一种远程LED显示屏系统的研究与设计

阳桥清 李小武 袁 迪 李飞龙（湖南科技学院 电子与信息工程学院，湖南 永州 425199）

一种远程LED显示屏系统的研究与设计

阳桥清 李小武 袁 迪 李飞龙（湖南科技学院 电子与信息工程学院，湖南 永州 425199）

LED显示屏在现实生活中凭借其色彩艳丽、节能、成本低等特点得到了广泛的应用。但是大部分都是单一的非物联网设计，未能实现多LED显示屏的大面积范围宣传和实时更新。为了解决上述问题，我们将传统的计算机客户端服务器模型，改进为适用于LED显示屏控制的分布式结构。将一个具有公网IP的主机作为服务器，LED显示屏以GPRS无线方式登陆服务器，此时服务器将LED显示屏加入被控制列表中。LED控制端通过任意一种联网方式登陆服务器，向服务器申请控制权，经过服务器验证后，即可获得被控制列表中所有LED显示屏的控制权。经过测试，采用上述GPRS无线传输方式，以及客户端服务器模型，实现了在线控制多LED显示屏的功能，成本低。

GPRS；物联网 ；客户端服务器模型；LED

1　引 言

LED显示屏在现实生活中得到了广泛的应用，在LED显示屏信息的传送方式上，现在的有线数据传送已经不能满足技术上和经济上的要求，而无线传输，例如寻呼，短波无线电等，都有一定的弊端和局限，如有线电缆传输有着昂贵的线缆铺设成本，也不利于广范围LED显示屏组网；短消息方式，手机发短信也有一定的弊端，例如信息容易丢失，延时时间长，发送信息量小等。虽然发短信的无线传送信息的方法不是很理想，但综合利弊关系和性价比短消息无线传送信息是有一定价值的。而GPRS无线通信方式，GPRS是基于INTENET网络通信的，所以传送数据速度快，传送信息量大，也方便信息管理和信息加密[1][2][3]。因此，GPRS通信理所当然成为无线通信的最佳选择。本项目的设计目的就是设计一个方便，价格低，通信质量高的LED显示屏数据传输方式[4][5]。本项目利用GPRS模块来进行无线数据传送，并将这个技术嵌入到LED显示系统。在这次设计开始,结合了各方面的资料提出了基于GPRS方案来解决LED显示系统的无线信息传送的问题。

2　系统总体设计框图

目前在国外的自主学习研究中，广为应用的测评工具有一种基于GPRS模块和PC计算机的远程LED显示屏控制以及组网系统，由带GPRS模块的LED显示屏被控端，PC上位机控制软件及PC服务器三部分组成。本系统利用一个具有公网IP的主机作为服务器，用于数据中转或者内网穿透。PC机或者手持设备(手机等可以联网设备)作为控制终端，用于控制LED显示屏的显示内容，以及监测LED硬件是否损坏。将LED显示屏、GPRS模块以及MCU控制器作为LED显示屏被控端，用于接收并显示控制端发送的数据。系统支持多LED显示屏在线和多控制端在线。下图是系统总体设计框图。

图1　系统总体设计框

3　系统软件设计

3.1服务器软件设计

采用UDP内网穿透技术以及数据中转的方式实现控制终端与led显示屏（客服端）之间的数据传输。并支持离线数据收发，和数据收发确认机制，防止数据丢失，提高数据传输质量[6][7]。运行了控制软件的PC或者智能手机首先通过UDP协议实现用户登陆验证，同时LED模块也通过GPRS模块登陆服务器。此时服务器使用数据库记录下控制端与客服端的IP地址信息，当控制端向客服端发起数据传输请求时，服务器根据IP地址首先采取内网穿透的方法尝试联通客服端与控制端，当双方的内网被打通后，双方就可以实现直接通信。若内网穿透失败，或者客户端不在线，服务器则将数据保存在本地，当客服端登录后，再将数据转发给客户端。在数据传输过程中，通信协议底层采用面向无连接的UDP协议，传输速率高。同时我们通信协议上层采用包编号，确认应答，超时重传等机制来确保数据正确无误。由于采用了用户登录验证，系统支持多LED显示屏组网和多用户同时控制。下图是UDP内网穿透图。

图2　UDP内网穿透图图

通过以下两种方案可以确保实现让所有联网的控制终端来控制LED显示屏。

1.出于内网状态的PC或者安卓手机和GPRS模块在具有公网IP的PC协助下,经过以上6个步骤，一般情况下可以打通内网，让PC或者安卓手机和GPRS模块直接进行通信。

