基于互联网的异步 LED 显示屏集管理系统的设计与实现
刘飞;王瑞光;陈伟
【摘 要】For the current domestic market,most of multiple asynchronous LED display management system based on LAN or 485 bus technology have many problems such as screen limited distribution geographical scope,costly cabling,localized user operations,single project managed and so on.To solve these problems,an open multiple-project multiple-users multiple-screen cluster management system based on Internet technology is designed and implemented in this paper.In the system,a data relay server and a media are designed as a bridge of communication between user and asynchronous LED display on Internet,a relational database is built to maintain the information of client companies, users,LED screens and associated relationships between them on data relay server,and a set of scalable layered communication protocol is designed.This system provides a highly optimized implementation method for data relay server.Otherwise,a reusable architecture of client software and asynchronous terminal software are designed.A
fter testing,system can operate stably and efficiently, achieve the ability that multiple-user can control the remote multiple-asynchronous LED display in real-time at any location that can access the Internet.%针对目前国内市场上基于局域网或者485总线的多异步 LED 显示屏管理系统存在的屏幕分布地理范围受限、布线成本高昂、用户只能本地操作、一个系统只能管理一种业务等问题，设计并实现了一种基于互联网技术的开放式多业务多用户多屏幕集管理系统。系统基于 Internet 网络设计了一个数据中转服务器和一个媒体服务器作为用户和异步LED 显示屏之间通信的桥梁，并在数据中转服务器上对客户公司、用户、屏幕及其关联关系的信息维护搭建了关系数据库，同时设计了一套可扩展的分层通信协议，并给出了一种高性能的中转服务器实现方法，还设计了客户端和异步终端软件的可复用架构。经过测试系统能够稳定高效运行，实现了多用户在任意可接入互联网的地理位置对多块异步 LED显示屏进行远程实时控制。
【期刊名称】《液晶与显示》
【年(卷),期】2014(000)006
【总页数】7页(P969-975)
【关键词】异步LED显示屏;集管理;数据中转服务器;Boost库
【作 者】刘飞;王瑞光;陈伟
【作者单位】中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033; 中国科学院大学，北京 100049;中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033;中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
【正文语种】中 文
1 引 言
LED（Light Emitting Diode）显示屏作为一种显示设备，具有域广、显示面积大和使用寿命长等优点，在许多领域都得到了广泛应用［1－3］。异步LED显示屏（下文简称异步屏或屏幕终端）是相对于同步显示屏而言，同步显示屏的显示内容是通过高速数据传输将计算机屏幕内容的一部分直接映射到显示屏上，而异步屏则是通过在结构内部嵌入工控计算机如RISC嵌入式系统对屏幕显示的内容进行独立控制，用户可以通过计算机网络或者移动存储设备对显示内容进行更新，因此广泛应用于分散布置的显示屏，如广告屏、交通诱
