基于A(yíng)ndroid和電力載波通信的多節點(diǎn)遠程控制

摘要：GPRS無(wú)線(xiàn)通信具有覆蓋面廣、實(shí)時(shí)在線(xiàn)、按量計費、高速傳輸等特點(diǎn)，而電力載波通信無(wú)需額外布線(xiàn)，可以保護建筑的原本結構不受損壞，本文將兩者相結合，充分發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢，設計出一套GPRS通信與電力載波通信相結合的遠程控制系統。該系統擴大了通信范圍，有效解決了建筑二次布線(xiàn)的問(wèn)題，大大節約了成本，終端節點(diǎn)即插即用，可同時(shí)控制多個(gè)節點(diǎn)，具有很好的市場(chǎng)前景。

引言

低壓電力載波通信在我國的應用時(shí)間尚短，但是這項技術(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。當前通信方式主要分為兩大類(lèi)：無(wú)線(xiàn)通信方式和有線(xiàn)通信方式。

在無(wú)線(xiàn)通信方面，GPRS相對于其他無(wú)線(xiàn)通信方式，以其覆蓋面廣、實(shí)時(shí)在線(xiàn)、按量計費、通信資費低、傳輸速率高等優(yōu)勢，被廣泛應用于智能信息化時(shí)代。人們可以直接通過(guò)手機無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)，對遠程設備隨時(shí)隨地進(jìn)行控制。

在有線(xiàn)通信方面，電力線(xiàn)載波通信作為解決“最后一公里”通信問(wèn)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)展潛力巨大的通信方式。近年來(lái)，世界范圍內多個(gè)國家都相繼展開(kāi)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)濟復蘇計劃后，關(guān)于“智能電網(wǎng)”(Smart Grid)的話(huà)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(xiàn)通信方式，電力載波通信無(wú)需額外布線(xiàn)，保護了建筑的原本結構，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(xiàn)上的強干擾和強衰減造成的可靠性低的問(wèn)題也不容忽視。對此，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合，充分發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢，在擴大控制距離、實(shí)時(shí)控制、減少通信資費和重新布線(xiàn)成本的同時(shí)，減少室內無(wú)線(xiàn)設備的輻射對人們健康造成的不良影響。

1 系統整體設計

該系統由Android智能移動(dòng)終端、集中器與多個(gè)智能終端節點(diǎn)組成。智能移動(dòng)終端設計應用軟件作為控制端，與集中器通過(guò)GPRS進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。集中器內含ARM處理器，作為中心處理器，將相應的命令通過(guò)電力線(xiàn)發(fā)送給各個(gè)子模塊，從而完成整個(gè)系統的遠程控制。系統體系結構圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

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

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(xiàn)模塊，內嵌TCP/IP協(xié)議模塊，使用簡(jiǎn)單，易于集成，支持標準的AT命令及增強AT命令，提供豐富的語(yǔ)音和數據業(yè)務(wù)等功能，帶有SIM卡座、耳機插座和話(huà)筒插座，可以實(shí)現通話(huà)、發(fā)短信和GPRS無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)等功能，性能較優(yōu)。

電力載波模塊采用四川科強電子的KQ-130F電力載波模塊，它是一款單列11針的高性能過(guò)零載波數據收發(fā)模塊，采用FSK調制解調技術(shù)，專(zhuān)門(mén)為在220 V交流上、強干擾、強衰減的環(huán)境下，需要可靠傳送數據的應用而特別設計和開(kāi)發(fā)的性?xún)r(jià)比較高的載波模塊。

智能終端節點(diǎn)以ATmega16單片機為控制核心，ATmega系列是AVR單片機中的高端產(chǎn)品，其顯著(zhù)的特點(diǎn)為高性能、高速度、低功耗，片內資源很豐富。ATmega系列中ATmega8和ATmega16性?xún)r(jià)比較高。

3 系統軟件設計

3.1 多節點(diǎn)電力載波通信實(shí)現

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、信號衰減大、多徑效應且網(wǎng)絡(luò )路徑隨機性等特點(diǎn)，致使低壓電力載波通信很不可靠。為了減少類(lèi)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)議采用主從應答式通信，詳細規定了主、從設備的通信行為，定義了設備能夠識別和使用的報文結構。該協(xié)議規定網(wǎng)絡(luò )中只能有一個(gè)通信主設備和多個(gè)子設備組成，各子設備通過(guò)唯一的地址ID號來(lái)識別信息并響應。

