張會(huì)銘　陸云龍　雷志華

摘 要:在小型或零星的多媒體教室實(shí)現(xiàn)對(duì)投影機(jī)的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制,仍然值得進(jìn)一步研究。在此闡述Windows服務(wù)的基本特性,分析服務(wù)器端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀與串口數(shù)據(jù)幀通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換,論述基于Windows服務(wù)的軟件設(shè)計(jì)流程。進(jìn)而提出在無網(wǎng)絡(luò)中控的情況下,對(duì)投影機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的“零成本”解決方案,并介紹投影機(jī)遠(yuǎn)程冷啟動(dòng)開機(jī)和延時(shí)關(guān)機(jī)的方法?；赪indows服務(wù)的數(shù)據(jù)通信有著在特殊應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞:Windows服務(wù);網(wǎng)絡(luò);串口;遠(yuǎn)程控制;投影機(jī)

中圖分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2009)10-080-03

Design of Remote Control of Projector Based on Windows Service and Network Serial Interface

ZHANG Huiming,LU Yunlong,LEI Zhihua

(Modern Educational Technology Center,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,430074,China)

Abstract:It is still desirable to study and develop remote control on the projector in miniature or scattered multimedia classroom.The basic characteristics of Windows service is elaborated in this paper,and the communication protocol between network data frames and serial interface data frames is ananlyzed,and the software design process based on Windows service is discussed.Furthermore,a solution withzero-cost of the remote control on projector has been put forward when there is no availability of central network control.The method of remote coldstart-on and postpone-off of projector has been introduced at the same time.The data communication based on Windows service is innovative points.The advantage of this technique in some special application has been illuminated.

Keywords:Windows service;network;serial interface;remote control;projector

0 引 言

在小型、零星或分散的多媒體教室里,如果吊裝投影機(jī)后,再配置一套多媒體教室設(shè)備網(wǎng)絡(luò)集成中央控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱網(wǎng)絡(luò)中控)顯得有些多余。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中控的主要控制對(duì)象是投影機(jī),是圍繞投影機(jī)服務(wù)而實(shí)現(xiàn)多媒體教室設(shè)備的集成控制。不過投影機(jī)已經(jīng)具備了信號(hào)源的切換功能,與其連接的計(jì)算機(jī)又有網(wǎng)絡(luò)和串口資源,而且網(wǎng)絡(luò)中控還必須占用一個(gè)目前網(wǎng)絡(luò)資源緊張的IP地址。

為了充分利用投影機(jī)和計(jì)算機(jī)自有的硬件軟件資源,這里使用Microsoft Visual Studio 2005[1]集成開發(fā)工具和.NET 2.0框架,采用C#編程語言,提出一種既能在運(yùn)行時(shí)不需用戶交戶的窗口界面、不與其它應(yīng)用進(jìn)程發(fā)生沖突,又能實(shí)現(xiàn)投影機(jī)的遠(yuǎn)程冷啟動(dòng)開機(jī)和延時(shí)關(guān)機(jī),基于網(wǎng)絡(luò)、Windows服務(wù)[2]和串口的投影機(jī)遠(yuǎn)程控制“零成本”解決方案。

1 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

1.1 計(jì)算機(jī)Windows服務(wù)技術(shù)特征

一個(gè)計(jì)算機(jī)Windows服務(wù)程序[2,3]是沒有Windows窗口界面的后臺(tái)運(yùn)行程序,是在Windows操作系統(tǒng)下不要求用戶交互而能在后臺(tái)運(yùn)行特定功能的可執(zhí)行應(yīng)用程序。對(duì)于自動(dòng)啟動(dòng)的Windows服務(wù)程序,在Windows啟動(dòng)或是重啟之后,用戶登錄之前就開始執(zhí)行,隨Windows系統(tǒng)關(guān)閉而最后停止。Windows服務(wù)程序的應(yīng)用范圍很廣,典型的Windows服務(wù)程序包含硬件控制、應(yīng)用程序監(jiān)視、系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用、診斷、報(bào)告、Web和文件系統(tǒng)服務(wù)等功能。

Windows服務(wù)應(yīng)用程序的啟動(dòng)由Windows服務(wù)控制管理器(Service Control Manager,SCM)完成,而SCM通過維護(hù)數(shù)據(jù)庫對(duì)已經(jīng)安裝到系統(tǒng)的所有服務(wù)和驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行統(tǒng)一而安全的控制和管理,是一個(gè)遠(yuǎn)程進(jìn)程調(diào)用服務(wù)器,在Windows操作系統(tǒng)導(dǎo)入時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)。Windows服務(wù)分為服務(wù)應(yīng)用程序啟動(dòng)、服務(wù)程序監(jiān)控及運(yùn)行和服務(wù)程序安裝三個(gè)部分。這三部分通過安裝程序組合為一個(gè)完整的.exe文件。

