一種遠(yuǎn)程LED顯示屏系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

陽橋清 李小武 袁 迪 李飛龍（湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖南 永州 425199）

一種遠(yuǎn)程LED顯示屏系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

陽橋清 李小武 袁 迪 李飛龍（湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖南 永州 425199）

LED顯示屏在現(xiàn)實(shí)生活中憑借其色彩艷麗、節(jié)能、成本低等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。但是大部分都是單一的非物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，未能實(shí)現(xiàn)多LED顯示屏的大面積范圍宣傳和實(shí)時(shí)更新。為了解決上述問題，我們將傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)客戶端服務(wù)器模型，改進(jìn)為適用于LED顯示屏控制的分布式結(jié)構(gòu)。將一個(gè)具有公網(wǎng)IP的主機(jī)作為服務(wù)器，LED顯示屏以GPRS無線方式登陸服務(wù)器，此時(shí)服務(wù)器將LED顯示屏加入被控制列表中。LED控制端通過任意一種聯(lián)網(wǎng)方式登陸服務(wù)器，向服務(wù)器申請控制權(quán)，經(jīng)過服務(wù)器驗(yàn)證后，即可獲得被控制列表中所有LED顯示屏的控制權(quán)。經(jīng)過測試，采用上述GPRS無線傳輸方式，以及客戶端服務(wù)器模型，實(shí)現(xiàn)了在線控制多LED顯示屏的功能，成本低。

GPRS；物聯(lián)網(wǎng) ；客戶端服務(wù)器模型；LED

1　引 言

LED顯示屏在現(xiàn)實(shí)生活中得到了廣泛的應(yīng)用，在LED顯示屏信息的傳送方式上，現(xiàn)在的有線數(shù)據(jù)傳送已經(jīng)不能滿足技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的要求，而無線傳輸，例如尋呼，短波無線電等，都有一定的弊端和局限，如有線電纜傳輸有著昂貴的線纜鋪設(shè)成本，也不利于廣范圍LED顯示屏組網(wǎng)；短消息方式，手機(jī)發(fā)短信也有一定的弊端，例如信息容易丟失，延時(shí)時(shí)間長，發(fā)送信息量小等。雖然發(fā)短信的無線傳送信息的方法不是很理想，但綜合利弊關(guān)系和性價(jià)比短消息無線傳送信息是有一定價(jià)值的。而GPRS無線通信方式，GPRS是基于INTENET網(wǎng)絡(luò)通信的，所以傳送數(shù)據(jù)速度快，傳送信息量大，也方便信息管理和信息加密[1][2][3]。因此，GPRS通信理所當(dāng)然成為無線通信的最佳選擇。本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目的就是設(shè)計(jì)一個(gè)方便，價(jià)格低，通信質(zhì)量高的LED顯示屏數(shù)據(jù)傳輸方式[4][5]。本項(xiàng)目利用GPRS模塊來進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳送，并將這個(gè)技術(shù)嵌入到LED顯示系統(tǒng)。在這次設(shè)計(jì)開始,結(jié)合了各方面的資料提出了基于GPRS方案來解決LED顯示系統(tǒng)的無線信息傳送的問題。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

目前在國外的自主學(xué)習(xí)研究中，廣為應(yīng)用的測評工具有一種基于GPRS模塊和PC計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程LED顯示屏控制以及組網(wǎng)系統(tǒng)，由帶GPRS模塊的LED顯示屏被控端，PC上位機(jī)控制軟件及PC服務(wù)器三部分組成。本系統(tǒng)利用一個(gè)具有公網(wǎng)IP的主機(jī)作為服務(wù)器，用于數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)或者內(nèi)網(wǎng)穿透。PC機(jī)或者手持設(shè)備(手機(jī)等可以聯(lián)網(wǎng)設(shè)備)作為控制終端，用于控制LED顯示屏的顯示內(nèi)容，以及監(jiān)測LED硬件是否損壞。將LED顯示屏、GPRS模塊以及MCU控制器作為LED顯示屏被控端，用于接收并顯示控制端發(fā)送的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)支持多LED顯示屏在線和多控制端在線。下圖是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

