基于云平台的LED三维显示器及其控制方法与流程

本发明属于物联网应用领域，具体涉及基于云平台的led三维显示器及其控制方法。

背景技术：

户外广告由于其表达方式简单明了、广告持续时间长、持续购买可行度高、经济实惠等优点，在各行各业中得到了广泛的应用，占整个中国广告行业年经济额的10%左右。而led显示屏作为户外广告的载体，相比于其他传统户外媒体，具有亮度高、色域宽、可塑性强、连接面积广阔、节能环保等特点，在城市景观照明、舞台演艺领域的氛围渲染以及室内外广告宣传中得到广泛的应用。

但是目前市面上的显示屏都是以一种固定的平面看板方式静态传播信息，缺乏和受众的互动性，无法吸引观众，广告效果差。且由于其系统配套复杂、控制距离受限、设备维护不够便利，使得led显示屏的应用场所受到很大限制，特别是不能实现远程控制和同步信息传递，这些都要求该技术的进一步完善和提高。

技术实现要素：

针对目前led显示屏中存在的问题，本发明提供一种基于云平台的led三维显示器，本系统采用三维立体的动态显示方式，借助于智能网关和云平台，实现手机app对显示器实时远程地图案花样和音乐的控制及下载以及字符的显示，且通过蓝牙4.0组网实现对多个显示器的同步控制，更具渲染力和震撼力。同时增加了受众参与和互动功能，获得独特新颖的互动体验。

为此，本发明提供了基于云平台的led三维显示器及其控制方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

基于云平台的led三维显示器，包括：用户端、云平台、智能网关及led三维显示器，所述用户端通过云平台实现对智能网关的实时远程通信，所述智能网关通过蓝牙组网的方式实现与led三维显示器的数据传输。

上述的基于云平台的led三维显示器，所述用户端用于完成设备和用户的注册、绑定和授权，进而实现对led三维显示器实时图案花样与音乐的控制及下载以及字符的控制。

上述的基于云平台的led三维显示器，所述云平台包括多个api接口，所述云平台上设有数据存储单元和通信单元，所述数据存储单元用于储存云平台上的数据信息；

所述云平台实现用户端和智能网关的注册、绑定和管理，方便多个用户和多个设备的云端接入；所述云平台还通过通信单位为用户端和智能网关提供通信桥梁，实现用户端对智能网关的远程实时控制。

上述的基于云平台的led三维显示器，所述智能网关提供led三维显示器与云平台的连接通路，所述智能网关通过蓝牙实现多个led三维显示器的组网通信。

上述的基于云平台的led三维显示器，所述led三维显示器采用立体三维的显示方式，所述led三维显示器用于实现花样图案的显示、音乐节奏的显示以及字符的显示。

上述的基于云平台的led三维显示器，所述led三维显示器包括主控模块、驱动模块、显示模块以及通信模块，所述主控模块分别与驱动模块、显示模块和通信模块连接。

本发明还公开了基于云平台的led三维显示器的控制方法，该方法包括用户端通过云平台实现对智能网关的实时远程通信，智能网关通过蓝牙组网的方式实现与led三维显示器的数据传输。

上述的基于云平台的led三维显示器的控制方法，智能网关接入云平台实现实时通信的方法包括以下步骤：

步骤一、获取云平台的ip地址；云服务器是采用分布式设计，智能网关预先不得知云平台的接入地址，需通过dns域名解析获得云平台的接入ip地址；

步骤二、设备验证；智能网关通过调用api接口向云平台发起http设备验证请求，将带有自身id信息的消息发送给云平台，由云平台对智能网关进行设备验证，若通过验证则将云平台通信服务器的接入信息，包括ip地址和端口回复给智能网关；

步骤三、云平台接入；智能网关采用mqtt通信协议，利用云平台的ip地址和端口号与云平台的mqtt通信服务器建立实时可靠通信。

本发明的有益效果：

本发明以物联网应用为基础，采用云+端的控制方式，同时结合蓝牙4.0协议实现用户app到led三维显示器终端的快速互联，实现无线传输，具有组网快速简洁、多用户、多终端等特点。采用三维立体显示方式，能有效提升宣传效果，并实现远程控制、花样更新、音乐下载等扩展功能，增加了系统的灵活性。同时增加了互动效果，营造新颖、独特的互动体验。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1本发明的系统结构图。

图2本发明的智能网关结构图。

图3本发明的led三维显示器系统框图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

参照图1，本发明主要由用户app、云平台、智能网关及led三维显示器四部分组成。该系统采用云+端的控制方式，实现用户app到智能网关的数据交互，通过蓝牙组网的方式完成智能网关与led三维显示器的数据传输，最终实现用户app到led三维显示器的控制。本发明主要实现如下功能：

1）用户管理：完成用户的授权以及用户信息的注册、登录、忘记密码时发送手机或邮箱验证码修改密码等功能。用户的信息将在云端数据库进行存储，该方式保证了用户信息的安全性。

