劉 海

隨著多媒體戶外大屏的興起，公共場(chǎng)所、地鐵、廣場(chǎng)等地都紛紛投入了眾多媒體設(shè)備，這些設(shè)備不僅有效地提升了宣傳內(nèi)容的傳播效率，一些可交互式的智能屏設(shè)備更是提供了體驗(yàn)良好的公共服務(wù)。本文結(jié)合青島市廣播電視臺(tái)的應(yīng)用開發(fā)實(shí)例，分享在嵌入式系統(tǒng)中開發(fā)多媒體可交互式屏幕的經(jīng)驗(yàn)與應(yīng)用。

1 開發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)品介紹

青島是多媒體起步較早的地區(qū)，近年更是嘗試了多媒體門戶平臺(tái)、App與相應(yīng)網(wǎng)站、移動(dòng)電視與同頻數(shù)字廣播等各種技術(shù)傳播手段，于是開發(fā)一種基于IP網(wǎng)絡(luò)和廣播網(wǎng)絡(luò)雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)的戶外大屏系統(tǒng)，能集中展示青島臺(tái)多種媒體的綜合大屏的研發(fā)與實(shí)踐便隨之展開。最終我們交付了一套跨平臺(tái)的程序軟體以及幾種交互終端，它能將青島數(shù)字廣播、主流網(wǎng)站、青島臺(tái)多媒體平臺(tái)、以及日常公益信息的展示融為一體。圖1展示的終端高為2 300mm，寬為880mm，配以55寸3 000尼特高亮度交互觸摸屏。

圖1 高亮度交互觸摸屏

2 系統(tǒng)的功能

這款設(shè)備之所以設(shè)計(jì)成雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)——IP網(wǎng)與數(shù)字廣播接收網(wǎng)，目的在于通過終端內(nèi)置CDR（Convergent Digital Radio）廣播接收系統(tǒng)解碼出青島試播的數(shù)字廣播嵌入信息，該信息在災(zāi)害來臨時(shí)，即使IP網(wǎng)斷開，仍能通過廣播這種災(zāi)害中被證明最有效的傳播方式，來提供緊急的應(yīng)急與服務(wù)信息[1]。CDR數(shù)字廣播系統(tǒng)智能屏實(shí)時(shí)接收同頻廣播信息，通過獨(dú)有芯片解碼出文字與圖片信息，軟件設(shè)定展示權(quán)限為最高級(jí)別，接收完整信息后屏幕將強(qiáng)制鎖定為應(yīng)急展示界面（圖2），同時(shí)系統(tǒng)聲音功放將播放相應(yīng)信息。當(dāng)無應(yīng)急事件時(shí)，系統(tǒng)將使用高速IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工作，終端可進(jìn)入交互式界面（圖3），用以展示指定的鏈接內(nèi)容，鏈接功能使用了安全技術(shù)，不可隨意輸入，不可下載資源或運(yùn)行腳本，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了瀏覽內(nèi)容的安全；同時(shí)界面可隨時(shí)更新，用以引導(dǎo)群眾多瀏覽公益知識(shí)、宣教內(nèi)容。

圖2 鎖屏應(yīng)急信息界面

圖3 交互界面

大屏同時(shí)支持播出單播放，在指定時(shí)段展示媒體內(nèi)容，包括指定的圖片、視頻、以及電視廣播節(jié)目，支持實(shí)時(shí)推流直播，可由后臺(tái)將各種直播信號(hào)推流到服務(wù)器，并由大屏幕展示。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

多媒體系統(tǒng)邏輯上由顯示系統(tǒng)、CDR（Convergent Digital Radio）接收系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三大部分構(gòu)造而成，如圖4所示，顯示系統(tǒng)負(fù)責(zé)所有的界面交互邏輯與平時(shí)公益信息的展示；CDR接收系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收CDR廣播的內(nèi)容，并解壓提出相關(guān)的嵌入信號(hào)，解壓后通過相應(yīng)的串口信號(hào)發(fā)送到顯示系統(tǒng)；狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則時(shí)刻注意著設(shè)備自身的狀態(tài)，通過浸水檢測(cè)器、煙火監(jiān)測(cè)器、防震檢測(cè)器等嵌入模塊，隨時(shí)監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)，并將信息發(fā)送到監(jiān)控中心。這三部分各自由編寫的三個(gè)程序控制，并配有進(jìn)程狗，在各類Linux系統(tǒng)和Windows系統(tǒng)上均能良好的編譯運(yùn)行。

