基于電力線通信的多媒體傳感器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

徐 鑫，賀 慶，徐瑞林，鄧雪波

（1．重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶 401123;2．重慶大學(xué)通信工程學(xué)院，重慶 400044）

0 引言

電力線通信（power line communication，PLC）是指利用電力線本身及其形成的輸電網(wǎng)或配電網(wǎng)作為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)（高速）數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信技術(shù)。隨著越來越先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)（如正交頻分復(fù)用）、糾錯(cuò)編碼技術(shù)（如LDPC）、信道均衡技術(shù)以及靈活高效的上層協(xié)議在電力線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，PLC系統(tǒng)物理層的數(shù)據(jù)傳輸速率已能達(dá)到200 Mbit/s，傳輸帶寬也拓展到了2～30 MHz，抗干擾能力和系統(tǒng)性能也顯著改善，能滿足各種數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)男枰?，2］。電力線載波多媒體傳感器監(jiān)控系統(tǒng)利用現(xiàn)有低壓電力線網(wǎng)絡(luò)作為傳輸媒介，不用額外布線，降低了成本，且安裝方便快捷，可應(yīng)用于電力系統(tǒng)、輪船、井下等被屏蔽或其他布線困難而只能提供動(dòng)力電源線的地方，研究基于電力載波多媒體傳感器監(jiān)控系統(tǒng)具有實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)可大致分為兩大部分:監(jiān)控前端和監(jiān)控端，如圖1所示。為減小開發(fā)難度、降低風(fēng)險(xiǎn)和成本，采用分模塊的開發(fā)方式，大體分為PLC模塊和ARM模塊。

圖1 多媒體傳感器監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure of multimedia sensor surveillance system

PLC模塊是電力線網(wǎng)絡(luò)中的接口模塊，實(shí)現(xiàn)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層上的功能，它把上層的數(shù)據(jù)封裝成適合電力線上傳輸?shù)膸?，在電力線上進(jìn)行傳輸［3］。

前端ARM控制器模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能是:傳感器數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)的采集、視頻數(shù)據(jù)壓縮以及網(wǎng)絡(luò)傳輸。選擇ARM模塊上的GPIO接口接收來自外部A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送的傳感器采集的數(shù)據(jù);攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸給前端ARM處理模塊，采用MJPEG標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行視頻壓縮后與傳感器采集的數(shù)據(jù)一起通過RJ45接口輸出。

監(jiān)控端ARM控制器模塊主要功能是:網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收、液晶屏顯示、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及控制。與前端建立好網(wǎng)絡(luò)連接后，接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到SDRAM中，在LCD上顯示數(shù)據(jù)信息，并可以根據(jù)需要把數(shù)據(jù)通過USB接口存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器上。ARM模塊還可以根據(jù)需要進(jìn)行功能擴(kuò)展，如傳輸語音信息、進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的動(dòng)態(tài)檢測(cè)存儲(chǔ)、采用流量控制的QoS技術(shù)等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 PLC 模塊

PLC模塊是根據(jù)需求用Intellon公司的INT5500模塊設(shè)計(jì)的相應(yīng)的外圍電路，通過一個(gè)高頻PLC信號(hào)耦合電路將PLC信號(hào)耦合到INT5500，耦合電路同時(shí)也起到隔離高壓和低壓的作用。通過保險(xiǎn)絲、熱敏電阻器等保護(hù)電路避免短路、浪涌電流等對(duì)器件的損壞。設(shè)計(jì)過零檢測(cè)電路的保障電力線信號(hào)的同步［3］。

2．2 ARM模塊硬件設(shè)計(jì)

圖2是多媒體傳感器監(jiān)控前端硬件設(shè)計(jì)框圖。通過USB接口連接攝像頭;選用由S3C2440芯片構(gòu)成多媒體傳感器前端ARM控制器模塊。10/100M以太網(wǎng)芯片DM9000設(shè)計(jì)網(wǎng)口電路;GPIO接口連接傳感器。傳感器模塊由溫度傳感器芯片、濕度傳感器芯片構(gòu)成。溫度傳感器芯片選用精密集成電路溫度傳感器LM35，其輸出電壓與攝氏溫度相對(duì)應(yīng)，使用起來很方便，靈敏度為10．0mV/℃，精度為0．4～0．8℃（－55～+150℃溫度范圍內(nèi)），線性輸出。濕度傳感器芯片選用HIH4000，其線性電壓輸出可直接輸入到控制器或其他裝置，僅需取出200μA電流，傳感器就能理想地使用，它良好的互換性減少生產(chǎn)校驗(yàn)成本。

圖2 多媒體傳感器監(jiān)控前端硬件設(shè)計(jì)框圖Fig 2 Block diagram of hardware design of multimedia sensor surveillance front end

圖3為監(jiān)控端ARM模塊的硬件設(shè)計(jì)框圖，選用由S3C2440芯片構(gòu)成多媒體傳感器監(jiān)控端ARM控制器模塊，使用LCD接口電路用于視頻顯示;用按鍵實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制功能實(shí)現(xiàn);USB接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)外部存儲(chǔ)。

圖3 多媒體傳感器監(jiān)控端硬件設(shè)計(jì)框圖Fig 3 Block diagram of hardware design of multimedia sensor surveillance end

3 系統(tǒng)終端軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用C/S模型。多媒體傳感器監(jiān)控前端運(yùn)行服務(wù)端Server程序。多媒體傳感器監(jiān)控端運(yùn)行客戶端Client程序。服務(wù)端程序和客戶端程序在終端處理器S3C2440上運(yùn)行，操作系統(tǒng)為L(zhǎng)inux，內(nèi)核版本為2．6。