2）设备管理：用户将智能网关的mac地址、设备名称和设备所在地址等信息发送到云端，云端完成设备的注册并建立设备和用户的绑定关系。

3）花样控制功能：用户app通过mqtt通信与智能网关进行通信，实现对单个/多个led三维显示器同时进行花样设置功能，花样包括预设花样和用户自定义花样，自定义花样由用户定义，并通过云端下载到led三维显示器中，实现对花样数据的更新。

4）音乐控制功能。实现音乐节奏对led三维显示器花样的变换控制。用户控制智能网关的音乐播放功能，并可实现不同花样的切换效果。

5）字符控制功能。实现对单个或多个led三维显示器同时进行字符控制功能，用户可任意输入字符，使led三维显示器根据所输入字符进行相应变换，并可选择不同显示效果。

6）花样下载功能。用户能通过app自定义led三维显示器花样，并将花样下载到led三维显示器中，实现对led三维显示器花样的更新。

7）音乐下载功能。用户可将手持设备中的本地音乐文件下载至智能网关的存储器中进行存储，并在音乐控制界面进行更新，实现音乐节奏对led三维显示器花样的变换控制。

8）受众互动功能。受众通过手机进行二维码的扫描，并经管理员确认后可以在给定的时间内参与互动。可以自己编辑图案并下载显示，可以自己下载音乐进行互动体验。

图1中用户app采用android的编程方式，使用http网络通信协议访问云平台，云平台为app提供各种资源和服务的访问入口，这个入口被称为api。app将url、httpmethod、头文件、请求内容、发送数据的格式等参数发送给云平台，通过url进行资源定位，调用云平台的api接口，同时httpclient中的回调接收云端的处理结果，实现用户和设备的管理，包括注册、获取、修改、删除等操作。同时用户app采用mqtt通信方式实现与智能网关的通信，一方面，mqtt采用发布/订阅模式，发送方只需发布与接收方相同的订阅号，而不需要知道接收方的ip地址也能实现远程通信。另一方面，mqtt协议采用心跳包的机制实现网络长连接，能够保证消息收发的即时性。

图1中云平台的搭建可以通过租用阿里云、腾讯云等云服务平台，借助商业云计算平台的高并发处理能力以及相关资源，完成自定义功能的开发。云平台的搭建包含api接口、数据存储和通信服务三部分，其中api接口采用rest的架构风格，通过http协议的方法、资源定位、响应处理等操作资源；数据格式采用json型，实现用户app、云平台、黑匣子之间异构数据的传输；在数据存储方面，采用非关系型数据库nosql中的文档型数据库mongodb实现各终端不同格式、大小、类型数据的存储，mongodb支持的数据结构较为松散，可以存储比较复杂的数据类型。云平台通过api接口接收app的响应操作指令，并通过mongodb的增、删、改、查方法进行数据逻辑的处理，并将执行结果通过api接口返回给app。在通信方面，在云平台搭建mqtt服务器，mqtt服务器采用apache-applo服务器进行消息的代理，采用发布订阅的模式实现用户app和智能网关的实时远程通信。

参照图2，本发明智能网关以stm32f411ce的cortex-m4微控制器模块为核心，外围硬件电路包括wifi模块、存储模块、电源模块、sd卡模块、音频模块、led指示模块、调试接口模块、复位电路模块以及蓝牙通信模块。智能网关作为整个系统的核心控制部分，在分别维持与云端的消息推送服务和与led三维显示器的蓝牙通信的同时，还完成了文件系统、音乐播放、频谱分析、数据下载等多项任务的协调。智能网关软件是基于mico物联网操作系统开发的，主要由四部分组成:应用层，framework层，网络连接层，系统基础接口（osal+hal），其中多任务和多事件的调度在操作系统抽象层（osal）中进行，而任务由用户任务和系统任务组成。

智能网关接入云平台并实现与云平台的实时通信包括以下过程：

首先，获取云平台的ip地址。云服务器是采用分布式设计，智能网关预先不得知云平台的接入地址，需通过dns域名解析获得云平台的接入ip地址。

其次，设备验证。智能网关通过调用api接口向云平台发起http设备验证请求，将带有自身id信息的消息发送给云平台，由云平台对智能网关进行设备验证，若通过验证则将云平台通信服务器的接入信息，包括ip地址和端口回复给智能网关。

最后，云平台接入。智能网关采用mqtt通信协议，利用云平台的ip地址和端口号与云平台的mqtt通信服务器建立实时可靠通信。mqtt协议的心跳包机制能够在一定时间内反馈与云平台mqtt服务器的连接状态，这也就为硬件设备及时提供异常信息，配合异常处理和重连接等处理来维护硬件设备与云平台的通信服务器长连接。另外，mqtt协议采用订阅发布的消息通信模型，智能网关以自身id信息作为主机号，即可区别不同的led三维显示器，云平台或用户端可通过主题号与智能网关进行通信，配合业务功能对三维显示器进行远程监管和控制。

