作者：張會銘，陸云龍，雷志華

在小型、零星或分散的多媒體教室里，如果吊裝投影機后，再配置一套多媒體教室設備網(wǎng)絡集成中央控制系統(tǒng)（簡稱網(wǎng)絡中控）顯得有些多余。因為網(wǎng)絡中控的主要控制對象是投影機，是圍繞投影機服務而實現(xiàn)多媒體教室設備的集成控制。不過投影機已經(jīng)具備了信號源的切換功能，與其連接的計算機又有網(wǎng)絡和串口資源，而且網(wǎng)絡中控還必須占用一個目前網(wǎng)絡資源緊張的IP地址。

為了充分利用投影機和計算機自有的硬件軟件資源，這里使用Microsoft Visual Studio 2005集成開發(fā)工具和．NET 2．0框架，采用C＃編程語言，提出一種既能在運行時不需用戶交戶的窗口界面、不與其它應用進程發(fā)生沖突，又能實現(xiàn)投影機的遠程冷啟動開機和延時關(guān)機，基于網(wǎng)絡、Windows服務和串口的投影機遠程控制“零成本”解決方案。

1 關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

1．1 計算機Windows服務技術(shù)特征

一個計算機 Windows服務程序是沒有Win-dows窗口界面的后臺運行程序，是在Windows操作系統(tǒng)下不要求用戶交互而能在后臺運行特定功能的可執(zhí)行應用程序。對于自動啟動的Windows服務程序，在Windows啟動或是重啟之后，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服務程序的應用范圍很廣，典型的Windows服務程序包含硬件控制、應用程序監(jiān)視、系統(tǒng)級應用、診斷、報告、Web和文件系統(tǒng)服務等功能。

Windows服務應用程序的啟動由Windows服務控制管理器（Service Control Manager，SCM）完成，而SCM通過維護數(shù)據(jù)庫對已經(jīng)安裝到系統(tǒng)的所有服務和驅(qū)動程序進行統(tǒng)一而安全的控制和管理，是一個遠程進程調(diào)用服務器，在 Windows操作系統(tǒng)導人時自動啟動。Windows服務分為服務應用程序啟動、服務程序監(jiān)控及運行和服務程序安裝三個部分。這三部分通過安裝程序組合為一個完整的．exe文件。

實現(xiàn)投影機的遠程控制，開發(fā)用戶主要精力放在網(wǎng)絡與串口通信協(xié)議及程序設計上。與投影機連接的計算機設置為服務器端，由服務器端的網(wǎng)絡與串口通信程序轉(zhuǎn)發(fā)客戶端發(fā)送的控制信號實現(xiàn)對投影機控制，或作為返回投影機的應答信號。顯然，計算機只是數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)發(fā)的硬件軟件中介，網(wǎng)絡與串口通信軟件只能在計算機的 Windows操作系統(tǒng)后臺進行，即Windows服務承擔此特殊任務。這是實現(xiàn)硬件控制和應用程序監(jiān)視，并以軟件設計為主的解決方案。．NET框架簡化了Win-dows服務程序的創(chuàng)建和控制過程，其中啟動函數(shù)On-Start（）和關(guān)閉函數(shù)OnClose（）都是Windows服務開發(fā)重點。

1．2 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀與串口幀的通信協(xié)議設計

為了在計算機啟動后立即監(jiān)聽網(wǎng)絡，及時轉(zhuǎn)發(fā)客戶端發(fā)來的控制信號到投影機，使投影機實現(xiàn)相應的動作，則計算機首先必須實現(xiàn)基于Windows服務的網(wǎng)絡和串口的轉(zhuǎn)換協(xié)議，定義圖1所示網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀和串口數(shù)據(jù)幀格式。服務器和客戶端都以網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀來通信，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀包含IP頭、TCP頭和若干串口數(shù)據(jù)幀。由于服務器端的計算機可能要使用多個串口控制嵌入式設備，同時因不同廠家生產(chǎn)投影機的串口波特率、效驗位、數(shù)據(jù)位、停止位等都不一致。無法確定所有投影機的串口設置，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（1位）、串口設置（1位）。為了編程方便，設定統(tǒng)一串口幀長度，對于不夠長度的，以填充位（為O）來補齊。在允許網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀最大長度的情況下，可以一個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀包含若干個串口數(shù)據(jù)幀，各個串口數(shù)據(jù)幀以串口幀頭和串口幀尾區(qū)分開。

