無線傳輸LED十字屏集群控制系統

謝琦明+李強++富金龍，+付亮

摘 要： 針對傳統LED屏信息發布不靈活、不及時、無法顯示動畫、布線復雜、成本高等問題，提出采用無線傳輸的十字屏集群管理解決方案。PC端的監控系統能編輯文本信息和3D動畫，通過無線通訊模塊實時發布或定時發送到十字屏集群，并能夠對故障進行監控；十字屏集群能夠采用主/從模式進行信息交互，十字屏控制系統能夠通過溫度、亮度傳感器感知外部環境并自動調整顯示屏的亮度。通過實際應用證明了其具有較好的適應性和應用價值。

關鍵詞： 無線傳輸； LED十字屏； 集群控制

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）12-24-04

Abstract： Aiming at the problem that the traditional LED screen is inflexible and not timely information publishing， unable to display animation， wiring complexity， high cost and so on， this paper puts forward a cross screen cluster management solution using wireless transmission technology. The control system on PC can edit textual and 3D information， and send them out to the LED cross screen cluster in real-time by the wireless communication module， and can monitor the fault of LED cross screen. Cross screen cluster can use master/slave mode to exchange information， so the control system can sense the external environment by temperature and brightness sensors and automatically adjusts the brightness of the display. Practical application shows that it has better adaptability and application value.

Key words： wireless transmission； LED cross screen； cluster control

0 引言

目前LED電子顯示屏已經在金融市場、商場、交通港口、體育場館等領域得到廣泛的應用[1-2]，但大多數顯示屏內容固定，傳統模式下用戶只能通過電腦直接對LED電子顯示屏進行管理。這種模式存在很大局限性，比如通信方式單一導致環境適應性差，布線復雜成本高，無法滿足醫藥或其他領域對多顯示屏集中實施統一管理，不能隨時隨地控制LED電子顯示屏，無法對芯片內程序進行遠程更新升級，無法實現對動畫的動態添加和刪除，產品質量不能得到有效控制。

目前對LED顯示屏的控制有多種有線或無線方式。有線方式[3]布線復雜，成本高昂；USB[4]和串口傳輸方式[5]都需要工作人員攜帶筆記本或者U盤到現場進行數據的更新。文獻5采用GSM、GPRS無線網絡技術對LED屏信息進行更新，這種方式信息傳輸費用高，不適合藥店等小型商店使用。

針對以上問題，本文采用無線傳輸的方式解決了上述問題，能對多個LED顯示屏集群控制、3D動畫傳輸，具有安裝管理方便、成本低、功能強等優點。

1 系統總體設計

系統由上位機監控系統、無線收發模塊、LED十字屏系統三部分組成。

待發送信息由上位機監控系統通過USB發送給無線收發模塊，并由SI4432芯片進行數據調制后通過天線將數據發出。因為無線信號是以廣播的形式發送，所有的LED十字屏可通過無線模塊獲取信號，所以可以連接任意多個LED十字屏。當LED十字屏控制器接收到信息后，通過單片機將數據解調，并根據ID判斷是否發送給自己的信息或者是廣播信息，如果是則顯示到十字屏上。

上位機和十字屏之間有兩種通訊模式。第一種模式是廣播模式上位機直接與多個十字屏通訊；第二種模式是主從模式，上位機指定一個十字屏作為主機，上位機只與指定主機通信，其他的十字屏（從）與指定的十字屏（主）進行通信。第一種通訊模式的缺點是無法滿足遠距離十字屏與上位機通訊，并且多個十字屏之間分布較廣時上位機發送的無線信號無法覆蓋到所有的十字屏，但它具有信息同步快、更新及時等優點。第二種通訊模式的優點是上位機可以對大范圍遠距離的十字屏進行管理，通過指定特定的十字屏作為主機與其他下位機進行通訊，但其缺點是多個十字屏信息更新需要較長的時間。系統總體結構如圖1所示。

2 無線通訊模塊設計

本系統中采用了兩種無線模塊使用方式。第一種是把無線模塊作為一個獨立模塊。第二種是把無線模塊集成的十字屏控制系統中，相比于第一種模式，模式二少了電源模塊和USB轉串口通訊模塊，但其主要功能和設計是一致的。下面以獨立無線模塊為例來介紹無線通訊模塊設計。

2.1 無線通訊模塊硬件設計

無線通訊模塊由USB轉串口通訊模塊、STC11L02單片機、SI4432無線芯片、天線開關芯片、電源模塊組成，其硬件結構如圖2所示。

無線發射模塊選用STC11L02單片機作為控制核心，通過USB轉串口芯片接收上位機管理軟件傳來的數據，然后通將數據傳給SI4432收發芯片，SI4432芯片采用GFSK調制編碼后將數據通過天線發出。

SI4432芯片是由Silabs公司出品的工作于低于1GHz頻段的無線數傳芯片。SI4432輸出功率可達+20dBm，接收靈敏度達到-121dBm。它的高靈敏度天線分集技術（雙天線）和+20dBm（100mWIEEE802.11和國家無委會規定的最大發射功率）的功率放大器（它是目前惟一集成此功放的RF芯片）BJ，使得它有“距離之王，穿墻之王”之稱（空曠距離可至2000m，可穿透十道墻）[6-7]，能夠滿足藥店等多方向多屏分布的需求。

