基于SIM300的無線LED顯示屏控制系統(tǒng)設計

摘要：針對目前LED 點陣顯示屏的廣泛應用以及GPRS 網(wǎng)絡全國覆蓋的優(yōu)勢， 提出基于GPRS技術的無線LED 顯示屏控制系統(tǒng)方案。詳細介紹控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結構、軟硬件設計過程和通信協(xié)議的制定。此設計在多LED 顯示屏組網(wǎng)控制，而LED 屏又分布范圍較廣時優(yōu)勢較明顯，可以拓寬LED 顯示屏的應用領域，具有一定的應用價值。

0 引言

隨著LED 技術的發(fā)展與提高，大型LED 顯示屏已廣泛應用于各類公共場所，用于顯示文字、圖形、視頻圖像等多媒體信息。在城市信息現(xiàn)代化建設中，LED 顯示屏成為現(xiàn)代信息傳播的重要媒體之一。隨著戶外LED 屏數(shù)量的劇增和使用范圍的擴大，對LED 顯示屏的管理與控制提出了新的要求。

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)主要由上位機和下位機組成。上位機為安裝有LED 屏管理軟件而且能連接Internet 或GPRS 網(wǎng)絡的設備，例如PC、移動設備等。下位機為以AVR 單片機控制模塊為主的LED 屏無線控制器。系統(tǒng)拓撲結構如圖1 所示。
 

系統(tǒng)主要利用GPRS 模塊作為無線Modem, 實現(xiàn)了LED 顯示屏無線控制器（作為客戶端）撥號上網(wǎng)，與Internet 網(wǎng)絡上的上位機（作為服務端）進行TCP 無線通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，完成對LED 屏的無線數(shù)據(jù)更新。

2 下位機硬件設計

如圖2 所示，LED 屏無線控制器主要由四部分組成： 電源模塊、GPRS 模塊、AVR 單片機控制模塊、LED顯示屏。

2.1 AVR 單片機控制模塊

為了保證通信數(shù)據(jù)的實時性和效率， 又能兼顧驅(qū)動LED 顯示屏， 所以本模塊采用的MCU 是擁有雙串口的ATMEL 公司的ATmega 162.它是一款基于AVRRISC 的低功耗CMOS 的8 位單片機，其穩(wěn)定性、可靠性非常高， 能適應各種環(huán)境， 適用于各種不同的無線LED 顯示屏使用環(huán)境。

本模塊主要處理GPRS 模塊接收到的信息， 并將接收到的屏顯信息傳送給LED 屏，同時通過串口發(fā)出AT 指令監(jiān)視GPRS 模塊是否有新消息。一旦有，立刻進入串口中斷，對數(shù)據(jù)進行處理。在TCP/IP 協(xié)議下，數(shù)據(jù)采用十六進制的方式傳輸，不需要進行漢字解碼，大大簡化了系統(tǒng)外圍電路的設計。

2.2 GPRS 模塊電路

GPRS 模塊采用了SIMCOM 公司的SIM300.該模塊體積小巧，性能突出，可廣泛應用于無線語音傳輸、車載系統(tǒng)、遠程抄表、安全監(jiān)控、遙控遙測、手持設備等領域。

SIM300 模塊具有功能完備的系統(tǒng)接口，在內(nèi)部集成了TCP/IP 協(xié)議棧，擴展了TCP/IP AT 指令，可以通過串口對其提供的AT 指令進行交互操作。這樣可以降低開發(fā)難度，易于實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，而且成本較低，系統(tǒng)的可擴展性好。

SIM300 需要外接SIM 卡卡座，其串口與單片機的串口相連，將GPRS 模塊接收到的信息傳送給單片機，然后進行數(shù)據(jù)處理。而AVR 單片機則控制SIM300 模塊的開關，AVR 單片機與SIM300 模塊的連接示意圖如圖3 所示。

2.3 LED 屏驅(qū)動電路

本系統(tǒng)的LED 條屏采用比較經(jīng)典的74HC595 作為點陣輸出的列驅(qū)動，采用ULN2803 作為行驅(qū)動。此方案的驅(qū)動電路設計軟硬件設計簡單，而且功耗低、驅(qū)動能力強、占用的I/O 口線較少，是一種造價低廉、應用靈活的設計方案。