1．3 網(wǎng)絡與串口通信軟件設計

由上面論述可知，與投影機連接的計算機設置為服務器端。其軟件設計采用客戶機／服務器（C／S）模型，與遠程客戶端實現(xiàn)網(wǎng)絡通信，都要建立通信網(wǎng)絡套接字 Socket．對象，以后服務器端和客戶端通過這個套接字進行網(wǎng)絡通信。．NET 2．0提供了SerialPort串口組件，以完成與投影機或其他嵌入式設備的串口數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)發(fā)。

在服務器端，基于計算機Windows服務的關(guān)鍵程序是網(wǎng)絡與串口通信程序設計，網(wǎng)絡與串口通信主程序流程圖如圖2所示。服務控制管理器SCM在Win- dows系統(tǒng)啟動后就調(diào)用網(wǎng)絡與串口通信程序的On-Start（）函數(shù)。在OnStart（）函數(shù)里建立新的線程，并建立新的Socket對象，使用 bind（）函數(shù)綁定本地計算機的IP地址和協(xié)議端口，通過。listen（）函數(shù)*該協(xié)議端口。為了提高計算機的運行效率，采用非阻塞異步 Socket編程。

網(wǎng)絡偵聽到新的連接后，就建立新線程并生成新的Socket對象，原線程繼續(xù)偵聽網(wǎng)絡，新的Socket對象與客戶端的Socket對象建立連接，并接收客戶端發(fā)來的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀。服務器端Socket對象收到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀后，解析出串口數(shù)據(jù)幀，并讀出串口號和串口設置，根據(jù)串口號初始化本地計算機的 SerialPort串口組件，如波特率、停止位、數(shù)據(jù)長度、握手連接等。以SerialPort組件的Open（）方法打開相應的串口；把從網(wǎng)絡數(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，以控制投影機的相應動作；然后偵聽正使用的串口資源，并通過 SerialPort組件的異步方式．Read（）方法讀入返回的應答信號。等待規(guī)定毫秒時間延時后，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)定時間里沒有返回串口數(shù)據(jù)，表明外界嵌入式設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對象和串口資源，原Socket，對象同時繼續(xù)網(wǎng)絡偵聽等待新的客戶端連接。Windows系統(tǒng)關(guān)閉時，Windows服務控制管理SCM就關(guān)閉網(wǎng)絡與串口的通信程序，從而退出Win-dows服務系統(tǒng)后臺運行。

2 投影機遠程控制案例

2．1 “零成本”解決方案

根據(jù)上述的網(wǎng)絡、Windows服務和串口遠程控制開發(fā)流程，可以使設計不再使用網(wǎng)絡中控硬件，但具備網(wǎng)絡中控的網(wǎng)絡與串口通信協(xié)議功能，以“零成本”方式實現(xiàn)投影機遠程控制。設計如圖3所示的基于網(wǎng)絡、Windows服務與串口通信應用。

整個項目系統(tǒng)中有4個信號源：計算機數(shù)據(jù)信號、便攜機數(shù)據(jù)信號、影碟機視頻信號、錄像機視頻信號，全部由投影機實現(xiàn)信號切換。控制投影機開機關(guān)機及信號源切換控制，由其串口與計算機的串口一連接。根據(jù)投影機不同的串口設置，客戶端發(fā)送的串口數(shù)據(jù)幀設置與計算機、投影機的串口設置相一致。計算機的串口二與電動屏幕的串口連接（電動屏幕通過一個小型AVR單片機控制的兩個繼電器來實現(xiàn)電動屏幕的升、降和停止，AVR單片機有一個全雙工串口），同樣串口數(shù)據(jù)幀設置也與電動屏幕的串口設置相一致。客戶端以網(wǎng)絡套接字Socket對象發(fā)送或接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀，根據(jù)遠程投影機或電動屏幕的串口設置發(fā)送串口號和相應串口設置，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)絡數(shù)據(jù)幀，實現(xiàn)基于網(wǎng)絡、Windows服務和串口的投影機遠程控制。