参照图3，考虑到蓝牙主控芯片cc2541内部flash及io口的不足，为了保证花样显示的流畅性，本发明中将蓝牙通信与三维显示器的控制分别独立完成，采用串口连接方式实现蓝牙与三维显示器的通信。蓝牙通信电路以cc2541为主控实现，led三维显示器控制电路选用stc12c5a60s2作为主控芯片。cc2541有两个串行通信接口：usart0、usart1，它们能够分别运行于异步uart模式或者同步spi模式。本设计中usart0采用异步uart模式，用于蓝牙服务器与智能网关之间的通信及蓝牙客户端与led三维显示器控制器之间的通信；usart1采用同步spi模式，用于程序的下载和调试。

蓝牙4.0通信方式分为广播通信和连接通信。根据系统实现的功能，蓝牙服务器与蓝牙客户端的花样及音乐控制采用广播通信方式，而获取mac地址及花样下载命令采用连接通信方式。为了确保智能网关与蓝牙服务器正常通信，智能网关与蓝牙服务器建立重发机制，即蓝牙服务器对接收的控制命令进行校验，并将校验结果上传给智能网关，当蓝牙服务器未正确接收控制命令，则智能网关需要重发控制命令。同时，为了确保蓝牙服务器与蓝牙客户端正常通信，蓝牙服务器广播控制命令时，需要连续广播5次控制命令，蓝牙客户端接收2次以上相同控制命令，即为有效控制命令。

蓝牙服务器与客户端端软件设计中的蓝牙通信部分软件使用ti公司的蓝牙协议栈，该协议栈采用osal系统，程序开始运行后进入初始化程序，完成对软硬件初始化，随后系统会根据任务优先级不间断的对各个任务各个事件进行扫描，当扫描到有任务需要执行时，系统会根据优先级逐次执行。根据系统功能，完成蓝牙服务器端与蓝牙客户端程序任务划分。

图3中，led三维显示器硬件设计主要是由主控、驱动、显示以及通信模块这四部分构成。led三维显示器控制部分以stc12c5a60s2单片机为控制核心，显示由512个蓝色led雾灯组成8*8*8的立方体结构，uln2803作为显示驱动部分；8个74hc573组成的锁存器电路保存单片机i/o口输出的数据，通过外部锁存器模块，以及显示驱动电路的配合实现动画的显示。

花样制作首先通过取模软件将所要设计的三维画面转化为用于led三维显示器显示的花样数据，再通过图像旋转，平移，缩放等算法，对花样数据进行各种变换，图形做变换时所采用的理论基础为计算机图形学的部分理论。以此让静态的三维花样图案动起来。

音频信号的提取使用的音频解码器是vs1053b，通过spi通信。智能网关将sd卡中的音频数据流发送到音频解码器中，音频解码器一方面将数据流解码处理后输出给音箱播放；另一方面可以对数据流数据进行频谱分析，将分析后的频谱数据放置在解码器的ram里，智能网关可以定时向解码器的ram读取数据，通过控制程控增益模块的参数，可以得到音频能量数据；通过节奏提取、消除干扰等操作，得到音乐节奏数据。

参照图1、图2和图3，本实施例的基于云平台的led三维显示器主要包括：用户app、云平台、智能网关及led三维显示器。该系统借助云平台采用mqtt通信方式，实现用户app对智能网关的实时远程通信，通过蓝牙组网的方式完成智能网关与显示器的数据传输，最终实现用户app对三维显示器的控制。

其中，用户app是安装在手机、平板电脑上的应用程序，它作为系统控制终端，在进行授权后，完成设备和用户的注册、绑定、授权等，进而可以实现对三维显示器实时图案花样与音乐的控制及下载以及字符的控制等，并可实现观众互动功能。

其中，云平台是系统的中心，它提供了丰富的api接口以及各类系统数据存储和处理，实现用户和智能网关的注册、绑定和管理，方便多个用户和多个设备的云端接入；同时为用户app和智能网关提供通信的桥梁，实现用户app对智能网关的远程实时控制。

其中，智能网关提供三维显示器与云平台的连接通路，并通过蓝牙4.0实现多个led三维显示器的组网通信，还提供音乐数据存储、播放、解析等功能。

其中，三维显示器采用立体三维的显示方式，可以实现花样图案的显示、音乐节奏的显示以及字符的显示。

本发明以物联网应用为基础，采用云+端的组网方式，结合蓝牙4.0协议实现用户app到led三维显示器终端的快速互联，组网快速简洁，可实现无线传输、多用户、多终端等特点。采用三维立体led花样显示，突破传统的平面广告宣传手段，采用三维立体显示方式，能有效提升宣传效果，并采用远程控制、花样更新、音乐下载等扩展功能，增加了系统的灵活性。并实现了互动效果，通过管理员授权，用户可以通过安装app等方式，实现对led三维显示器花样的自定义显示设定，营造新颖、独特的互动体验。本显示器经过反复测试，新奇美观，给受众带来很好的视觉及听觉效果，具有广阔的发展前景及商业价值，值得广泛推广。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。