實(shí)現(xiàn)投影機(jī)的遠(yuǎn)程控制,開發(fā)用戶主要精力放在網(wǎng)絡(luò)與串口通信協(xié)議及程序設(shè)計(jì)上。與投影機(jī)連接的計(jì)算機(jī)設(shè)置為服務(wù)器端,由服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)與串口通信程序轉(zhuǎn)發(fā)客戶端發(fā)送的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)投影機(jī)控制,或作為返回投影機(jī)的應(yīng)答信號(hào)。顯然,計(jì)算機(jī)只是數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的硬件軟件中介,網(wǎng)絡(luò)與串口通信軟件只能在計(jì)算機(jī)的Windows操作系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行,即Windows服務(wù)承擔(dān)此特殊任務(wù)。這是實(shí)現(xiàn)硬件控制和應(yīng)用程序監(jiān)視,并以軟件設(shè)計(jì)為主的解決方案。.NET框架簡(jiǎn)化了Windows服務(wù)程序的創(chuàng)建和控制過程,其中啟動(dòng)函數(shù)OnStart()和關(guān)閉函數(shù)OnClose()都是Windows服務(wù)開發(fā)重點(diǎn)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀與串口幀的通信協(xié)議設(shè)計(jì)

為了在計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后立即監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò),及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)客戶端發(fā)來的控制信號(hào)到投影機(jī),使投影機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作,則計(jì)算機(jī)首先必須實(shí)現(xiàn)基于Windows服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)和串口的轉(zhuǎn)換協(xié)議,定義圖1所示網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀和串口數(shù)據(jù)幀格式。服務(wù)器和客戶端都以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀來通信,網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀包含IP頭、TCP頭和若干串口數(shù)據(jù)幀。由于服務(wù)器端的計(jì)算機(jī)可能要使用多個(gè)串口控制嵌入式設(shè)備,同時(shí)因不同廠家生產(chǎn)投影機(jī)的串口波特率、效驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位等都不一致。無法確定所有投影機(jī)的串口設(shè)置,串口幀除了串口數(shù)據(jù)(N位)外,還需要在串口數(shù)據(jù)前加串口號(hào)(1位)、串口設(shè)置(1位)。為了編程方便,設(shè)定統(tǒng)一串口幀長(zhǎng)度,對(duì)于不夠長(zhǎng)度的,以填充位(為0)來補(bǔ)齊。在允許網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀最大長(zhǎng)度的情況下,可以一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀包含若干個(gè)串口數(shù)據(jù)幀,各個(gè)串口數(shù)據(jù)幀以串口幀頭和串口幀尾區(qū)分開。

1.3 網(wǎng)絡(luò)與串口通信軟件設(shè)計(jì)

由上面論述可知,與投影機(jī)連接的計(jì)算機(jī)設(shè)置為服務(wù)器端。其軟件設(shè)計(jì)[4,5]采用客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S)模型,與遠(yuǎn)程客戶端實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信,都要建立通信網(wǎng)絡(luò)套接字Socket對(duì)象,以后服務(wù)器端和客戶端通過這個(gè)套接字進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。.NET 2.0提供了SerialPort串口組件,以完成與投影機(jī)或其他嵌入式設(shè)備的串口數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)。

在服務(wù)器端,基于計(jì)算機(jī)Windows服務(wù)的關(guān)鍵程序是網(wǎng)絡(luò)與串口通信程序設(shè)計(jì),網(wǎng)絡(luò)與串口通信主程序流程圖如圖2所示。服務(wù)控制管理器SCM在Windows系統(tǒng)啟動(dòng)后就調(diào)用網(wǎng)絡(luò)與串口通信程序的OnStart()函數(shù)。在OnStart()函數(shù)里建立新的線程,并建立新的Socket對(duì)象,使用bind()函數(shù)綁定本地計(jì)算機(jī)的IP地址和協(xié)議端口,通過listen()函數(shù)監(jiān)聽該協(xié)議端口。為了提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行效率,采用非阻塞異步Socket編程。