2．2 投影機遠程冷啟動開機和延時關(guān)機

在沒有網(wǎng)絡中控的情況下，如果要實現(xiàn)投影機的遠程冷啟動開機和延時關(guān)機控制。首先要實現(xiàn)對投影機所連接的計算機進行遠程冷啟動開機（喚醒功能），并能通過計算機的串口資源控制投影機的冷啟動開機和延時關(guān)機。計算機的硬件如主板、網(wǎng)卡等都要符合網(wǎng)絡開機喚醒功能設置；計算機的軟件采用開機后即可自動運行的Windows服務，以實現(xiàn)網(wǎng)絡與串口的數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換。

在主控客戶端確定需要喚醒遠程投影機所連接計算機時，客戶端通過Socket廣播發(fā)送相應含有網(wǎng)絡喚醒數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)包給網(wǎng)絡中的計算機。當需要喚醒的計算機控制芯片發(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)絡喚醒數(shù)據(jù)幀后，就立刻通過網(wǎng)絡喚醒（Wake on Lan，WoL）連接線向計算機發(fā)出開機信號，通知主板開機。在網(wǎng)絡中，當計算機處于關(guān)機狀態(tài)時，IP地址和計算機名字都不能識別機器的身份，惟一能識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識網(wǎng)絡上的某臺計算機。

網(wǎng)絡喚醒數(shù)據(jù)幀的格式為連續(xù)6 B的FF和連續(xù)重復16次的MAC地址。若要喚醒電腦網(wǎng)卡的MAC地址00-DF-IE-32-E7-CD，則其對應的網(wǎng)絡喚醒數(shù)據(jù)幀如圖4所示。

對于實現(xiàn)投影機的遠程關(guān)機，客戶端只需被控計算機的管理員賬號和密碼，就能控制或者進入被控計算機的操作系統(tǒng)。其實現(xiàn)原理是視窗管理規(guī)范 （WindowsManagement Instrumentation，WMI）。通過WMI為客戶端用戶提供通用訪問管理信息，設置客戶端在其本地計算機讀?。瘜懭耄瘓?zhí)行的權(quán)限，也包括關(guān)機設置。當客戶端發(fā)出遠程關(guān)機命令時，被控計算機通過WMI確認客戶端用戶使用權(quán)限，使用上面所述的Windows服務，實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀到串口數(shù)據(jù)幀的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并通過計算機串口向投影機發(fā)送延時關(guān)機信號。投影機延時關(guān)機完成后，根據(jù)客戶端的要求，被控計算機也可隨即關(guān)閉Windows服務，并自動關(guān)機，最后整個系統(tǒng)進入遠程冷啟動開機的功能。

3 結(jié) 語

利用基于網(wǎng)絡、Windows服務和串口的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，通過計算機作為中介，實現(xiàn)了對投影機遠程冷啟動開機和延時關(guān)機；并使用計算機網(wǎng)絡套接字 Socket和SeriallPort串口控件，完成了在無網(wǎng)絡中控硬件支持的情況下，利用本地計算機網(wǎng)絡資源和串口資源，以及投影機本身信號源切換資源，實現(xiàn)對投影機的“零成本”遠程控制。同時基于網(wǎng)絡、Windows服務和串口的數(shù)據(jù)通信有更多的用途，在只有計算機而又要實現(xiàn)對被控設備進行網(wǎng)絡遠程控制時，就要應用到這種技術(shù)。

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