劉念杰，秦會斌

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州310018）

隨著科技的飛速發(fā)展，人們對智能家居中照明的高效控制和照明效果多樣化的要求不斷提高，同時對網(wǎng)絡(luò)的依賴也越來越大，智能照明系統(tǒng)應(yīng)運而生。智能照明系統(tǒng)充分利用電子技術(shù)、通信技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，運用有效的管理和控制策略，實現(xiàn)高效、環(huán)保、節(jié)能、舒適的照明效果。

基于電力線載波技術(shù)的智能調(diào)光控制系統(tǒng)可以充分利用現(xiàn)有的電力線網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)[1]，不僅無需重新鋪設(shè)專用的線纜，也不占用無線通信寶貴的頻道資源，符合家庭網(wǎng)絡(luò)通信的特點，同時電力線調(diào)制解調(diào)模塊的成本也遠(yuǎn)低于各種無線模塊（如Zigbee、Wi-Fi、2.4G等），這無疑成為了解決智能家居系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)的最佳方案之一。但同時低壓電力線通常具有強干擾性、負(fù)載變化頻繁、建立通道難的問題，因此系統(tǒng)充分考慮了這些不利因素，采用QPSK調(diào)制的RISE3403為調(diào)制解調(diào)器，通過S3C6410+Android2.3搭建整個調(diào)光系統(tǒng)的智能網(wǎng)關(guān)，來實現(xiàn)對燈具的控制。

1 系統(tǒng)的總體構(gòu)架

整個系統(tǒng)的設(shè)計包括S3C6410智能網(wǎng)關(guān)服務(wù)器設(shè)計[2]、電力線載波燈控節(jié)點設(shè)計、Web客戶端的設(shè)計、Android觸摸屏界面設(shè)計。系統(tǒng)采用簡單的星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在家庭內(nèi)部組建獨立的電力線網(wǎng)絡(luò)，各燈控節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間通過電力線通信，網(wǎng)關(guān)通過GPRS、WIFI或Internet等方式對用戶提供訪問服務(wù)，系統(tǒng)的總體構(gòu)架如圖1所示。考慮到與其他通信模塊的可兼容性，電力線載波通信模塊與智能網(wǎng)關(guān)和燈控節(jié)點之間均通過串口連接，只要遵循網(wǎng)關(guān)與節(jié)點之間規(guī)定的通信協(xié)議格式，就可以在不改變整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下加入其他非電力線載波的通信模塊，擴展出更為復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組網(wǎng)方式變的相對更靈活。

圖1 系統(tǒng)的總體構(gòu)架圖Fig.1 Structure diagram of the smart dimming system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能網(wǎng)關(guān)主控服務(wù)器采用Samsung S3C6410處理器，采用外接DM9000以太網(wǎng)卡與USB WIFI模塊來接入以太網(wǎng)與WIFI網(wǎng)絡(luò)，通過串口控制電力線載波模塊，同時配置了觸摸屏支持本地觸摸界面操作，其硬件框圖如圖2所示。電力線載波燈控節(jié)點主要由電力線載波模塊、MCU控制單元與LED調(diào)光模塊3部分構(gòu)成。Atmega16單片機作為控制單元，主要負(fù)責(zé)通過串口控制電力線載波調(diào)制解調(diào)芯片載波信號的發(fā)送與接收，以及產(chǎn)生PWM波來驅(qū)動調(diào)光芯片實現(xiàn)LED的精確調(diào)光。電力線載波調(diào)制解調(diào)芯片采用的是瑞斯康的最新產(chǎn)品RISE3403，調(diào)制方式為BPSK或QPSK，并且支持CSMA/CD機制，此芯片可工作于獨立式（SPI同步控制）或嵌入式（串口透傳）兩種模式，系統(tǒng)采用的是其串口透傳模式，操作起來更為方便。LED調(diào)光驅(qū)動芯片采用的是PT4115，它是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，通過DIM引腳輸入占空比可調(diào)的PWM，便能輸出大小可調(diào)的橫流LED驅(qū)動電流，最大輸出電流可達(dá)1A，最大能夠驅(qū)動25-30W的LED。載波燈控節(jié)點硬件框圖如圖3所示[3-4]。

圖2 網(wǎng)關(guān)服務(wù)器硬件框圖Fig.2 Structure diagram of the server hardware

圖3 電力線載波燈控節(jié)點硬件框圖Fig.3 Structure diagram of the led-control node hardware

3 網(wǎng)關(guān)服務(wù)器軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)服務(wù)器端軟件部分主要由Boa Web服務(wù)器、登陸驗證CGI程序、調(diào)光CGI程序、情景設(shè)置CGI程序、定時開關(guān)CGI程序、定時開關(guān)守護(hù)程序以及本地Android界面應(yīng)用程序和Sqlite數(shù)據(jù)庫等部分構(gòu)成。由于軟件平臺是基于ARMAndroid2.3，已移植到S3C6410平臺，因此CGI程序不能采用傳統(tǒng)的ARM-Linux交叉編譯，需從Android NDK開發(fā)包抽取出Android交叉編譯工具鏈arm-linux-androideabi，這樣編譯出來的CGI程序才能在Android平臺運行。本地控制界面基于Android SDK開發(fā)，開發(fā)環(huán)境是Eclipse，通過Java JNI技術(shù)來實現(xiàn)對底層串口驅(qū)動的調(diào)用[5]。