采用UDP內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)以及數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)控制終端與led顯示屏（客服端）之間的數(shù)據(jù)傳輸。并支持離線數(shù)據(jù)收發(fā)，和數(shù)據(jù)收發(fā)確認(rèn)機(jī)制，防止數(shù)據(jù)丟失，提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量[6][7]。運(yùn)行了控制軟件的PC或者智能手機(jī)首先通過UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)用戶登陸驗(yàn)證，同時(shí)LED模塊也通過GPRS模塊登陸服務(wù)器。此時(shí)服務(wù)器使用數(shù)據(jù)庫記錄下控制端與客服端的IP地址信息，當(dāng)控制端向客服端發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸請求時(shí)，服務(wù)器根據(jù)IP地址首先采取內(nèi)網(wǎng)穿透的方法嘗試聯(lián)通客服端與控制端，當(dāng)雙方的內(nèi)網(wǎng)被打通后，雙方就可以實(shí)現(xiàn)直接通信。若內(nèi)網(wǎng)穿透失敗，或者客戶端不在線，服務(wù)器則將數(shù)據(jù)保存在本地，當(dāng)客服端登錄后，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，通信協(xié)議底層采用面向無連接的UDP協(xié)議，傳輸速率高。同時(shí)我們通信協(xié)議上層采用包編號，確認(rèn)應(yīng)答，超時(shí)重傳等機(jī)制來確保數(shù)據(jù)正確無誤。由于采用了用戶登錄驗(yàn)證，系統(tǒng)支持多LED顯示屏組網(wǎng)和多用戶同時(shí)控制。下圖是UDP內(nèi)網(wǎng)穿透圖。

圖2　UDP內(nèi)網(wǎng)穿透圖圖

通過以下兩種方案可以確保實(shí)現(xiàn)讓所有聯(lián)網(wǎng)的控制終端來控制LED顯示屏。

1.出于內(nèi)網(wǎng)狀態(tài)的PC或者安卓手機(jī)和GPRS模塊在具有公網(wǎng)IP的PC協(xié)助下,經(jīng)過以上6個(gè)步驟，一般情況下可以打通內(nèi)網(wǎng)，讓PC或者安卓手機(jī)和GPRS模塊直接進(jìn)行通信。

2.在不能進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)穿透的特殊情況下，我們以具有公網(wǎng)IP的PC作為橋梁，采用中轉(zhuǎn)技術(shù)，讓PC或者安卓手機(jī)和GPRS模塊間接進(jìn)行通信。

圖3　服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖

3.2控制端軟件設(shè)計(jì)

控制端軟件提供豐富的功能，可以利用上位機(jī)遠(yuǎn)程控制LED顯示屏的顯示內(nèi)容、顯示字體、顯示花樣、屏幕亮度等參數(shù)。這需要控制芯片具有較大的內(nèi)存和比較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。

框圖說明：

1. 模塊作用

用戶操作界面主要給用戶提供一個(gè)簡單的操作方式，通過按鈕就可以發(fā)送所需要的現(xiàn)實(shí)類容到LED；軟件內(nèi)部主要完成網(wǎng)絡(luò)連接與點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。

2. 工作過程

用戶通過運(yùn)行PC機(jī)控制端軟件，在其用戶操作界面上方便快捷的更新LED顯示內(nèi)容以及查看LED設(shè)備是否正常工作。因?yàn)榭刂贫塑浖?nèi)部已經(jīng)完成了顯示信息的轉(zhuǎn)換，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，屏幕運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測。用戶只需要點(diǎn)擊相關(guān)按鈕即可執(zhí)行相應(yīng)操作。

上位機(jī)通過UDP協(xié)議登陸到服務(wù)器，通過驗(yàn)證后就可以向在線的LED顯示屏實(shí)行控制。此時(shí)服務(wù)器會告知上位機(jī)與LED顯示屏的通信模式，是點(diǎn)對點(diǎn)直接通信，還是經(jīng)過服務(wù)器中轉(zhuǎn)通信?？刂贫塑浖鶕?jù)用戶輸入框的文字，從PC的矢量字體庫提取出點(diǎn)陣字模數(shù)據(jù)，經(jīng)過自動調(diào)整對齊，將文字顯示到預(yù)覽區(qū)。并根據(jù)自定義的上層通信協(xié)議將數(shù)據(jù)包分組打包發(fā)送到服務(wù)器，或者LED顯示屏。如果服務(wù)器或者LED顯示屏收到數(shù)據(jù)后，會給控制端一個(gè)應(yīng)答包，應(yīng)答包包含數(shù)據(jù)

分組的包編號，然后控制端繼續(xù)發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。否則經(jīng)過一定時(shí)間的超時(shí)，重傳上一次的數(shù)據(jù)包。

圖4　控制端軟件設(shè)計(jì)框圖

3.3LED顯示屏設(shè)計(jì)

MCU通過GPRS模塊主動與服務(wù)器建立TCP/IP連接，服務(wù)器將LED顯示屏加入待控制列表中。等待控制終端PC發(fā)送的字符數(shù)據(jù)，一旦接收到數(shù)據(jù)，就將數(shù)據(jù)存儲到EPPROM存儲器中，防止數(shù)據(jù)掉電丟失。與此同時(shí)，MCU不斷的從數(shù)據(jù)存儲器中取出字符數(shù)據(jù)，然后根據(jù)字符內(nèi)碼從內(nèi)碼點(diǎn)陣存儲器里調(diào)出相應(yīng)的內(nèi)碼點(diǎn)陣，最后把點(diǎn)陣數(shù)據(jù)送到LED顯示屏顯示。

