寧 哲，屈軍鎖，楊樹強(qiáng)，房 田

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，西安 710061；2.電信科學(xué)技術(shù)第四研究所，西安 710061； 3.山東大學(xué) 外國語學(xué)院，濟(jì)南 250100)

嵌入式LCD情報(bào)板網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

寧 哲1，屈軍鎖1，楊樹強(qiáng)2，房 田3

(1.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，西安 710061；2.電信科學(xué)技術(shù)第四研究所，西安 710061； 3.山東大學(xué) 外國語學(xué)院，濟(jì)南 250100)

針對LED情報(bào)板顯示規(guī)模小、控制難、信息無法實(shí)時(shí)發(fā)布的問題，進(jìn)行了顯示方式、控制方法和通信模式的分析，提出了一種嵌入式LCD情報(bào)板網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案;該系統(tǒng)由智能顯示模組、網(wǎng)關(guān)、后臺數(shù)據(jù)庫和WEB界面四部分組成，智能顯示模組包括LCD顯示屏、觸摸屏、S3C2440嵌入式微處理器、人機(jī)界面處理系統(tǒng)和RS232通訊接口；網(wǎng)關(guān)是以嵌入式Linux操作系統(tǒng)OpenWrt和嵌入式微處理器RT5350為平臺，實(shí)現(xiàn)了802.11 b/g/n高速無線局域網(wǎng)、以太網(wǎng)WAN和RS232串口通信相互轉(zhuǎn)換的功能；后臺數(shù)據(jù)庫是以html和php語言為軟件支撐，管理員可以通過WEB界面靈活的管理情報(bào)板內(nèi)容和配置網(wǎng)關(guān)參數(shù);在校園搭建情報(bào)板網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)并進(jìn)行測試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)⒌讓臃?wù)與上層管理緊密結(jié)合，擴(kuò)大信息覆蓋面，提高信息利用率和發(fā)布效率，在信息發(fā)布技術(shù)的發(fā)展上有一定的參考、推廣價(jià)值。

情報(bào)板；網(wǎng)關(guān)；嵌入式系統(tǒng)；串口通信；后臺管理

0 引言

隨著信息化和網(wǎng)絡(luò)化的高度統(tǒng)一，信息傳播速度的不斷加快和信息發(fā)布技術(shù)的不斷完善和發(fā)展。LED情報(bào)板已成為人們獲取信息的重要方式之一，它可以循環(huán)播放文字、圖形和圖像信息。但在某些場合和領(lǐng)域，傳統(tǒng)的LED情報(bào)板也表現(xiàn)出一定的局限性，例如，在高校，教學(xué)管理特點(diǎn)決定了高校管理部門需要向?qū)W生和老師發(fā)布大量信息，單一的LED情報(bào)板顯示規(guī)模小，不能覆蓋整個(gè)校園信息網(wǎng)絡(luò)，若需大量信息的顯示，必然造價(jià)昂貴，并且其控制方式多以單一LED情報(bào)板控制為主流，若在滿足覆蓋面的基礎(chǔ)上，操作和更新大量顯示信息極其不便。在這種背景下，應(yīng)用嵌入式和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，本文提出了一種嵌入式LCD情報(bào)板網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，改善了傳統(tǒng)LED情報(bào)板表現(xiàn)出的局限性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)主要由智能顯示模組、網(wǎng)關(guān)、后臺數(shù)據(jù)庫和WEB界面四部分組成。智能顯示模組包括7寸TFT LCD液晶顯示屏、S3C2440嵌入式微處理器、電阻式觸摸屏、人機(jī)界面處理系統(tǒng)和RS232串口通信接口，可獨(dú)立完成圖形、文字界面的顯示和與外界通信、控制的工作；網(wǎng)關(guān)是以嵌入式Linux操作系統(tǒng)OpenWrt作為軟件支撐，采用嵌入式微處理器RT5350作為硬件平臺，主要實(shí)現(xiàn)WIFI、以太網(wǎng)WAN和RS232串口通信相互轉(zhuǎn)換的功能；后臺數(shù)據(jù)庫和WEB界面組成管理系統(tǒng)，可為用戶提供簡單、便捷的操作方案，管理人員僅需通過WEB[1]界面，即可靈活、便捷的管理情報(bào)板內(nèi)容、查詢情報(bào)板的工作狀態(tài)和配置網(wǎng)關(guān)參數(shù)。該系統(tǒng)整體部署如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體部署結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能如下：

