張正華，顧駿，劉平，徐楊，王杰，沈非凡，馬超

(揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，揚(yáng)州225127)

?

基于Android和電力載波通信的多節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程控制*

張正華，顧駿，劉平，徐楊，王杰，沈非凡，馬超

(揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，揚(yáng)州225127)

GPRS無(wú)線通信具有覆蓋面廣、實(shí)時(shí)在線、按量計(jì)費(fèi)、高速傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，而電力載波通信無(wú)需額外布線，可以保護(hù)建筑的原本結(jié)構(gòu)不受損壞，本文將兩者相結(jié)合，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出一套GPRS通信與電力載波通信相結(jié)合的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)擴(kuò)大了通信范圍，有效解決了建筑二次布線的問題，大大節(jié)約了成本，終端節(jié)點(diǎn)即插即用，可同時(shí)控制多個(gè)節(jié)點(diǎn)，具有很好的市場(chǎng)前景。

遠(yuǎn)程控制；電力載波通信；GPRS；Android

引 言

低壓電力載波通信在我國(guó)的應(yīng)用時(shí)間尚短，但是這項(xiàng)技術(shù)一傳入我國(guó)，就以極快的速度發(fā)展，并取得了驚人的成效[1]。當(dāng)前通信方式主要分為兩大類：無(wú)線通信方式和有線通信方式。

在無(wú)線通信方面，GPRS相對(duì)于其他無(wú)線通信方式，以其覆蓋面廣、實(shí)時(shí)在線、按量計(jì)費(fèi)、通信資費(fèi)低、傳輸速率高等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于智能信息化時(shí)代[2]。人們可以直接通過手機(jī)無(wú)線上網(wǎng)，對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備隨時(shí)隨地進(jìn)行控制。

在有線通信方面，電力線載波通信作為解決“最后一公里”[3]通信問題的有效方法得到越來(lái)越多科技工作者的關(guān)注和研究，是一種發(fā)展?jié)摿薮蟮耐ㄐ欧绞?。近年?lái)，世界范圍內(nèi)多個(gè)國(guó)家都相繼展開了對(duì)智能電網(wǎng)的相關(guān)研究，特別是美國(guó)將智能電網(wǎng)的改造列入美國(guó)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇計(jì)劃后，關(guān)于“智能電網(wǎng)”(Smart Grid)的話題已在電力工業(yè)和學(xué)術(shù)領(lǐng)域變得炙手可熱[4]。相比于其他的有線通信方式，電力載波通信無(wú)需額外布線，保護(hù)了建筑的原本結(jié)構(gòu)，大大降低了成本。然而，由于電網(wǎng)處于盲態(tài)，低壓電力載波通信的不確定性使其無(wú)法用一般的通信組網(wǎng)方式來(lái)組建網(wǎng)絡(luò)。另外，電力線上的強(qiáng)干擾和強(qiáng)衰減造成的可靠性低的問題也不容忽視。對(duì)此，本文采用蟻群算法和Modbus協(xié)議來(lái)提高低壓電力載波通信的可靠性。

本文將GPRS通信和電力載波通信相結(jié)合，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，在擴(kuò)大控制距離、實(shí)時(shí)控制、減少通信資費(fèi)和重新布線成本的同時(shí)，減少室內(nèi)無(wú)線設(shè)備的輻射對(duì)人們健康造成的不良影響。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由Android智能移動(dòng)終端、集中器與多個(gè)智能終端節(jié)點(diǎn)組成。智能移動(dòng)終端設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件作為控制端，與集中器通過GPRS進(jìn)行無(wú)線通信。集中器內(nèi)含ARM處理器，作為中心處理器，將相應(yīng)的命令通過電力線發(fā)送給各個(gè)子模塊，從而完成整個(gè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