LED顯示屏通過GPRS模塊連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器，經(jīng)過密碼驗(yàn)證后，就可以接收來自網(wǎng)絡(luò)的顯示數(shù)據(jù),和控制命令。LED主控芯片(STM32)通過解析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，將顯示信息存儲到非易失存儲器上(STM32片上flash芯片)。然后根據(jù)控制命令設(shè)置顯示屏顯示亮度以及顯示花樣，然后從存儲器取顯示數(shù)據(jù)并顯示。將GPRS模塊和串口模塊加到普通市面LED屏幕上，即可以實(shí)現(xiàn)有線近距離控制和網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制。另外還附加LED硬件監(jiān)測模塊，即光強(qiáng)度監(jiān)測模塊，用于自適應(yīng)屏幕亮度；壞點(diǎn)檢測模塊，當(dāng)客戶發(fā)送檢測命令，該模塊便掃描屏幕的壞點(diǎn)，及時(shí)將屏幕的壞點(diǎn)報(bào)告給控制端。

圖5　LED顯示屏軟件設(shè)計(jì)框圖

4　LED顯示屏硬件設(shè)計(jì)

將GPRS模塊和串口模塊加到普通市面LED屏幕上，即可以實(shí)現(xiàn)有線近距離控制和網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制。另外還附加其他輔助模塊。加上光強(qiáng)度監(jiān)測模塊，用于自適應(yīng)屏幕亮度。加上壞點(diǎn)檢測模塊，用于檢測LED顯示屏的壞點(diǎn)，及時(shí)派人維修。

圖6　LED顯示屏硬件設(shè)計(jì)框圖

5　系統(tǒng)測試

將GPRS模塊和串口模塊加到普通市面LED屏幕上，測試過程：將服務(wù)器軟件運(yùn)行在一個(gè)具有公網(wǎng)IP的主機(jī)上，當(dāng)有LED顯示屏登陸后，將其加入待控制列表。當(dāng)某個(gè)控制端連接到服務(wù)器，通過驗(yàn)證后即可獲得LED顯示屏控制權(quán),對其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制（如圖7），包括顯示內(nèi)容更新，顯示字體選擇，顯示花樣選擇，亮度調(diào)節(jié)等功能（如圖8）。MCU控制器通過GPRS模塊接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)做出相應(yīng)處理，然后按照控制端規(guī)定的顯示內(nèi)容和顯示格式進(jìn)行動態(tài)顯示（如圖9）。

測試結(jié)果：控制端執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)控制，成功連接服務(wù)器之后，服務(wù)器軟件的客服端狀態(tài)區(qū)的控制端圖片變成了彩色，顯示屏成功連接服務(wù)器之后，服務(wù)器軟件的客服端狀態(tài)區(qū)的顯示屏圖片也變成了彩色。當(dāng)控制端軟件發(fā)送顯示內(nèi)容時(shí)，服務(wù)器軟件的信息反饋區(qū)顯示了數(shù)據(jù)交互信息，并提示是顯示數(shù)據(jù)，當(dāng)控制端軟件發(fā)送顯示花樣時(shí)，服務(wù)器軟件的信息反饋區(qū)顯示了數(shù)據(jù)交互信息，并提示是命令數(shù)據(jù)。而LED顯示屏的顯示內(nèi)容跟控制端發(fā)送的顯示內(nèi)容相符合，顯示花樣也控制正常。測試結(jié)果表明，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操控，穩(wěn)定高效。

4.1服務(wù)器端測試

圖7　服務(wù)器軟件界面

4.2控制端軟件測試

圖8　控制端軟件界

4.3LED顯示屏測試

圖9　LED顯示效果圖

[1]潘悅,佟為明,趙志衡.基于C8051F02x單片機(jī)的Modbus實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2007,28(S1).

[2]陳斌,張波,安嘗思,等.基于Modbus／TCP及Web的電氣設(shè)備網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)控系統(tǒng)Ⅲ[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2006,(9).

[3]李娟，張波，丘東元電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中基于ModbusRTU的多機(jī)通信[J].電力設(shè)備自動化,2007,(1).

[4]李群芳,肖看.單片機(jī)原理接口技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:78—89.

（責(zé)任編校：宮彥軍）

TN-9

A

1673-2219（2015）05-0034-03

2015－01－05

2013年國家級創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；2013年湖南省大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

陽橋清（1991－），男，湖南衡陽人，湖南科技學(xué)院電子信息工程專業(yè)2011級學(xué)生，從事無線通信方面的研究工作。