基于SIM300的无线LED显示屏控制系统设计

　　摘要：针对目前LED 点阵显示屏的广泛应用以及GPRS 网络全国覆盖的优势， 提出基于GPRS技术的无线LED 显示屏控制系统方案。详细介绍控制系统的系统结构、软硬件设计过程和通信协议的制定。此设计在多LED 显示屏组网控制，而LED 屏又分布范围较广时优势较明显，可以拓宽LED 显示屏的应用领域，具有一定的应用价值。

　　0 引言

　　随着LED 技术的发展与提高，大型LED 显示屏已广泛应用于各类公共场所，用于显示文字、图形、视频图像等多媒体信息。在城市信息现代化建设中，LED 显示屏成为现代信息传播的重要媒体之一。随着户外LED 屏数量的剧增和使用范围的扩大，对LED 显示屏的管理与控制提出了新的要求。

　　1 系统工作原理

　　本系统主要由上位机和下位机组成。上位机为安装有LED 屏管理软件而且能连接Internet 或GPRS 网络的设备，例如PC、移动设备等。下位机为以AVR 单片机控制模块为主的LED 屏无线控制器。系统拓扑结构如图1 所示。

　　系统主要利用GPRS 模块作为无线Modem, 实现了LED 显示屏无线控制器（作为客户端）拨号上网，与Internet 网络上的上位机（作为服务端）进行TCP 无线通信，实现数据传输，完成对LED 屏的无线数据更新。

　　2 下位机硬件设计

　　如图2 所示，LED 屏无线控制器主要由四部分组成： 电源模块、GPRS 模块、AVR 单片机控制模块、LED显示屏。

　　2.1 AVR 单片机控制模块

　　为了保证通信数据的实时性和效率， 又能兼顾驱动LED 显示屏， 所以本模块采用的MCU 是拥有双串口的ATMEL 公司的ATmega 162.它是一款基于AVRRISC 的低功耗CMOS 的8 位单片机，其稳定性、可靠性非常高， 能适应各种环境， 适用于各种不同的无线LED 显示屏使用环境。

　　本模块主要处理GPRS 模块接收到的信息， 并将接收到的屏显信息传送给LED 屏，同时通过串口发出AT 指令监视GPRS 模块是否有新消息。一旦有，立刻进入串口中断，对数据进行处理。在TCP/IP 协议下，数据采用十六进制的方式传输，不需要进行汉字解码，大大简化了系统外围电路的设计。

　　2.2 GPRS 模块电路

　　GPRS 模块采用了SIMCOM 公司的SIM300.该模块体积小巧，性能突出，可广泛应用于无线语音传输、车载系统、远程抄表、安全监控、遥控遥测、手持设备等领域。

　　SIM300 模块具有功能完备的系统接口，在内部集成了TCP/IP 协议栈，扩展了TCP/IP AT 指令，可以通过串口对其提供的AT 指令进行交互操作。这样可以降低开发难度，易于实现数据传输，而且成本较低，系统的可扩展性好。

　　SIM300 需要外接SIM 卡卡座，其串口与单片机的串口相连，将GPRS 模块接收到的信息传送给单片机，然后进行数据处理。而AVR 单片机则控制SIM300 模块的开关，AVR 单片机与SIM300 模块的连接示意图如图3 所示。

　　2.3 LED 屏驱动电路

　　本系统的LED 条屏采用比较经典的74HC595 作为点阵输出的列驱动，采用ULN2803 作为行驱动。此方案的驱动电路设计软硬件设计简单，而且功耗低、驱动能力强、占用的I/O 口线较少，是一种造价低廉、应用灵活的设计方案。

　　3 通信协议设计

　　由于本系统采用了GPRS 网络的通信模式， 所以上位机设置一个LED 控制器管理平台来管理所有的LED 控制器。这个LED 控制器管理平台（即"上位机软件"）通过TCP/IP 协议与LED 屏无线控制器进行通信，而且可以同时控制多台。上位机软件与LED 屏无线控制器之间采用GPRS 方式进行连接， 它们之间的连接关系如图4 所示。

　　LED 屏无线控制器是客户端， 其数据的收发通过上位机软件控制。当LED 屏控制器上电运行后，会主动向上位机软件建立连接并握手，登录成功后，上位机软件与LED 控制器才能进行数据传输。

　　上位机软件与各LED 屏无线控制器之间通信协议是以TCP 协议为基础协议， 并自定义了一个STCP协议层用于封装PDU（数据单元）数据层协议。STCP 协议层只为PDU 的承载框架， 提供安全可靠的传输过程。通信网络层结构图如图5 所示。

图5 通信网络层结构图

　　在自定义的STCP 通信协议中，制定了一系列管理无线LED 显示屏控制器的通信指令，主要为上位机软件的编程提供具体的通信结构和规范。通信包格式如表1所示：

表1 通信包格式

　　注：

　　完整数据长度： 整型字节（4 个字节长度），整个通信包的长度；

　　命令字： 根据无线LED 显示屏控制器通信指令表，见表2;

