基于电力线通信的多媒体传感器监控系统设计*

徐 鑫，贺 庆，徐瑞林，邓雪波

（1．重庆市电力公司电力科学研究院，重庆 401123;2．重庆大学通信工程学院，重庆 400044）

0 引言

电力线通信（power line communication，PLC）是指利用电力线本身及其形成的输电网或配电网作为介质实现（高速）数据传输的一种通信技术。随着越来越先进的调制技术（如正交频分复用）、纠错编码技术（如LDPC）、信道均衡技术以及灵活高效的上层协议在电力线通信系统中的应用，PLC系统物理层的数据传输速率已能达到200 Mbit/s，传输带宽也拓展到了2～30 MHz，抗干扰能力和系统性能也显著改善，能满足各种数据信息传输的需要［1，2］。电力线载波多媒体传感器监控系统利用现有低压电力线网络作为传输媒介，不用额外布线，降低了成本，且安装方便快捷，可应用于电力系统、轮船、井下等被屏蔽或其他布线困难而只能提供动力电源线的地方，研究基于电力载波多媒体传感器监控系统具有实际意义。

1 系统总体结构

监控系统可大致分为两大部分:监控前端和监控端，如图1所示。为减小开发难度、降低风险和成本，采用分模块的开发方式，大体分为PLC模块和ARM模块。

图1 多媒体传感器监控系统结构Fig 1 Structure of multimedia sensor surveillance system

PLC模块是电力线网络中的接口模块，实现物理层、数据链路层上的功能，它把上层的数据封装成适合电力线上传输的帧，在电力线上进行传输［3］。

前端ARM控制器模块主要实现的功能是:传感器数据和视频数据的采集、视频数据压缩以及网络传输。选择ARM模块上的GPIO接口接收来自外部A/D转换器发送的传感器采集的数据;摄像头采集的视频数据通过USB接口传输给前端ARM处理模块，采用MJPEG标准进行视频压缩后与传感器采集的数据一起通过RJ45接口输出。

监控端ARM控制器模块主要功能是:网络数据的接收、液晶屏显示、数据的存储以及控制。与前端建立好网络连接后，接收网络数据，存储到SDRAM中，在LCD上显示数据信息，并可以根据需要把数据通过USB接口存储到外部存储器上。ARM模块还可以根据需要进行功能扩展，如传输语音信息、进行数据信息的动态检测存储、采用流量控制的QoS技术等。

2 系统硬件设计

2．1 PLC 模块

PLC模块是根据需求用Intellon公司的INT5500模块设计的相应的外围电路，通过一个高频PLC信号耦合电路将PLC信号耦合到INT5500，耦合电路同时也起到隔离高压和低压的作用。通过保险丝、热敏电阻器等保护电路避免短路、浪涌电流等对器件的损坏。设计过零检测电路的保障电力线信号的同步［3］。

2．2 ARM模块硬件设计

图2是多媒体传感器监控前端硬件设计框图。通过USB接口连接摄像头;选用由S3C2440芯片构成多媒体传感器前端ARM控制器模块。10/100M以太网芯片DM9000设计网口电路;GPIO接口连接传感器。传感器模块由温度传感器芯片、湿度传感器芯片构成。温度传感器芯片选用精密集成电路温度传感器LM35，其输出电压与摄氏温度相对应，使用起来很方便，灵敏度为10．0mV/℃，精度为0．4～0．8℃（－55～+150℃温度范围内），线性输出。湿度传感器芯片选用HIH4000，其线性电压输出可直接输入到控制器或其他装置，仅需取出200μA电流，传感器就能理想地使用，它良好的互换性减少生产校验成本。

图2 多媒体传感器监控前端硬件设计框图Fig 2 Block diagram of hardware design of multimedia sensor surveillance front end

图3为监控端ARM模块的硬件设计框图，选用由S3C2440芯片构成多媒体传感器监控端ARM控制器模块，使用LCD接口电路用于视频显示;用按键实现简单的控制功能实现;USB接口实现数据外部存储。

图3 多媒体传感器监控端硬件设计框图Fig 3 Block diagram of hardware design of multimedia sensor surveillance end

3 系统终端软件设计

软件设计采用C/S模型。多媒体传感器监控前端运行服务端Server程序。多媒体传感器监控端运行客户端Client程序。服务端程序和客户端程序在终端处理器S3C2440上运行，操作系统为Linux，内核版本为2．6。

3．1 多媒体传感器监控前端程序

如图4所示，服务器端需要实现传感器数据采集、视频数据采集、网络数据传输等功能。这些功能几乎是并发的，如果使用串行的设计方法实现服务器端程序，无法保证数据传输的实时性，因此，采用多线程并发程序的设计。使用多线程占用的系统资源比多进程少，时间花费更少，系统在线程间切换也比在进程间快［4］。为了确保服务器和客户端之间的可靠传送，采用了TCP协议。