遺傳算法(Genetic Algorithm，GA)是一類(lèi)借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機制的隨機化搜索算法，具有全局快速搜索能力，但對于計算過(guò)程中系統反饋的信息不能加以利用，導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(guò)信息素的累積和代數傳遞時(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性、快速性、全局收斂性，產(chǎn)生有關(guān)問(wèn)題的求解結果，然后在Tg時(shí)刻，將遺傳算法結果轉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、正反饋機制和魯棒性得到最優(yōu)路釋。

3.2 手機遠程控制實(shí)現

3.2.1 手機應用軟件的實(shí)現

智能插座控制應用程序的開(kāi)發(fā)是在Eclipse+SDK+ADT開(kāi)發(fā)環(huán)境下，基于Android 4.0開(kāi)發(fā)的。軟件主要包括3個(gè)功能模塊：節點(diǎn)控制功能、SIM卡號設置與綁定功能和SIM卡解綁功能。節點(diǎn)控制功能可以實(shí)現打開(kāi)節點(diǎn)開(kāi)關(guān)、關(guān)閉節點(diǎn)開(kāi)關(guān) 2個(gè)主要功能，SIM卡號設置與綁定模塊可以實(shí)現設置和綁定SIM號碼(集中器內SIM卡)，SIM卡號解綁模塊可以解除當前綁定的號碼，以便可以重新設置新的號碼。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(wú)線(xiàn)通信實(shí)現

實(shí)現GPRS無(wú)線(xiàn)通信，首先要解決的問(wèn)題就是實(shí)現集中器端GPRS無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)功能。本文GPRS無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)功能是通過(guò)TCP/IP協(xié)議中的數據鏈路層的PPP協(xié)議建立網(wǎng)絡(luò )連接來(lái)實(shí)現的。本系統直接使用Linux提供的PPP撥號功能，無(wú)需深入研究PPP協(xié)議，從而大大提高了效率。實(shí)現PPP撥號前需要做的簡(jiǎn)要工作如下：①配置Linux內核，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復制相關(guān)文件到開(kāi)發(fā)板。若用戶(hù)想要實(shí)現開(kāi)機時(shí)自動(dòng)撥號功能，只需在開(kāi)機啟動(dòng)腳本中加如下語(yǔ)句：

PPP協(xié)議數據幀格式如下所示：

PPP協(xié)議數據，每一幀都是以0x7e開(kāi)始和結束的;地址字節為固定值0xff;控制字節為固定值0x03;協(xié)議字段類(lèi)似于以太網(wǎng)協(xié)議中類(lèi)型字段功能，不同的值對應著(zhù)不同的信息字段，如值為0x 0021時(shí)表示一個(gè)IP數據包，值為0x c021時(shí)表示鏈路控制數據，而值為0x8021時(shí)信息字段則表示一組網(wǎng)絡(luò )控制數據;信息內容最多為1500字節;CRC字段(或FCS，幀檢驗序列)是一個(gè)循環(huán)冗余檢驗碼，用于檢測數據幀錯誤。

第二個(gè)待解決問(wèn)題就是服務(wù)器問(wèn)題。實(shí)現GPRS通信的傳統方法是設立中間服務(wù)器，此方法需要另啟用一臺服務(wù)器且長(cháng)期處于待機狀態(tài)，不符合智能城市節能的要求。本文將服務(wù)器設在集中器內，服務(wù)器一直處于監聽(tīng)狀態(tài)，當手機發(fā)出連接請求時(shí)，經(jīng)過(guò)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(wèn)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，再將域名轉換為固定的IP地址。解決了以上問(wèn)題，就可以實(shí)現手機與集中器GPRS的無(wú)線(xiàn)通信了，其流程如圖6所示。

結語(yǔ)

在信息化時(shí)代，追求智能化的同時(shí)，還要在節約能源和不影響健康等方面給予足夠的重視。本文將GPRS無(wú)線(xiàn)通信與電力載波通信相結合，充分利用各自?xún)?yōu)勢，在戶(hù)內采用電力線(xiàn)傳送信號，輻射少，無(wú)需布線(xiàn)，不破壞住宅結構;戶(hù)外，采用GPRS遠程控制、實(shí)時(shí)在線(xiàn)、按量計費、通信資費低、無(wú)需另設服務(wù)器和路由器、節約能源，符合智慧城市節能的要求，同時(shí)也滿(mǎn)足了信息傳輸的可靠性、實(shí)時(shí)性等要求，具有很好的發(fā)展前景。