黨倩瀅，淡 丹，楊文健，Muhammad Mannan Afzal，F(xiàn)azli Hameed

（1.河海大學(xué)公共管理學(xué)院，江蘇南京211100；2.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安710021；3.河海大學(xué)水文學(xué)及水資源，江蘇南京211100；4.河海大學(xué)水利水電工程，江蘇南京211100）

基于DES加密算法的預(yù)付費(fèi)空調(diào)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黨倩瀅1，淡 丹2，楊文健1，Muhammad Mannan Afzal3，F(xiàn)azli Hameed4

（1.河海大學(xué)公共管理學(xué)院，江蘇南京211100；2.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安710021；3.河海大學(xué)水文學(xué)及水資源，江蘇南京211100；4.河海大學(xué)水利水電工程，江蘇南京211100）

針對(duì)目前空調(diào)管理性、智能化較差的問題設(shè)計(jì)了一種基于DES加密算法的預(yù)付費(fèi)空調(diào)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以AT89S52為主控芯片，通過RC522讀寫器對(duì)射頻IC卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，來控制空調(diào)自動(dòng)開啟與閉合，以實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)消費(fèi)管理的目的。針對(duì)卡片安全性問題，系統(tǒng)采用DES加密算法對(duì)數(shù)據(jù)加密，確?？ㄆㄐ胚^程中的安全性，仿真結(jié)果表明該算法安全可靠，可被廣泛應(yīng)用。

射頻卡；微控制器；加密算法；預(yù)付費(fèi)空調(diào)

隨著現(xiàn)代化水平的不斷提高，工業(yè)化的不斷發(fā)展，自助式收費(fèi)已逐漸在人們生活方式中出現(xiàn)。傳統(tǒng)的酒店、企事業(yè)單位或?qū)W?？照{(diào)系統(tǒng)，外機(jī)大都采用集中式安裝方式，而內(nèi)機(jī)采用分戶單獨(dú)安裝計(jì)量管理模式，收費(fèi)方式使用先使用后收費(fèi)模式[1]，此種模式導(dǎo)致了各用戶收費(fèi)不均，或是某個(gè)用戶存在欠費(fèi)而無法切斷其內(nèi)機(jī)，存在欠費(fèi)拖延等經(jīng)濟(jì)問題，使得空調(diào)不能集中管理，如今在樓宇自動(dòng)化水平不斷提高的前提下，更不能適應(yīng)目前管理和消費(fèi)人群的需要，空調(diào)經(jīng)濟(jì)智能化水平較差[2～3]。射頻IC卡易于攜帶、方便管理而被用于各個(gè)管理領(lǐng)域，但由于該技術(shù)是通過無線通信來傳遞身份信息等關(guān)鍵信息，因此信息的安全性容易受到攻擊，卡片一旦丟失，信息易被泄露，非法分子可以根據(jù)卡片的信息克隆或復(fù)制一張相同的卡片，信息安全性相對(duì)較弱[4]。