1)LCD采用多窗口顯示機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的分塊、滾動(dòng)和刷新顯示；

2)實(shí)時(shí)監(jiān)測觸摸屏信息量變化，完成情報(bào)板終端信息的觸摸輸入與參數(shù)修改；

3)網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)監(jiān)聽遠(yuǎn)程服務(wù)器端的連接請求，通過TCP協(xié)議接收服務(wù)器數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)情報(bào)板終端可識別的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。

4)通過WEB界面實(shí)現(xiàn)情報(bào)板顯示窗口布局的任意設(shè)置和內(nèi)容的任意修改(例如文字的樣式，內(nèi)容顯示格式等)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 智能顯示模組

為了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選用Greatal生產(chǎn)的可編程式TFT LCD。該模組包含7寸液晶顯示屏、S3C2440[2]嵌入式微處理器、觸摸屏和RS232通訊接口。LCD采用AUO A070VW08 系列WVGA商業(yè)級TFT彩屏，分辨率為800*480。觸摸屏采用四線電阻式，此觸摸屏應(yīng)用廣，最為普及。其中通信接口采用串行通信方式，由于其成本低，線路少，在短距離傳輸大量信息時(shí)速度快，與網(wǎng)關(guān)相結(jié)合，可保證信息傳輸過程中的穩(wěn)定性、可靠性。

嵌入式微處理器采用架構(gòu)為ARM9核的S3C2440芯片，在此硬件平臺上嵌入式Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可提高屏幕窗口化顯示的刷新速度和頁面的切換效率，以及多任務(wù)的穩(wěn)定切換。

2.2 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)由軟件層和硬件層組成。硬件層包括嵌入式微處理器、以太網(wǎng)接口和串口模塊。嵌入式微處理器采用32位RT5350處理器，結(jié)合WIFI無線通信[3]技術(shù)，嵌入Linux操作系統(tǒng)OpenWrt，實(shí)現(xiàn)服務(wù)端與客戶端的數(shù)據(jù)傳輸、WEB遠(yuǎn)程服務(wù)功能和通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，串口模塊采用內(nèi)部RS232通信接口，波特率為115 200 Mbps。其具體結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 網(wǎng)關(guān)總體結(jié)構(gòu)

RT5350集成了360 MS的MIPS 24KEc內(nèi)核的完整SoC[4]。集成的RT2872無線模塊以2T2R架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)300 Mbps的數(shù)據(jù)速率，具有豐富的通信接口，例如UART、PCI等，與本文LCD情報(bào)板RS232通信接口相結(jié)合，完成WIFI與串口的相互轉(zhuǎn)換，以保證服務(wù)器通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送的數(shù)據(jù)包傳輸給LCD情報(bào)板.網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)框架

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 情報(bào)板系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LCD情報(bào)面顯示界面開發(fā)軟件采用圖形嵌入式界面開發(fā)工具,此工具涵蓋多種控件元素，并集成了Windows端可視化界面開發(fā)環(huán)境，支持JS腳本，C語言腳本，通過該工具可完成靜態(tài)外觀(如字體、窗口和樣式等)和動(dòng)態(tài)行為的界面效果，以及多任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

界面顯示采用多窗口機(jī)制，內(nèi)容模塊化以及加入信息量判別標(biāo)志。以便高效利用各窗口動(dòng)態(tài)切換并顯示信息，防止窗口在未接收到信息顯示信令時(shí)空白顯示。信息顯示流程如圖3所示。

