引言
針對目前LED 點陣顯示屏的廣泛應用以及GPRS 網絡全國覆蓋的優勢， 提出基于GPRS技術的無線LED 顯示屏控制系統方案。詳細介紹控制系統的系統結構、軟硬件設計過程和通信協議的制定。此設計在多LED 顯示屏組網控制，而LED 屏又分布范圍較廣時優勢較明顯，可以拓寬LED 顯示屏的應用領域，具有一定的應用價值。
1 系統工作原理
本系統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。系統拓撲結構如圖1 所示。
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系統主要利用GPRS 模塊作為無線Modem, 實現了LED 顯示屏無線控制器(作為客戶端)撥號上網，與Internet 網絡上的上位機(作為服務端)進行TCP 無線通信，實現數據傳輸，完成對LED 屏的無線數據更新。
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。
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2.1 AVR 單片機控制模塊
為了保證通信數據的實時性和效率， 又能兼顧驅動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，其穩定性、可靠性非常高， 能適應各種環境， 適用于各種不同的無線LED 顯示屏使用環境。
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，同時通過串口發出AT 指令監視GPRS 模塊是否有新消息。一旦有，立刻進入串口中斷，對數據進行處理。在TCP/IP 協議下，數據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、遠程抄表、安全監控、遙控遙測、手持設備等領域。
SIM300 模塊具有功能完備的系統接口，在內部集成了TCP/IP 協議棧，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。這樣可以降低開發難度，易于實現數據傳輸，而且成本較低，系統的可擴展性好。
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，然后進行數據處理。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。
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2.3 LED 屏驅動電路
本系統的LED 條屏采用比較經典的74HC595 作為點陣輸出的列驅動，采用ULN2803 作為行驅動。此方案的驅動電路設計軟硬件設計簡單，而且功耗低、驅動能力強、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。
3 通信協議設計
由于本系統采用了GPRS 網絡的通信模式， 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。
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LED 屏無線控制器是客戶端， 其數據的收發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 控制器才能進行數據傳輸。
上位機軟件與各LED 屏無線控制器之間通信協議是以TCP 協議為基礎協議， 并自定義了一個STCP協議層用于封裝PDU(數據單元)數據層協議。STCP 協議層只為PDU 的承載框架， 提供安全可靠的傳輸過程。通信網絡層結構圖如圖5 所示。
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圖5 通信網絡層結構圖
在自定義的STCP 通信協議中，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范。通信包格式如表1所示：
表1 通信包格式
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注：
完整數據長度： 整型字節(4 個字節長度)，整個通信包的長度;
命令字： 根據無線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;
數據內容：需要顯示信息內容;
校驗和： 全部數據累加校驗和;
根據無線LED 顯示屏控制器實際運用需要，制定了發送、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
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上位機軟件通過Internet 網絡將數據發送到無線LED 顯示屏控制器后，LED 顯示屏控制器需要對收到的數據進行處理。根據指令的不同，可以控制LED 顯示屏的顯示內容及顯示模式(例如上移、下移、左移、右移、靜止、閃爍、刪除等)。
4 軟件設計
本系統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 顯示屏上顯示的數據信息;AVR單片機的控制軟件主要完成系統初始化，GPRS 網絡連接，接收上位機發送的信息，分析接收信息內容，完成指令， 并按需將發布信息轉換為點陣信息， 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 網絡、數據傳輸、控制LED 屏顯示。
(1)初始化系統及SIM300 模塊，連接GPRS 網絡;(2)依照顯示屏控制器與上位機的通信協議，與上位機通信握手，接收指令，解析指令，并將顯示數據等信息存儲與處理;(3)通過串口驅動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TCP/IP無線通信流程。
AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET" --注冊中國移動網絡
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 發送數據
> HELLO
SEND OK --發送成功
4.2 上位機軟件
本系統的上位機軟件主要采用VC 設計一個通信界面，實現與LED 遠程控制器通信。用戶界面部分采用MFC 框架基于Dialog 實現。在利用Visual C++進行通過TCP/IP 協議網絡傳輸數據開發時， 采用IOCP 框架來實現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。一個套接字在被創建后，與一個完成端口進行關聯。當一個事件發生的時候，此完成端口就將被操作系統加入一個隊列中， 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。在此應用程序中創建一定數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。
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IOCP 框架的實現步驟如下：
(1)初始化Winsock 工作環境，并創建完成端口，創建完成端口線程，建立一個監聽套接字，使套接字與完成端口關聯起來;
(2)監聽套接字開始工作，當監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，可以開始數據通信，由I/O 線程來負責分發I/O 請求，通過線程池來分配邏輯處理環境;
(4)在接收數據后，將微軟提供的一個I/O 數據結構(WSAOVERLAPPED)進行擴展，完成協議解析和數據處理。
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務邏輯的處理。真正執行的線程函數也不完成詳細的業務處理，僅僅完成對I/O 請求的再調用，而由虛函數實現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用消息響應函數向窗口發送消息，UI 根據消息反映框架的運行信息。
5 結語
根據近年來GSM/GPRS 數據通信技術等發展的趨勢，本文提出了基于GPRS 網絡的、使用低成本SIM300模塊的無線LED 屏控制器的設計方案， 該系統利用TCP/IP 協議實現了基于GPRS 網絡的無線數據的傳送。上位機將文字或圖片信息數據通過GPRS 網絡傳輸到遠程LED 屏終端， 也可以接收客戶端發送的數據，再根據數據的內容相應地完成各種命令，控制LED屏顯示相應的信息。該系統設計經測試取得了良好的效果。