基于電力線載波通信的智能調光系統設計

劉念杰，秦會斌

（杭州電子科技大學電子信息學院，浙江杭州310018）

隨著科技的飛速發展，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，同時對網絡的依賴也越來越大，智能照明系統應運而生。智能照明系統充分利用電子技術、通信技術和計算機網絡技術，運用有效的管理和控制策略，實現高效、環保、節能、舒適的照明效果。

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

1 系統的總體構架

整個系統的設計包括S3C6410智能網關服務器設計[2]、電力線載波燈控節點設計、Web客戶端的設計、Android觸摸屏界面設計。系統采用簡單的星狀拓撲結構在家庭內部組建獨立的電力線網絡，各燈控節點與網關之間通過電力線通信，網關通過GPRS、WIFI或Internet等方式對用戶提供訪問服務，系統的總體構架如圖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關和燈控節點之間均通過串口連接，只要遵循網關與節點之間規定的通信協議格式，就可以在不改變整個系統結構的前提下加入其他非電力線載波的通信模塊，擴展出更為復雜的拓撲結構，組網方式變的相對更靈活。

圖1 系統的總體構架圖Fig.1 Structure diagram of the smart dimming system

2 系統硬件設計

智能網關主控服務器采用Samsung S3C6410處理器，采用外接DM9000以太網卡與USB WIFI模塊來接入以太網與WIFI網絡，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。電力線載波燈控節點主要由電力線載波模塊、MCU控制單元與LED調光模塊3部分構成。Atmega16單片機作為控制單元，主要負責通過串口控制電力線載波調制解調芯片載波信號的發送與接收，以及產生PWM波來驅動調光芯片實現LED的精確調光。電力線載波調制解調芯片采用的是瑞斯康的最新產品RISE3403，調制方式為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，系統采用的是其串口透傳模式，操作起來更為方便。LED調光驅動芯片采用的是PT4115，它是一款連續電感電流導通模式的降壓恒流源，通過DIM引腳輸入占空比可調的PWM，便能輸出大小可調的橫流LED驅動電流，最大輸出電流可達1A，最大能夠驅動25-30W的LED。載波燈控節點硬件框圖如圖3所示[3-4]。

圖2 網關服務器硬件框圖Fig.2 Structure diagram of the server hardware

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

3 網關服務器軟件設計

網關服務器端軟件部分主要由Boa Web服務器、登陸驗證CGI程序、調光CGI程序、情景設置CGI程序、定時開關CGI程序、定時開關守護程序以及本地Android界面應用程序和Sqlite數據庫等部分構成。由于軟件平臺是基于ARMAndroid2.3，已移植到S3C6410平臺，因此CGI程序不能采用傳統的ARM-Linux交叉編譯，需從Android NDK開發包抽取出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，開發環境是Eclipse，通過Java JNI技術來實現對底層串口驅動的調用[5]。

3.1 Boa服務器移植

Boa服務器是一個小巧高效的Web服務器，源代碼開放、性能高，并且支持CGI，適合用來充當輕量級的嵌入式web服務器。從www.boa.org下載Boa源碼，當前最新版本為0.94.13，將其解壓并進入源碼目錄的src子目錄，利用從Android NDK開發包里面抽取出來的Android交叉編譯工具進行編譯。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進行編譯，即得到可執行程序為boa，將調試信息剝去：arm-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，用戶訪問執行時輸入站點+虛擬路徑+CGI腳本名，可設置為/www/cgi-bin/。

3.2 CGI程序設計

CGI程序主要用來溝通客戶端網頁與Web服務器之間的數據交互。瀏覽器通過Web表單請求CGI程序，服務器收到請求后調用指定的CGI程序進行處理，同時也能夠返回數據給網頁[6]。CGI可以用任何一種語言編寫，只要這種語言具有標準輸入、輸出和環境變量。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據到達之后再讀，因此采用C語言來編寫，這樣能夠方便調用到Linux底層的串口驅動程序，而這是PHP、Python等這些其他腳本語言無法做到的。

網頁端所有的CGI請求都是通過XMLHttpRequest這個JavaScript對象完成[7]，在調用XMLHttpRequest的open方法發出GET請求之后，它可以同步或異步返回Web服務器的響應，并且能在不刷新整個網頁的情況下更新部分控件的數據。調光CGI程序的GET請求參數格式仿照Dali協議進行設計，如需要查詢1號燈的亮度等級，則相應的請求形式為/led.cgi？addr=1&cmd=160。定時開關燈守護程序通過有名管道與定時開關燈CGI程序通信，實時監控CGI寫入的管道數據，并維護了多個Linux定時器（每個房間對應一個定時器）來真正完成發送開關燈指令的任務。通過嵌入式輕量級數據庫Sqlite3來存儲各個燈節點的定時開關與亮度等級信息，方便上層進行設置與查詢。網關服務器軟件流程圖如圖4所示。

圖4 網關服務器軟件流程圖Fig.4 Flow chart of the server software

4 載波燈控節點軟件設計

當電力線載波模塊接收到網關服務器經電力線傳輸過來的Dali控制命令時，觸發Atmega16進入串口接收中斷模式，Atmaga16對接收數據進行校驗與解析，判斷該幀中目的ID字段是否與本節點相符（節點ID由Atmega16外接撥碼開關設置），若相符則進行進一步判斷并執行相應動作：若為燈控制命令，則通過定時器產生相應占空比的PWM輸出，若為查詢命令，則通過串口返回數據給電力線載波模塊進行轉發。當電力線上無任何數據到達時，Atmega16設置載波芯片處于低功耗模式，以等待下次被喚醒。載波燈控節點軟件流程圖如圖5所示。

5 系統測試結果與分析

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

啟動系統后，通過任一遠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）調光界面，功能包括單燈或組燈直接亮度調光（通過滑動塊調節）、UP與DOWN按鈕逐級調光、刷新按鈕可實時更新燈的狀態；2）情景模式設置界面，功能包括閃爍與漸變兩種效果的啟用、關閉和設置；3）定時開關燈界面和修改密碼界面，功能包括定時開關燈的配置和登陸密碼的修改。圖7為網關服務器實測圖，Android觸摸屏控制界面提供了調光與定時開關的功能。圖8為載波燈控節點實測圖。系統的實際測試環境為120 m2、3室2廳的家庭住戶，空調、熱水器等大功率電器正常開啟，節點放置于離網關最遠的兩個房間，總測試次數500次，電力線上丟包僅10次、數據差錯次數2次，結果表明，QPSK這種載波通信方式的穩定性比較好，基本能夠滿足系統的設計要求。目前正在對其中出現的一些問題進行改進。

圖6 界面Fig.6 Interface

6 結束語

文中設計的基于電力線載波技術的調光系統，充分利用了現有的電力線網絡，通過結合成熟的互聯網通信手段，使得家居設備的物聯網化與遠程控制成為可能。系統實現了本地與遠程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。伴隨著物聯網與智能家居理念的逐漸深入人心，基于電力線通信技術的控制系統將會越來越體現其本身的優越性，有著廣闊的應用前景。

圖7 網關服務器與觸摸屏控制界面實測圖Fig.7 Photo of the server and touch screen control

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

[1] 楊順.基于電力線通信技術的新型照明控制系統[J].計算機系統應用，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關[J].電子設計工程，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研究[J].單片機與嵌入式系統應用，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的智能家居系統的研究與實現[J].計算機技術與發展，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服務器研究[J].計算機工程與設計，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技術的遠程監控動態網頁設計[J].南通大學學報：自然科學版，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.