导屏、车载屏等［4－5］。目前国内异步屏控制系统大多采用RS485总线和局域网作为通信媒介，上位机通过串口或以太网网口控制异步屏更新数据和屏幕显示。随着异步屏应用越来越广泛，每个单位可拥有多达上百个屏幕终端，且分布范围具有跨城市、跨地域等特点，如高速公路情报板和气象预警屏。同时3G／4G无线通信技术的不断发展和成熟，也加速了异步屏分布式应用的需求，使用小范围内的网络环境或者局域网技术的控制系统，在处理大数量显示屏跨地域分布布线，以及系统的维护等问题上已经无法满足大多数用户的需求。
本文基于目前互联网技术进行系统设计，充分利用现有网络运营商提供的网络基础设施，如信号的广泛覆盖，宽带在全国各地的普及等。区别于国内大多数显示屏控制系统按照点对点或一对多的局域网控制模式，提出一种多对多的异步屏控制模式。通过搭建具有独立域名的中间服务器实现多屏幕和多客户管理、媒体文件暂存、用户屏幕之间数据透明转发等功能，使得能连入互联网的异步屏和用户可以随时随地进行实时监控和内容更新，更大程度地降低了通信线路布线成本和使用灵活性。
2 系统总体设计
2.1 系统基本结构
图1为本文提出的异步LED显示屏集管理系统结构图，分为4个部分：数据中转服务器，媒体服务器，屏幕终端，客户端。
图1 异步LED显示屏集管理系统结构图Fig.1 Framework of asynchronous LED display centralized management system
数据中转服务器是一台具有独立域名或者广域网IP地址的主机，安装Linux操作系统服务器版本。本文设计的数据中转服务软件基于Linux环境运行，同时监听多个端口来接收并维持当前登录用户和已注册的屏幕终端的TCP连接。服务器软件维护了全部的客户公司、用户、屏幕及其关联关系的数据库，对于关联的用户和屏幕之间的消息可以进行实时透明的转发。数据中转服务器具有连接数量多，单个连接数据通信量小、频率低等特点，适合用户对屏幕的实时监控，图文类型屏幕的节目实时发布。但是对于多个屏幕的大数据量传输没有优势，如视频类显示内容的更新等，这种情况下，需要使用到媒体服务器。
媒体服务器与数据中转服务器一样具有独立域名，主要用于存储和传输大容量节目文件。
本文基于搭建FTP服务器实现媒体服务器功能。用户可以通过本地节目制作软件编辑节目，将节目及素材按照特定的组织方式存储于媒体服务器上。用户准备好待播放的节目与素材后，通过数据中转服务器实时向屏幕终端发送更新播放节目内容的指令，屏幕终端转向媒体服务器请求媒体播放内容。媒体服务器的特点是只提供媒体内容相关的服务，如文件下载和上传。
屏幕终端由ARM嵌入式系统、屏幕扫描控制系统和屏幕驱动板构成，并借助于Linux操作系统强大的网络功能，为终端提供3G无线网络通信、10／100M自适应以太网通信、RS485串行接口通讯等多种通信方式［6－8］。屏幕终端软件运行于该系统之上，主动连接数据中转服务器，并长久保持网络连接，从而可以使用户对屏幕终端状态实时进行监控。
客户端包括PC客户端和移动客户端，必须工作在可以连入互联网的硬件环境，在设定数据中转服务器域名和端口后，主动连接中转服务器。用户需要输入鉴权密钥后登录进服务器，登录后可以对所辖屏幕终端的进行状态监控和节目更新等实时操作。
2.2 系统数据库建模
为了设计一种能跨地域支持多个客户公司（多个项目）、多个用户、多块异步屏的管理系统，本文根据实际需求建立一种了较为完备的关系数据库模型。
图2 关系数据库Fig.2 Relational database
通过仔细分析系统应用环境中各种信息和操作要求，明确所需数据类型及其属性，最终确定了数据库需要维护的四张关系表，分别为终端设备表、用户表、公司表和管理表［9］。图2是利用OSA（Open System Architect）数据库建模工具搭建的数据库模型简化示意图。一个公司（或者项目）可以拥有多个用户和多个屏幕终端，一个用户可以管理多块屏幕，一块屏幕又可以被多个用户同时管理。该数据库模型能够较好满足多业务多屏幕多用户的系统管理模式。（图中的“pi”代表该表的主键）
2.3 分层通信协议设计
嵌入式多线程编程考虑到数据传输的可靠性和有序性，本文的数据通信以TCP协议为基础。同时，为了解决基于TCP协议的数据流同步问题以及处理多个用户、多个事务，多个连接，多个层次的消息数据包等问题，本文设计了一种基于TCP协议之上的分层通信协议。各层采用统一的接
口就可以实现层次之间的通信，进而可以对各层的内部结构独立设计，更加易于协议的维护和实现［10］。协议主要分3层：收发层，会话层和业务层。
收发层对上层数据包加入了帧标识和帧长度标志标量，用以解决TCP协议流式传输的帧同步问题和非法连接请求。分发层包头定义了上层数据包类型和用户登录ID，区分不同的用户以及不同类型的协议数据包，从而将数据包准确的分发到对应的用户或相应的数据处理模块。业务层数据包包括登录数据包、服务器管理数据包和终端数据包，分别用来封装用户登录与注销，对服务器数据库管理和终端操作详细协议数据内容。各层协议数据结构及三种业务层数据包的简略结构如图3所示。

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