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基于電力線傳輸媒介的通信終端設計分析

2010/11/09

　　摘要：本文開發(fā)一種基于電力線傳輸媒介的數(shù)據(jù)通信終端，該系統(tǒng)完全兼容HomePlug 標準，具有成本低、速度高、保密性好的諸多優(yōu)勢，能夠用于構建電力線網(wǎng)絡，實現(xiàn)諸如視頻點播、VoIP、遠程監(jiān)控等數(shù)字化、智能化系統(tǒng)的高速信息交互。網(wǎng)絡終端可以完成電力線數(shù)據(jù)包和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的轉換，因此便于如同開發(fā)一般以太網(wǎng)應用系統(tǒng)一樣地實現(xiàn)電力線通信的應用系統(tǒng)開發(fā)。

　　電力線寬帶通信技術(PowerLine Communication 簡稱PLC)是近幾年來迅速發(fā)展起來的一種新興的利用電力線網(wǎng)絡作為載體的通信技術。運用嵌入式系統(tǒng)和電力線調(diào)制解調(diào)技術所構建的電力線網(wǎng)絡通訊終端，人們可以很方便地在辦公室、家庭內(nèi)部、工業(yè)現(xiàn)場輕松地組建起局域網(wǎng)絡，成為智能家庭、分布式工業(yè)過程控制的一種很好的系統(tǒng)構造方式，具有廣闊的應用前景和市場。本應用系統(tǒng)利用電力線終端平臺和路由器構建電力線家庭內(nèi)部網(wǎng)絡，實現(xiàn)家電、安全防范及三表的集中管理；對外通過寬帶連接Internet，遠程終端通過軟件就可以對家用電器進行狀態(tài)查詢和控制。具體的構建方式，在每個房間和客廳、廚房中安放一個電力線通訊終端平臺，掛載在電力線上形成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡，集中管理所有的電器，同時利用電力線調(diào)制解調(diào)模塊連接路由器，通過ADSL 上網(wǎng)的方式，把整個家庭內(nèi)部網(wǎng)絡與Internet 交互，使得遠程終端可以通過Internet 網(wǎng)絡訪問家庭內(nèi)部局域網(wǎng)。

一、系統(tǒng)的功能與設計

　　本應用系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能如下：

　　1) 實時監(jiān)控客廳中的溫度，比如：在夏天如果超過33 度，系統(tǒng)會主動控制制冷空調(diào)打開；在冬天低于10 度則會打開制熱空調(diào)。

　　2) 住宅安防系統(tǒng)能夠通過連接電力線通訊終端平臺和與之互連的GPRS上傳安保信息，比如：當發(fā)生有人非法進入住宅，系統(tǒng)會實時通過Internet 網(wǎng)絡向事先設置的報警接收終端，如110 報警臺、物業(yè)服務公司監(jiān)控室、業(yè)主辦公室電話或業(yè)主手機等，發(fā)送預警信息。

　　3) 主人可以通過遠程終端訪問家用電器，并且實行遠程控制，比如開關日光燈、打開電飯煲，這樣下班回家后就可以吃到香噴噴的米飯。

　　為了實現(xiàn)上述功能，利用CPU 模塊上LPC2210 的GPIO（通用I/O）口連接繼電器控制家用電器的開關，比如：電飯煲、空調(diào)和日光燈等；利用芯片外部中斷連接安防系統(tǒng)，當系統(tǒng)報警時觸發(fā)外部中斷通知ARMCPU 使用GPRS 發(fā)送報警信息；同時，在硬件電路上安裝有LED 燈、A/D 轉換電路用以實時測試、顯示當前各種家用電器的運行狀態(tài)。該應用系統(tǒng)涉及到電力線通訊平臺的編程和PC 的編程兩方面。其中CPU 模塊（下位機）作為服務器端，使用TCP 作為通訊協(xié)議，提供服務。在服務器端收到服務請求后，解析請求，根據(jù)不同的請求做出相應的服務。而PC 作為客戶端發(fā)出服務請求，并且在收到服務器的響應后把具體內(nèi)容在屏幕上顯示出來。在本例中，客戶端采用Qt 可視化編程環(huán)境。以下，首先介紹Qt 的相關知識，然后再具體分為服務器和客戶端具體的對該應用設計進行分析。

二、Qt 介紹

　　Qt 是一個全面的C++應用程序開發(fā)框架。它包含一個類庫和用于跨平臺及國際化開發(fā)的工具。Qt 是一個全面的開發(fā)框架，它包括廣泛的特征，性能與工具，可以開發(fā)高性能，跨平臺的客戶端，以及服務器端的應用程序。