　　显式控制字： 0-无；1-上移；2-下移；3-左移；4-右移；5-静止；6-闪烁；7-删除；

　　数据内容：需要显示信息内容；

　　校验和： 全部数据累加校验和；

　　根据无线LED 显示屏控制器实际运用需要，制定了发送、删除、显示、连接、断开指令等。这些指令的代码和主要作用如表2 所示。

表2 通信指令表

　　上位机软件通过Internet 网络将数据发送到无线LED 显示屏控制器后，LED 显示屏控制器需要对收到的数据进行处理。根据指令的不同，可以控制LED 显示屏的显示内容及显示模式（例如上移、下移、左移、右移、静止、闪烁、删除等）。

　　4 软件设计

　　本系统的软件设计包括两部分： 上位机软件和AVR 单片机的控制程序。上位机软件完成与GPRS 模块的通信， 控制LED 显示屏上显示的数据信息；AVR单片机的控制软件主要完成系统初始化，GPRS 网络连接，接收上位机发送的信息，分析接收信息内容，完成指令， 并按需将发布信息转换为点阵信息， 送到LED显示屏进行显示。

　　4.1 AVR 单片机的控制程序

　　AVR 单片机的控制程序主要完成以下功能：连接GPRS 网络、数据传输、控制LED 屏显示。

　　（1）初始化系统及SIM300 模块，连接GPRS 网络；（2）依照显示屏控制器与上位机的通信协议，与上位机通信握手，接收指令，解析指令，并将显示数据等信息存储与处理；（3）通过串口驱动LED 屏，进行信息的显示等。

　　下面简单介绍SIM300 模块与上位机实现TCP/IP无线通信流程。

　　AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET" --注册中国移动网络

　　OK

　　AT+CGCLASS? --显示GPRS 信息移动的类型

　　+CGCLASS: "B"

　　OK

　　AT+CGATT? --GPRS 服务附加/分离

　　+CGATT: 1

　　OK

　　AT+CGACT=1,1 --环境激活

　　OK

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

　　TCP 连接（上位机IP 地址及端口号）

　　OK

　　CONNECT OK --连接成功

　　AT+CIPSEND --通过TCP 发送数据

　　> HELLO

　　SEND OK --发送成功

　　4.2 上位机软件

　　本系统的上位机软件主要采用VC 设计一个通信界面，实现与LED 远程控制器通信。用户界面部分采用MFC 框架基于Dialog 实现。在利用Visual C++进行通过TCP/IP 协议网络传输数据开发时， 采用IOCP 框架来实现Windows Socket 的完成端口模型。

　　IOCP 即I/O 完成端口（I/O Completion Port），是一个异步I/O 的API,它可以高效地将I/O 事件通知给应用程序。一个套接字在被创建后，与一个完成端口进行关联。当一个事件发生的时候，此完成端口就将被操作系统加入一个队列中， 然后应用程序可以对层进行查询以得到此完成端口。当某项I/O 操作一旦完成， 某个可以对该操作结果进行处理的工作线程就会收到一则通知。在此应用程序中创建一定数量的工作线程来处理重叠I/O 请求的通知。

　　IOCP 框架的启动流程如图6 所示。

　　IOCP 框架的实现步骤如下：

　　（1）初始化Winsock 工作环境，并创建完成端口，创建完成端口线程，建立一个监听套接字，使套接字与完成端口关联起来；

　　（2）监听套接字开始工作，当监听套接字接收到客户端TCP 的连接请求时，IOCP 会获取并处理该消息，创建对应的Socket 对象进行接收处理，完成连接工作；

　　（3）当客户端完成TCP 连接后，可以开始数据通信，由I/O 线程来负责分发I/O 请求，通过线程池来分配逻辑处理环境；

　　（4）在接收数据后，将微软提供的一个I/O 数据结构（WSAOVERLAPPED）进行扩展，完成协议解析和数据处理。

　　此外，这里的线程池只是一个管理队列，用于处理线程资源的管理， 用少的线程完成业务逻辑的处理。真正执行的线程函数也不完成详细的业务处理，仅仅完成对I/O 请求的再调用，而由虚函数实现I/O 请求的再处理。

　　为了提高软件的友好性， 框架采用Windows 的消息机制，与UI 进行交互，通过窗口消息将框架的相关信息传递给UI 窗口。因此在框架中保留了一个指针成员， 并在需要的时候通过该指针调用消息响应函数向窗口发送消息，UI 根据消息反映框架的运行信息。

　　5 结语

　　根据近年来GSM/GPRS 数据通信技术等发展的趋势，本文提出了基于GPRS 网络的、使用低成本SIM300模块的无线LED 屏控制器的设计方案， 该系统利用TCP/IP 协议实现了基于GPRS 网络的无线数据的传送。上位机将文字或图片信息数据通过GPRS 网络传输到远程LED 屏终端， 也可以接收客户端发送的数据，再根据数据的内容相应地完成各种命令，控制LED屏显示相应的信息。该系统设计经测试取得了良好的效果。

参考文献:

[1]. GPRS  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/GPRS+_1594650.html.
[2]. SIM300  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SIM300+_1135859.html.
[3]. 74HC595  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/74HC595+_1133522.html.
[4]. ULN2803  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ULN2803+_672280.html.
[5]. Dialog  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/Dialog+_1398663.html.