2.在不能进行内网穿透的特殊情况下，我们以具有公网IP的PC作为桥梁，采用中转技术，让PC或者安卓手机和GPRS模块间接进行通信。

图3　服务器端软件设计系统框图

3.2控制端软件设计

控制端软件提供丰富的功能，可以利用上位机远程控制LED显示屏的显示内容、显示字体、显示花样、屏幕亮度等参数。这需要控制芯片具有较大的内存和比较强的数据处理能力。

框图说明：

1. 模块作用

用户操作界面主要给用户提供一个简单的操作方式，通过按钮就可以发送所需要的现实类容到LED；软件内部主要完成网络连接与点阵数据的产生。

2. 工作过程

用户通过运行PC机控制端软件，在其用户操作界面上方便快捷的更新LED显示内容以及查看LED设备是否正常工作。因为控制端软件内部已经完成了显示信息的转换，TCP/IP网络连接，屏幕运行状态的监测。用户只需要点击相关按钮即可执行相应操作。

上位机通过UDP协议登陆到服务器，通过验证后就可以向在线的LED显示屏实行控制。此时服务器会告知上位机与LED显示屏的通信模式，是点对点直接通信，还是经过服务器中转通信。控制端软件根据用户输入框的文字，从PC的矢量字体库提取出点阵字模数据，经过自动调整对齐，将文字显示到预览区。并根据自定义的上层通信协议将数据包分组打包发送到服务器，或者LED显示屏。如果服务器或者LED显示屏收到数据后，会给控制端一个应答包，应答包包含数据

分组的包编号，然后控制端继续发送下一帧数据。否则经过一定时间的超时，重传上一次的数据包。

图4　控制端软件设计框图

3.3LED显示屏设计

MCU通过GPRS模块主动与服务器建立TCP/IP连接，服务器将LED显示屏加入待控制列表中。等待控制终端PC发送的字符数据，一旦接收到数据，就将数据存储到EPPROM存储器中，防止数据掉电丢失。与此同时，MCU不断的从数据存储器中取出字符数据，然后根据字符内码从内码点阵存储器里调出相应的内码点阵，最后把点阵数据送到LED显示屏显示。

LED显示屏通过GPRS模块连接到远程服务器，经过密码验证后，就可以接收来自网络的显示数据,和控制命令。LED主控芯片(STM32)通过解析网络数据包，将显示信息存储到非易失存储器上(STM32片上flash芯片)。然后根据控制命令设置显示屏显示亮度以及显示花样，然后从存储器取显示数据并显示。将GPRS模块和串口模块加到普通市面LED屏幕上，即可以实现有线近距离控制和网络远程控制。另外还附加LED硬件监测模块，即光强度监测模块，用于自适应屏幕亮度；坏点检测模块，当客户发送检测命令，该模块便扫描屏幕的坏点，及时将屏幕的坏点报告给控制端。

图5　LED显示屏软件设计框图

4　LED显示屏硬件设计

将GPRS模块和串口模块加到普通市面LED屏幕上，即可以实现有线近距离控制和网络远程控制。另外还附加其他辅助模块。加上光强度监测模块，用于自适应屏幕亮度。加上坏点检测模块，用于检测LED显示屏的坏点，及时派人维修。

图6　LED显示屏硬件设计框图

5　系统测试

将GPRS模块和串口模块加到普通市面LED屏幕上，测试过程：将服务器软件运行在一个具有公网IP的主机上，当有LED显示屏登陆后，将其加入待控制列表。当某个控制端连接到服务器，通过验证后即可获得LED显示屏控制权,对其进行远程控制（如图7），包括显示内容更新，显示字体选择，显示花样选择，亮度调节等功能（如图8）。MCU控制器通过GPRS模块接收到网络数据，将数据做出相应处理，然后按照控制端规定的显示内容和显示格式进行动态显示（如图9）。

测试结果：控制端执行网络控制，成功连接服务器之后，服务器软件的客服端状态区的控制端图片变成了彩色，显示屏成功连接服务器之后，服务器软件的客服端状态区的显示屏图片也变成了彩色。当控制端软件发送显示内容时，服务器软件的信息反馈区显示了数据交互信息，并提示是显示数据，当控制端软件发送显示花样时，服务器软件的信息反馈区显示了数据交互信息，并提示是命令数据。而LED显示屏的显示内容跟控制端发送的显示内容相符合，显示花样也控制正常。测试结果表明，实现了远程操控，稳定高效。

4.1服务器端测试

图7　服务器软件界面

4.2控制端软件测试

图8　控制端软件界

4.3LED显示屏测试

图9　LED显示效果图

[1]潘悦,佟为明,赵志衡.基于C8051F02x单片机的Modbus实验系统[J].仪器仪表学报,2007,28(S1).

[2]陈斌,张波,安尝思,等.基于Modbus／TCP及Web的电气设备网络智能监控系统Ⅲ[J].仪器仪表学报,2006,(9).

[3]李娟，张波，丘东元电能质量监测系统中基于ModbusRTU的多机通信[J].电力设备自动化,2007,(1).

[4]李群芳,肖看.单片机原理接口技术及应用[M].北京:清华大学出版社,2005:78—89.

（责任编校：宫彦军）

TN-9

A

1673-2219（2015）05-0034-03

2015－01－05

2013年国家级创新性实验项目；2013年湖南省大学生创新性实验项目。

阳桥清（1991－），男，湖南衡阳人，湖南科技学院电子信息工程专业2011级学生，从事无线通信方面的研究工作。