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3 通信協(xié)議設計

由于本系統(tǒng)采用了GPRS 網(wǎng)絡的通信模式， 所以上位機設置一個LED 控制器管理平臺來管理所有的LED 控制器。這個LED 控制器管理平臺（即"上位機軟件"）通過TCP/IP 協(xié)議與LED 屏無線控制器進行通信，而且可以同時控制多臺。上位機軟件與LED 屏無線控制器之間采用GPRS 方式進行連接， 它們之間的連接關系如圖4 所示。

LED 屏無線控制器是客戶端， 其數(shù)據(jù)的收發(fā)通過上位機軟件控制。當LED 屏控制器上電運行后，會主動向上位機軟件建立連接并握手，登錄成功后，上位機軟件與LED 控制器才能進行數(shù)據(jù)傳輸。

上位機軟件與各LED 屏無線控制器之間通信協(xié)議是以TCP 協(xié)議為基礎協(xié)議， 并自定義了一個STCP協(xié)議層用于封裝PDU（數(shù)據(jù)單元）數(shù)據(jù)層協(xié)議。STCP 協(xié)議層只為PDU 的承載框架， 提供安全可靠的傳輸過程。通信網(wǎng)絡層結構圖如圖5 所示。

圖5 通信網(wǎng)絡層結構圖

在自定義的STCP 通信協(xié)議中，制定了一系列管理無線LED 顯示屏控制器的通信指令，主要為上位機軟件的編程提供具體的通信結構和規(guī)范。通信包格式如表1所示：

表1 通信包格式

注：

完整數(shù)據(jù)長度： 整型字節(jié)（4 個字節(jié)長度），整個通信包的長度；

命令字： 根據(jù)無線LED 顯示屏控制器通信指令表，見表2;

顯式控制字： 0-無；1-上移；2-下移；3-左移；4-右移；5-靜止；6-閃爍；7-刪除；

數(shù)據(jù)內(nèi)容：需要顯示信息內(nèi)容；

校驗和： 全部數(shù)據(jù)累加校驗和；

根據(jù)無線LED 顯示屏控制器實際運用需要，制定了發(fā)送、刪除、顯示、連接、斷開指令等。這些指令的代碼和主要作用如表2 所示。

表2 通信指令表

上位機軟件通過Internet 網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到無線LED 顯示屏控制器后，LED 顯示屏控制器需要對收到的數(shù)據(jù)進行處理。根據(jù)指令的不同，可以控制LED 顯示屏的顯示內(nèi)容及顯示模式（例如上移、下移、左移、右移、靜止、閃爍、刪除等）。

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4 軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計包括兩部分： 上位機軟件和AVR 單片機的控制程序。上位機軟件完成與GPRS 模塊的通信， 控制LED 顯示屏上顯示的數(shù)據(jù)信息；AVR單片機的控制軟件主要完成系統(tǒng)初始化，GPRS 網(wǎng)絡連接，接收上位機發(fā)送的信息，分析接收信息內(nèi)容，完成指令， 并按需將發(fā)布信息轉(zhuǎn)換為點陣信息， 送到LED顯示屏進行顯示。

4.1 AVR 單片機的控制程序

AVR 單片機的控制程序主要完成以下功能：連接GPRS 網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)傳輸、控制LED 屏顯示。

（1）初始化系統(tǒng)及SIM300 模塊，連接GPRS 網(wǎng)絡；（2）依照顯示屏控制器與上位機的通信協(xié)議，與上位機通信握手，接收指令，解析指令，并將顯示數(shù)據(jù)等信息存儲與處理；（3）通過串口驅(qū)動LED 屏，進行信息的顯示等。

下面簡單介紹SIM300 模塊與上位機實現(xiàn)TCP/IP無線通信流程。

　　AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET" --注冊中國移動網(wǎng)絡

　　OK

　　AT+CGCLASS? --顯示GPRS 信息移動的類型

　　+CGCLASS: "B"