3．1 多媒體傳感器監(jiān)控前端程序

如圖4所示，服務(wù)器端需要實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、視頻數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。這些功能幾乎是并發(fā)的，如果使用串行的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端程序，無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，因此，采用多線程并發(fā)程序的設(shè)計(jì)。使用多線程占用的系統(tǒng)資源比多進(jìn)程少，時(shí)間花費(fèi)更少，系統(tǒng)在線程間切換也比在進(jìn)程間快［4］。為了確保服務(wù)器和客戶端之間的可靠傳送，采用了TCP協(xié)議。

服務(wù)器端先初始化A/D轉(zhuǎn)換器和視頻采集器，創(chuàng)建采集線程，并啟動(dòng)TCP服務(wù)。服務(wù)器處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待客戶端連接。當(dāng)監(jiān)聽套接字接收到客戶端的連接請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器端把客戶端的IP地址和端口號(hào)加入地址鏈表，然后創(chuàng)建TCP會(huì)話線程將數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端。使用環(huán)形共享緩沖讀寫采集到的數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到的是客戶端的指令時(shí)，服務(wù)器端將根據(jù)客戶設(shè)置的參數(shù)對(duì)設(shè)備重新設(shè)置。

A/D轉(zhuǎn)換模塊驅(qū)動(dòng)根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)編寫，測(cè)量周期設(shè)置為3 s，即每3 s更新一次終端顯示。使用基于Linux的通用USB攝像頭驅(qū)動(dòng)Spca5xx-LE，該驅(qū)動(dòng)支持多種主流USB橋接芯片，支持Linux-2．6內(nèi)核，提供的API函數(shù)符合V4L規(guī)范，在配置內(nèi)核時(shí)，把該驅(qū)動(dòng)配置為Module方式［5］。視頻采集時(shí)把視頻設(shè)備文件映射為進(jìn)程空間，使用mmap（）方式采集攝像頭數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)壓縮采用MJPEG，它是幀內(nèi)壓縮，處理時(shí)和單副圖片沒有什么區(qū)別，減小了開發(fā)難度，服務(wù)端程序只需要對(duì)抓到的JPEG圖片存儲(chǔ)并添加相關(guān)頭部，然后逐一發(fā)送到客戶端，客戶端逐幀進(jìn)行解碼、顯示和存儲(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)傳輸使用socket（套接字）API函數(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序和TCP/IP協(xié)議間的接口，使用select（int nfds，fd_set*readfds，fd_set*writefds，fd_set*exceptfds，struct timeval*timeout）實(shí)現(xiàn)主線程在多個(gè)套接字上的等待連接，并使用readfds讀取客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)。

圖4 服務(wù)端程序流程Fig 4 Flow chart of the server end

3．2 多媒體傳感器監(jiān)控端程序

監(jiān)控端向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求并對(duì)MJPEG數(shù)據(jù)作相應(yīng)的解碼處理，數(shù)據(jù)解碼后，送入幀緩沖 Framebuffer。Framebuffer屏蔽了圖像硬件底層差異，把顯示設(shè)備抽象為幀緩沖區(qū)，其設(shè)備文件描述符為/dev/fb*，可以通過mmap（）機(jī)制將其映射到用戶地址空間，從而實(shí)現(xiàn)直接讀寫屏幕［6］。使用外接U盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)中是通過對(duì)USB驅(qū)動(dòng)程序做相應(yīng)開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)檢測(cè)、初始化以及信息的獲取、定位、寫入和卸載等功能，視頻數(shù)據(jù)量比較大，為提高存儲(chǔ)效率，將flag設(shè)置為URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP，并指定傳輸方式為DMA。USB驅(qū)動(dòng)開發(fā)配置好后，監(jiān)控端操作系統(tǒng)/dev中有相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)為/dev/sda1，之后，根據(jù)需要還可以對(duì)U盤做各種應(yīng)用程序的開發(fā)。監(jiān)控端接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)根據(jù)需要也可以在PC機(jī)上顯示，兩者程序設(shè)計(jì)原理類似。見圖5。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中搭建測(cè)試環(huán)境如圖6。多媒體傳感器監(jiān)控系統(tǒng)通過電力線網(wǎng)絡(luò)連接，攝像頭采用USB攝像頭，控制模塊基于S3C2440板。

開啟軟件后，能看到監(jiān)控視頻信息、傳感器數(shù)據(jù)顯示正常，如表1，這是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下1 d內(nèi)采集到的部分?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)能順利保存至U盤，系統(tǒng)可以連續(xù)工作7 d以上，電力線距離為30 m時(shí)，幀速約為13 f/s。

圖5 客戶端程序流程Fig 5 Flow chart of the client end

圖6 實(shí)驗(yàn)搭建示意圖Fig 6 Diagram of experiment set up

5 結(jié)束語

本文完成了基于電力線的多媒體傳感器監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)內(nèi)容包含選擇傳感器芯片，PLC接入模塊的通信芯片以及ARM嵌入式控制器模塊類型和硬件的設(shè)計(jì);多媒體傳感器監(jiān)控前端軟件設(shè)計(jì)，軟件實(shí)現(xiàn)了傳感器與視頻數(shù)據(jù)采集，視頻數(shù)據(jù)的壓縮，網(wǎng)絡(luò)傳輸。監(jiān)控端軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收，視頻數(shù)據(jù)解碼，視頻LCD顯示或者PC端顯示，USB外接存儲(chǔ)等功能。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明:設(shè)計(jì)的電力線視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以成功地在實(shí)驗(yàn)室小環(huán)境內(nèi)快速構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)，并可以根據(jù)需要進(jìn)行功能的擴(kuò)展，例如:語音信息的傳輸、界面化控制等。

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