Светодиодный экран с беспроводной шиной передачи данных (варианты)
LED SCREEN WITH WIRELESS DATA TRANSFER BUS (OPTIONS)

Группа изобретений относится к области устройств для представления меняющегося информационного материала, а также к области устройств или схем для управления индикаторными устройствами и может быть использована для создания устройств демонстрации наружной видеорекламы.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известно устройство электрооптического соединения модулей видеостен (ЕР 0604719 А1, G06F 3/14, G09F 9/35, H04N 9/12, 28.12.1992). Устройство видеостены характеризуется тем, что каждый видеомодуль имеет в своем составе два оптических приемопередатчика. Данные передаются от центрального контроллера через видеомодули последовательно. Видеомодули осуществляют функцию ретрансляторов, передавая сигнал по цепочке. Оптический сигнал поступает в оптический приемник видеомодуля, преобразуется в электрический сигнал, затем опять преобразуется в оптический сигнал и передается через оптический передатчик следующему видеомодулю. Недостатки: данные передаются через цепочку видеомодулей, что снижает надежность видеостены: при выходе из строя одного видеомодуля перестают работать все видеомодули, которые идут за ним в цепочке; двойное преобразование оптического сигнала в электрический и обратно в каждом видеомодуле снижает надежность и скорость передачи информации; нарастание временной задержки распространения сигнала после каждого видеомодуля в цепочки снижает общую пропускную способность линии связи; из-за внешнего расположения канала передачи данных приходится бороться с внешними оптическими помехам; из-за внешнего расположения канала передачи данных приходится бороться с загрязнением оптических приемопередатчиков.
Из существующего уровня техники известно устройство переносного светодиодного экрана (RU 2411590, G09F 19/22, G09F 13/08, 27.02.2009). Устройство содержит несколько светодиодных модулей, размещенных в пространстве таким образом, что каждый модуль формирует в пространстве фрагмент изображения, соответствующий его местоположению. Разборные модули содержат соединительные планки, к которым крепятся линейки со светодиодами, источник питания светодиодов и узел электроники, включающий микроконтроллер, подающий управляющие сигналы в соответствии с фрагментом изображения. Узел электроники модуля содержит устройство управления, передающее информацию о показываемом фрагменте изображения по беспроводным линиям связи. Недостатки: при больших размерах экрана для обеспечения стабильности и скорости передачи данных необходимо повышать мощность всех приемопередатчиков, это не всегда возможно из-за наличия стандартов уровней электромагнитного излучения; при больших размерах экрана устройство имеет низкую помехозащищенность, это влияет на скорость и стабильность передачи данных; существует возможность взлома системы через беспроводной канал связи и несанкционированной трансляции произвольного изображения; существует возможность вывода экрана из строя с помощью источника электромагнитных помех заданной частоты.
Из существующего уровня техники известно устройство уличной рекламной системы (CN 159492379, G09F 9/33, 24.06.2015). Устройство содержит потоковый медиасервер и систему управления рекламным контентом, подключенную к медиасерверу. Медиасервер выдает данные видеопотока через множество беспроводных точек доступа. Каждая точка доступа охватывает несколько принимающих точек доступа, подключенных к микрокомпьютерам, которые в свою очередь выдают данные видеопотока на несколько светодиодных модулей. Недостатки: необходимо обеспечить управление беспроводными точками доступа с помощью специального контроллера или с помощью специального алгоритма, иначе из-за близости расположения их относительно друг друга неизбежно будет возникать много коллизий сессий передачи данных, вследствие чего пропускная способность каналов будет низкой; при больших размерах экрана устройство имеет низкую помехозащищенность, это влияет на скорость и стабильность передачи данных; существует возможность взлома системы через беспроводной канал связи и несанкционированной трансляции произвольного изображения; существует возможность вывода экрана из строя с помощью источника электромагнитных помех заданной частоты; при больших размерах экрана для обеспечения стабильности и скорости передачи данных необходимо повышать мощность всех приемопередатчиков, это не всегда возможно из-за наличия стандартов уровней электромагнитного излучения.
