基于QQ物联的无线LED显示屏设计①

2019-01-18孙晓东王治强杨伟光

计算机系统应用 2019年1期

孙晓东，王治强，杨伟光

(大连东软信息学院智能与电子工程学院，大连 116023)

LED显示屏在目前已经是一个非常成熟的产品，通过LED显示屏可以用图文方式进行信息发布，是当今很重要的宣传展示手段. 传统的LED显示屏显示的信息是通过USB接口文件拷贝进行信息更新的，有更新速度慢，操作不便利的行业痛点.

QQ物联无线LED显示屏是一种快速、方便更新LED屏幕信息的智能硬件. 是将QQ物联技术和LED屏幕结合到一起，给传统LED显示屏插上物联网的翅膀，一跃成为可以远程操控、安装使用便利、有大数据服务的智能设备. 在操作方法上，可以使用手机QQ随时随地编辑和发布信息，还可以对常用词条一键选择发送，或者基于模板编辑发送等贴心服务[1-4].

1 系统设计

系统体系架构如图1所示. 首先手机QQ客户端与QQ物联平台建立连接，用户通过QQ聊天窗口发送文本信息，通过WiFi将数据发送到QQ物联云平台.QQ物联模块能够将QQ物联云上的信息通过WiFi传递给LED控制板. LED控制板进行LED显示屏的显示控制，最终将手机QQ客户端中输入的信息按照设定的模式正确的在LED显示屏中显示出来.

图1 系统结构框图

1.1 QQ物联无线LED显示屏系统基本功能需求

WiFi入网功能: QQ物联板需要在QQ物联平台注册账号后，在云平台中添加LED点阵屏设备，并通过QQ物联云平台提供的设备ID以及QQ物联平台提供的秘钥生成工具生成的SN序列号生成设备的二维码，使用手机QQ客户端通过扫描二维码，使QQ物联板通过手机QQ端选择要加入的WiFi热点以及输入密码使设备加入到网络中，这样才能接收到手机QQ聊天界面发送来的信息，以及将信息发送到LED控制板上[5].

LED屏显示功能: LED控制板需要接收到QQ物联板端发送过来的信息，将信息进行字符匹配，然后将字符取模得到的值放入编写好的LED点阵屏的驱动函数，使LED点阵屏显示出从QQ物联板端发送过来的信息.

汉字显示功能: 在QQ物联板发送过来的文本信息中有需要有汉字的数据发送，在LED控制板中需要接收到这些文本信息且需要取出这些汉字的的字模，从而显示出对应的汉字.

LED显示屏滚动显示: 在LED点阵显示中，不仅需要静态内容的显示，也需要加入滚动显示，来增加LED点阵显示的多样性.

设备绑定功能: 首先生成QQ物联板设备的二维码，并在代码中修改QQ物联DATA.C中的参数，使用手机QQ客户端通过扫描二维码，完成绑定，只有QQ物联板与手机QQ绑定后，才能使用QQ物联平台中提供的接收QQ消息的功能[6].

WiFi搜索以及密码保存功能: 在QQ物联板断电之后，重新上电不需要在进行选择网络和再次输入密码，QQ物联板能够直接自动加入网络.

串口收发功能: 在QQ物联板接收到手机QQ发送的消息后，需要通过串口通信将QQ消息发送到LED控制板上.

1.2 硬件结构

系统使用了两款STM32芯片. 其中一个用来作为QQ物联板的主控芯片，另一个用来作为LED点阵屏的控制芯片[7]. 在QQ物联板上放置一个QQ物联集成的WiFi模块手机QQ客户端和QQ物联设备通过WiFi网络通信将数据发送到腾讯云，并进行数据传输， QQ物联板WiFi模块收到数据后，通过UART通信方式将数据发送到LED控制板上， LED控制板再根据数据显示相对应的内容. 在QQ物联WiFi模块、QQ物联模块、QQ物联云平台共同工作的情况下，实现设备绑定以及WiFi连入网络的功能[8].

