張開生+王沛

摘要：目前，空調(diào)已經(jīng)成為辦公樓里最基本的設(shè)備，人們在工作時間需要頻繁的對空調(diào)進(jìn)行開關(guān)以及調(diào)溫等操作，如何對空調(diào)進(jìn)行統(tǒng)一、有效的操控是人們非常關(guān)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(shù)設(shè)計(jì)了一種樓宇空調(diào)群控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用現(xiàn)有的電力線對空調(diào)開關(guān)控制指令進(jìn)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(jìn)行加密以確保控制指令的安全性。與傳統(tǒng)的人工控制方式相比，該系統(tǒng)很好地解決了樓宇空調(diào)群控工作量大的問題，并且可以做到“隨時控溫、定時開關(guān)、統(tǒng)一操控”的效果，有效地避免了資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：加密算法；嵌入式系統(tǒng)；電力載波；空調(diào)群控；紅外編碼

中圖分類號：TP79 文獻(xiàn)標(biāo)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(diào)的數(shù)量和頻率大幅增加，同時由于空調(diào)分布在不同房間內(nèi)，數(shù)量多，且線路復(fù)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(guān)技術(shù)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(dá)到對于一些有著較高管理要求的場所進(jìn)行控制，例如學(xué)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(diào)不僅工作量大，而且效率低，出現(xiàn)浪費(fèi)能源的情況，同時也可能由于房間內(nèi)使用空調(diào)遙控器的人員操作不當(dāng)會對遙控器或空調(diào)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(shù)對空調(diào)進(jìn)行群控，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，不僅可以由電控室值班人員遠(yuǎn)程控制任一房間內(nèi)的空調(diào)，還可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一控制[2-3]。在當(dāng)前技術(shù)條件下，電控室希望通過電控室由值班人員遠(yuǎn)程控制任一房間內(nèi)的空調(diào)，并且通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一控制，使用電力載波通訊技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

樓宇空調(diào)群控系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)、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(shè)置有若干個微控制器，其中一個與主控計(jì)算機(jī)相連，通過UART串口進(jìn)行溫度信息的收發(fā)，其余的微控制器設(shè)置在各個房間內(nèi)，一方面可以接收主控計(jì)算機(jī)下發(fā)的控制命令并通過無線紅外技術(shù)對空調(diào)的開關(guān)以及溫度調(diào)節(jié)進(jìn)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(jìn)行比較，并采取相應(yīng)的控制方法。

電力載波模塊具有對信息進(jìn)行調(diào)制解調(diào)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(zhuǎn)換。

溫度傳感器用于采集室內(nèi)環(huán)境溫度并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)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(shè)計(jì)

2.1 無線遙控設(shè)計(jì)

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(diào)型號各不相同，為了對整個樓宇內(nèi)部的空調(diào)進(jìn)行統(tǒng)一控制，而不用更換空調(diào)或者改變空調(diào)線路，通過現(xiàn)有電力線對空調(diào)開關(guān)控制信號進(jìn)行傳輸，利用微控制器的紅外收發(fā)裝置代替空調(diào)遙控器對各個空調(diào)分別進(jìn)行調(diào)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(shè)計(jì)，通過DC電源轉(zhuǎn)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(jìn)行串口通訊。紅外接收裝置采用VS1838B，紅外發(fā)射頭為IR333，當(dāng)進(jìn)行遙控碼學(xué)習(xí)時，微控制器進(jìn)入中斷模式，紅外接收頭接收空調(diào)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(diào)進(jìn)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(shè)計(jì)

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(luò)而研制的調(diào)制解調(diào)器，具有使用方便、價格低廉、精度高以及可靠性好的特點(diǎn)。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(jìn)行調(diào)制解調(diào)[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(dá)百分之四十，也能準(zhǔn)確還原載波信號。

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

2.3 調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計(jì)

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

電力載波模塊包括信號調(diào)制、信號解調(diào)、信號濾波和耦合保護(hù)電路幾個部分，其中，調(diào)制信號首先經(jīng)過電壓頻率轉(zhuǎn)換，把電壓信號轉(zhuǎn)化為頻率信號，然后經(jīng)調(diào)頻調(diào)制電路調(diào)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(diào)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(gòu)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(diǎn)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(hù)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(yùn)算放大器進(jìn)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(jìn)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(shè)計(jì)