Из существующего уровня техники известно устройство распределенного беспроводного светодиодного экрана (CN 83401002, G09F 9/33, G09G 3/32, G09G 3/14, 15.11.2007). Система отображения состоит из беспроводного контроллера и множества беспроводных светодиодных модулей. При работе устройства фрагменты изображения предварительно передаются на светодиодные модули через беспроводной контроллер и сохраняются внутри светодиодного модуля. После чего с помощью синхронных сигналов управления, поступающих через беспроводной контроллер, картинка отображается одновременно на всех светодиодных модулях, формируя цельное изображение. Недостатки: при использовании больших светодиодных экранов придется использовать несколько видеоконтроллеров, это влечет за собой необходимость синхронизации работы соседних видеоконтроллеров или создания системы электромагнитных экранов для разграничения сигналов от соседних видеоконтроллеров; при больших размерах экрана устройство имеет низкую помехозащищенность; существует возможность взлома системы через беспроводной канал связи и несанкционированной трансляции произвольного изображения.
Недостатки существующих решений
Светодиодные экраны имеют множество соединительных проводов и разъемов, по которым, передаются данные. Количество разъемных контактов в светодиодных экранах может достигать нескольких тысяч на квадратный метр. Как известно, одной из основных причин снижения надежности сложных электронных систем является низкая надежность разъемов, соединяющих различные электронные блоки. Чем больше разъемных контактов, тем ниже надежность электронной системы. Для обеспечения высокой надежности передачи данных в светодиодных экранах используют качественные и дорогие разъемы, это значительно повышает стоимость экрана. Большие светодиодные экраны могут содержать сотни светодиодных сегментов, это требует создания сложной сети соединений и системы распределения сигналов в этой сети.
Из существующего уровня техники известны светодиодные экраны, в которых используются беспроводные способы передачи данных. В светодиодных экранах с беспроводной передачей данных возникают сложности с обеспечением помехозащищенности беспроводных каналов связи и с обеспечением безопасности передачи информации через эти каналы связи. В экранах с большими площадями требуется создавать систему ретрансляции сигналов с помощью беспроводных ретрансляторов или размещать по всей площади сзади экрана несколько передатчиков, соединенных проводами с центральным контроллером. Подобные решения сложны в разработке и настройке. Сигналы точек ретрансляции пересекаются, и требуется использовать специальные алгоритмы для предотвращения коллизий. Из-за вышеперечисленных проблем беспроводные системы передачи данных не получили широкого распространения и используются в основном там, где технический персонал может непосредственно контролировать работу таких экранов: на концертах, выставках и массовых мероприятиях.
Беспроводная шина передачи данных предназначена для того, чтобы объединить отдельные сегменты экрана и контроллеры управления с помощью надежной беспроводной среды передачи данных. Передача сигналов по волноводам обеспечивает решение большинства проблем, возникающих при использовании беспроводных подключений в светодиодных экранах. Отпадает необходимость развертывать и настраивать сложную сетевую структуру при установке светодиодного экрана с беспроводной шиной данных, так как все сигналы идут внутри этой шины. Снижается сложность системы управления светодиодным экраном из-за отсутствия необходимости в ретрансляции сигналов. Снижается стоимость системы передачи данных в светодиодных экранах, так как стоимость беспроводных передатчиков значительно ниже системы надежных кабелей и разъемов.
Экраны с беспроводной системой передачи данных по волноводам могут работать в городской среде с высоким уровнем электромагнитных помех и большим количеством посторонних устройств, работающих в том же диапазоне частот (Wi-Fi, 3G, 4G-устройства). Из-за изоляции среды передачи данных от внешней среды исключается возможность взлома системы управления экрана удаленным, беспроводным способом. Также исключается возможность вывода экрана из строя путем подавления беспроводных систем передачи данных с помощью электромагнитных помех. При использовании волноводов сигналы передатчиков практически не ослабляются с ростом расстояния, поэтому отпадает необходимость использования системы ретрансляторов сигналов или необходимость использовать несколько беспроводных точек управления светодиодным экраном. Из-за того что сигнал волноводах практически не ослабляется, а внешние электромагнитные помехи отсутствуют, значительно повышается надежность передачи данных. Вследствие повышения надежности передачи данных многократно повышается скорость передачи данных и снижается количество ошибок при передаче пакетов информации.
