基于DES加密算法的预付费空调管理系统设计

党倩滢，淡 丹，杨文健，Muhammad Mannan Afzal，Fazli Hameed

（1.河海大学公共管理学院，江苏南京211100；2.陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安710021；3.河海大学水文学及水资源，江苏南京211100；4.河海大学水利水电工程，江苏南京211100）

基于DES加密算法的预付费空调管理系统设计

党倩滢1，淡 丹2，杨文健1，Muhammad Mannan Afzal3，Fazli Hameed4

（1.河海大学公共管理学院，江苏南京211100；2.陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安710021；3.河海大学水文学及水资源，江苏南京211100；4.河海大学水利水电工程，江苏南京211100）

针对目前空调管理性、智能化较差的问题设计了一种基于DES加密算法的预付费空调管理系统。该系统以AT89S52为主控芯片，通过RC522读写器对射频IC卡进行数据采集，来控制空调自动开启与闭合，以实现预付费消费管理的目的。针对卡片安全性问题，系统采用DES加密算法对数据加密，确保卡片通信过程中的安全性，仿真结果表明该算法安全可靠，可被广泛应用。

射频卡；微控制器；加密算法；预付费空调

随着现代化水平的不断提高，工业化的不断发展，自助式收费已逐渐在人们生活方式中出现。传统的酒店、企事业单位或学校空调系统，外机大都采用集中式安装方式，而内机采用分户单独安装计量管理模式，收费方式使用先使用后收费模式[1]，此种模式导致了各用户收费不均，或是某个用户存在欠费而无法切断其内机，存在欠费拖延等经济问题，使得空调不能集中管理，如今在楼宇自动化水平不断提高的前提下，更不能适应目前管理和消费人群的需要，空调经济智能化水平较差[2～3]。射频IC卡易于携带、方便管理而被用于各个管理领域，但由于该技术是通过无线通信来传递身份信息等关键信息，因此信息的安全性容易受到攻击，卡片一旦丢失，信息易被泄露，非法分子可以根据卡片的信息克隆或复制一张相同的卡片，信息安全性相对较弱[4]。

针对上述问题，系统利用射频IC卡设计了一种预付费空调管理系统。该系统利用射频卡便于管理的特点，给用户提供了一种全新的服务模式，解决了空调不能集中管理、用户欠费拖延等经济问题。系统中主控使用AT89S52，其外围模块包括了LCD1602液晶显示器、蜂鸣报警、数据存储模块、计费模块及阀门控制模块等；系统安全性设计上采用DES加密算法，该算法确保了卡片信息的安全性，最后实验仿真结果表明该算法安全、可靠切实可行。

1 系统整体设计

系统的整体设计结构框图如图1所示，系统主控芯片采用AT89S52，它构成了整个系统的控制核心，蜂鸣报警模块用于卡片合法性检测时非法报警及欠费时报警提示，液晶显示模块用于当前数据信息的实时显示，数据存储模块主要用于因突然断电或死机状态时，数据信息能够及时保存下来。当射频IC卡进入读写器可识别的范围时，射频IC卡读写器接收到微控制器的命令后，驱动天线发射13.56 MHZ的载波能量传输给射频IC卡，射频IC卡接收到载波能量后利用自身内部电路产生感应电流，其中一部分电流经过桥式整流后供射频卡内电路工作，另一部分能量经射频卡内数据调制解调模块调制后通过天线发送给读写器，读写器接收到数据后就对其进行解码，并将解码后的数据送入微控制器进行数据处理[5-6]。卡片通过读写器的合法性认证后，微控制器开始控制读写器对卡片进行读写操作，信息读取后，用户可以通过键盘设定空调开启的时间，等用户确认后，空调的阀门被打开，计费模块按照所设定的时间开始实时计费，同时液晶显示器上显示计费的倒计时时间，直到所设定的时间为0时，微控制器控制空调的阀门关闭。

图1 系统整体设计结构框图

2 系统硬件设计

2.1 数据采集模块

系统数据采集模块主要是通过RFID模块来实现的，该模块主要是对用户卡片信息的读取、确认及返回，当数据返回后由微控制器对用户信息进行判断，并控制空调阀门的开启情况。主控制器主要由AT89S52为控制核心，RFID读写模块主要由RC522读写器、天线及M1卡组成。M1卡中存储了用户的信息，首先由微控制器发送指令给MCM，然后，MCM执行指令并将其转换为射频信号发送给卡片；其次，卡片接收到来自MCM的指令后，按指令完成其内部的各种处理，并回送应答信号或数据信息给MCM；最后，MCM接收卡回送的射频信号并将其转换为数字信号输出给MCU，读写器MCU读取MCM接收到的应答信号或数据信息，即可完成与M1卡的数据采集。在数据传输过程中，微控制器通过RC522与M1卡建立通信，为了保证通信的正确性，需要进行一定的通信协议[7～8]，在本系统中数据通信协议如表1所示，其中0x18代表起始位，0x01代表读卡操作，0x02代表写卡，n为发送数据的长度。

表1 数据通信协议

2.2 天线设计

系统中天线的设计是其进行正确无线通信的关键部分，读写器的读写距离与天线的尺寸、天线匹配电路的品质因子Q及周围环境有关[9～10]。本设计在PCB上设计采用绕制方形线圈的方式来制作天线，对于13.56 MHz的MF-RC500系统来说方形天线的最大尺寸为50 cm左右。其由公式（1）决定：

