譚仕釗 陸光照 劉唐勇 韋 泉 韋 標(biāo)

目前，廣西壯族自治區(qū)廣播電視無線發(fā)射臺站（以下簡稱“臺站”）的絕大多數(shù)設(shè)備均已接入遠程監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)備的運行狀態(tài)出現(xiàn)異常時可以通過復(fù)位等方式解決。但維護人員在對臺站的日常維護過程中發(fā)現(xiàn)，部分設(shè)備故障只能由維護人員前往臺站，在設(shè)備面板上手動操作解決。出現(xiàn)此類故障的原因往往是參數(shù)異常，只需調(diào)整參數(shù)即可恢復(fù)正常，但無法通過現(xiàn)有方式進行遠程參數(shù)調(diào)整。而維護人員則需花費數(shù)小時奔赴臺站進行手動調(diào)整，效率低下且費時費力。因此，設(shè)計一種易用、安全的遠程控制系統(tǒng)以實現(xiàn)對部分設(shè)備的調(diào)整操作是十分有必要的。本文以三級臺站所使用的德芯300W數(shù)字電視發(fā)射機系統(tǒng)（型號：DUT-8322）為例，設(shè)計一個可視化的基于樹莓派的WEB控制系統(tǒng)。

一、設(shè)計思路

德芯300W數(shù)字電視發(fā)射機系統(tǒng)由監(jiān)控單元、功率放大器、前級推動單元、激勵器和供電模塊五部分組成。前級推動單元的功能是通過調(diào)節(jié)激勵器輸入的信號電平值衰減來控制整機輸出功率，將其控制在300W左右進行播出。由于環(huán)境溫度、天氣等外部因素的變化，偶爾會出現(xiàn)前級推動單元設(shè)定的衰減值不變，但發(fā)射機卻無法正常播出的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為前級推動單元面板亮紅燈，提示激勵器功率過高或過低。針對此類故障，復(fù)位發(fā)射機是無效的，但只需在前級推動單元的面板上調(diào)整衰減數(shù)值，根據(jù)告警提示增大或減小衰減值即可恢復(fù)正常播出。

在硬件設(shè)計方面，如需實現(xiàn)面板上的按鈕點擊操作，需改造面板內(nèi)部控制板，于按鈕兩側(cè)引腳引出導(dǎo)線接入繼電器，通過繼電器的分斷與閉合、兩次動作的間隔時間來模擬按鈕點擊動作。同時，為了更方便地實現(xiàn)統(tǒng)一控制，應(yīng)當(dāng)選用支持高級語言編程功能、網(wǎng)絡(luò)接入功能、繼電器控制功能的開發(fā)板。本系統(tǒng)選用樹莓派開發(fā)板來實現(xiàn)，該開發(fā)板具有功耗低、體積小、拓展接口齊全、使用Linux系統(tǒng)方便編程、帶有GPIO引腳等諸多優(yōu)點。同時，為了讓操作者更直觀地觀察到機器面板上各項參數(shù)及狀態(tài)指示燈的變化，避免可能的誤操作導(dǎo)致停播事故，應(yīng)使用一個USB攝像頭對面板進行實時視頻監(jiān)測。同時，得益于人工機器視覺等技術(shù)的日漸發(fā)展，也可以通過軟件編程對攝像頭采集的畫面進行分析比較，得到設(shè)備指示燈的狀態(tài)，并將其反饋表現(xiàn)于系統(tǒng)操作面板上。

在軟件設(shè)計方面，由于各個臺站的主控電腦的軟件環(huán)境、硬件配置不一致，如采用傳統(tǒng)的C/S模式，編寫的應(yīng)用程序可能存在兼容性問題，哪怕采用跨平臺的開發(fā)語言也可能因為系統(tǒng)環(huán)境變量配置、開發(fā)語言版本等產(chǎn)生各種異常。為了實現(xiàn)高度兼容性，本系統(tǒng)采用B/S方式編程。B/S架構(gòu)的全稱為Browser/Server，即瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。Browser指的是Web瀏覽器，極少數(shù)事務(wù)邏輯在前端實現(xiàn)，但主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端實現(xiàn)。Browser客戶端、WebApp服務(wù)器端和DB端構(gòu)成所謂的三層架構(gòu)。B/S架構(gòu)的系統(tǒng)無需特別安裝，只需通過瀏覽器打開相應(yīng)頁面即可使用。因涉及跨平臺WEB編程，計劃使用Python作為開發(fā)語言。Python具有語法簡潔、開源跨平臺、自帶豐富且強大的庫、開發(fā)效率高等優(yōu)點，在開發(fā)過程中可以節(jié)約大量時間成本。