圖4 多媒體系統(tǒng)中配備的三個(gè)子模塊系統(tǒng)

三個(gè)系統(tǒng)互相獨(dú)立存在，通過連線與協(xié)議互相連接。CDR接收系統(tǒng)在得到報(bào)警信息后，還能直接輸出蜂鳴報(bào)警聲音，避免單獨(dú)一個(gè)系統(tǒng)損壞影響其它系統(tǒng)功能。

3.1 顯示系統(tǒng)

顯示系統(tǒng)是展示的核心，也是最為復(fù)雜的部分，在考慮到多平臺(tái)、易于開發(fā)部署、生態(tài)豐富等要求后，最終采用了Electron技術(shù)[2]，這讓我們不僅可以方便測(cè)試，也便于在不同的系統(tǒng)下，讀取多種連接串口的輸入信號(hào)。

在實(shí)際開發(fā)中，我們運(yùn)用了Vue[3]與Electron結(jié)合的方式來進(jìn)行技術(shù)實(shí)現(xiàn)，使用的Vue-Electron-builder[4]。之所以選擇Vue技術(shù)，他有幾大優(yōu)勢(shì)：

1）它賦予界面開發(fā)一個(gè)MVVM（Model，View，ViewModel）的架構(gòu)。

2）它將Electron中的多網(wǎng)頁(yè)結(jié)構(gòu)變成了SPA架構(gòu)（Single Page Application），單網(wǎng)頁(yè)架構(gòu)的最大好處在與它節(jié)省了Electron中各窗口之間的多線程通信，即再也不用使用多個(gè)ipcMain與ipcRender之間相互通信，降低了通信研發(fā)成本。

3）通過VUE的router機(jī)制，可以做出復(fù)雜的界面邏輯，并盡量保證其組件化，開發(fā)起來迅捷快速。

4）通過Vue搭建的VUEX，可以保持狀態(tài)的統(tǒng)一化以及通用功能在組件之間的復(fù)用。

3.2 串口輸入信號(hào)的處理

從前文闡述中可知，我們的顯示系統(tǒng)一直在接收CDR接收系統(tǒng)解碼出來的串口信號(hào)。這里涉及兩個(gè)問題，一是廣播解碼下來的串口信號(hào)并不穩(wěn)定，偶有誤碼產(chǎn)生；一是我們需要在顯示中鎖屏，使得界面無法交互并立即顯示正確信息。

解決串口信息不穩(wěn)定的情況要從我們的實(shí)際測(cè)試中來尋找比較合適的辦法。CDR嵌入信號(hào)目前傳輸?shù)膫鬏攷挒?10Kbps，當(dāng)傳輸文字信息時(shí)，一般不會(huì)超過500字，假設(shè)我們?cè)O(shè)定重復(fù)播發(fā)信息的周期為1S，并在信息的發(fā)端將文字分段標(biāo)識(shí)并配置驗(yàn)證碼，比如將字符串“information1information2”分成兩段加上標(biāo)識(shí)：“information1--md5information2--md5”，這樣配置后，通過幾次的接收比對(duì)，我們不僅通過MD5碼保證每段信息的完整性，也通過信息分段以及高頻重復(fù)接收保證了排除串口亂碼工作的效率。

在Vue-Electron架構(gòu)中，我們把這段串口的解析程序單獨(dú)做成一個(gè)線程，按照Electron推薦的方法[5]，我們單獨(dú)創(chuàng)立一個(gè)不可見的子窗口，并運(yùn)行這段程序，設(shè)置窗口崩潰時(shí)自動(dòng)重啟。通過這樣的方式，我們就可以在后臺(tái)運(yùn)行一個(gè)一直監(jiān)聽串口接收信號(hào)，并在接收完整后立即鎖屏切換的線程。

3.3 窗口之間的切換

為了做到界面之間根據(jù)狀態(tài)的切換，實(shí)際上我們使用的是Vue Router，以及VUEX。當(dāng)我們有鎖屏的需求時(shí)，事實(shí)上我們其實(shí)是在router中做了一個(gè)“/locking-screen”的路徑，并配置一個(gè)沒有任何界面響應(yīng)的“l(fā)ocking-screen.vue”文件，這樣當(dāng)我們?cè)谌魏吻闆r與條件下，只需調(diào)用this.$router.push(‘/ locking-screen’)，就能夠進(jìn)入到這個(gè)界面中，完成了鎖屏預(yù)警信息的展示。

