基于Android和电力载波通信的多节点远程控制

摘要：GPRS无线通信具有覆盖面广、实时在线、按量计费、高速传输等特点，而电力载波通信无需额外布线，可以保护建筑的原本结构不受损坏，本文将两者相结合，充分发挥各自优势，设计出一套GPRS通信与电力载波通信相结合的远程控制系统。该系统扩大了通信范围，有效解决了建筑二次布线的问题，大大节约了成本，终端节点即插即用，可同时控制多个节点，具有很好的市场前景。

引言

低压电力载波通信在我国的应用时间尚短，但是这项技术一传入我国，就以极快的速度发展，并取得了惊人的成效。当前通信方式主要分为两大类：无线通信方式和有线通信方式。

在无线通信方面，GPRS相对于其他无线通信方式，以其覆盖面广、实时在线、按量计费、通信资费低、传输速率高等优势，被广泛应用于智能信息化时代。人们可以直接通过手机无线上网，对远程设备随时随地进行控制。

在有线通信方面，电力线载波通信作为解决“最后一公里”通信问题的有效方法得到越来越多科技工作者的关注和研究，是一种发展潜力巨大的通信方式。近年来，世界范围内多个国家都相继展开了对智能电网的相关研究，特别是美国将智能电网的改造列入美国经济复苏计划后，关于“智能电网”(Smart Grid)的话题已在电力工业和学术领域变得炙手可热。相比于其他的有线通信方式，电力载波通信无需额外布线，保护了建筑的原本结构，大大降低了成本。然而，由于电网处于盲态，低压电力载波通信的不确定性使其无法用一般的通信组网方式来组建网络。另外，电力线上的强干扰和强衰减造成的可靠性低的问题也不容忽视。对此，本文采用蚁群算法和Modbus协议来提高低压电力载波通信的可靠性。

本文将GPRS通信和电力载波通信相结合，充分发挥各自优势，在扩大控制距离、实时控制、减少通信资费和重新布线成本的同时，减少室内无线设备的辐射对人们健康造成的不良影响。

1 系统整体设计

该系统由Android智能移动终端、集中器与多个智能终端节点组成。智能移动终端设计应用软件作为控制端，与集中器通过GPRS进行无线通信。集中器内含ARM处理器，作为中心处理器，将相应的命令通过电力线发送给各个子模块，从而完成整个系统的远程控制。系统体系结构图如图1所示。

2 系统硬件设计

集中器内采用友善之臂公司出产的Tiny6410开发板，主控芯片采用ARM11处理器S3C6410，它是一款低功率、高性价比、高性能的通用处理器，具有丰富的硬件功能外设，方便更多的外部功能扩展。

GPRS模块采用华为的GTM900-C GPRS模块，该模块是一款两频段GSM/GPRS无线模块，内嵌TCP/IP协议模块，使用简单，易于集成，支持标准的AT命令及增强AT命令，提供丰富的语音和数据业务等功能，带有SIM卡座、耳机插座和话筒插座，可以实现通话、发短信和GPRS无线上网等功能，性能较优。

电力载波模块采用四川科强电子的KQ-130F电力载波模块，它是一款单列11针的高性能过零载波数据收发模块，采用FSK调制解调技术，专门为在220 V交流上、强干扰、强衰减的环境下，需要可靠传送数据的应用而特别设计和开发的性价比较高的载波模块。

智能终端节点以ATmega16单片机为控制核心，ATmega系列是AVR单片机中的高端产品，其显著的特点为高性能、高速度、低功耗，片内资源很丰富。ATmega系列中ATmega8和ATmega16性价比较高。

3 系统软件设计

3.1 多节点电力载波通信实现

由于电网处于动态的盲网络状态，具有噪声干扰强、信号衰减大、多径效应且网络路径随机性等特点，致使低压电力载波通信很不可靠。为了减少类似的干扰、获取最优路径，本文采用了Modbus协议和遗传-蚁群混合算法。

Modbus协议采用主从应答式通信，详细规定了主、从设备的通信行为，定义了设备能够识别和使用的报文结构。该协议规定网络中只能有一个通信主设备和多个子设备组成，各子设备通过唯一的地址ID号来识别信息并响应。