1.3 软件结构

用户代码流程设计如图2所示. 首先QQ物联板中，要对通信串口、LED指示灯引脚、WiFi模块进行初始化操作，然后重置事件发生队列、开启队列，最后等待事件发生，以及对事件进行处理. 在LED控制板中，对系统时钟、中断、串口通信以及LED点阵屏驱动进行初始化[9]. 随之，等待QQ物联板中发送QQ收到的消息，触发串口接收中断，并处理中断，将数据信息显示到LED点阵屏幕上.

图2 软件代码流程图

软件控制中主要包括3个模块的设计，在下面章节中分别介绍.

1.3.1 QQ物联端数据包设计

QQ物联端系统软件功能主要包括登录WiFi联网、设备信息配置、串口功能[10]. 其QQ物联板WiFi数据包格式如下所示.

(1) 包头 (header): 固定为 0X6688.

(2) 长度(len): 是指从 cmd 开始到整个数据包结束所占用的字节数包含校验 (checksum). 由于 QQ物联的数据包可能超过 255，因此这里升级成 2 Byte，分别是高 8 位和低 8 位，实际长度就是 len_high*256+len_low.

(3) 命令(cmd): 控制的命令.

(4) 消息序号(SN): 命令发送方在每次发送命令时，对 SN 加一. 数据接收方收到数据，做相应数据返回时将接收到的SN一起返回. 给发送方判断其相应的是哪一条请求.

(5) 传输数据(Payload): 真正的传输数据，内部可能包含子命令，这个根据实际的命令而定.

检验和(checksum)的计算方式为把数据包按字节求和得出的结果对 256 求余(不含包头0X6688两个字节).

QQ物联板在与LED控制板通信时， QQ物联板发送的数据中去掉了包头、命令、消息序号等数据位.整体的数据包种只有信息数据、0x00()、0x0D( )、0x0A( ). 其中0x00()作为字符终止. 0x0D( )和0x0A( )共同决定了数据的传输结束. 数据包缓存大小设计为1024 Byte，可以显示500个汉字或者1000个英文字符，充分满足实际应用需求.

1.3.2 屏控制端模块设计

LED屏幕控制端软件功能主要为使能LED屏幕，并使其能显示文本信息. 在LED屏幕控制端中，首先要配置好LED屏幕的引脚并对引脚进行定义. 分别对74HC138芯片(行驱动)和74HC595芯片(列驱动)的扫描方式和驱动方式进行打包，扫描方式采用的静态扫描. 根据75HC595可以联级的特点，在写入数据时需要一次性将上半屏4组16*16的点阵屏写入内容，以能显示不同的汉字，同时要把下半屏数据输入的接口留出[11].

在接收到QQ物联板发来的信息后，要做好UART中断处理，根据判断数据是否是0x0D( )和0x0A( )，从而停止接收，消除中断，清除标记. 将接收到了数据存入缓存数组中，并发送到LED点阵显示的函数里.

1.3.3 QQ物联模块设计

为了使WiFi模块入网，在QQ物联板模块中首先要编写好设备的PID、SN序列号、服务公钥和私钥文件，文件中的参数要与QQ物联平台上的设备参数相匹配，这样才能通过WiFi模块获取在QQ物联平台中选择的功能，以及完成对设备的入网和绑定. 此外在实现WiFi入网中还要设计按键事件，例如配置网络与设备绑定按键. 设计网络状态自检，判断网络状态和连接网络的模式，实时访问网络状态情况，并反馈到串口中，使用户能够对设备进行调试[12]. 设计QQ物联板与LED控制板的串口通信，将QQ物联中原来带有的485通信通过改变硬件电路改变成普通的UART串口通信，在修改485通信中的数据格式以及数据长度来发送出真正要发送的信息.

2 系统实现

终端设备的开发工作主要在QQ物联模块和LED显示模块上进行，采用主要技术为单片机开发技术[13].开发环境系统选择Windows8.1x64，在IAR FOR ARM软件上进行开发工作[14]. QQ物联云端功能，主要基于腾讯的QQ物联平台进行注册与配置，手机APP采用手机QQ绑定注册好的设备即可，无需进行额外开发. 系统结构图如图3所示.