Задачами, на решение которых направлено данное изобретение, являются:
исключение влияния внешних электромагнитных помех на беспроводные каналы связи светодиодного экрана; исключение возможности взлома беспроводных каналов связи светодиодного экрана; исключение возможности блокировки работы светодиодного экрана с помощью подавления беспроводных каналов связи светодиодного экрана источником электромагнитных помех; повышение надежности передачи данных внутри светодиодного экрана; повышение скорости передачи данных через беспроводные каналы связи светодиодного экрана; обеспечение возможности передачи данных беспроводным способом на большие расстояния внутри светодиодного экрана без ретрансляции или увеличения мощности передатчика; упрощение систем передачи данных светодиодного экрана и алгоритмов управления этими системами; обеспечение возможности использовать для беспроводной передачи данных внутри светодиодного экрана любого диапазона частот; упрощение сборки, развертывания и технического обслуживания светодиодных экранов.
Поставленные задачи решаются следующим образом
Краткое описание чертежей
На фигурах (1-7) изображены различные варианты устройства светодиодного экрана с беспроводной шиной данных и их разнесенные виды. На фигуре (8) изображен отделяемый контроллер сегмента. На фигуре (9) изображены различные варианты использования волноводов в беспроводной шине передачи данных: (А) волновод в виде трубы; (В) волновод в виде последовательно соединенных труб; (С) волновод в виде параллельно соединенных труб; (D) волновод в виде профиля с двумя продольными отверстиями внутри; (Е) волноводы, встроенные в элемент экрана. На фигурах (10-11) изображены различные варианты приемопередающих устройств, размещенные на контроллере экрана. На фигуре (12) изображен способ подключения контроллера экрана к беспроводной шине передачи данных путем вставки плоских микроволновых антенн в зазоры между волноводами.
Список фигур
1. Светодиодный экран со светодиодными модулями, с цельными волноводами, вид спереди.
2. Светодиодный экран со светодиодными модулями, с цельными волноводами, разнесенный вид.
3. Светодиодный экран со светодиодными ламелями, с цельными волноводами, с контроллерами экрана, вид спереди.
4. Светодиодный экран со светодиодными ламелями, с цельными волноводами, с контроллерами экрана, разнесенный вид.
5. Светодиодный экран с отдельными контроллерами сегмента, с волноводами в виде коротких труб, вид спереди.
6. Светодиодный экран с встроенными в сегменты экрана волноводами, вид спереди.
7. Светодиодный экран с встроенными в контроллеры сегмента волноводами и с контроллерами экрана, вид спереди.
8. Контроллер сегмента с оптическим приемопередатчиком и с микроволновой антенной.
9. Разные варианты реализации волноводов.
10. Контроллер экрана с оптическим приемопередатчиком и с микроволновой антенной.
11. Контроллер экрана с плоскими микроволновыми антеннами.
12. Использование плоских микроволновых антенн для подключения контроллеров экрана к волноводам.
Список элементов, изображенных на фигурах
1. Сегмент экрана.
2. Волновод.
3. Зазор для плоской микроволновой антенны.
4. Контроллер сегмента.
5. Контроллер экрана.
6. Светодиодный модуль.
7. Антенна микроволновая.
8. Оптический приемопередатчик.
9. Светодиодная ламель.
10. Корпус сегмента.
11. Отверстие для подключения приемопередатчика.
12. Волновод встроенный.
13. Плоская микроволновая антенна.
Устройство
Светодиодный экран с беспроводной шиной передачи данных состоит из сегментов экрана (1). Сегменты светодиодного экрана (1) содержат: светодиодные модули (6), встроенные контроллеры сегментов (4) и электромагнитные приемопередатчики. В одном из вариантов реализации светодиодного экрана сегменты экрана (1) содержат отделяемые контроллеры сегментов (4) с электромагнитными приемопередатчиками. Светодиодный экран также может содержать контроллеры экрана (5) с электромагнитными приемопередатчиками. Основная функция контроллеров сегмента (4) - управление светодиодными модулями (6) или светодиодными ламелями (9). Функция контроллеров экрана (5) - управление контроллерами сегментов (4). Электромагнитные приемопередатчики элементов светодиодного экрана подключены к волноводам (2), по которым происходит обмен данными между ними с помощью модулированного электромагнитного излучения.