圖3 信息顯示流程圖

情報(bào)板上電后，會完成全局腳本的初始化操作，并且進(jìn)入空閑循環(huán)等待狀態(tài)。當(dāng)接收到有效的對象控件事件觸發(fā)時(shí)，會立即執(zhí)行控件中的動(dòng)作腳本，執(zhí)行完畢后返回空閑循環(huán)等待狀態(tài)，情報(bào)板腳本執(zhí)行過程如圖4所示。

圖4 情報(bào)本腳本執(zhí)行過程圖

3.2 網(wǎng)關(guān)操作系統(tǒng)移植

OpenWrt是基于Linux的高度模塊化、自動(dòng)化的嵌入式路由操作系統(tǒng)。其網(wǎng)絡(luò)組建強(qiáng)大，擴(kuò)展性特別強(qiáng)。OpenWrt[5]能夠很好地支持ARM架構(gòu)微處理器，通過MAKE命令即可制作特定功能的嵌入式系統(tǒng)固件，而OpenWrt SDK更加使開發(fā)工序方便易行。

OpenWrt開發(fā)主要包含如下幾個(gè)過程：

1)創(chuàng)建linux的交叉編譯環(huán)境；

2)移植RT5350 Tool-Chain工具鏈：

Step1：install toolchain

cp RT535x_SDK/toolchain/buildroot-gcc342.tar.bz2/opt

tar jxvf buildroot-gcc342.tar.bz2

mkdir /opt/buildroot-gdb

mkdir /opt/buildroot-gdb/bin

Step2:install LZMA Utility

tar xvf RT535x_SDK/toolchain/lzma-4.32.7.tar.gz

cd RT535x_SDk/toolchian/lzma-4.32.7

./configure

make

make install(auto install lzma to /usr/local.bin)

Step3:install mksquashfs utility

3)移植Bootloader：

Step1:Uboot Configuration(set the DRAM size，LAN/WAN Partition)

Step2:Build the uboot image

Step3:Burn the uboot image

4)移植linux內(nèi)核(版本采用Linux-2.6.2)

cd RT535x_SDK/toolchain/mksquash_lzma-3.2

make install (auto copy lzma_alone mksquashfs_lzma-3.2 to /opt/buildroot-gdb/bin )

5)建立根文件系統(tǒng)：

cd RT535x_SDK/source

make menuconfig

Step1:選擇板型號

Step2:選擇flash和SDRAM大小

Step3:保存并退出

Step4:Compile Linux image

3.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)通信過程中采用了TCP/IP通信和RS232串口通信，因此需要構(gòu)建通信協(xié)議幀結(jié)構(gòu)，以保證信息傳輸?shù)目煽啃院屯暾?。幀格式如?所示。

①幀頭：表示一幀開始，內(nèi)容規(guī)定為FFAA。

②幀長：表示整幀內(nèi)容的長度。

表2 通信協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

③窗口標(biāo)識：LCD情報(bào)板有多個(gè)窗口，并且每個(gè)窗口命名一個(gè)名字長度為4字節(jié)。

④數(shù)據(jù)協(xié)議幀結(jié)構(gòu)格式：

[object name].[object property name] = [object value]，[object name]為控件自定義名稱，[runtime property name]為控件特定屬性，[object value]為空間對象值，如name.text="ABCDE",此數(shù)據(jù)協(xié)議內(nèi)容為名字是name的文本控件，其值為ABCDE.

