基于物联网技术的多媒体中控器的设计研究

蓝土庆，温聪

（岭南师范学院 网络与信息技术中心，广东 湛江 524048）

0 引言

物联网作为一种全新的信息传播方式，已经发展应用到各行各业，多媒体教育技术亦不例外。多媒体教学随着多媒体教育技术的不断发展已变得越来越重要。但是，由于多媒体教室内引入的设备种类繁多，在实际教学中操作复杂，得不到充分利用，极在影响了教学质量。本文针对当前高校多媒体教室管理的现状，设计一种基于物联网的中控系统，可实现环境集控、远程监控、本地上位机通信或面板操控等多方式控制设备，从而更有效地实现对多媒体教室的监控与管理[1]。

1 系统总体设计框图

该中央控制系统以STC15F2K60S2单片机作为主控芯片，单片机系统接收来自Zigbee模块、面板键盘、本地上位机以及远程监控上位机的环境和设备状态信息，这些信息经过单片机处理后变为相应的控制信号，通过设备控制模块来完成相应的操作功能。而实时感知无线传感网络主要采用Zigbee网络的拓扑结构来实现温度、光线、射频识别等节点的检测和控制[2]，其它控制模块主要由：视频信号切换、VGA/HDMI信号切换、开关控制、面板键盘、以太网接口等这五个子模块来组成。另外，主控芯片的参数设置、投影的指令控制和状态监测以及与PC机的通信方式均可通过串行通信模块来实现。系统的结构框图见图1。

2 以太网模块W5500

本设计的以太网模块采用的是W5500，它是韩国WIZNET公司研制的一款具有全硬件TCP/IP嵌入式网络控制器，它整合了5层结构中的前4层，分别为物理层、数据链路层、网络层和传输层，并在内部利用硬件实现了TCP/IP协议栈。另外，在单片机与W5500主要以SPI（外设串行接口）通信，W5500 的使用了新的高效 SPI 协议支持 80MHz 速率，容易与外设单片机整合，从而能够更好的实现高速网络通讯。

图1 系统结构框图Fig.1 System block diagram

W5500 内嵌 32K 字节片上缓存以供以太网包处理，因此，我们只需要进行 Socket编程，通过TCP使用本机IP地址、端口号建立Socket连接，使用该Socket发送和接收数据，即可实现局域网内的监控与管理[3-4]。

在设计中，将连接W5500的STC15F2K60S2单片机作为服务器（见图2），多媒体教室远程监控管理软件作为客户端（见图3），实现网络连接通信。其中远程监控中心客户端软件是在C++平台开发出来的，可实现多媒体设备和环境设备的监控管理等功能。

图2 TCP服务器Fig. 2 TCP server

3 本地上位机

本地PC上位机是通过串口通信的方式实现与单片机进行连接，可实现本地控制中控器设备的参数设置：重设单片机寄存器数据，修改子模块设备接入应用参数，实现多样化的设备控制和接入管理功能，软件通信部分主要在VB6.0开发软件中实现。如图4为单片机系统与本地上位机总体设计框图，图5是本地上位机的可视化界面。本文将着重介绍如何利用该上位机模块实现重写外接控制设备的控制代码。

图3 客户端监控软件Fig. 3 Client monitoring software

图4 本地上位机软件设计框图Fig.4 Block diagram of local host computer software

图5 本地上位机的可视化界面Fig.5 Visualization interface of local PC

4 软件程序设计

4.1 本地上位机通信软件的实现

在上位机中实现串行通信主要是以VB6.0作为开发工具，调用微软公司提供的通讯控件Mscomm32.ocx，该控件较为简单，它提供了一系列标准通信命令的接口，只要设定和监视通信控件的属性和事件就可以快速准确地实现上位机的串口通信功能。本设计的程序是以更改投影机开机控制指令为例来说明上位机是如何与多媒体中控器的主控芯片通信，实现单片机系统寄存器数据的重写过程[5-6]。具体可分为如下两个步骤介绍：