網(wǎng)絡(luò)偵聽到新的連接后,就建立新線程并生成新的Socket對(duì)象,原線程繼續(xù)偵聽網(wǎng)絡(luò),新的Socket對(duì)象與客戶端的Socket對(duì)象建立連接,并接收客戶端發(fā)來的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀。服務(wù)器端Socket對(duì)象收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀后,解析出串口數(shù)據(jù)幀,并讀出串口號(hào)和串口設(shè)置,根據(jù)串口號(hào)初始化本地計(jì)算機(jī)的SerialPort串口組件,如波特率、停止位、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、握手連接等。以SerialPort組件的Open()方法打開相應(yīng)的串口;把從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀解析出的串口數(shù)據(jù),用SerialPort組件的Write()方法發(fā)送出去,以控制投影機(jī)的相應(yīng)動(dòng)作;然后偵聽正使用的串口資源,并通過SerialPort組件的異步方式Read()方法讀入返回的應(yīng)答信號(hào)。等待規(guī)定毫秒時(shí)間延時(shí)后,讀入串口接收緩存器,如有返回的串口數(shù)據(jù),就把返回的串口數(shù)據(jù)加上IP頭,與TCP封裝成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀,按接收到的客戶端IP地址發(fā)送出去。如在規(guī)定時(shí)間里沒有返回串口數(shù)據(jù),表明外界嵌入式設(shè)備的串口資源有故障,就生成失敗串口數(shù)據(jù)封裝網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀發(fā)回到原先連接的客戶端。最后關(guān)閉正使用的Socket對(duì)象和串口資源,原Socket對(duì)象同時(shí)繼續(xù)網(wǎng)絡(luò)偵聽等待新的客戶端連接。Windows系統(tǒng)關(guān)閉時(shí),Windows服務(wù)控制管理SCM就關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)與串口的通信程序,從而退出Windows服務(wù)系統(tǒng)后臺(tái)運(yùn)行。

2 投影機(jī)遠(yuǎn)程控制案例

2.1 “零成本”解決方案

根據(jù)上述的網(wǎng)絡(luò)、Windows服務(wù)和串口遠(yuǎn)程控制開發(fā)流程,可以使設(shè)計(jì)不再使用網(wǎng)絡(luò)中控硬件,但具備網(wǎng)絡(luò)中控的網(wǎng)絡(luò)與串口通信協(xié)議功能,以“零成本”方式[6,7]實(shí)現(xiàn)投影機(jī)遠(yuǎn)程控制。設(shè)計(jì)如圖3所示的基于網(wǎng)絡(luò)、Windows服務(wù)與串口通信應(yīng)用。

整個(gè)項(xiàng)目系統(tǒng)中有4個(gè)信號(hào)源:計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)、便攜機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)、影碟機(jī)視頻信號(hào)、錄像機(jī)視頻信號(hào),全部由投影機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)切換?？刂仆队皺C(jī)開機(jī)關(guān)機(jī)及信號(hào)源切換控制,由其串口與計(jì)算機(jī)的串口一連接。根據(jù)投影機(jī)不同的串口設(shè)置,客戶端發(fā)送的串口數(shù)據(jù)幀設(shè)置與計(jì)算機(jī)、投影機(jī)的串口設(shè)置相一致。計(jì)算機(jī)的串口二與電動(dòng)屏幕的串口連接(電動(dòng)屏幕通過一個(gè)小型AVR單片機(jī)[8]控制的兩個(gè)繼電器來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)屏幕的升、降和停止,AVR單片機(jī)有一個(gè)全雙工串口),同樣串口數(shù)據(jù)幀設(shè)置也與電動(dòng)屏幕的串口設(shè)置相一致?？蛻舳艘跃W(wǎng)絡(luò)套接字Socket對(duì)象發(fā)送或接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀,根據(jù)遠(yuǎn)程投影機(jī)或電動(dòng)屏幕的串口設(shè)置發(fā)送串口號(hào)和相應(yīng)串口設(shè)置,并由若干串口控制數(shù)據(jù)代碼組成符合規(guī)定的串口數(shù)據(jù)幀,再按TCP/IP協(xié)議組成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀,實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)、Windows服務(wù)和串口的投影機(jī)遠(yuǎn)程控制。

2.2 投影機(jī)遠(yuǎn)程冷啟動(dòng)開機(jī)和延時(shí)關(guān)機(jī)

