基于Android和電力載波通信的多節點遠程控制*

張正華，顧駿，劉平，徐楊，王杰，沈非凡，馬超

(揚州大學 信息工程學院，揚州225127)

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基于Android和電力載波通信的多節點遠程控制*

張正華，顧駿，劉平，徐楊，王杰，沈非凡，馬超

(揚州大學 信息工程學院，揚州225127)

GPRS無線通信具有覆蓋面廣、實時在線、按量計費、高速傳輸等特點，而電力載波通信無需額外布線，可以保護建筑的原本結構不受損壞，本文將兩者相結合，充分發揮各自優勢，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的問題，大大節約了成本，終端節點即插即用，可同時控制多個節點，具有很好的市場前景。

遠程控制；電力載波通信；GPRS；Android

引 言

低壓電力載波通信在我國的應用時間尚短，但是這項技術一傳入我國，就以極快的速度發展，并取得了驚人的成效[1]。當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、實時在線、按量計費、通信資費低、傳輸速率高等優勢，被廣泛應用于智能信息化時代[2]。人們可以直接通過手機無線上網，對遠程設備隨時隨地進行控制。

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越多科技工作者的關注和研究，是一種發展潛力巨大的通信方式。近年來，世界范圍內多個國家都相繼展開了對智能電網的相關研究，特別是美國將智能電網的改造列入美國經濟復蘇計劃后，關于“智能電網”(Smart Grid)的話題已在電力工業和學術領域變得炙手可熱[4]。相比于其他的有線通信方式，電力載波通信無需額外布線，保護了建筑的原本結構，大大降低了成本。然而，由于電網處于盲態，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方式來組建網絡。另外，電力線上的強干擾和強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合，充分發揮各自優勢，在擴大控制距離、實時控制、減少通信資費和重新布線成本的同時，減少室內無線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智能移動終端、集中器與多個智能終端節點組成。智能移動終端設計應用軟件作為控制端，與集中器通過GPRS進行無線通信。集中器內含ARM處理器，作為中心處理器，將相應的命令通過電力線發送給各個子模塊，從而完成整個系統的遠程控制。系統體系結構圖如圖1所示。

圖1 系統體系結構圖

2 系統硬件設計

集中器內采用友善之臂公司出產的Tiny6410開發板，主控芯片采用ARM11處理器S3C6410，它是一款低功率、高性價比、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無線模塊，內嵌TCP/IP協議模塊，使用簡單，易于集成，支持標準的AT命令及增強AT命令，提供豐富的語音和數據業務等功能，帶有SIM卡座、耳機插座和話筒插座,可以實現通話、發短信和GPRS無線上網等功能，性能較優。

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針的高性能過零載波數據收發模塊，采用FSK調制解調技術，專門為在220 V交流上、強干擾、強衰減的環境下，需要可靠傳送數據的應用而特別設計和開發的性價比較高的載波模塊。

智能終端節點以ATmega16單片機為控制核心，ATmega系列是AVR 單片機中的高端產品，其顯著的特點為高性能、高速度、低功耗，片內資源很豐富[5]。ATmega系列中ATmega8和ATmega16性價比較高。

3 系統軟件設計

3.1 多節點電力載波通信實現

由于電網處于動態的盲網絡狀態，具有噪聲干擾強、信號衰減大、多徑效應且網絡路徑隨機性等特點，致使低壓電力載波通信很不可靠。為了減少類似的干擾、獲取最優路徑，本文采用了Modbus協議和遺傳-蟻群混合算法。

Modbus協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[6]。該協議規定網絡中只能有一個通信主設備和多個子設備組成，各子設備通過唯一的地址ID號來識別信息并響應。

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制的隨機化搜索算法[7],具有全局快速搜索能力，但對于計算過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的蟻群集體行為啟發而提出的一種基于蟻群的模擬進化算法[7]，通過信息素的累積和代數傳遞時的不斷更新而收斂于最優路徑，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[8]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，產生有關問題的求解結果，然后在Tg時刻，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路徑。