　　同時Qt 對不同平臺（Unix， Windows， and Mac）的專門API 進行了封裝，如文件處理、網(wǎng)絡（操作，協(xié)議），進程處理、線程、數(shù)據(jù)庫訪問等。統(tǒng)一的跨平臺API 讓程序員們集中精力致力于可增值的技術革新，而無須擔心維護和管理現(xiàn)有應用程序多版本的基礎結構與界面。Qt 已由成千上成商業(yè)與開放源應用程序開發(fā)員，在多個操作系統(tǒng)與編譯器上進行了測試，奠定了高性能與資源性應用程序的基礎。Qt 無須“虛擬器”，模擬層或大容量的運行時間環(huán)境。它如本地化的應用程序一樣，直接寫入低級的圖形函數(shù)，因而Qt 程序能以源代碼速度執(zhí)行。通過使用 Trolltech 的雙重授權模式，Qt 在商業(yè)支持并行之有效的框架下，呈現(xiàn)出開放源的所有優(yōu)勢：開放源優(yōu)勢包括一個活動的開放源開發(fā)員社團。由于Qt的不間斷開發(fā)，以及完整的代碼透明性，允許Qt 開發(fā)員進行“徹底深入地查看” ，進行自定義并擴展Qt 來滿足其獨特的需求。商業(yè)產(chǎn)品的擔保包括客戶認可的產(chǎn)品支持，專門的Qt 開發(fā)小組，以及一個第三方工具、組件與服務的成長生態(tài)體系。

　　（1）信號

　　當某個信號其客戶或所有者發(fā)生內(nèi)部狀態(tài)改變時，信號被一個對象發(fā)射。只有定義過這個信號的類及其派生類能夠發(fā)射這個信號。當一個信號被發(fā)射時，與其相關聯(lián)的槽將被立刻執(zhí)行，就象一個正常的函數(shù)調(diào)用一樣。信號-槽機制完全獨立于任何GUI 事件循環(huán)。只有當所有的槽返回以后發(fā)射函數(shù)（emit）才返回。如果存在多個槽與某個信號相關聯(lián)，那么，當這個信號被發(fā)射時，這些槽將會一個接一個地執(zhí)行，但是它們執(zhí)行的順序?qū)请S機的、不確定的，我們不能人為地指定哪個先執(zhí)行、哪個后執(zhí)行。信號的聲明是在頭文件中進行的，Qt 的signals 關鍵字指出進入了信號聲明區(qū)，隨后即可聲明自己的信號。

　　（2）槽

　　槽是普通的C++成員函數(shù)，可以被正常調(diào)用，它們唯一的特殊性就是很多信號可以與其相關聯(lián)。當與其關聯(lián)的信號被發(fā)射時，這個槽就會被調(diào)用。槽可以有參數(shù)，但槽的參數(shù)不能有缺省值。既然槽是普通的成員函數(shù)，因此與其它的函數(shù)一樣，它們也有存取權限。槽的存取權限決定了誰能夠與其相關聯(lián)。同普通的C++成員函數(shù)一樣，槽函數(shù)也分為三種類型，即public slots、private slots 和protected slots。

三、服務器端

　　在本應用中，電力線通訊終端平臺連接家用電器作為服務器端，在實時顯示用電器狀態(tài)的同時，需要構建一個TCP 服務器來為遠程終端提供服務，實現(xiàn)遠程控制和報警的功能。在基于QF 操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡協(xié)議棧中，由QL4 接口類來實現(xiàn)對L4 協(xié)議（傳輸層)的解析和處理抽象。本應用中需要派生一個QTcp 類，實現(xiàn)傳輸層的TCP 協(xié)議。

　　處理抽象。本應用中需要派生一個QTcp 類，實現(xiàn)傳輸層的TCP 協(xié)議。一般基于 TCP 的網(wǎng)絡應用程序都要繼承QTcp 類，然后在ESTABLISHED 狀態(tài)中添加　子狀態(tài)完成特定的功能。在服務器端，利用量子框架實現(xiàn)一個QServer 類，是一個活動對象，繼承自QTcp 類。QServer 活動對象同客戶端TCP Socket 連接后，進入ESTABLISHED狀態(tài)中，通過調(diào)用Recvfrom 函數(shù)接收客戶端的請求，然后解析請求的服務類型，根據(jù)不同請求做出不同的服務。其軟件流程圖如圖1 所示：

圖：QServer 活動對象狀態(tài)流程圖
　　服務器端需要提供的具體服務包括：

　�。�1）當接收到客戶端打開家用電器的請求是，使用GPIO口發(fā)出電平信號，通過繼電器打開相關的電器。

　　（2）監(jiān)控客廳中的溫度，在夏天如果超過33 度，則會主動控制制冷空調(diào)打開。在冬天低于10度就會打開制熱空調(diào)。并及時地把空調(diào)開關的信息通過TCP 協(xié)議傳送給遠程的終端。

