无线传输LED十字屏集群控制系统

谢琦明+李强++富金龙，+付亮

摘 要： 针对传统LED屏信息发布不灵活、不及时、无法显示动画、布线复杂、成本高等问题，提出采用无线传输的十字屏集群管理解决方案。PC端的监控系统能编辑文本信息和3D动画，通过无线通讯模块实时发布或定时发送到十字屏集群，并能够对故障进行监控；十字屏集群能够采用主/从模式进行信息交互，十字屏控制系统能够通过温度、亮度传感器感知外部环境并自动调整显示屏的亮度。通过实际应用证明了其具有较好的适应性和应用价值。

关键词： 无线传输； LED十字屏； 集群控制

中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：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电子显示屏已经在金融市场、商场、交通港口、体育场馆等领域得到广泛的应用[1-2]，但大多数显示屏内容固定，传统模式下用户只能通过电脑直接对LED电子显示屏进行管理。这种模式存在很大局限性，比如通信方式单一导致环境适应性差，布线复杂成本高，无法满足医药或其他领域对多显示屏集中实施统一管理，不能随时随地控制LED电子显示屏，无法对芯片内程序进行远程更新升级，无法实现对动画的动态添加和删除，产品质量不能得到有效控制。

目前对LED显示屏的控制有多种有线或无线方式。有线方式[3]布线复杂，成本高昂；USB[4]和串口传输方式[5]都需要工作人员携带笔记本或者U盘到现场进行数据的更新。文献5采用GSM、GPRS无线网络技术对LED屏信息进行更新，这种方式信息传输费用高，不适合药店等小型商店使用。

针对以上问题，本文采用无线传输的方式解决了上述问题，能对多个LED显示屏集群控制、3D动画传输，具有安装管理方便、成本低、功能强等优点。

1 系统总体设计

系统由上位机监控系统、无线收发模块、LED十字屏系统三部分组成。

待发送信息由上位机监控系统通过USB发送给无线收发模块，并由SI4432芯片进行数据调制后通过天线将数据发出。因为无线信号是以广播的形式发送，所有的LED十字屏可通过无线模块获取信号，所以可以连接任意多个LED十字屏。当LED十字屏控制器接收到信息后，通过单片机将数据解调，并根据ID判断是否发送给自己的信息或者是广播信息，如果是则显示到十字屏上。

上位机和十字屏之间有两种通讯模式。第一种模式是广播模式上位机直接与多个十字屏通讯；第二种模式是主从模式，上位机指定一个十字屏作为主机，上位机只与指定主机通信，其他的十字屏（从）与指定的十字屏（主）进行通信。第一种通讯模式的缺点是无法满足远距离十字屏与上位机通讯，并且多个十字屏之间分布较广时上位机发送的无线信号无法覆盖到所有的十字屏，但它具有信息同步快、更新及时等优点。第二种通讯模式的优点是上位机可以对大范围远距离的十字屏进行管理，通过指定特定的十字屏作为主机与其他下位机进行通讯，但其缺点是多个十字屏信息更新需要较长的时间。系统总体结构如图1所示。

2 无线通讯模块设计

本系统中采用了两种无线模块使用方式。第一种是把无线模块作为一个独立模块。第二种是把无线模块集成的十字屏控制系统中，相比于第一种模式，模式二少了电源模块和USB转串口通讯模块，但其主要功能和设计是一致的。下面以独立无线模块为例来介绍无线通讯模块设计。

2.1 无线通讯模块硬件设计

无线通讯模块由USB转串口通讯模块、STC11L02单片机、SI4432无线芯片、天线开关芯片、电源模块组成，其硬件结构如图2所示。

无线发射模块选用STC11L02单片机作为控制核心，通过USB转串口芯片接收上位机管理软件传来的数据，然后通将数据传给SI4432收发芯片，SI4432芯片采用GFSK调制编码后将数据通过天线发出。

SI4432芯片是由Silabs公司出品的工作于低于1GHz频段的无线数传芯片。SI4432输出功率可达+20dBm，接收灵敏度达到-121dBm。它的高灵敏度天线分集技术（双天线）和+20dBm（100mWIEEE802.11和国家无委会规定的最大发射功率）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“距离之王，穿墙之王”之称（空旷距离可至2000m，可穿透十道墙）[6-7]，能够满足药店等多方向多屏分布的需求。