（1）通信协议的制定。本设计所介绍的通信协议制定方法是以刷写东芝投影机为例，其通信波特率为9600bps，串行通信协议格式如表1所示。发送的起始字符为“STX”，结束字符为“ETX”，而控制指令的具体数据是由投影厂家自己所设定的，指令长度可以为多个字节，根据东芝投影机控制字符，可确定该品牌投影机的控制指令为3个字节，具体控制指令如表2所示。因此，可知道通过串口控制投影机开机的指令是：“02H 50H 4FH 4EH 03H”。

表1 数据发送格式Table1 Data transmission format

表2 东芝投影机的控制指令Table 2 Control instructions for Toshiba projector

（2）上位机的串口通信程序。本设计上位机的通信程序是用Visual Basic编写，在接收数据时采用事件驱动法，即是当接收缓冲区有Rthreshold个数据时，引起OnComm事件。程序设计思路：首先设定各个功能字符的最后一位为动作指令，如动作指令字符“N”表示投影机开机；字符“F”表示投影关机；字符“1”“2”“3”表示选择信号源。当PC机发送动作指令 (此程序以关机为例)，单片机如接收到动作指令“F”后，则向PC机回发“F”，当PC机接收确认之后，再向单片机发送开投影机的控制指令(02H 50H 4FH 46H 03H)，同时返回指令并显示在客户端软件的“通信数据显示窗”上，而单片机接受到投影机的关机指令后可逐一写入其数组寄存器中，同时也向投影机转发该控制指令实现投影的关机操作。其通信部分程序如下[4]：

①串口初始化

②事件处理程序

4.2 以太网模块程序设计

W5500作为TCP服务器模式，Socket初始化后与客户端的连接过程如图2所示，打开Socket后，服务器执行LISTEN命令，处于侦听状态，并一直等待客户端的连接请求，当服务器侦听到客户端的连接请求（SYN包），接收SYN包并建立Socket连接，连接成功后，Socket状态改为ESTABLISHED,此状态下，客户端监控软件即可实现与中控器进行设备的控制或状态查询等数据通信功能。当服务器或客户端需要关闭Socket时，要先发送一个断开连接请求（FIN数据包）给对方，然后等待，直到得到响应（FIN/ACK数据包）时，Socket状态改为SOCK_CLOSED，并且关闭。TCP服务器程序流程图见图6。

图6 TCP服务器程序流程图Fig. 6Flow chart of TCP server program

4.3 下位机程序设计

系统主程序主要包括：单片机的初始化、对各子程序的切换和控制。首先对单片机进行初始化，设置串行口控制寄存器SCON、电源控制寄存器PCON，定时器T1初始化和开中断等，然后判断上位机（本地PC机、远程监控中心）是否有请求。有则立即产生中断信号，跳转到相应子程序模块，响应完后仍进行一次键盘扫描子程序；若没有请求则程序跳转到键盘扫描子程序，由时钟自动调用键盘扫描模块，所检测到的键值，根据键值译码子程序译码得到对应功能按键，再执行与其对应的子程序，从而实现控制各个信号模块的功能[7-10]。主程序流程图见图7。

5 结论

图7 系统主程序Fig. 7 Main program of the system

本文介绍了一种基于物联网的多媒体中控器设计方案。它主要是以单片机STC15F2K60S2和以太网模块W5500为通信核心，通过VB6.0软件介绍了如何利用本地PC上位机与下位机的串口通信协议，以关闭东芝投影机为例，修改所接入设备的控制代码，实现多样化的设备控制管理功能；通过硬软件架构着重分析了基于物联网网关中TCP/IP协议栈在控制器中实现TCP服务器通信的过程。采用模块化设计的多媒体中控系统，用户除了能通过面板按键操作设备之外，还可以通过本地PC上位机、远程监控中心实现多媒体各子模块设备的功能控制、环境集控、参数重设以及运行状态监测等功能。因此，本系统具有较好的人机交互界面，达到了操作简易、控制方式多样和高效管理的功能。