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

摘要：GPRS無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，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)，具有很好的市場前景。

引言

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

在無線通信方面，GPRS相對于其他無線通信方式，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，被廣泛應(yīng)用于智能信息化時(shí)代。人們可以直接通過手機(jī)無線上網(wǎng)，對遠(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”通信問題的有效方法得到越來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欧绞健＝陙?，世界范圍?nèi)多個(gè)國家都相繼展開了對智能電網(wǎng)的相關(guān)研究，特別是美國將智能電網(wǎng)的改造列入美國經(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。相比于其他的有線通信方式，電力載波通信無需額外布線，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法用一般的通信組網(wǎng)方式來組建網(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。對此，本文采用蟻群算法和Modbus協(xié)議來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，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)無線設(shè)備的輻射對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智能移動終端、集中器與多個(gè)智能終端節(jié)點(diǎn)組成。智能移動終端設(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。

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無線模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議模塊，使用簡單，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。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)處于動態(tài)的盲網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，具有噪聲干擾強(qiáng)、信號衰減大、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)備能夠識別和使用的報(bào)文結(jié)構(gòu)。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號來識別信息并響應(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，具有全局快速搜索能力，但對于計(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，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)路釋。

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卡號設(shè)置與綁定模塊可以實(shí)現(xiàn)設(shè)置和綁定SIM號碼(集中器內(nèi)SIM卡)，SIM卡號解綁模塊可以解除當(dāng)前綁定的號碼，以便可以重新設(shè)置新的號碼。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無線通信實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)GPRS無線通信，首先要解決的問題就是實(shí)現(xiàn)集中器端GPRS無線上網(wǎng)功能。本文GPRS無線上網(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)連接來實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)直接使用Linux提供的PPP撥號功能，無需深入研究PPP協(xié)議，從而大大提高了效率。實(shí)現(xiàn)PPP撥號前需要做的簡要工作如下：①配置Linux內(nèi)核，使其支持PPP撥號功能;②編譯PPP撥號腳本;③修改撥號腳本;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)自動撥號功能，只需在開機(jī)啟動腳本中加如下語句：

PPP協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式如下所示：

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服務(wù)器且長期處于待機(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。本文采用動態(tài)域名解析軟件，將分配到的動態(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的無線通信了，其流程如圖6所示。

結(jié)語

在信息化時(shí)代，追求智能化的同時(shí)，還要在節(jié)約能源和不影響健康等方面給予足夠的重視。本文將GPRS無線通信與電力載波通信相結(jié)合，充分利用各自優(yōu)勢，在戶內(nèi)采用電力線傳送信號，輻射少，無需布線，不破壞住宅結(jié)構(gòu);戶外，采用GPRS遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)在線、按量計(jì)費(fèi)、通信資費(fèi)低、無需另設(shè)服務(wù)器和路由器、節(jié)約能源，符合智慧城市節(jié)能的要求，同時(shí)也滿足了信息傳輸?shù)目煽啃?、?shí)時(shí)性等要求，具有很好的發(fā)展前景。