式中L为天线的最大尺寸，λ为波长。

[11]可知天线边长的确定与读写器读取标签的距离x有关，本设计要求读写距离为100 mm，具体由公式（2）确定：

式中a为天线的边长，由此公式可计算出方形天线的边长。

对于天线的品质因子Q的分析求解主要由公式（3）约束：

式中Q为品质因子，ωR为角频率，LANT为天线电感，RANT为天线电阻，B为带宽，T为脉宽。根据天线的几何形状，Q值通常在50——100之间。基于MF-RC500读写器的波特率是109.5 kHz/sec，数据从读写器传输到射频卡使用的脉宽T=3μs的Miller码，并利用公式（1）、（2）、（3）可推算出Q一般取值为35左右。

2.3 键盘模块

系统选用矩阵式键盘来进行数据的输入，通过输入具体的数字来设定空调开启的时间。键盘的接线采用四行四列的键盘扫描的形式，行线分别接AT89S52的 P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，列线接微控制器的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5口，图2为矩阵键盘的接口电路。

图2 矩阵键盘的接口电路图

2.4 液晶显示模块

液晶显示模块选用LCD1602液晶显示，LCD1602共16个管脚，主要用到的有RS数据命令选择端，R/W读写选择端，E3使能端，这3个管脚主要用来初始化、写命令、写数据。LCD1602内部RAM显示缓冲区地址00～0F、40～4F分别对应LCD1602的上下两行的每一个字符，只要往对应的RAM地址写入要显示字符的ASII代码就可以显示出来。

当卡片没有进入读卡器工作范围时LCD1602液晶显示器上显示当前的时间。当射频卡进入读写器工作范围时，读写器读取射频卡信息，微控制器控制液晶显示卡内的数据及剩余金额数。在空调阀门打开过程中液晶主要显示计费的时间，关闭阀门时显示卡内剩余金额数，如果读卡出错则显示出错标志。

2.5 数据存储模块

为了防止系统断电后数据不被丢失，系统采用了数据存储器模块。数据存储器模块采用的芯片为AT93C46，该芯片是Atmel公司生产的一种低电压、低功耗、可擦除、可编程只读存储器。该存储器带有3线串行接口，其容量为1KB或4KB，可重复写100万次，数据可保存100年以上。每一个存储器可以头通过DI或D0引脚进行写入或读出，写入时芯片可自动清除存储内容，具有硬件和软件的写保护功能。

3 系统安全性设计

针对M1卡易被复制、盗刷等现象，系统为了确保卡片的机密性采用DES加密算法，该算法是一种分组加密算法，将明文分成N组，每组长度为64位，通过密钥把64位明文信息加密成64位密文信息，最后把所有的分组密文进行合并，形成最终的密文[12-13]，然后再利用加密时所利用的同一个密钥进行解密运算变换成对应的明文的过程。DES加密算法具体计算流程如图3所示[14-15]，该算法一共进行16轮加密，每一轮都有一个48比特的密钥Ki，在每一轮中，都使用了8个固定的从6比特到4比特的替代映射盒Si（S盒）。对于输入的64bit明文，将其分成两个独立的32bit明文，记为L0和R0，将32bit的Li-1与Ri-1用做输入，将Li和Ri作为32bit输出，其中1≤i≤16。具体算法如下：

上式中的E为一个固定的扩展置换，实现将一个32bit的Ri-1映射成48bit，P为另一个32bit的置换。

图3 DES加密算法流程图

算法的编程实现如下，算法的主要函数为：

Void des_encode（des_ctx*st，unsigned char*data，int blocks），该函数为加密函数，主要是对32位的st结构进行加密，data为存放输入密钥的结构，blocks为分组的组数，主要存放DES加密算法的一个分组加密算法。Void des_decode（des_ctx*st，unsigned char*data，int blocks），该函数为解密函数，即为加密函数的逆运算。系统对DES加密算法加解密的运行结果如图所示，通过对字符串“Hohai”进行加密，加密结果为“10111101 10100001 11110110 00011110”，最后对该结果进行逆运算，解密输出为“Hohai”，通过加解密的演示结果可以看出DES加密算法应用于RFID系统切实可行，具有较高的加密性能，能够有效地解决卡片安全性问题。

图4 加解密运行结果示意图

4 系统软件的设计

系统主控程序流程图如图5所示，首先检测是否有卡片进入感应区，当有卡片进入感应区时，系统从低功耗模式中唤醒，判断卡片的合法性，如果满足该协议则判断卡片合法，执行下一步操作，如果不满足条件蜂鸣器报警提示。卡片通过合法性检测后，系统对卡片的余额进行检测，如果卡片欠费，系统则控制空调关阀，蜂鸣器报警提示并将欠费的金额的信息显示在液晶显示器上，卡片余额充足则微控制器控制读写器对卡片内数据进行读写，当有按键中断发生时则进行按键处理，按键的主要作用是设定开启空调的时间，当时间设置好按下确认按键后微控制器控制空调开启，开始倒计时计费，计费的信息及显示的时间现在液晶显示器上，当计时时间为0时，微控制器控制空调关闭阀门，系统进入低功耗模式。

图5 主控程序流程图

5 结 论

随着射频识别技术的快速发展，射频识别技术已被应用于日常生活各个领域。基于射频IC卡的使用、管理上的方便，将射频IC卡应用于空调管理系统上提供了一种新的服务方式，减少了电能的浪费，提高了用户节能的意识，该设计方案可以应用到空调集中式管理系统中，解决了用户欠费拖延等经济问题，同时也杜绝了商家硬性消费或乱收费的现象，在空调群控管理领域中具有一定现实意义，具有管理方便自助消费的特点。

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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，Fazli 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稿件编号：201609250

党倩滢（1991—），女，陕西西安人，硕士。研究方向：灾害管理和社会保障。