　　（3）當有人觸發(fā)了安防系統(tǒng)，發(fā)生外部中斷時，使用服務器向客戶端發(fā)送報警信號。并通過GPRS給110 報警臺、物業(yè)服務公司監(jiān)控室、業(yè)主辦公室電話或業(yè)主手機等，發(fā)送預警信息。

四、 PC 客戶端

　　PC 機作為遠程客戶端，主要的工作是向服務器發(fā)出服務請求，并且在收到服務器的響應或者報警信號后把收到的具體內(nèi)容在屏幕上顯示以達到遠程控制和報警的功能。在本例中，我采用的是Qt 的可視化編程環(huán)境。以下介紹客戶端的具體功能以及實現(xiàn)：在客戶端可視化界面上按下日光燈或者電飯煲按鈕，就可以向服務器端發(fā)送一個開關家用電器的請求，在服務器端收到請求后就會去執(zhí)行；同理，按下A/D 按鈕，就可以發(fā)送一個讀取A/D 的請求，在收到服務器端采集的A/D 數(shù)值后，客戶端就會在屏幕上顯示；溫度的測量則是每隔兩秒就會發(fā)送一個請求，讀取當前的溫度，顯示在屏幕上，并且判斷是否要打開空調(diào)，并從服務器端讀取其狀態(tài)信息，更新空調(diào)的開關狀態(tài)欄，顯示在文本框中；當服務器端安防系統(tǒng)檢測到有人入侵時，就會向客戶端發(fā)送報警信號，客戶端需要相應修改當前的安防系統(tǒng)狀態(tài)為報警。

　　首先使用Qt 的工具Qt Designer 設計界面。然后進入具體的客戶端編程階段，構造一個窗體類為TcpClient 類，具體的軟件編寫如下：

　　TcpClient：：TcpClient(QWidget *parent)
　�。� QWidget(parent)
　　{
　　ui.setupUi(this)；
　　adsocket= new QTcpSocket(this)； //用以傳輸A/D數(shù)據(jù)的TCP通道
　　tempsocket= new QTcpSocket(this)； //用以傳輸溫度數(shù)據(jù)的TCP通道
　　applincesocket= new QTcpSocket(this)； //用以控制家用電器的TCP通道
　　securitysocket = new QTcpSocket(this); //用以安防系統(tǒng)報警的TCP通道
　　QTimer *temptimer = new QTimer(this)； //2S的定時器
　　connect(temptimer,SIGNAL(timeout()),this,SLOT(temp_update()))；
　　temptimer->start(2000)；
　　connect( adsocket,SIGNAL( connected() ),this, SLOT( ad_request() ) )；
　　connect( adsocket,SIGNAL( readyRead() ), this, SLOT( ad_readresult() ) )；
　　connect( tempsocket,SIGNAL( connected() ),this,SLOT( lm_request() ) )；
　　connect( tempsocket,SIGNAL( readyRead() ),this,SLOT( lm_readresult() ) )；
　　connect(appliancesocket,SIGNAL( connected() ), this,SLOT( appliance_request() ) )；
　　connect(securitysocket,SIGNAL( readyRead() ),this,SLOT( security_readresult() ) )；
　　}

　　動態(tài)分配四個QTcpSocket(Qt 內(nèi)部對于TCP 協(xié)議的封裝類)對象，分別用該類的對象指針adsocket、tempsocket、appliancesocket、securitysocket 來指向這四個對象。然后定義一個QTimer對象，用來實現(xiàn)2 秒的定時。接著對一些信號和槽進行連接，從而完成各個組件之間的通訊，其中： QTimer 對象的timeout 信號和temp_update()槽連接、adsocket 對象的connected 信號和ad_request()連接，adsocket 對象的readyRead 信號和ad_readresult()槽。同理連接其他的幾個QTckSocket 對象的信號和槽。

　　以下，具體描述如何實現(xiàn)溫度檢測和空調(diào)自動控制的功能（其他功能的實現(xiàn)類似，就不贅述）：（1）定時器每隔2S 觸發(fā)一次，客戶端使用tempsocket 連接服務器端后發(fā)送測溫請求。（2）接收到服務器的溫度數(shù)據(jù)后在界面上顯示，并且根據(jù)要求決定是否需要啟動空調(diào)。（3）利用appliancesocket 發(fā)送開啟或者關閉空調(diào)的命令。并根據(jù)服務器端的執(zhí)行結果修改空調(diào)開關狀態(tài)欄顯示。

五、結論

　　在實際的測試中，服務器端運行在實驗室，連接有日光燈、電飯煲和空調(diào)�？蛻舳诉\行在寢室中。本應用在實現(xiàn)所有功能的基礎上，電力線終端作為服務器連續(xù)開機一周，并進行高流量的負荷測試，能夠穩(wěn)定運行，所有功能均表現(xiàn)正常，沒有發(fā)生故障。從而驗證了本終端的穩(wěn)定性和該智能家居應用的可行性。

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