針對(duì)上述問題，系統(tǒng)利用射頻IC卡設(shè)計(jì)了一種預(yù)付費(fèi)空調(diào)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用射頻卡便于管理的特點(diǎn)，給用戶提供了一種全新的服務(wù)模式，解決了空調(diào)不能集中管理、用戶欠費(fèi)拖延等經(jīng)濟(jì)問題。系統(tǒng)中主控使用AT89S52，其外圍模塊包括了LCD1602液晶顯示器、蜂鳴報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、計(jì)費(fèi)模塊及閥門控制模塊等；系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)上采用DES加密算法，該算法確保了卡片信息的安全性，最后實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明該算法安全、可靠切實(shí)可行。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)主控芯片采用AT89S52，它構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，蜂鳴報(bào)警模塊用于卡片合法性檢測(cè)時(shí)非法報(bào)警及欠費(fèi)時(shí)報(bào)警提示，液晶顯示模塊用于當(dāng)前數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要用于因突然斷電或死機(jī)狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)信息能夠及時(shí)保存下來。當(dāng)射頻IC卡進(jìn)入讀寫器可識(shí)別的范圍時(shí)，射頻IC卡讀寫器接收到微控制器的命令后，驅(qū)動(dòng)天線發(fā)射13.56 MHZ的載波能量傳輸給射頻IC卡，射頻IC卡接收到載波能量后利用自身內(nèi)部電路產(chǎn)生感應(yīng)電流，其中一部分電流經(jīng)過橋式整流后供射頻卡內(nèi)電路工作，另一部分能量經(jīng)射頻卡內(nèi)數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)模塊調(diào)制后通過天線發(fā)送給讀寫器，讀寫器接收到數(shù)據(jù)后就對(duì)其進(jìn)行解碼，并將解碼后的數(shù)據(jù)送入微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[5-6]?？ㄆㄟ^讀寫器的合法性認(rèn)證后，微控制器開始控制讀寫器對(duì)卡片進(jìn)行讀寫操作，信息讀取后，用戶可以通過鍵盤設(shè)定空調(diào)開啟的時(shí)間，等用戶確認(rèn)后，空調(diào)的閥門被打開，計(jì)費(fèi)模塊按照所設(shè)定的時(shí)間開始實(shí)時(shí)計(jì)費(fèi)，同時(shí)液晶顯示器上顯示計(jì)費(fèi)的倒計(jì)時(shí)時(shí)間，直到所設(shè)定的時(shí)間為0時(shí)，微控制器控制空調(diào)的閥門關(guān)閉。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊主要是通過RFID模塊來實(shí)現(xiàn)的，該模塊主要是對(duì)用戶卡片信息的讀取、確認(rèn)及返回，當(dāng)數(shù)據(jù)返回后由微控制器對(duì)用戶信息進(jìn)行判斷，并控制空調(diào)閥門的開啟情況。主控制器主要由AT89S52為控制核心，RFID讀寫模塊主要由RC522讀寫器、天線及M1卡組成。M1卡中存儲(chǔ)了用戶的信息，首先由微控制器發(fā)送指令給MCM，然后，MCM執(zhí)行指令并將其轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)發(fā)送給卡片；其次，卡片接收到來自MCM的指令后，按指令完成其內(nèi)部的各種處理，并回送應(yīng)答信號(hào)或數(shù)據(jù)信息給MCM；最后，MCM接收卡回送的射頻信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出給MCU，讀寫器MCU讀取MCM接收到的應(yīng)答信號(hào)或數(shù)據(jù)信息，即可完成與M1卡的數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，微控制器通過RC522與M1卡建立通信，為了保證通信的正確性，需要進(jìn)行一定的通信協(xié)議[7～8]，在本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信協(xié)議如表1所示，其中0x18代表起始位，0x01代表讀卡操作，0x02代表寫卡，n為發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

表1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

2.2 天線設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中天線的設(shè)計(jì)是其進(jìn)行正確無線通信的關(guān)鍵部分，讀寫器的讀寫距離與天線的尺寸、天線匹配電路的品質(zhì)因子Q及周圍環(huán)境有關(guān)[9～10]。本設(shè)計(jì)在PCB上設(shè)計(jì)采用繞制方形線圈的方式來制作天線，對(duì)于13.56 MHz的MF-RC500系統(tǒng)來說方形天線的最大尺寸為50 cm左右。其由公式（1）決定：

式中L為天線的最大尺寸，λ為波長(zhǎng)。

[11]可知天線邊長(zhǎng)的確定與讀寫器讀取標(biāo)簽的距離x有關(guān)，本設(shè)計(jì)要求讀寫距離為100 mm，具體由公式（2）確定：

式中a為天線的邊長(zhǎng)，由此公式可計(jì)算出方形天線的邊長(zhǎng)。

對(duì)于天線的品質(zhì)因子Q的分析求解主要由公式（3）約束：

式中Q為品質(zhì)因子，ωR為角頻率，LANT為天線電感，RANT為天線電阻，B為帶寬，T為脈寬。根據(jù)天線的幾何形狀，Q值通常在50——100之間?；贛F-RC500讀寫器的波特率是109.5 kHz/sec，數(shù)據(jù)從讀寫器傳輸?shù)缴漕l卡使用的脈寬T=3μs的Miller碼，并利用公式（1）、（2）、（3）可推算出Q一般取值為35左右。