無線通訊模塊硬件電路如圖3所示。

2.2 無線數據傳輸協議

無線通訊中數據采用完整傳輸機制。數據包分為幀頭、數據段、幀尾三部分。

幀頭包括起始標記、幀長度、序列號、數據段長度，起始標記用0xFF 0xFF 0x4A 0x0x4B 0xAF來表示；幀長度2個字節，表示整個幀的字節數；序列號10個字節，用于標識不同的十字屏；數據段長度2個字節，表示發送數據的字節數。

數據段即為實際要發送的信息。

幀尾包括校驗部分和幀結束標記。校驗碼占5個字節，采用CRC校驗方式；幀結束標記用0xFA 0xF0 0xF0 0x00 0x00來表示。協議幀格式如表1所示。

3 十字屏系統設計

3.1 硬件設計

十字屏控制系統由Cortex-M4、LED顯示屏、溫度傳感器、亮度傳感器以及無線模塊等組成[8-10]。其中溫度和亮度傳感器則是為了采集環境溫度和亮度，來動態調整LED十字屏的色彩和亮度。因為該LED十字屏播放3D動畫所占的存儲空間比較大，所以在Cortex-M4的基礎上擴展了Flash。系統總體結構如圖4所示。

系統硬件電路如圖5所示。

十字屏驅動電路由5塊16*32的點陣模塊組成，采用1/4掃。使用單元板便于擴充顯示單元，控制靈活，軟件設計相對也較為簡單。

十字屏采用8塊74HC595芯片驅動，使用動態掃描的方式各組發光燈依次點亮，只要掃描頻率高于臨界閃爍頻率，給人的感覺就是一個靜態的效果[11-13]。每一行LED亮、滅取決于74HC595中所鎖存的信號。在第一行LED點亮的同時，在74HC595中移入第二行需要顯示的數據，隨后將其鎖存，并同時由行掃描控制電路將第一行掃描管關閉而接通第二行，使第二行LED點亮，以此類推，最后一行掃描過后再回到第一行，只要掃描速度足夠高，就可形成完整的圖像。單片機將要顯示的數據，轉換成相對應的LED屏顯示驅動信號，再加入相應的動態顯示效果控制程序后，通過SPI口分別輸出給行、列驅動電路。十字屏驅動芯片電路如下圖6所示。

3.2 十字屏控制系統軟件設計

十字屏下位機系統采用Keil MDK4作為開發工具，采用C語言編程。系統主要有播放節目模塊、主從設置模塊、十字屏參數設置模塊、無線收發模塊、中斷處理模塊等。當無數據接收時，程序讀取節目列表并播放，有無線數據接收時，產生軟中斷負責數據的接收和保存，數據接收完后繼續播放動畫。

4 上位機監控軟件設計

上位機監控軟件采用Delphi XE開發工具，編程語言使用的是Delphi。該軟件按功能劃分為三大模塊，十字屏管理模塊、媒體信息管理、通訊管理模塊，其模塊結構如圖7所示。

[LED十字屏上位機監控系統][十字屏管理模塊][十字屏注冊管理][十字屏配置管理] [媒體信息管理][十字屏仿真][節目管理] [通訊管理模塊][十字屏IAP升級][十字屏動畫下載][通訊參數設置]

十字屏管理模塊有十字屏注冊管理、十字屏配置管理功能等。十字屏注冊管理：十字屏要與上位機之間通訊首先要在上位機注冊序列號，注冊后上位機發送廣播信息，十字屏收到廣播后響應，向上位機發送確認信息，當上位機收到十字屏發出的響應信息后完成注冊；十字屏配置管理，設定LED十字屏控制參數，例如，將指定LED十字屏作為主機或從機、LED十字屏定時設置等。

媒體信息管理模塊有十字屏3D動畫仿真、節目管理功能等。用戶可以根據實際需求添加自定義動畫、文本信息或者刪除動畫，而且用戶可以針對特定的節日制定特殊動畫、定時播放等，并可通過3D動畫仿真預覽實際效果。

通信管理模塊有十字屏IAP升級、動畫下載、通信參數設置等。

5 系統應用

目前大多數藥店或者醫院都是采用傳統的燈具來表示十字，這種方法只能簡單提示人們這是藥店或者醫院，但不能給客戶或者病人提供實時準確的信息以及顯示3D動畫等。在國外LED十字屏已經的到廣泛的應用，但目前在國內還缺乏這方面的應用，所以LED十字屏在國內將有很好的應用前景。該LED十字屏在國外藥店已經得到實際應用。

6 結束語

本文實現了基于無線的LED十字屏集群管理，十字屏與上位機采用了兩種通訊方式，其一是上位機直接和所有的十字屏監控，二是上位機指定一個十字屏為主機且只與之通信，其他十字屏則與該十字屏進行信息交互。上位機可以隨時編輯顯示文本或3D動畫。并且，該系統管理方便、成本低、維護簡單，在實際中的到了很好的應用。

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