基于電力線傳輸媒介的通信終端設(shè)計(jì)

摘要：本文開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)，具有成本低、速度高、保密性好的諸多優(yōu)勢(shì)，能夠用于構(gòu)建電力線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)諸如視頻點(diǎn)播、VoIP、遠(yuǎn)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(luò)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(zhuǎn)換，因此便于如同開(kāi)發(fā)一般以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)一樣地實(shí)現(xiàn)電力線通信的應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

　　電力線寬帶通信技術(shù)(PowerLine Communication 簡(jiǎn)稱PLC)是近幾年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種新興的利用電力線網(wǎng)絡(luò)作為載體的通信技術(shù)。運(yùn)用嵌入式系統(tǒng)和電力線調(diào)制解調(diào)技術(shù)所構(gòu)建的電力線網(wǎng)絡(luò)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(chǎng)輕松地組建起局域網(wǎng)絡(luò)，成為智能家庭、分布式工業(yè)過(guò)程控制的一種很好的系統(tǒng)構(gòu)造方式，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。本應(yīng)用系統(tǒng)利用電力線終端平臺(tái)和路由器構(gòu)建電力線家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)家電、安全防范及三表的集中管理；對(duì)外通過(guò)寬帶連接Internet，遠(yuǎn)程終端通過(guò)軟件就可以對(duì)家用電器進(jìn)行狀態(tài)查詢和控制。具體的構(gòu)建方式，在每個(gè)房間和客廳、廚房中安放一個(gè)電力線通訊終端平臺(tái)，掛載在電力線上形成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，集中管理所有的電器，同時(shí)利用電力線調(diào)制解調(diào)模塊連接路由器，通過(guò)ADSL 上網(wǎng)的方式，把整個(gè)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與Internet 交互，使得遠(yuǎn)程終端可以通過(guò)Internet 網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)家庭內(nèi)部局域網(wǎng)。

　　一、系統(tǒng)的功能與設(shè)計(jì)

　　本應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：1) 實(shí)時(shí)監(jiān)控客廳中的溫度，比如：在夏天如果超過(guò)33 度，系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)控制制冷空調(diào)打開(kāi)；在冬天低于10 度則會(huì)打開(kāi)制熱空調(diào)。2) 住宅安防系統(tǒng)能夠通過(guò)連接電力線通訊終端平臺(tái)和與之互連的GPRS 上傳安保信息，比如：當(dāng)發(fā)生有人非法進(jìn)入住宅，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)通過(guò)Internet 網(wǎng)絡(luò)向事先設(shè)置的報(bào)警接收終端，如110 報(bào)警臺(tái)、物業(yè)服務(wù)公司監(jiān)控室、業(yè)主辦公室電話或業(yè)主手機(jī)等，發(fā)送預(yù)警信息。3) 主人可以通過(guò)遠(yuǎn)程終端訪問(wèn)家用電器，并且實(shí)行遠(yuǎn)程控制，比如開(kāi)關(guān)日光燈、打開(kāi)電飯煲，這樣下班回家后就可以吃到香噴噴的米飯。

　　為了實(shí)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(kāi)關(guān)，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(dāng)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)觸發(fā)外部中斷通知ARM CPU 使用GPRS 發(fā)送報(bào)警信息；同時(shí)，在硬件電路上安裝有LED 燈、A/D 轉(zhuǎn)換電路用以實(shí)時(shí)測(cè)試、顯示當(dāng)前各種家用電器的運(yùn)行狀態(tài)。該應(yīng)用系統(tǒng)涉及到電力線通訊平臺(tái)的編程和PC 的編程兩方面。其中CPU 模塊（下位機(jī)）作為服務(wù)器端，使用TCP 作為通訊協(xié)議，提供服務(wù)。在服務(wù)器端收到服務(wù)請(qǐng)求后，解析請(qǐng)求，根據(jù)不同的請(qǐng)求做出相應(yīng)的服務(wù)。而PC 作為客戶端發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，并且在收到服務(wù)器的響應(yīng)后把具體內(nèi)容在屏幕上顯示出來(lái)。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(guān)知識(shí)，然后再具體分為服務(wù)器和客戶端具體的對(duì)該應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

　　二、Qt 介紹

　　Qt 是一個(gè)全面的C++應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架。它包含一個(gè)類庫(kù)和用于跨平臺(tái)及國(guó)際化開(kāi)發(fā)的工具。Qt 是一個(gè)全面的開(kāi)發(fā)框架，它包括廣泛的特征，性能與工具，可以開(kāi)發(fā)高性能，跨平臺(tái)的客戶端，以及服務(wù)器端的應(yīng)用程序。

