输的信息内容也有所区别，为了使数据传输更加准确、可靠，系统传输的数据帧主要由统一控制位、单独控制位、奇偶校验位以及控制指令组成，其中，统一控制位和单独控制位的信息内容分别为0和各个空调的编号，用一个字节的单独控制位可以对多达256个空调进行单独编号，当主控计算机对楼宇内的所有空调进行群控时，下发的数据帧中统一控制位为0，单独控制位全为0。若对空调单独进行控制时，统一控制位为1，单独控制位包含了目标空调的编号便于微控制器进行匹配识别。而奇偶校验位和控制指令则经过解调之后由微控制器进行解密并识别其中包含的控制指令。

3.2 空调控制设计

系统进行空调群控的设计思路是在主控计算机上设置空调每天的工作时间，当设置时间到时，主控计算机通过电力线传输的方式给每个房间内的微控制器发送相应的开关命令对空调进行统一操控，若在空调工作时间之外需要对某个房间内的空调单独进行操作时，可通过在传输的控制命令之前添加标志位的方式对空调进行控制。安装在室内的温度传感器实时采集室内环境温度并将其传输给微控制器，微控制器内设置有人体最舒适的室温阈值（系统设置为20度～25度），当温度传感器采集的室内温度超出设置的阈值范围时，微控制器通过红外发送装置发出相应的调温信息控制空调的温度。

4 系统测试分析

系统硬件电路以及算法设计完成之后，对系统进行在线测试。系统监控需要通过主控计算机来完成，主控计算机上设置有不同的功能模块用于对空调进行单独或统一操控，监控界

面如图2所示。监控人员可以根据实际情况在主控计算机上设置空调的工作时间以及合适的室内环境温度阈值，当工作时间或者室温阈值需要更改时，只需在对应的输入框中填写相应的信息并点击确定按钮。

5 小结

空调群控系统将电力载波技术与嵌入式技术相结合，可以有效地将上位机的群控指令准确、快速、稳定的通过电力线经红外发射器传输到各个居室内的空调，同时在电力线传输中采用的加密校验编码方法可以有效地保证信号的正确安全传输。在实际测试中，微控制器的显示屏和上位机的工作界面可以实时显示居室内空调的工作温度和开关状态，同时，红外编码的自动学习技术解决了各个居室内空调型号不统一的问题，体现了嵌入式技术下了智能学习能力[11]。本文所设计改进的加密算法，既适用于本系统传输的数据帧是多字节数据，又不影响计算机的运行速度，同时还可以对信号的传输起到保护的作用，采用该加密算法设计的基于电力载波技术的空调群控技术实时性能较强，布线简单方便，人机交互界面简单造作，同时达到了空调随用随开，快速调温，集体群控的效果，既节能减排又节约人力。

参考文献：

[1] 张开生，王沛，郭国法.一种楼宇空调群控装置及方法[P].陕西：CN105222280A，2016-01-06.

[2] 许文香，蔡丽娟，张文勇.基于电力载波的教室电器智能节能系统设计[J].现代电子技术，2008，31（4）：189-191，194.

[3] 余东峰，刘强，刘虎生，等.通用红外遥控解码器的设计[J].现代电子技术，2011，34（16）：158-160.

[4] 杜艳，王者龙，杨杰，等.点对点红外通讯装置的设计[J]. 电测与仪表，2015（7）：97-100.