3.1 Boa服務(wù)器移植

Boa服務(wù)器是一個小巧高效的Web服務(wù)器，源代碼開放、性能高，并且支持CGI，適合用來充當(dāng)輕量級的嵌入式web服務(wù)器。從www.boa.org下載Boa源碼，當(dāng)前最新版本為0.94.13，將其解壓并進(jìn)入源碼目錄的src子目錄，利用從Android NDK開發(fā)包里面抽取出來的Android交叉編譯工具進(jìn)行編譯。首先解壓出源碼:tar xzvf boa-0.94.13.tar.gz，cd boa-0.94.13/src，然后生成Makefile文件：./configure，修改Makefile文件：找到CC=gcc，將其改成CC=arm-linuxandroideabi-gcc，再找到CPP=gcc-E，將其改成CPP=armlinux-androideabi-gcc-E，并保存退出。最后運行make進(jìn)行編譯，即得到可執(zhí)行程序為boa，將調(diào)試信息剝?nèi)ィ篴rm-linuxandroideabi-strip boa，得到的最后程序只有約60KB大小。接下來需要完成Boa的配置，使其能夠支持CGI程序的執(zhí)行。Boa需要在/etc目錄下建立一個boa目錄，里面放入Boa的主要配置文件boa.conf。ScriptAlias變量指明了CGI腳本的虛擬路徑對應(yīng)的實際路徑，一般所有的CGI腳本都要放在實際路徑里，用戶訪問執(zhí)行時輸入站點+虛擬路徑+CGI腳本名，可設(shè)置為/www/cgi-bin/。

3.2 CGI程序設(shè)計

CGI程序主要用來溝通客戶端網(wǎng)頁與Web服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互。瀏覽器通過Web表單請求CGI程序，服務(wù)器收到請求后調(diào)用指定的CGI程序進(jìn)行處理，同時也能夠返回數(shù)據(jù)給網(wǎng)頁[6]。CGI可以用任何一種語言編寫，只要這種語言具有標(biāo)準(zhǔn)輸入、輸出和環(huán)境變量。由于需要操作S3C6410的硬件即串口，寫串口的同時可能需要延時等待數(shù)據(jù)到達(dá)之后再讀，因此采用C語言來編寫，這樣能夠方便調(diào)用到Linux底層的串口驅(qū)動程序，而這是PHP、Python等這些其他腳本語言無法做到的。

網(wǎng)頁端所有的CGI請求都是通過XMLHttpRequest這個JavaScript對象完成[7]，在調(diào)用XMLHttpRequest的open方法發(fā)出GET請求之后，它可以同步或異步返回Web服務(wù)器的響應(yīng)，并且能在不刷新整個網(wǎng)頁的情況下更新部分控件的數(shù)據(jù)。調(diào)光CGI程序的GET請求參數(shù)格式仿照Dali協(xié)議進(jìn)行設(shè)計，如需要查詢1號燈的亮度等級，則相應(yīng)的請求形式為/led.cgi？addr=1&cmd=160。定時開關(guān)燈守護(hù)程序通過有名管道與定時開關(guān)燈CGI程序通信，實時監(jiān)控CGI寫入的管道數(shù)據(jù)，并維護(hù)了多個Linux定時器（每個房間對應(yīng)一個定時器）來真正完成發(fā)送開關(guān)燈指令的任務(wù)。通過嵌入式輕量級數(shù)據(jù)庫Sqlite3來存儲各個燈節(jié)點的定時開關(guān)與亮度等級信息，方便上層進(jìn)行設(shè)置與查詢。網(wǎng)關(guān)服務(wù)器軟件流程圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)服務(wù)器軟件流程圖Fig.4 Flow chart of the server software

4 載波燈控節(jié)點軟件設(shè)計

當(dāng)電力線載波模塊接收到網(wǎng)關(guān)服務(wù)器經(jīng)電力線傳輸過來的Dali控制命令時，觸發(fā)Atmega16進(jìn)入串口接收中斷模式，Atmaga16對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗與解析，判斷該幀中目的ID字段是否與本節(jié)點相符（節(jié)點ID由Atmega16外接撥碼開關(guān)設(shè)置），若相符則進(jìn)行進(jìn)一步判斷并執(zhí)行相應(yīng)動作：若為燈控制命令，則通過定時器產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM輸出，若為查詢命令，則通過串口返回數(shù)據(jù)給電力線載波模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)電力線上無任何數(shù)據(jù)到達(dá)時，Atmega16設(shè)置載波芯片處于低功耗模式，以等待下次被喚醒。載波燈控節(jié)點軟件流程圖如圖5所示。