　　同時(shí)Qt 對(duì)不同平臺(tái)（Unix， Windows， and Mac）的專門API 進(jìn)行了封裝，如文件處理、網(wǎng)絡(luò)（操作，協(xié)議），進(jìn)程處理、線程、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)等。統(tǒng)一的跨平臺(tái)API 讓程序員們集中精力致力于可增值的技術(shù)革新，而無(wú)須擔(dān)心維護(hù)和管理現(xiàn)有應(yīng)用程序多版本的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與界面。Qt 已由成千上成商業(yè)與開(kāi)放源應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)員，在多個(gè)操作系統(tǒng)與編譯器上進(jìn)行了測(cè)試，奠定了高性能與資源性應(yīng)用程序的基礎(chǔ)。Qt 無(wú)須“虛擬器”，模擬層或大容量的運(yùn)行時(shí)間環(huán)境。它如本地化的應(yīng)用程序一樣，直接寫入低級(jí)的圖形函數(shù)，因而Qt 程序能以源代碼速度執(zhí)行。通過(guò)使用 Trolltech 的雙重授權(quán)模式，Qt 在商業(yè)支持并行之有效的框架下，呈現(xiàn)出開(kāi)放源的所有優(yōu)勢(shì)：開(kāi)放源優(yōu)勢(shì)包括一個(gè)活動(dòng)的開(kāi)放源開(kāi)發(fā)員社團(tuán)。由于Qt的不間斷開(kāi)發(fā)，以及完整的代碼透明性，允許Qt 開(kāi)發(fā)員進(jìn)行“徹底深入地查看” ，進(jìn)行自定義并擴(kuò)展Qt 來(lái)滿足其獨(dú)特的需求。 商業(yè)產(chǎn)品的擔(dān)保包括客戶認(rèn)可的產(chǎn)品支持，專門的Qt 開(kāi)發(fā)小組，以及一個(gè)第三方工具、組件與服務(wù)的成長(zhǎng)生態(tài)體系。

　?。?）信號(hào)

　　當(dāng)某個(gè)信號(hào)其客戶或所有者發(fā)生內(nèi)部狀態(tài)改變時(shí)，信號(hào)被一個(gè)對(duì)象發(fā)射。只有定義過(guò)這個(gè)信號(hào)的類及其派生類能夠發(fā)射這個(gè)信號(hào)。當(dāng)一個(gè)信號(hào)被發(fā)射時(shí)，與其相關(guān)聯(lián)的槽將被立刻執(zhí)行，就象一個(gè)正常的函數(shù)調(diào)用一樣。信號(hào)-槽機(jī)制完全獨(dú)立于 任何GUI 事件循環(huán)。只有當(dāng)所有的槽返回以后發(fā)射函數(shù)（emit）才返回。 如果存在多個(gè)槽與某個(gè)信號(hào)相關(guān)聯(lián)，那么，當(dāng)這個(gè)信號(hào)被發(fā)射時(shí)，這些槽將會(huì)一個(gè)接一個(gè)地 執(zhí)行，但是它們執(zhí)行的順序?qū)?huì)是隨機(jī)的、不確定的，我們不能人為地指定哪個(gè)先執(zhí)行、哪個(gè)后執(zhí)行。信號(hào)的聲明是在頭文件中進(jìn)行的，Qt 的signals 關(guān)鍵字指出進(jìn)入了信號(hào)聲明區(qū)，隨后即可 聲明自己的信號(hào)。

　?。?）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(hào)可以與其相關(guān)聯(lián)。當(dāng)與其關(guān)聯(lián)的信號(hào)被發(fā)射時(shí)，這個(gè)槽就會(huì)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(quán)限。槽的存取權(quán)限決定了誰(shuí)能夠與其相關(guān)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(wù)器端

　　在本應(yīng)用中，電力線通訊終端平臺(tái)連接家用電器作為服務(wù)器端，在實(shí)時(shí)顯示用電器狀態(tài)的同時(shí)，需要構(gòu)建一個(gè)TCP 服務(wù)器來(lái)為遠(yuǎn)程終端提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和報(bào)警的功能。在基于QF 操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中，由QL4 接口類來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)L4 協(xié)議（傳輸層)的解析和處理抽象。本應(yīng)用中需要派生一個(gè)QTcp 類，實(shí)現(xiàn)傳輸層的TCP 協(xié)議。