⑤奇偶校驗(yàn)位：采用奇偶校驗(yàn)方法以保證降低通信誤碼率。

⑥幀尾采用回車符，表示一幀的結(jié)束，長度為一個(gè)字節(jié)。

4 實(shí)驗(yàn)測試與驗(yàn)證

通過開發(fā)嵌入式LCD情報(bào)板網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)實(shí)際產(chǎn)品并進(jìn)行測試，測試方法為：在校園教室以及實(shí)驗(yàn)室等人流量較大的辦公點(diǎn)安置此設(shè)備，構(gòu)建校園無線VLAN，通過PHP搭建的后臺服務(wù)器定時(shí)給情報(bào)板發(fā)送內(nèi)容，并且不定時(shí)通過WEB界面實(shí)時(shí)對情報(bào)板顯示內(nèi)容、文本樣式和窗口結(jié)構(gòu)修改。經(jīng)測試，情報(bào)板能夠穩(wěn)定的進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和高速的刷新數(shù)據(jù)內(nèi)容，網(wǎng)關(guān)能夠可靠地完成數(shù)據(jù)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，并且可以實(shí)時(shí)接收并解析后臺發(fā)送的數(shù)據(jù)包，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好。

5 結(jié)束語

嵌入式LCD情報(bào)板網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)能夠有效地提高信息發(fā)布的效率、擴(kuò)大信息覆蓋面和準(zhǔn)確的進(jìn)行信息顯示。操作者可以方便、快捷的通過WEB界面對多臺情報(bào)板進(jìn)行內(nèi)容修改和信息發(fā)布，解決了目前通信方案中無法在一個(gè)大網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下控制多顯示屏的難題，該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果良好。

[1] 施忠華.基于嵌入式Linux和Sqlite的Web服務(wù)器的研究與應(yīng)用[D].南昌:南昌大學(xué),2012.

[2] Samsung Corporation. S3C2440A 32-bit RISC microprocessor user’s manual [RB/OL]. http://www.samsung.com,2009.

[3] 王 殊，閻毓杰，胡富平，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版利,2007.

[4] 王慶波,葉錫恩,王賢禮.基于RT5350的家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù),2015(6):61-64.

[5] 馬 成.基于Linux的嵌入式智能家居服務(wù)器的研究與設(shè)計(jì)[D].南京:江蘇科技大學(xué),2013.

Design and Development of Embedded LCD Bulletin Board Gateway System

Ning Zhe1, Qu Junsuo1,Yang Shuqiang2,Fang Tian3

(1.School of Telecommunication and Information Technology, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710061，China；2.Fourth Research Institute of Telecommunications Technology, Xi’an 710061，China；3.School of Foreign Languages and Literature,Shandong University,Jinan 250100,China)

The embedded LCD bulletin board gateway system is designed after the analysis of the display mode, control method and communication mode to solve the problems of small size, difficulty in control and postponement of information occurring to LED bulletin board. This system is comprised of four parts namely smart display module, gateway, background data base and WEB interface. The smart display module includes LCD display screen, touch screen, S3C2440 embedded microprocessor, human-computer interface processing system and RS232 connector. Gateway can realize the function of conversion between 802.11b/g/n high-speed wireless LAN, Ethernet WAN and RS serial port communication based on the embedded Linux operating system OpenWrt and embedded microprocessor RT5350. Background data base is established using html and php languages and the administrator can have an easier control on the bulletin board information and set the parameters of gateway. This bulletin board gateway system has been established and tested at the XUPT campus. The test results indicate that it can construct a close relationship between service and top management, expand the coverage of information, improve information utility as well as the efficiency of information distribution, thus providing a reference for the development of information distribution technology and having values for promotion.

bulletin board; gateway; embedded system; serial port communication; background management

2015-12-30；

2016-01-29。

寧 哲(1990-)，男，碩士生，主要從事移動(dòng)通信及物聯(lián)網(wǎng)方向的研究。

屈軍鎖(1968-)，男，碩士生導(dǎo)師，教授，主要從事移動(dòng)通信網(wǎng)、寬帶信息網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及應(yīng)用等方向的研究。

楊樹強(qiáng)(1967-)，男，教授級高工，主要從事移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)方向的研究。

1671-4598(2016)07-0224-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.060

TP393.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A