集中器內(nèi)采用友善之臂公司出產(chǎn)的Tiny6410開發(fā)板，主控芯片采用ARM11處理器S3C6410，它是一款低功率、高性價(jià)比、高性能的通用處理器，具有豐富的硬件功能外設(shè)，方便更多的外部功能擴(kuò)展。

GPRS模塊采用華為的GTM900-C GPRS模塊，該模塊是一款兩頻段GSM/GPRS無(wú)線模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議模塊，使用簡(jiǎn)單，易于集成，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及增強(qiáng)AT命令，提供豐富的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，帶有SIM卡座、耳機(jī)插座和話筒插座,可以實(shí)現(xiàn)通話、發(fā)短信和GPRS無(wú)線上網(wǎng)等功能，性能較優(yōu)。

電力載波模塊采用四川科強(qiáng)電子的KQ-130F電力載波模塊，它是一款單列11針的高性能過零載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，專門為在220 V交流上、強(qiáng)干擾、強(qiáng)衰減的環(huán)境下，需要可靠傳送數(shù)據(jù)的應(yīng)用而特別設(shè)計(jì)和開發(fā)的性價(jià)比較高的載波模塊。

智能終端節(jié)點(diǎn)以ATmega16單片機(jī)為控制核心，ATmega系列是AVR 單片機(jī)中的高端產(chǎn)品，其顯著的特點(diǎn)為高性能、高速度、低功耗，片內(nèi)資源很豐富[5]。ATmega系列中ATmega8和ATmega16性價(jià)比較高。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 多節(jié)點(diǎn)電力載波通信實(shí)現(xiàn)

由于電網(wǎng)處于動(dòng)態(tài)的盲網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，具有噪聲干擾強(qiáng)、信號(hào)衰減大、多徑效應(yīng)且網(wǎng)絡(luò)路徑隨機(jī)性等特點(diǎn)，致使低壓電力載波通信很不可靠。為了減少類似的干擾、獲取最優(yōu)路徑，本文采用了Modbus協(xié)議和遺傳-蟻群混合算法。

Modbus協(xié)議采用主從應(yīng)答式通信，詳細(xì)規(guī)定了主、從設(shè)備的通信行為，定義了設(shè)備能夠識(shí)別和使用的報(bào)文結(jié)構(gòu)[6]。該協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)通信主設(shè)備和多個(gè)子設(shè)備組成，各子設(shè)備通過唯一的地址ID號(hào)來(lái)識(shí)別信息并響應(yīng)。

遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)是一類借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機(jī)制的隨機(jī)化搜索算法[7],具有全局快速搜索能力，但對(duì)于計(jì)算過程中系統(tǒng)反饋的信息不能加以利用，導(dǎo)致大量不必要的冗余迭代，在后期效率較低。蟻群算法(Ant Colony Algorithm,ACA)是人們受自然界中真實(shí)的蟻群集體行為啟發(fā)而提出的一種基于蟻群的模擬進(jìn)化算法[7]，通過信息素的累積和代數(shù)傳遞時(shí)的不斷更新而收斂于最優(yōu)路徑，但是由于初期信息素匱乏，導(dǎo)致求解速度較慢。遺傳-蟻群混合算法[8]如圖2所示，首先利用遺傳算法的隨機(jī)性、快速性、全局收斂性，產(chǎn)生有關(guān)問題的求解結(jié)果，然后在Tg時(shí)刻，將遺傳算法結(jié)果轉(zhuǎn)換為蟻群算法出事信息素分布，充分利用蟻群算法的并行性、正反饋機(jī)制和魯棒性得到最優(yōu)路徑。

圖2 速度—時(shí)間曲線圖

3.2 手機(jī)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)

3.2.1 手機(jī)應(yīng)用軟件的實(shí)現(xiàn)