5 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

圖5 載波燈控節(jié)點軟件流程圖Fig.5 Flow chart of the led-control node software

啟動系統(tǒng)后，通過任一遠(yuǎn)程電腦的瀏覽器登陸測試，所見控制界面如圖6（a）、6（b）、6（c）和6（d）所示，包括：1）調(diào)光界面，功能包括單燈或組燈直接亮度調(diào)光（通過滑動塊調(diào)節(jié)）、UP與DOWN按鈕逐級調(diào)光、刷新按鈕可實時更新燈的狀態(tài)；2）情景模式設(shè)置界面，功能包括閃爍與漸變兩種效果的啟用、關(guān)閉和設(shè)置；3）定時開關(guān)燈界面和修改密碼界面，功能包括定時開關(guān)燈的配置和登陸密碼的修改。圖7為網(wǎng)關(guān)服務(wù)器實測圖，Android觸摸屏控制界面提供了調(diào)光與定時開關(guān)的功能。圖8為載波燈控節(jié)點實測圖。系統(tǒng)的實際測試環(huán)境為120 m2、3室2廳的家庭住戶，空調(diào)、熱水器等大功率電器正常開啟，節(jié)點放置于離網(wǎng)關(guān)最遠(yuǎn)的兩個房間，總測試次數(shù)500次，電力線上丟包僅10次、數(shù)據(jù)差錯次數(shù)2次，結(jié)果表明，QPSK這種載波通信方式的穩(wěn)定性比較好，基本能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。目前正在對其中出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行改進(jìn)。

圖6 界面Fig.6 Interface

6 結(jié)束語

文中設(shè)計的基于電力線載波技術(shù)的調(diào)光系統(tǒng)，充分利用了現(xiàn)有的電力線網(wǎng)絡(luò)，通過結(jié)合成熟的互聯(lián)網(wǎng)通信手段，使得家居設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)化與遠(yuǎn)程控制成為可能。系統(tǒng)實現(xiàn)了本地與遠(yuǎn)程Web兩種操作界面，通用性較強，非常適用于家庭或者小型辦公室等這些場合。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)與智能家居理念的逐漸深入人心，基于電力線通信技術(shù)的控制系統(tǒng)將會越來越體現(xiàn)其本身的優(yōu)越性，有著廣闊的應(yīng)用前景。

圖7 網(wǎng)關(guān)服務(wù)器與觸摸屏控制界面實測圖Fig.7 Photo of the server and touch screen control

圖8 載波燈節(jié)點實測圖Fig.8 Photo of the led-control node

[1] 楊順.基于電力線通信技術(shù)的新型照明控制系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2009，18（11）:84-86.YANG Shun.The new lighting control system based on powerlinecommunication[J].ComputerSystems&Applications，2009，18（11）:84-86.

[2] 姜天昌，白長清.基于電力線的家庭智能網(wǎng)關(guān)[J].電子設(shè)計工程，2010，18（3）:107-109.JIANG Tian-chang，BAI Chang-qing.Smart home gateway based on PLC[J].Electronic Design Engineering，2010，18（3）:107-109.

[3] 林佳森，李智.基于低壓電力線的高速載波模塊設(shè)計[J].信息與電子工程，2012，19（1）:43-45.LIN Jia-sen，LI Zhi.Design of smart carrier module based on Low-Voltage power line[J].Information and Electronic Engineering，2012，19（1）:43-45.

[4] 王颋，吳兆云.基于電力線載波的智能家居控制系統(tǒng)研究[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013，13（2）:109-111.WANG Ting，WU Zhao-yun.Research of smart home control system based on power line carrier[J].Microcontrollers&Embedded Systems，2013，13（2）:109-111.

[5] 王朝華，陳德艷.基于Android的智能家居系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2012，22（6）:142-144.WANG Chao-hua，CHEN De-yan.Research and implementation of smart home based on android platform[J].Computer Technology and Development，2012，22（6）:142-144.

[6] 潘琢金，王秋實.基于AJAX與CGI的嵌入式瘦Web服務(wù)器研究[J].計算機工程與設(shè)計，2010，31（20）:91-93.PAN Zhuo-jin，WANG Qiu-shi.Study of thin embedded web server based on AJAX and CGI[J].Computer Engineering and Design，2010，31（20）:91-93.

[7] 繆靜芳，姜平.基于Ajax技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控動態(tài)網(wǎng)頁設(shè)計[J].南通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，8（3）:57-59.MIAO Jing-fang，JIANG Ping.Ajax-based dynamic web design for remote monitoring[J].Journal of nantong university：Natural Science，2009，8（3）:57-59.