遗传算法(Genetic Algorithm，GA)是一类借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的随机化搜索算法，具有全局快速搜索能力，但对于计算过程中系统反馈的信息不能加以利用，导致大量不必要的冗余迭代，在后期效率较低。蚁群算法(Ant Colony Algorithm，ACA)是人们受自然界中真实的蚁群集体行为启发而提出的一种基于蚁群的模拟进化算法，通过信息素的累积和代数传递时的不断更新而收敛于最优路径，但是由于初期信息素匮乏，导致求解速度较慢。遗传-蚁群混合算法如图2所示，首先利用遗传算法的随机性、快速性、全局收敛性，产生有关问题的求解结果，然后在Tg时刻，将遗传算法结果转换为蚁群算法出事信息素分布，充分利用蚁群算法的并行性、正反馈机制和鲁棒性得到最优路释。

3.2 手机远程控制实现

3.2.1 手机应用软件的实现

智能插座控制应用程序的开发是在Eclipse+SDK+ADT开发环境下，基于Android 4.0开发的。软件主要包括3个功能模块：节点控制功能、SIM卡号设置与绑定功能和SIM卡解绑功能。节点控制功能可以实现打开节点开关、关闭节点开关 2个主要功能，SIM卡号设置与绑定模块可以实现设置和绑定SIM号码(集中器内SIM卡)，SIM卡号解绑模块可以解除当前绑定的号码，以便可以重新设置新的号码。软件功能模块图如图3所示，软件界面图如图4所示。

  

3.2.2 GPRS无线通信实现

实现GPRS无线通信，首先要解决的问题就是实现集中器端GPRS无线上网功能。本文GPRS无线上网功能是通过TCP/IP协议中的数据链路层的PPP协议建立网络连接来实现的。本系统直接使用Linux提供的PPP拨号功能，无需深入研究PPP协议，从而大大提高了效率。实现PPP拨号前需要做的简要工作如下：①配置Linux内核，使其支持PPP拨号功能;②编译PPP拨号脚本;③修改拨号脚本;④复制相关文件到开发板。若用户想要实现开机时自动拨号功能，只需在开机启动脚本中加如下语句：

PPP协议数据帧格式如下所示：

PPP协议数据，每一帧都是以0x7e开始和结束的;地址字节为固定值0xff;控制字节为固定值0x03;协议字段类似于以太网协议中类型字段功能，不同的值对应着不同的信息字段，如值为0x 0021时表示一个IP数据包，值为0x c021时表示链路控制数据，而值为0x8021时信息字段则表示一组网络控制数据;信息内容最多为1500字节;CRC字段(或FCS，帧检验序列)是一个循环冗余检验码，用于检测数据帧错误。

第二个待解决问题就是服务器问题。实现GPRS通信的传统方法是设立中间服务器，此方法需要另启用一台服务器且长期处于待机状态，不符合智能城市节能的要求。本文将服务器设在集中器内，服务器一直处于监听状态，当手机发出连接请求时，经过三步握手协议即可建立Socket通信。三步握手协议如图5所示。

最后一个待解决的就是IP地址固定问题。由于一个Socket由一个IP地址和一个端口号唯一确定，因此手机端在连接服务器时需要知道服务器的IP地址。本文采用动态域名解析软件，将分配到的动态IP地址解析到一个域名中，再将域名转换为固定的IP地址。解决了以上问题，就可以实现手机与集中器GPRS的无线通信了，其流程如图6所示。

结语

在信息化时代，追求智能化的同时，还要在节约能源和不影响健康等方面给予足够的重视。本文将GPRS无线通信与电力载波通信相结合，充分利用各自优势，在户内采用电力线传送信号，辐射少，无需布线，不破坏住宅结构;户外，采用GPRS远程控制、实时在线、按量计费、通信资费低、无需另设服务器和路由器、节约能源，符合智慧城市节能的要求，同时也满足了信息传输的可靠性、实时性等要求，具有很好的发展前景。