图3 实际系统结构图

2.1 QQ物联WiFi入网功能实现

QQ物联板二维码生成后，使用手机QQ客户端通过扫描二维码，使QQ物联板通过手机QQ端选择要加入的WiFi热点以及输入密码使设备加入到网络中.在代码中在Read_Wifi_STATUS中，读取到WiFi当前状态是否处于联网状态，通过Get_UART_Data得到命令是否认为进入配网. 再调用wifi_Goto_Smartlink函数，进入SmartLink配网模式.

2.2 QQ物联WiFi设备绑定功能实现

QQ物联平台中给每一台设备都设定了一个PID号，通过官方提供秘钥生成工具生成QQ物联设备需要的SN序列号和公钥、秘钥，以及共享服务器秘钥和公钥，并生成一个二维码，通过扫码就可以与设备进行绑定. 在软件中我们需要对官方提供的demo代码中修改SH4H_QQ_DATA.C文件中，相关PID、SN、秘钥、公钥等参数，这些参数通过WiFi通信与云平台上的参数与之匹配. 匹配成功后，就可以完成绑定.

2.3 LED屏幕显示功能实现

LED点阵屏幕的行显示和列显示均为静态扫描，Write_HC138函数中，以SWITCH方式进16行的行选择，在Write_74HC595函数中，进行列显示以及74HC595的移位，函数中HC595_DS1_GPIO_PIN和HC595_DS2_GPIO_PIN分别控制着LED屏幕的上半屏和下半屏的显示. 在屏幕显示中以16*16位显示单位，每半屏能显示4个汉字[15].

2.4 LED屏幕滚动显示功能实现

在汉字取模的32个数据中， 2*n的模值为汉字的左半部分模值， 2*n+1的模值为汉字的右半部分模值.将左右部分重新排序放入数组中，通过数据移位将重新分配的模值数组一位一位的放入显示的函数中.

2.5 LED屏幕汉字显示功能实现

在QQ物联板发送过来的文本信息中有需要有汉字的数据发送，在LED控制板中需要接收到这些文本信息且需要取出这些汉字的的字模，在汉字取模软件中，通过设置LED点阵屏格式大小、汉字字体、字体大小、高度与宽度、LED点阵屏取模方式、LED显示格式(阴码或阳码)生成汉字的模值，并将汉字的模值放入LED驱动函数中，从而显示出对应的汉字[16].

2.6 串口通信功能实现

在QQ物联板中将原485通信改造成uart通信，通过改变发送数据长度，去除掉原数据中不需要的信息，完成QQ物联板中的数据的发送.

在LED控制端中，直接配置uart的串口，设置串口接收中断，以及中断处理函数，完成LED控制端的接收信息功能. 通过以上两个串口通信的配置，完成系统中整个的串口通信功能.

3 系统调试

在QQ物联显示屏软件、硬件系统的开发过程中，问题较多的出现在硬件设计和硬件驱动程序的调试上面. 下面介绍调试过程中遇到的问题和解决方法.

3.1 LED屏幕显示的调试

在调试LED点阵屏屏幕显示过程中，在单个汉字调试中，会使8组16*16LED点阵屏显示相同内容，并且会隔行显示. 通过调试分析发现隔行显示是因为在单个汉字显示中595的移位会多加一位；在显示内容上，是因为将控制上半屏和下半屏同时进行了相同数据传输，即写给上半屏的数据同时也发送到了下半屏数据引脚上. 正常情况下，应将上半屏输出和下半屏输出分开输出，并分开输入汉字取模的数据. 在汉字取模处理过程中，显示不同的汉字需要一次性将汉字的模值发送到74HC595的操作中，而不是多次调用74HC595操作函数来显示数据，否则会出现汉字的重叠和8组16*16点阵屏信息相同的现象.

3.2 设备绑定的调试

在设备绑定过程中，出现了设备成功入网，但绑定设备未成功的问题，此问题是由于QQ物联配置平台中的PID、SN序列号与二维码不匹配造成的，通过与QQ物联开发人员和技术支持人员进行讨论，重新进行了设备的公钥、秘钥、SN序列号、服务器共享公钥、秘钥的生成，并重新生成与PID、SN序列号相对应的二维码. 在程序SH4H_QQ_DATA.C文件中，修改相应的SN、公钥私钥等参数，重新将程序下载进开发板中，最终完成设备的绑定.