同時(shí)我們還需要一個(gè)退出的機(jī)制，如倒計(jì)時(shí)60秒，此時(shí)再無CDR信息輸入，那么我們就調(diào)用this.$router.push(‘/‘)，返回屏幕初始狀態(tài)。而這個(gè)倒計(jì)時(shí)則返回的功能，以及一些狀態(tài)我們會(huì)在全局中經(jīng)常用到。比如正在瀏覽，人走后需要過段時(shí)間自動(dòng)切回；如長(zhǎng)時(shí)間無人互動(dòng)屏幕，則播放播單等等。由于這個(gè)功能在此系統(tǒng)中如此常見，而且需要很多的全局狀態(tài)，我們選擇使用了Vuex，優(yōu)點(diǎn)是代碼條理清晰，遠(yuǎn)勝于Electron各窗口進(jìn)程的獨(dú)自管理。

如上，在vuex的actions中設(shè)置異步函數(shù)，各個(gè)組件通過讀寫state來掌控頁(yè)面的狀態(tài)，同時(shí)傳入closeFunc作為倒計(jì)時(shí)結(jié)束后的執(zhí)行動(dòng)作，達(dá)到了功能復(fù)用，狀態(tài)唯一。

3.4 設(shè)置與搭配

縱觀本程序，由于選用了Vue-Electron的方式，我們可以使用很多NPM組件[6]，比如串口就可以使用SerialPort這個(gè)組件[7]，樣式則可以使用Vuetify[8]，這里需要注意的一點(diǎn)是，當(dāng)使用SerialPort這種組件時(shí)，需要在vue.config.js中添加如下配置。

3.5 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)主要構(gòu)成由硬件和軟件組成，硬件部分采用ESP32+STM32雙芯片共同服務(wù)模式。ESP32主要功能是將數(shù)據(jù)上傳到MQTT服務(wù)器（圖5），同時(shí)還負(fù)責(zé)對(duì)光照，電壓，空氣質(zhì)量，液晶顯示屏的處理。STM32負(fù)責(zé)溫濕度，門磁，漏水，振動(dòng)開關(guān)的處理及繼電器的操作，STM32通過串口與ESP32通信。采用雙芯片工作模式的優(yōu)點(diǎn)是提高系統(tǒng)可靠性，數(shù)據(jù)采集更準(zhǔn)確，靈活性更高。ESP32將采集到的數(shù)據(jù)上傳到MQTT服務(wù)器，MQTT服務(wù)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到后臺(tái)的設(shè)備GIS監(jiān)控服務(wù)器，這樣我們就可以在后端的地圖監(jiān)控系統(tǒng)中看到設(shè)備運(yùn)行時(shí)的監(jiān)控指標(biāo)了。

圖5 MQTT服務(wù)器基本通訊簡(jiǎn)圖

CDR接收系統(tǒng)（圖6）核心芯片是我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的芯片，單芯片集成400MHZ、32位MIPS指令集的龍芯處理器，芯片集成射頻調(diào)諧器、CDR/FM解調(diào)和AD/DA電路，并具有射頻信號(hào)處理專用的DSP電路和USB接口電路。

圖6 CDR接收系統(tǒng)工作流程圖

CDR接收系統(tǒng)將數(shù)字音頻信號(hào)中的嵌入信息不斷解碼，通過程序驗(yàn)正完整性后，將信息傳遞給顯示系統(tǒng)，得以優(yōu)先展示。

4 系統(tǒng)的完成與展望

多媒體大屏嵌入式系統(tǒng)原型試成并運(yùn)行，有效的整合了青島臺(tái)平臺(tái)資源，在公眾展示屏這一概念下，拓展了資訊的展示渠道，添加了新的賽道與舞臺(tái)。綜合本系統(tǒng)來說，使用的硬件與軟件都具有跨平臺(tái)性，在自研成品能良好展示、完成目標(biāo)功能的同時(shí)，與第三方合作共同開發(fā)下，也有著強(qiáng)大的整合與移植能力，如在Windows系統(tǒng)下的公交亭系統(tǒng)（圖7），我們可以迅速改造與融合?？梢哉f為青島廣電的嵌入式產(chǎn)品開發(fā)，打下了一個(gè)良好的開端。

圖7 Windows系統(tǒng)公交亭展示屏產(chǎn)品