智能插座控制應(yīng)用程序的開發(fā)是在Eclipse+SDK+ADT開發(fā)環(huán)境下，基于Android 4.0開發(fā)的。軟件主要包括3個(gè)功能模塊:節(jié)點(diǎn)控制功能、SIM卡號(hào)設(shè)置與綁定功能和SIM卡解綁功能。節(jié)點(diǎn)控制功能可以實(shí)現(xiàn)打開節(jié)點(diǎn)開關(guān)、關(guān)閉節(jié)點(diǎn)開關(guān)2個(gè)主要功能，SIM卡號(hào)設(shè)置與綁定模塊可以實(shí)現(xiàn)設(shè)置和綁定SIM號(hào)碼(集中器內(nèi)SIM卡)，SIM卡號(hào)解綁模塊可以解除當(dāng)前綁定的號(hào)碼，以便可以重新設(shè)置新的號(hào)碼 。軟件功能模塊圖如圖 3所示，軟件界面圖如圖4所示。

3.2.2 GPRS無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)GPRS無(wú)線通信，首先要解決的問題就是實(shí)現(xiàn)集中器端GPRS無(wú)線上網(wǎng)功能。本文GPRS無(wú)線上網(wǎng)功能是通過TCP/IP協(xié)議中的數(shù)據(jù)鏈路層的PPP協(xié)議建立網(wǎng)絡(luò)連接來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)直接使用Linux提供的PPP撥號(hào)功能，無(wú)需深入研究PPP協(xié)議，從而大大提高了效率。實(shí)現(xiàn)PPP撥號(hào)前需要做的簡(jiǎn)要工作如下:①配置Linux內(nèi)核，使其支持PPP撥號(hào)功能；②編譯PPP撥號(hào)腳本；③修改撥號(hào)腳本；④復(fù)制相關(guān)文件到開發(fā)板。若用戶想要實(shí)現(xiàn)開機(jī)時(shí)自動(dòng)撥號(hào)功能，只需在開機(jī)啟動(dòng)腳本中加如下語(yǔ)句：

圖3 軟件功能模塊圖

圖4 智能節(jié)點(diǎn)控制界面圖

/etc/ppp/rmlock

//判斷并刪除無(wú)效串口的lock文件，保證成功撥號(hào)

/usr/bin/pppd call gprs //自動(dòng)撥號(hào)

/usr/bin/sleep 30 //30s的撥號(hào)時(shí)間

/bin/qtopia& //QT界面啟動(dòng)

/sbin/ifconfig ethO down //開機(jī)禁用eth0網(wǎng)口

PPP協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式如下所示：

標(biāo)志地址控制協(xié)議信息CRC標(biāo)志0x7e0xff0x0316位信息內(nèi)容16位0x7e空閑或下一個(gè)地址

PPP協(xié)議數(shù)據(jù)，每一幀都是以 0x7e 開始和結(jié)束的；地址字節(jié)為固定值0xff；控制字節(jié)為固定值0x03；協(xié)議字段類似于以太網(wǎng)協(xié)議中類型字段功能，不同的值對(duì)應(yīng)著不同的信息字段，如值為 0x 0021 時(shí)表示一個(gè) IP 數(shù)據(jù)包，值為 0x c021 時(shí)表示鏈路控制數(shù)據(jù)，而值為 0x8021 時(shí)信息字段則表示一組網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)；信息內(nèi)容最多為 1500 字節(jié)； CRC 字段(或FCS，幀檢驗(yàn)序列)是一個(gè)循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼，用于檢測(cè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤。

第二個(gè)待解決問題就是服務(wù)器問題。實(shí)現(xiàn)GPRS通信的傳統(tǒng)方法是設(shè)立中間服務(wù)器，此方法需要另啟用一臺(tái)服務(wù)器且長(zhǎng)期處于待機(jī)狀態(tài)，不符合智能城市節(jié)能的要求。本文將服務(wù)器設(shè)在集中器內(nèi)，服務(wù)器一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，當(dāng)手機(jī)發(fā)出連接請(qǐng)求時(shí)，經(jīng)過三步握手協(xié)議即可建立Socket通信。三步握手協(xié)議如圖5所示。