在沒有網(wǎng)絡(luò)中控的情況下,如果要實(shí)現(xiàn)投影機(jī)的遠(yuǎn)程冷啟動(dòng)開機(jī)和延時(shí)關(guān)機(jī)[9,10]控制。首先要實(shí)現(xiàn)對(duì)投影機(jī)所連接的計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程冷啟動(dòng)開機(jī)(喚醒功能),并能通過計(jì)算機(jī)的串口資源控制投影機(jī)的冷啟動(dòng)開機(jī)和延時(shí)關(guān)機(jī)。計(jì)算機(jī)的硬件如主板、網(wǎng)卡等都要符合網(wǎng)絡(luò)開機(jī)喚醒功能設(shè)置;計(jì)算機(jī)的軟件采用開機(jī)后即可自動(dòng)運(yùn)行的Windows服務(wù),以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與串口的數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換。

在主控客戶端確定需要喚醒遠(yuǎn)程投影機(jī)所連接計(jì)算機(jī)時(shí),客戶端通過Socket廣播發(fā)送相應(yīng)含有網(wǎng)絡(luò)喚醒數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)包給網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)。當(dāng)需要喚醒的計(jì)算機(jī)控制芯片發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包內(nèi)包含本網(wǎng)卡的媒體訪問控制(Media Access Control,MAC)地址信息的網(wǎng)絡(luò)喚醒數(shù)據(jù)幀后,就立刻通過網(wǎng)絡(luò)喚醒(Wake on Lan,WoL)連接線向計(jì)算機(jī)發(fā)出開機(jī)信號(hào),通知主板開機(jī)。在網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)計(jì)算機(jī)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)時(shí),IP地址和計(jì)算機(jī)名字都不能識(shí)別機(jī)器的身份,惟一能識(shí)別其身份的只有它所帶網(wǎng)卡的物理地址,即MAC地址。每塊網(wǎng)卡的地址是惟一的,也就是說網(wǎng)卡的MAC 地址可以用來惟一地標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)上的某臺(tái)計(jì)算機(jī)。

網(wǎng)絡(luò)喚醒數(shù)據(jù)幀的格式為連續(xù)6 B的FF和連續(xù)重復(fù)16次的MAC地址。若要喚醒電腦網(wǎng)卡的MAC地址00-DF-1E-32-E7-CD,則其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)喚醒數(shù)據(jù)幀如圖4所示。

對(duì)于實(shí)現(xiàn)投影機(jī)的遠(yuǎn)程關(guān)機(jī),客戶端只需被控計(jì)算機(jī)的管理員賬號(hào)和密碼,就能控制或者進(jìn)入被控計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)。其實(shí)現(xiàn)原理是視窗管理規(guī)范(Windows Management Instrumentation,WMI)[11]。通過WMI為客戶端用戶提供通用訪問管理信息,設(shè)置客戶端在其本地計(jì)算機(jī)讀取/寫入/執(zhí)行的權(quán)限,也包括關(guān)機(jī)設(shè)置。當(dāng)客戶端發(fā)出遠(yuǎn)程關(guān)機(jī)命令時(shí),被控計(jì)算機(jī)通過WMI確認(rèn)客戶端用戶使用權(quán)限,使用上面所述的Windows服務(wù),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀到串口數(shù)據(jù)幀的協(xié)議轉(zhuǎn)換,并通過計(jì)算機(jī)串口向投影機(jī)發(fā)送延時(shí)關(guān)機(jī)信號(hào)。投影機(jī)延時(shí)關(guān)機(jī)完成后,根據(jù)客戶端的要求,被控計(jì)算機(jī)也可隨即關(guān)閉Windows服務(wù),并自動(dòng)關(guān)機(jī),最后整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入遠(yuǎn)程冷啟動(dòng)開機(jī)的功能。

3 結(jié) 語

利用基于網(wǎng)絡(luò)、Windows服務(wù)和串口的數(shù)據(jù)通信技術(shù),通過計(jì)算機(jī)作為中介,實(shí)現(xiàn)了對(duì)投影機(jī)遠(yuǎn)程冷啟動(dòng)開機(jī)和延時(shí)關(guān)機(jī);并使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)套接字Socket和SerialPort串口控件,完成了在無網(wǎng)絡(luò)中控硬件支持的情況下,利用本地計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源和串口資源,以及投影機(jī)本身信號(hào)源切換資源,實(shí)現(xiàn)對(duì)投影機(jī)的“零成本”遠(yuǎn)程控制。同時(shí)基于網(wǎng)絡(luò)、Windows 服務(wù)和串口的數(shù)據(jù)通信有更多的用途,在只有計(jì)算機(jī)而又要實(shí)現(xiàn)對(duì)被控設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制時(shí),就要應(yīng)用到這種技術(shù)。

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