圖2 速度—時間曲線圖

3.2 手機遠程控制實現

3.2.1 手機應用軟件的實現

智能插座控制應用程序的開發是在Eclipse+SDK+ADT開發環境下，基于Android 4.0開發的。軟件主要包括3個功能模塊:節點控制功能、SIM卡號設置與綁定功能和SIM卡解綁功能。節點控制功能可以實現打開節點開關、關閉節點開關2個主要功能，SIM卡號設置與綁定模塊可以實現設置和綁定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無線通信實現

實現GPRS無線通信，首先要解決的問題就是實現集中器端GPRS無線上網功能。本文GPRS無線上網功能是通過TCP/IP協議中的數據鏈路層的PPP協議建立網絡連接來實現的。本系統直接使用Linux提供的PPP撥號功能，無需深入研究PPP協議，從而大大提高了效率。實現PPP撥號前需要做的簡要工作如下: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復制相關文件到開發板。若用戶想要實現開機時自動撥號功能，只需在開機啟動腳本中加如下語句：

圖3 軟件功能模塊圖

圖4 智能節點控制界面圖

/etc/ppp/rmlock

//判斷并刪除無效串口的lock文件，保證成功撥號

/usr/bin/pppd call gprs //自動撥號

/usr/bin/sleep 30 //30s的撥號時間

/bin/qtopia& //QT界面啟動

/sbin/ifconfig ethO down //開機禁用eth0網口

PPP協議數據幀格式如下所示：

標志地址控制協議信息CRC標志0x7e0xff0x0316位信息內容16位0x7e空閑或下一個地址

PPP協議數據，每一幀都是以 0x7e 開始和結束的；地址字節為固定值0xff；控制字節為固定值0x03；協議字段類似于以太網協議中類型字段功能，不同的值對應著不同的信息字段，如值為 0x 0021 時表示一個 IP 數據包，值為 0x c021 時表示鏈路控制數據，而值為 0x8021 時信息字段則表示一組網絡控制數據；信息內容最多為 1500 字節； CRC 字段(或FCS，幀檢驗序列)是一個循環冗余檢驗碼，用于檢測數據幀錯誤。

第二個待解決問題就是服務器問題。實現GPRS通信的傳統方法是設立中間服務器，此方法需要另啟用一臺服務器且長期處于待機狀態，不符合智能城市節能的要求。本文將服務器設在集中器內，服務器一直處于監聽狀態，當手機發出連接請求時，經過三步握手協議即可建立Socket通信。三步握手協議如圖5所示。

最后一個待解決的就是IP地址固定問題。由于一個Socket由一個IP地址和一個端口號唯一確定，因此手機端在連接服務器時需要知道服務器的IP地址。本文采用動態域名解析軟件，將分配到的動態IP地址解析到一個域名中，再將域名轉換為固定的IP地址。 解決了以上問題，就可以實現手機與集中器GPRS的無線通信了，其流程如圖6所示。

圖5 三步握手協議

圖6 GPRS無線通信流程圖

結 語

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

[2] 張恩迪.基于GPRS的物聯網農業蟲害防治檢測系統設計[J].農機化研究,2015,3(3):91-94.

[3] 孔祥斌.低壓電力線載波通信可靠性研究[D].長沙:長沙理工大學,2011.

[4] 鄧凱.低壓電力線載波通信網絡的啟發式路由算法研究[D].昆明:云南大學,2013.

[5] 陳謹女,田浩.基于ATmega16的智能小車控制系統設計[J].物聯網技術,2013(4):73-75.

[6] 高旭彬,基于MSP430單片機Modbus協議軟件設計方法[J].工礦自動化,2013,39(4):87-90.

[7] 蔣騰旭.改進的遺傳蟻群混合算法在TSP中的應用[J].計算機與現代化,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融合[J].中國農機化學報,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,等.基于電力載波通訊的遠程控制系統設計及應用[J].化工自動化及儀表,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的遠程控制工具的設計與實現[D].西安:西安電子科技大學,2012.

張正華(副教授)，研究方向為視頻圖像處理及編解碼、實時信號處理等；顧駿(碩士研究生)，研究方向為實時信號處理。

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

江蘇省省級現代服務業(軟件產業)發展專項引導資金項目(蘇財建[2010]401號);江蘇省揚州市產學研合作專項-與揚州大學合作項目(2012038-8)。

TP391.41

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士然

2014-12-16)