　　OK

　　AT+CGATT? --GPRS 服務附加/分離

　　+CGATT: 1

　　OK

　　AT+CGACT=1,1 --環(huán)境激活

　　OK

　　AT +CIPSTART = "TCP","202.196.87.7","2020" -- 啟動

　　TCP 連接（上位機IP 地址及端口號）

　　OK

　　CONNECT OK --連接成功

　　AT+CIPSEND --通過TCP 發(fā)送數(shù)據(jù)

　　> HELLO

　　SEND OK --發(fā)送成功

4.2 上位機軟件

本系統(tǒng)的上位機軟件主要采用VC 設計一個通信界面，實現(xiàn)與LED 遠程控制器通信。用戶界面部分采用MFC 框架基于Dialog 實現(xiàn)。在利用Visual C++進行通過TCP/IP 協(xié)議網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)開發(fā)時， 采用IOCP 框架來實現(xiàn)Windows Socket 的完成端口模型。

IOCP 即I/O 完成端口（I/O Completion Port），是一個異步I/O 的API,它可以高效地將I/O 事件通知給應用程序。一個套接字在被創(chuàng)建后，與一個完成端口進行關聯(lián)。當一個事件發(fā)生的時候，此完成端口就將被操作系統(tǒng)加入一個隊列中， 然后應用程序可以對核心層進行查詢以得到此完成端口。當某項I/O 操作一旦完成， 某個可以對該操作結果進行處理的工作線程就會收到一則通知。在此應用程序中創(chuàng)建一定數(shù)量的工作線程來處理重疊I/O 請求的通知。

IOCP 框架的啟動流程如圖6 所示。

IOCP 框架的實現(xiàn)步驟如下：

（1）初始化Winsock 工作環(huán)境，并創(chuàng)建完成端口，創(chuàng)建完成端口線程，建立一個監(jiān)聽套接字，使套接字與完成端口關聯(lián)起來；

（2）監(jiān)聽套接字開始工作，當監(jiān)聽套接字接收到客戶端TCP 的連接請求時，IOCP 會獲取并處理該消息，創(chuàng)建對應的Socket 對象進行接收處理，完成連接工作；

（3）當客戶端完成TCP 連接后，可以開始數(shù)據(jù)通信，由I/O 線程來負責分發(fā)I/O 請求，通過線程池來分配邏輯處理環(huán)境；

（4）在接收數(shù)據(jù)后，將微軟提供的一個I/O 數(shù)據(jù)結構（WSAOVERLAPPED）進行擴展，完成協(xié)議解析和數(shù)據(jù)處理。

此外，這里的線程池只是一個管理隊列，用于處理線程資源的管理， 用最少的線程完成最大業(yè)務邏輯的處理。真正執(zhí)行的線程函數(shù)也不完成詳細的業(yè)務處理，僅僅完成對I/O 請求的再調(diào)用，而由虛函數(shù)實現(xiàn)I/O 請求的再處理。

為了提高軟件的友好性， 框架采用Windows 的消息機制，與UI 進行交互，通過窗口消息將框架的相關信息傳遞給UI 窗口。因此在框架中保留了一個指針成員， 并在需要的時候通過該指針調(diào)用消息響應函數(shù)向窗口發(fā)送消息，UI 根據(jù)消息反映框架的運行信息。

5 結語

根據(jù)近年來GSM/GPRS 數(shù)據(jù)通信技術等發(fā)展的趨勢，本文提出了基于GPRS 網(wǎng)絡的、使用低成本SIM300模塊的無線LED 屏控制器的設計方案， 該系統(tǒng)利用TCP/IP 協(xié)議實現(xiàn)了基于GPRS 網(wǎng)絡的無線數(shù)據(jù)的傳送。上位機將文字或圖片信息數(shù)據(jù)通過GPRS 網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h程LED 屏終端， 也可以接收客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)的內(nèi)容相應地完成各種命令，控制LED屏顯示相應的信息。該系統(tǒng)設計經(jīng)測試取得了良好的效果。