最后一個(gè)待解決的就是IP地址固定問題。由于一個(gè)Socket由一個(gè)IP地址和一個(gè)端口號(hào)唯一確定，因此手機(jī)端在連接服務(wù)器時(shí)需要知道服務(wù)器的IP地址。本文采用動(dòng)態(tài)域名解析軟件，將分配到的動(dòng)態(tài)IP地址解析到一個(gè)域名中，再將域名轉(zhuǎn)換為固定的IP地址。 解決了以上問題，就可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)與集中器GPRS的無(wú)線通信了，其流程如圖6所示。

圖5 三步握手協(xié)議

圖6 GPRS無(wú)線通信流程圖

結(jié) 語(yǔ)

[1] 楊迪.低壓電力載波通信的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)分析[J].電子技術(shù)與軟件工程,2014(18):69.

[2] 張恩迪.基于GPRS的物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)蟲害防治檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,3(3):91-94.

[3] 孔祥斌.低壓電力線載波通信可靠性研究[D].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué),2011.

[4] 鄧凱.低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)的啟發(fā)式路由算法研究[D].昆明:云南大學(xué),2013.

[5] 陳謹(jǐn)女,田浩.基于ATmega16的智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2013(4):73-75.

[6] 高旭彬,基于MSP430單片機(jī)Modbus協(xié)議軟件設(shè)計(jì)方法[J].工礦自動(dòng)化,2013,39(4):87-90.

[7] 蔣騰旭.改進(jìn)的遺傳蟻群混合算法在TSP中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2013(12):30-33.

[8] 陳亞云,韓文濤,崔鶴平.遺傳算法與蟻群算法的改進(jìn)融合[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2014,35(4):246-249.

[9] Rudi L Cilibrasi,Paul M B Vitanyi.A fast quartet tree heuristic for hierarchical clustering[J].Pattern Recognition,2011,44(3):662-677.

[10] 王君紅,劉寶,袁若權(quán),等.基于電力載波通訊的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2009,36(1):49-51.

[11] MODICON Inc.Modbus protocol reference guide[EB/OL].[2014-12].http://www.doc88.com/p-609999171364.html.

[12] Zhang Shengqing,Zhao Li,Zou Cairong.A fast bit-loading algorithm for high speed power line communications[J].Journal of electronics(China),2012,5(29):461-467.

[13] 王森.一種基于Android的遠(yuǎn)程控制工具的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2012.

張正華(副教授)，研究方向?yàn)橐曨l圖像處理及編解碼、實(shí)時(shí)信號(hào)處理等；顧駿(碩士研究生)，研究方向?yàn)閷?shí)時(shí)信號(hào)處理。

Remote Control of Multi-node Based on Android and Power Line Communication

Zhang Zhenghua,Gu Jun,Liu Ping,Xu Yang,Wang Jie,Shen Feifan,Ma Chao

(School of Information Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225127,China)

The characteristics of GPRS are wide coverage,real-time online,volume pricing,high speed transmission and so on.In addition,the power line communication is required no additional wires that can protect the original structure of buildings from being damaged.Based on these technical characteristics,a remote control system is designed.The system expands the communication area,solves the problem of the secondary wiring effectively and saves the money.The terminal nodes can plug and play,and can be controlled at the same time.Above all,this remote control system has great market prospect and value.

remote control;power line communication;GPRS;Android

江蘇省省級(jí)現(xiàn)代服務(wù)業(yè)(軟件產(chǎn)業(yè))發(fā)展專項(xiàng)引導(dǎo)資金項(xiàng)目(蘇財(cái)建[2010]401號(hào));江蘇省揚(yáng)州市產(chǎn)學(xué)研合作專項(xiàng)-與揚(yáng)州大學(xué)合作項(xiàng)目(2012038-8)。

TP391.41

A

士然

2014-12-16)