2.3 鍵盤模塊

系統(tǒng)選用矩陣式鍵盤來進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入，通過輸入具體的數(shù)字來設(shè)定空調(diào)開啟的時(shí)間。鍵盤的接線采用四行四列的鍵盤掃描的形式，行線分別接AT89S52的 P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，列線接微控制器的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5口，圖2為矩陣鍵盤的接口電路。

圖2 矩陣鍵盤的接口電路圖

2.4 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊選用LCD1602液晶顯示，LCD1602共16個(gè)管腳，主要用到的有RS數(shù)據(jù)命令選擇端，R/W讀寫選擇端，E3使能端，這3個(gè)管腳主要用來初始化、寫命令、寫數(shù)據(jù)。LCD1602內(nèi)部RAM顯示緩沖區(qū)地址00～0F、40～4F分別對(duì)應(yīng)LCD1602的上下兩行的每一個(gè)字符，只要往對(duì)應(yīng)的RAM地址寫入要顯示字符的ASII代碼就可以顯示出來。

當(dāng)卡片沒有進(jìn)入讀卡器工作范圍時(shí)LCD1602液晶顯示器上顯示當(dāng)前的時(shí)間。當(dāng)射頻卡進(jìn)入讀寫器工作范圍時(shí)，讀寫器讀取射頻卡信息，微控制器控制液晶顯示卡內(nèi)的數(shù)據(jù)及剩余金額數(shù)。在空調(diào)閥門打開過程中液晶主要顯示計(jì)費(fèi)的時(shí)間，關(guān)閉閥門時(shí)顯示卡內(nèi)剩余金額數(shù)，如果讀卡出錯(cuò)則顯示出錯(cuò)標(biāo)志。

2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

為了防止系統(tǒng)斷電后數(shù)據(jù)不被丟失，系統(tǒng)采用了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊采用的芯片為AT93C46，該芯片是Atmel公司生產(chǎn)的一種低電壓、低功耗、可擦除、可編程只讀存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器帶有3線串行接口，其容量為1KB或4KB，可重復(fù)寫100萬次，數(shù)據(jù)可保存100年以上。每一個(gè)存儲(chǔ)器可以頭通過DI或D0引腳進(jìn)行寫入或讀出，寫入時(shí)芯片可自動(dòng)清除存儲(chǔ)內(nèi)容，具有硬件和軟件的寫保護(hù)功能。

3 系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)

針對(duì)M1卡易被復(fù)制、盜刷等現(xiàn)象，系統(tǒng)為了確?？ㄆ臋C(jī)密性采用DES加密算法，該算法是一種分組加密算法，將明文分成N組，每組長(zhǎng)度為64位，通過密鑰把64位明文信息加密成64位密文信息，最后把所有的分組密文進(jìn)行合并，形成最終的密文[12-13]，然后再利用加密時(shí)所利用的同一個(gè)密鑰進(jìn)行解密運(yùn)算變換成對(duì)應(yīng)的明文的過程。DES加密算法具體計(jì)算流程如圖3所示[14-15]，該算法一共進(jìn)行16輪加密，每一輪都有一個(gè)48比特的密鑰Ki，在每一輪中，都使用了8個(gè)固定的從6比特到4比特的替代映射盒Si（S盒）。對(duì)于輸入的64bit明文，將其分成兩個(gè)獨(dú)立的32bit明文，記為L(zhǎng)0和R0，將32bit的Li-1與Ri-1用做輸入，將Li和Ri作為32bit輸出，其中1≤i≤16。具體算法如下：

上式中的E為一個(gè)固定的擴(kuò)展置換，實(shí)現(xiàn)將一個(gè)32bit的Ri-1映射成48bit，P為另一個(gè)32bit的置換。

圖3 DES加密算法流程圖

算法的編程實(shí)現(xiàn)如下，算法的主要函數(shù)為：

Void des_encode（des_ctx*st，unsigned char*data，int blocks），該函數(shù)為加密函數(shù)，主要是對(duì)32位的st結(jié)構(gòu)進(jìn)行加密，data為存放輸入密鑰的結(jié)構(gòu)，blocks為分組的組數(shù)，主要存放DES加密算法的一個(gè)分組加密算法。Void des_decode（des_ctx*st，unsigned char*data，int blocks），該函數(shù)為解密函數(shù)，即為加密函數(shù)的逆運(yùn)算。系統(tǒng)對(duì)DES加密算法加解密的運(yùn)行結(jié)果如圖所示，通過對(duì)字符串“Hohai”進(jìn)行加密，加密結(jié)果為“10111101 10100001 11110110 00011110”，最后對(duì)該結(jié)果進(jìn)行逆運(yùn)算，解密輸出為“Hohai”，通過加解密的演示結(jié)果可以看出DES加密算法應(yīng)用于RFID系統(tǒng)切實(shí)可行，具有較高的加密性能，能夠有效地解決卡片安全性問題。