无线通讯模块硬件电路如图3所示。

2.2 无线数据传输协议

无线通讯中数据采用完整传输机制。数据包分为帧头、数据段、帧尾三部分。

帧头包括起始标记、帧长度、序列号、数据段长度，起始标记用0xFF 0xFF 0x4A 0x0x4B 0xAF来表示；帧长度2个字节，表示整个帧的字节数；序列号10个字节，用于标识不同的十字屏；数据段长度2个字节，表示发送数据的字节数。

数据段即为实际要发送的信息。

帧尾包括校验部分和帧结束标记。校验码占5个字节，采用CRC校验方式；帧结束标记用0xFA 0xF0 0xF0 0x00 0x00来表示。协议帧格式如表1所示。

3 十字屏系统设计

3.1 硬件设计

十字屏控制系统由Cortex-M4、LED显示屏、温度传感器、亮度传感器以及无线模块等组成[8-10]。其中温度和亮度传感器则是为了采集环境温度和亮度，来动态调整LED十字屏的色彩和亮度。因为该LED十字屏播放3D动画所占的存储空间比较大，所以在Cortex-M4的基础上扩展了Flash。系统总体结构如图4所示。

系统硬件电路如图5所示。

十字屏驱动电路由5块16*32的点阵模块组成，采用1/4扫。使用单元板便于扩充显示单元，控制灵活，软件设计相对也较为简单。

十字屏采用8块74HC595芯片驱动，使用动态扫描的方式各组发光灯依次点亮，只要扫描频率高于临界闪烁频率，给人的感觉就是一个静态的效果[11-13]。每一行LED亮、灭取决于74HC595中所锁存的信号。在第一行LED点亮的同时，在74HC595中移入第二行需要显示的数据，随后将其锁存，并同时由行扫描控制电路将第一行扫描管关闭而接通第二行，使第二行LED点亮，以此类推，最后一行扫描过后再回到第一行，只要扫描速度足够高，就可形成完整的图像。单片机将要显示的数据，转换成相对应的LED屏显示驱动信号，再加入相应的动态显示效果控制程序后，通过SPI口分别输出给行、列驱动电路。十字屏驱动芯片电路如下图6所示。

3.2 十字屏控制系统软件设计

十字屏下位机系统采用Keil MDK4作为开发工具，采用C语言编程。系统主要有播放节目模块、主从设置模块、十字屏参数设置模块、无线收发模块、中断处理模块等。当无数据接收时，程序读取节目列表并播放，有无线数据接收时，产生软中断负责数据的接收和保存，数据接收完后继续播放动画。

4 上位机监控软件设计

上位机监控软件采用Delphi XE开发工具，编程语言使用的是Delphi。该软件按功能划分为三大模块，十字屏管理模块、媒体信息管理、通讯管理模块，其模块结构如图7所示。

[LED十字屏上位机监控系统][十字屏管理模块][十字屏注册管理][十字屏配置管理] [媒体信息管理][十字屏仿真][节目管理] [通讯管理模块][十字屏IAP升级][十字屏动画下载][通讯参数设置]

十字屏管理模块有十字屏注册管理、十字屏配置管理功能等。十字屏注册管理：十字屏要与上位机之间通讯首先要在上位机注册序列号，注册后上位机发送广播信息，十字屏收到广播后响应，向上位机发送确认信息，当上位机收到十字屏发出的响应信息后完成注册；十字屏配置管理，设定LED十字屏控制参数，例如，将指定LED十字屏作为主机或从机、LED十字屏定时设置等。

媒体信息管理模块有十字屏3D动画仿真、节目管理功能等。用户可以根据实际需求添加自定义动画、文本信息或者删除动画，而且用户可以针对特定的节日制定特殊动画、定时播放等，并可通过3D动画仿真预览实际效果。

通信管理模块有十字屏IAP升级、动画下载、通信参数设置等。

5 系统应用

目前大多数药店或者医院都是采用传统的灯具来表示十字，这种方法只能简单提示人们这是药店或者医院，但不能给客户或者病人提供实时准确的信息以及显示3D动画等。在国外LED十字屏已经的到广泛的应用，但目前在国内还缺乏这方面的应用，所以LED十字屏在国内将有很好的应用前景。该LED十字屏在国外药店已经得到实际应用。

6 结束语

本文实现了基于无线的LED十字屏集群管理，十字屏与上位机采用了两种通讯方式，其一是上位机直接和所有的十字屏监控，二是上位机指定一个十字屏为主机且只与之通信，其他十字屏则与该十字屏进行信息交互。上位机可以随时编辑显示文本或3D动画。并且，该系统管理方便、成本低、维护简单，在实际中的到了很好的应用。

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