服务器端先初始化A/D转换器和视频采集器，创建采集线程，并启动TCP服务。服务器处于监听状态，等待客户端连接。当监听套接字接收到客户端的连接请求时，服务器端把客户端的IP地址和端口号加入地址链表，然后创建TCP会话线程将数据发送给客户端。使用环形共享缓冲读写采集到的数据。当接收到的是客户端的指令时，服务器端将根据客户设置的参数对设备重新设置。

A/D转换模块驱动根据数据手册编写，测量周期设置为3 s，即每3 s更新一次终端显示。使用基于Linux的通用USB摄像头驱动Spca5xx-LE，该驱动支持多种主流USB桥接芯片，支持Linux-2．6内核，提供的API函数符合V4L规范，在配置内核时，把该驱动配置为Module方式［5］。视频采集时把视频设备文件映射为进程空间，使用mmap（）方式采集摄像头数据。视频数据压缩采用MJPEG，它是帧内压缩，处理时和单副图片没有什么区别，减小了开发难度，服务端程序只需要对抓到的JPEG图片存储并添加相关头部，然后逐一发送到客户端，客户端逐帧进行解码、显示和存储。网络传输使用socket（套接字）API函数实现应用程序和TCP/IP协议间的接口，使用select（int nfds，fd_set*readfds，fd_set*writefds，fd_set*exceptfds，struct timeval*timeout）实现主线程在多个套接字上的等待连接，并使用readfds读取客户端发送的数据。

图4 服务端程序流程Fig 4 Flow chart of the server end

3．2 多媒体传感器监控端程序

监控端向服务器端发送数据传输请求并对MJPEG数据作相应的解码处理，数据解码后，送入帧缓冲 Framebuffer。Framebuffer屏蔽了图像硬件底层差异，把显示设备抽象为帧缓冲区，其设备文件描述符为/dev/fb*，可以通过mmap（）机制将其映射到用户地址空间，从而实现直接读写屏幕［6］。使用外接U盘存储数据，在本系统中是通过对USB驱动程序做相应开发，从而实现设备的自动检测、初始化以及信息的获取、定位、写入和卸载等功能，视频数据量比较大，为提高存储效率，将flag设置为URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP，并指定传输方式为DMA。USB驱动开发配置好后，监控端操作系统/dev中有相应的逻辑节点为/dev/sda1，之后，根据需要还可以对U盘做各种应用程序的开发。监控端接收到的实时数据根据需要也可以在PC机上显示，两者程序设计原理类似。见图5。

4 实验结果与分析

在实验室环境中搭建测试环境如图6。多媒体传感器监控系统通过电力线网络连接，摄像头采用USB摄像头，控制模块基于S3C2440板。

开启软件后，能看到监控视频信息、传感器数据显示正常，如表1，这是在实验室环境下1 d内采集到的部分数据，数据能顺利保存至U盘，系统可以连续工作7 d以上，电力线距离为30 m时，帧速约为13 f/s。

图5 客户端程序流程Fig 5 Flow chart of the client end

图6 实验搭建示意图Fig 6 Diagram of experiment set up

5 结束语

本文完成了基于电力线的多媒体传感器监控系统的设计。该设计内容包含选择传感器芯片，PLC接入模块的通信芯片以及ARM嵌入式控制器模块类型和硬件的设计;多媒体传感器监控前端软件设计，软件实现了传感器与视频数据采集，视频数据的压缩，网络传输。监控端软件设计实现了网络数据接收，视频数据解码，视频LCD显示或者PC端显示，USB外接存储等功能。经过实验证明:设计的电力线视频监控系统可以成功地在实验室小环境内快速构建监控系统，并可以根据需要进行功能的扩展，例如:语音信息的传输、界面化控制等。

［1］ Yousuf M S，El-Shafei M．Power line communications:An overview—part I［C］∥The 4th International Conference on Innovations in Information Technology，Innovations’07，2007:218 －222．

［2］ Yousuf M S，Rizvi S Z．，El-Shafei M．Power line communications:An overview—part II［C］∥The 3rd International Conference on Information and Communication Technologies:From theory to applications，ICTTA 2008，2008:1 －6．

［3］ 柴守亮，侯思祖，程 雪．基于INT 5500的宽带电力线通信Modem的设计和实现［J］．配网自动化，2007（3）:42－44．

［4］ Stevens W R，Rago S A．UNIX 环境高级编程［M］．2版．北京:人民邮电出版社，2009．

［5］ 李 川，田逢春，王姗姗．基于电力载波和流媒体的视频监控服务器的实现［J］．计算机与数字工程，2009，37（12）:170－174．

［6］ 陈 诚，田逢春，李得利．电力线视频监控系统终端设计［J］．计算机工程，2011，37（19）．246 －248．