基于WSCN的LED显示屏远程控制系统的设计

盖之华+蒋瑾

摘要：本文设计了一套通过无线通信技术控制LED显示屏的系统，利用WSCN节点程序的在线维护功能，通过PC端监控软件将要显示的文字发送到控制板，实现对显示屏显示内容的修改，实现LED显示屏控制板程序代码的远程更新，与人工现场更新相比，显著地提高了更新的效率，簡化了更新的工作量。

关键词：WSCN；远程代码更新；通信协议

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）01-0229-02

随着社会发展，越来越多场合需要LED显示屏进行文字、图片或视频的显示，LED显示屏的稳定显示是由控制板程序决定，传统的LED显示屏控制板烧写好程序后，可通过串口或网口进行显示屏内容的更新，但无法对控制板程序进行代码更新，因此当程序发生错误或者需要对显示效果进行功能升级时，只能取下控制板进行程序的擦除和烧写。

一般情况下，LED显示屏都被安装在复杂的地理环境下，例如高楼外墙上、高速路段，当显示屏控制板上主控芯片程序出问题或需要功能升级时，需要现场取下控制板。然而为了防水等因素，通常控制板被设计在LED显示屏背部，取下它比较麻烦，会耗费大量的人力物力。因此，对LED显示屏控制板的程序实现在线更新具有很大的应用前景和价值。

1远程更新系统设计

基于物联网三层体系结构设计了远程代码更新系统，系统结构如图1所示。其中感知层包括无线传感器控制网络中的传感节点（WSCN节点）和连接无线传感器控制网络、移动通信网络的网关。网络层主要是数据传输的媒介，包括移动通信网络和互联网。

感知层的WSCN节点选择了基于IEEE802.15.4标准的硬件，通过更新引导程序的设计来实现具体的代码更新。感知层的网关选择了GPRS移动通信技术将感知层采集获取的数据传输到服务器。网关主要包括三个实体部分：主控模块、移动通信模块和路由节点。网关与服务器间双向通信通过移动通信模块实现，网关与WSCN节点间双向通信通过路由节点实现。

2 WSCN节点代码更新机制设计

基于远程更新系统设计，可实现LED显示屏控制板程序的无线更新。具体实现方法是对LED显示屏的控制板程序进行重新设计，在FLASH首地址加入更新引导程序[1]，将原先的LED控制程序进行相应修改配合更新引导程序的运行。

为模拟网关更新WSCN节点的程序，本研究设计了节点代码更新机制，并给出了一套串口和无线射频等技术相结合的WSCN节点代码更新简易结构。用户可以在PC机代码更新软件上选择相应WSCN节点进行高效、可靠的代码更新，结构如图2所示。其中，PC机与路由节点相当于网关的主控模块和路由节点，PC机通过路由节点实现与WSCN节点的数据交互。PC机与路由节点间通过USB转串口线进行连接，线的USB口端连接PC机，线的串口端连接路由节点的串口。路由节点和WSCN节点使用硬件相同的无线射频模块[2]。

整个更新机制的过程为PC机代码更新软件打开并解析待传输的机器码文件，分包组帧后通过路由节点转发给WSCN节点，WSCN节点接收完成且校验正确后实现代码更新。整个架构中WSCN节点的程序设计是整个远程代码更新系统的关键，路由节点及PC机软件的设计是为了验证WSCN节点程序设计的正确性。

通过PC机代码更新软件打开待更新的机器码，解析并提取出有效数据，分组组帧后通过串口发送给转发节点。转发节点将收到的命令或数据帧通过Sub-1G无线通信技术发送给LED显示屏的控制节点，控制节点收到帧数据后会比较目标节点地址与自身地址，若两个地址相同则节点接收该命令或数据帧，否则丢弃。LED显示屏控制节点开始收到的是更新命令帧，此时控制节点会调用内核头文件中的软件复位函数进行软件复位，程序从用户程序跳转到从FLASH首地址存放的更新引导程序中执行[3]。

LED显示屏系统中控制板程序代码更新软件直接使用了WSCN节点更新机制架构中PC机代码更新软件，后期可将该软件的功能移植到LED显示屏监控软件中，方便LED显示屏内容的更改和控制板程序的无线更新。

3 LED系统的远程更新设计

基于上述远程代码更新系统的设计，只需在LED显示屏控制系统中增加网关和服务器端监控软件，网关主要用于进行远程数据的传输，服务器端监控软件主要进行远程代码更新的控制和数据命令的发送接收。同时，LED显示屏控制程序中也需增加更新引导程序并修改用户程序配合更新引导程序的执行。LED显示屏控制系统的远程代码更新结构如图3所示。

服务器的管理软件和LED显示屏控制节点间通信需要经过服务器通信软件和网关。通信软件与网关间的通信协议为RCUCP，网关与控制LED显示屏的WSCN节点间的通信协议为WCUCP[4]。用户通过管理软件实现对LED显示屏控制板程序的更新，当通信软件收到更新命令则将机器码解析组帧后通过GPRS技术发送给网关，网关接收数据处理后再通过Sub-1G无线通信技术发送给各WSCN节点[5]。丢帧重传和防冲突机制保证了各控制LED屏显示的WSCN节点接收到所有的数据帧，进而更新引导程序能实现代码的可靠更新。

LED显示屏控制系统的远程更新结构搭建好后，选取了实验室的两块LED显示屏，分别对它们的控制板程序进行代码更新，其中更新的机器码大小为41KB。经过10次试验，两块LED显示屏控制板程序成功更新的时间相近，平均值分别为361秒和358秒。实验结果表明，远程代码更新技术适用于远程更新LED显示屏的控制板程序且效果良好。PC端显示屏监控软件界面见图4：

4 小结

为了验证本文设计的WSCN代码更新机制及远程代码更新系统的可行性，本研究为LED显示屏控制系统中增加了无线代码更新技术，实现了LED显示屏控制板程序的无线更新。同时，本研究也将设计好的服务器端软件及网关加入到LED显示屏控制系统中，验证了远程代码更新系统的实用性。

参考文献：

[1] 王宜怀，朱仕浪，郭芸.嵌入式技术基础与实践（第3版）[M].北京：清华大学出版社，2013.

[2] 胡宗棠，王宜怀，沈忱.面向MC1321X的低开销无线重编程机制的研究与设计[J].计算机应用与软件，2014，31（12）：272-277.

[3] 顾会光，王宜怀，史新峰.数据无损的远程代码更新的设计与研究[J].计算机工程与设计，2015（10）：2633-2639.

[4] 黄海宝，吴学杰，高艳艳.基于STM32F103局域网远程更新技术的实现[J].工业控制计算机，2012（12）：97-98.

[5] 王方方，易灵芝，陈海燕等.基于以太网的嵌入式交流伺服驱动系统实现[J].计算机工程，2012，38（13）：218-220，227.