圖4 加解密運(yùn)行結(jié)果示意圖

4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控程序流程圖如圖5所示，首先檢測(cè)是否有卡片進(jìn)入感應(yīng)區(qū)，當(dāng)有卡片進(jìn)入感應(yīng)區(qū)時(shí)，系統(tǒng)從低功耗模式中喚醒，判斷卡片的合法性，如果滿足該協(xié)議則判斷卡片合法，執(zhí)行下一步操作，如果不滿足條件蜂鳴器報(bào)警提示。卡片通過合法性檢測(cè)后，系統(tǒng)對(duì)卡片的余額進(jìn)行檢測(cè)，如果卡片欠費(fèi)，系統(tǒng)則控制空調(diào)關(guān)閥，蜂鳴器報(bào)警提示并將欠費(fèi)的金額的信息顯示在液晶顯示器上，卡片余額充足則微控制器控制讀寫器對(duì)卡片內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，當(dāng)有按鍵中斷發(fā)生時(shí)則進(jìn)行按鍵處理，按鍵的主要作用是設(shè)定開啟空調(diào)的時(shí)間，當(dāng)時(shí)間設(shè)置好按下確認(rèn)按鍵后微控制器控制空調(diào)開啟，開始倒計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)，計(jì)費(fèi)的信息及顯示的時(shí)間現(xiàn)在液晶顯示器上，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間為0時(shí)，微控制器控制空調(diào)關(guān)閉閥門，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式。

圖5 主控程序流程圖

5 結(jié) 論

隨著射頻識(shí)別技術(shù)的快速發(fā)展，射頻識(shí)別技術(shù)已被應(yīng)用于日常生活各個(gè)領(lǐng)域?；谏漕lIC卡的使用、管理上的方便，將射頻IC卡應(yīng)用于空調(diào)管理系統(tǒng)上提供了一種新的服務(wù)方式，減少了電能的浪費(fèi)，提高了用戶節(jié)能的意識(shí)，該設(shè)計(jì)方案可以應(yīng)用到空調(diào)集中式管理系統(tǒng)中，解決了用戶欠費(fèi)拖延等經(jīng)濟(jì)問題，同時(shí)也杜絕了商家硬性消費(fèi)或亂收費(fèi)的現(xiàn)象，在空調(diào)群控管理領(lǐng)域中具有一定現(xiàn)實(shí)意義，具有管理方便自助消費(fèi)的特點(diǎn)。

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Design of prepaid air conditioning management system based on DES encryption algorithm

DANG Qian?ying1，DAN Dan2，YANG Wen?jian1，Muhammad Mannan Afzal3，F(xiàn)azli Hameed4
（1.School of Public Administration，Hohai University，Nanjing211100，China；2.College of Electrical and Information Engineering，Shannxi University of Science and Technology，Xi’an710021，China；3.College of Water Resources and Hydrology，Hohai University，Nanjing211100，China；4.College of Water Conservancy and Hydropower，Hohai University，Nanjing211100，China）

A prepaid air conditioning management system based on DES encryption algorithm is designed to deal with the problem of the poor air conditioning manageability and intelligence.This system takes AT89S52 as the main control chip and the radio frequency card data information is collected by RC522 reader，to control air conditioning to open and close automatically，and to realize the prepaid consumption management.For card safety problems，this system uses DES encryption algorithm for data，to ensure communication security of card.It’s proved that this algorithm is safe and reliable，and can be widely used.

radio frequency card；micro?controller；encryption algorithm；prepaid air conditioning

TN91

A

1674-6236（2017）22-0081-04

2016-09-28稿件編號(hào)：201609250

黨倩瀅（1991—），女，陜西西安人，碩士。研究方向：災(zāi)害管理和社會(huì)保障。