3.1 信息加密算法

由于樓宇內(nèi)部鋪設(shè)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(luò)是以TCP/IP協(xié)議作為通信基礎(chǔ)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(jìn)行加密處理。

由于主控計(jì)算機(jī)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(zhǔn)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(dú)控制位、奇偶校驗(yàn)位以及控制指令組成，其中，統(tǒng)一控制位和單獨(dú)控制位的信息內(nèi)容分別為0和各個空調(diào)的編號，用一個字節(jié)的單獨(dú)控制位可以對多達(dá)256個空調(diào)進(jìn)行單獨(dú)編號，當(dāng)主控計(jì)算機(jī)對樓宇內(nèi)的所有空調(diào)進(jìn)行群控時，下發(fā)的數(shù)據(jù)幀中統(tǒng)一控制位為0，單獨(dú)控制位全為0。若對空調(diào)單獨(dú)進(jìn)行控制時，統(tǒng)一控制位為1，單獨(dú)控制位包含了目標(biāo)空調(diào)的編號便于微控制器進(jìn)行匹配識別。而奇偶校驗(yàn)位和控制指令則經(jīng)過解調(diào)之后由微控制器進(jìn)行解密并識別其中包含的控制指令。

3.2 空調(diào)控制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)進(jìn)行空調(diào)群控的設(shè)計(jì)思路是在主控計(jì)算機(jī)上設(shè)置空調(diào)每天的工作時間，當(dāng)設(shè)置時間到時，主控計(jì)算機(jī)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(yīng)的開關(guān)命令對空調(diào)進(jìn)行統(tǒng)一操控，若在空調(diào)工作時間之外需要對某個房間內(nèi)的空調(diào)單獨(dú)進(jìn)行操作時，可通過在傳輸?shù)目刂泼钪疤砑訕?biāo)志位的方式對空調(diào)進(jìn)行控制。安裝在室內(nèi)的溫度傳感器實(shí)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(shè)置有人體最舒適的室溫閾值（系統(tǒng)設(shè)置為20度～25度），當(dāng)溫度傳感器采集的室內(nèi)溫度超出設(shè)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(yīng)的調(diào)溫信息控制空調(diào)的溫度。

4 系統(tǒng)測試分析

系統(tǒng)硬件電路以及算法設(shè)計(jì)完成之后，對系統(tǒng)進(jìn)行在線測試。系統(tǒng)監(jiān)控需要通過主控計(jì)算機(jī)來完成，主控計(jì)算機(jī)上設(shè)置有不同的功能模塊用于對空調(diào)進(jìn)行單獨(dú)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(shí)際情況在主控計(jì)算機(jī)上設(shè)置空調(diào)的工作時間以及合適的室內(nèi)環(huán)境溫度閾值，當(dāng)工作時間或者室溫閾值需要更改時，只需在對應(yīng)的輸入框中填寫相應(yīng)的信息并點(diǎn)擊確定按鈕。

5 小結(jié)

空調(diào)群控系統(tǒng)將電力載波技術(shù)與嵌入式技術(shù)相結(jié)合，可以有效地將上位機(jī)的群控指令準(zhǔn)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(diào)，同時在電力線傳輸中采用的加密校驗(yàn)編碼方法可以有效地保證信號的正確安全傳輸。在實(shí)際測試中，微控制器的顯示屏和上位機(jī)的工作界面可以實(shí)時顯示居室內(nèi)空調(diào)的工作溫度和開關(guān)狀態(tài)，同時，紅外編碼的自動學(xué)習(xí)技術(shù)解決了各個居室內(nèi)空調(diào)型號不統(tǒng)一的問題，體現(xiàn)了嵌入式技術(shù)下了智能學(xué)習(xí)能力[11]。本文所設(shè)計(jì)改進(jìn)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(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，同時還可以對信號的傳輸起到保護(hù)的作用，采用該加密算法設(shè)計(jì)的基于電力載波技術(shù)的空調(diào)群控技術(shù)實(shí)時性能較強(qiáng)，布線簡單方便，人機(jī)交互界面簡單造作，同時達(dá)到了空調(diào)隨用隨開，快速調(diào)溫，集體群控的效果，既節(jié)能減排又節(jié)約人力。

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