二、實現(xiàn)過程

本系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境如下：

CPU：Broadcom ARM Corte×A53×4 Cores；

RAM：1GB LPDDR2 SDRAM；

LAN：10/100/1000Mbps自適應(yīng)；

操作系統(tǒng)：基于32位Linux的Debian 10；

Python版本：Python 2.7及 Python 3.7。

（一）系統(tǒng)框架

系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

（二）WEB前端布局設(shè)計

為了便于操作者理解與使用，本系統(tǒng)的前端布局應(yīng)盡可能還原實際操作體驗，因此在編寫前端網(wǎng)頁時直接繪制與實際機器面板相同的網(wǎng)頁背景與按鈕，并在下方增加圖像預(yù)覽區(qū)，用于展示USB攝像頭所拍攝的畫面。具體如圖2所示。

圖2 網(wǎng)頁前端設(shè)計布局

（三）硬件設(shè)計

硬件設(shè)計方面，計劃采用帶有GPIO接口的8路5V繼電器控制板。該控制板體積小巧，無需獨立供電，能夠方便地與樹莓派開發(fā)板連接，從開發(fā)板的GPIO接口獲得電源供給和控制信號。如圖3所示。

圖3 8路5V繼電器控制板

GPIO（General-purpose input/output），又稱為通用型之輸入輸出，用于電信號在電路中的輸入輸出，可以通過程序控制電路部件。該控制板主要通過右側(cè)的GPIO接口連接樹莓派開發(fā)板，并通過開發(fā)板輸出高低電平來對繼電器進行控制。設(shè)計原理為繼電器的常開端通過導(dǎo)線連接目標(biāo)按鈕的兩端，當(dāng)繼電器動作時，常開端閉合，導(dǎo)通回路，經(jīng)過約0.5秒后恢復(fù)為常開狀態(tài)，即可認為產(chǎn)生了一次有效的點擊動作。在對開發(fā)板進行編程時，只需控制分斷閉合的間隔時間即可。

樹莓派開發(fā)板擁有4個板載USB接口，可以方便地接入USB攝像頭并直接使用，只需該攝像頭符合UVC協(xié)議（USB Video Class）即可。目前，市面上絕大多數(shù)免驅(qū)動USB攝像頭采用該協(xié)議。同時，該開發(fā)板亦支持CSI接口攝像頭，該接口是基于MIPI的一種傳輸方式，直接使用GPU進行圖形處理，相對于使用CPU處理的UVC協(xié)議USB連接方式，CSI方式的系統(tǒng)資源占用率較低，但USB連接方式更為靈活且兼容性較好。如有特殊需求也可以采用CSI接口的攝像頭。本系統(tǒng)采用海康威視DS-E12a攝像頭，使用USB接口連接樹莓派開發(fā)板。

（四）軟件設(shè)計

Python作為一種流行的開發(fā)語言，其一大特點便是擁有強大的標(biāo)準(zhǔn)庫及第三方庫，從這些庫里可以找到實現(xiàn)自己所需功能的模塊且能夠快捷方便地進行調(diào)用，無需從零開發(fā)，極大程度地縮減了開發(fā)成本。得益于Python豐富的庫，本系統(tǒng)能輕松、高效地實現(xiàn)上文所提到的功能。

1.軟件流程圖

該系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

2.WEB框架選擇

WEB框架選用輕量的Flask微框架。該框架是使用Python基于Werkzeug和Jinja2開發(fā)的微型框架，具有高靈活性、易于擴展、輕量化、易于部署等優(yōu)點，其功能對于本系統(tǒng)這類小型WEB開發(fā)項目來說綽綽有余。

3.網(wǎng)頁設(shè)計

網(wǎng)頁采用HTML（超文本標(biāo)記語言）編寫，采用JavaScrip作為腳本語言，并采用CSS樣式表外置的方式以方便后期維護。JavaScrip是一種高級的、解釋型的編程語言，主要作為客戶端腳本語言在用戶的瀏覽器上運行，不需要服務(wù)器的支持。通過JavaScrip可以方便地把表單數(shù)據(jù)提交到服務(wù)器端，在服務(wù)器端監(jiān)聽到數(shù)據(jù)后即可進行對應(yīng)的操作。

4.部分功能實現(xiàn)過程及偽代碼、代碼

通過調(diào)用Python庫中的RPi.GPIO模塊對Raspberry Pi開發(fā)板的GPIO引腳進行控制操作，F(xiàn)lask模塊實現(xiàn)WEB服務(wù)的前端搭建及后端轉(zhuǎn)發(fā)，Opencv模塊實現(xiàn)攝像頭的調(diào)用、編碼及后期拓展功能。

（1）網(wǎng)頁button按鈕通過JavaScrip腳本提交表單數(shù)據(jù)到后端

偽代碼：

代碼：

該JavaScrip代碼塊實現(xiàn)的功能為將網(wǎng)頁內(nèi)不同按鈕的點擊動作與其定義的狀態(tài)提交至后臺監(jiān)聽服務(wù)。

（2）調(diào)用RPi.GPIO模塊控制開發(fā)板GPIO接口

偽代碼：

代碼：

該Python代碼塊的功能為將指定地址的GPIO插針設(shè)置為指定高電平，繼電器接收到高電平信號后即開始動作。

（3）Flask接收前端數(shù)據(jù)

偽代碼：

代碼：

該Python代碼塊為Flask接收JavaScrip所提交的表單數(shù)據(jù)，并將變量值設(shè)置為所接收到的值。

（4）通過Opencv模塊調(diào)用攝像頭并輸出

偽代碼：

代碼：

該Python代碼塊實現(xiàn)的功能為調(diào)用Opencv模塊采集攝像頭圖像，并將視頻流轉(zhuǎn)換為網(wǎng)頁使用的圖像格式輸出至前端頁面，避免部分平臺無法解碼視頻流的問題。

三、系統(tǒng)測試

經(jīng)過在某三級臺站進行實機測試后，該系統(tǒng)可以正常運行并對該臺站內(nèi)數(shù)字電視發(fā)射機的前級推動單元進行正?？刂?。首先，需要配置開發(fā)板的固定IP地址以便于臺站主控電腦進行訪問。其次，開發(fā)板IP地址的選擇不能與臺站設(shè)備的IP地址存在沖突。在配置完畢后，使用網(wǎng)線將開發(fā)板接入臺站華為路由交換一體機，并將控制網(wǎng)頁快捷方式發(fā)送到電腦桌面即可。該型號數(shù)字電視發(fā)射機前級推動單元模塊的后面板有冗余開口，延伸控制線可以從開口引出并接入8路繼電器控制板。圖像采集方面，需要將攝像頭固定于推動單元前面板正前方一定距離處，確保其畫面能看到LCD顯示屏、狀態(tài)指示燈等。最后，在臺站主控電腦上使用Chrome內(nèi)核的瀏覽器（應(yīng)避免使用過時的IE內(nèi)核瀏覽器）打開對應(yīng)的控制頁面，即可通過網(wǎng)頁對該數(shù)字電視發(fā)射機系統(tǒng)的前級推動單元進行控制，且可實時觀察面板狀態(tài)和參數(shù)，避免盲目調(diào)整。系統(tǒng)測試時運行效果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)運行效果

四、結(jié)語

該系統(tǒng)經(jīng)過長時間的臺站試運行后，控制功能正常有效，未發(fā)現(xiàn)異常狀況，極大地減少了維護人員的出勤次數(shù)，同時在出現(xiàn)相關(guān)故障時的響應(yīng)時間、處理速度也更短、更快。隨著時代的發(fā)展和進步，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與我們的工作生活變得愈加密不可分。我們作為新時代的廣電人，更應(yīng)該將新技術(shù)、新方法融入日常維護工作中，提高工作效率，通過技術(shù)創(chuàng)新確保安全播出工作的順利進行。