Беспроводная шина передачи данных представляет собой один волновод (2) или группу из нескольких волноводов (2), по которым происходит передача данных между электромагнитными приемопередатчиками элементов экрана с помощью модулированного электромагнитного излучения. Волноводы (2) могут быть реализованы в виде труб, соединенных последовательно или параллельно. Волноводы могут быть реализованы в виде профилей с одним или более продольными отверстиями внутри для передачи электромагнитного излучения, которые могут соединяться последовательно или параллельно. Волноводы (12) могут быть встроены в корпуса сегментов экрана (1). Волноводы (12) могут быть встроены в корпуса отделяемых контроллеров сегментов (4). К волноводам, встроенным в корпуса сегментов экрана и корпуса контроллеров сегментов, могут подключаться электромагнитные приемопередатчики контроллеров экрана. Для передачи данных в оптическом диапазоне частот электромагнитного излучения волноводы (2) могут быть реализованы в виде светопрозрачных стержней с большим коэффициентом преломления, внутри которых может распространяться модулированное электромагнитное излучение оптического диапазона частот.
Для передачи данных внутри волноводов (2, 12) используются электромагнитные приемопередатчики. Электромагнитные приемопередатчики могут работать в оптическом диапазоне частот электромагнитного излучения с длиной волн от 100 нм до 1 мм. В этом диапазоне частот для передачи данных используются оптические излучатели, а для приема данных - оптические приемники, которые входят в состав оптических приемопередатчиков (8). В качестве оптических приемников могут использоваться фотодиоды. В качестве оптических излучателей могут использоваться светодиоды. Электромагнитные приемопередатчики могут работать в микроволновом диапазоне частот электромагнитного излучения с длиной волны от 100 нм до 300 мм. В этом диапазоне частот для приема и передачи данных используются микроволновые антенны (7, 13). Электромагнитные приемопередатчики микроволнового диапазона могут подключаться к волноводам (2, 12) посредством ввода в отверстия волноводов микроволновых антенн (7) или посредством ввода плоских микроволновых антенн (13) в зазоры (3) между последовательно соединенными волноводами (2, 12). Электромагнитные приемопередатчики оптического диапазона подключаются к волноводам (2, 12) посредством расположения рядом с отверстиями оптических приемопередатчиков (8).
Устройство изготавливается следующим образом.
Сегменты экрана (1) представляют собой металлические корпуса с размещенными спереди светодиодными модулями (6) и размещенными внутри корпусов контроллерами сегментов и блоками питания. Корпуса могут иметь двери сзади для доступа к электронному оборудованию. Сегменты экрана (1) представляют собой металлические рамы с размещенными спереди светодиодными ламелями (9) и подключенными контроллерами сегментов (4). Корпуса сегментов экрана (1) могут быть изготовлены с использованием стандартных методов обработки тонколистового металла (гибка, координатная пробивка, лазерная резка) или с помощью литья металла. Корпуса сегментов экрана (1) могут быть напечатаны на 3D-принтере. Корпуса сегментов экрана (1) также могут быть изготовлены из пластика (литье пластика) или композитных материалов.
Светодиодные модули (6) представляют собой печатные платы с припаянными спереди светодиодами и другими электронными элементами, размещенными сзади. Светодиодные модули (6) изготавливаются с помощью стандартных промышленных методов сборки электроники. Контроллеры сегментов (4) и контроллеры экрана (5) также представляют собой электронные платы, которые изготавливаются с помощью стандартных промышленных методов сборки электроники. Контроллеры сегмента (4) и контроллеры экрана (5) размещаются в корпусах, которые могут быть изготовлены из пластика или металла с помощью стандартных производственных методов.
Волноводы (2, 12) могут изготавливаться методом экструзии алюминия, меди или другого металла, при необходимости после экструзии может производиться фрезеровка для формирования монтажных отверстий и отверстий (11, 3) для ввода микроволновых антенн (7, 13) или подключения оптических приемопередатчиков (8). Волноводы (2, 12) также могут изготавливаться из пластика (методом экструзии) с последующей металлизацией. Волновод (2, 12) любой сложной формы может быть напечатан с помощью 3D-принтера или изготовлен на фрезерном станке с помощью фрезеровки цельного куска металла. Волноводы (2) для оптического диапазона электромагнитных волн могут быть изготовлены методом литья пластика.
Электромагнитные приемопередатчики могут изготавливаться в виде встроенных в печатные платы контроллеров сегментов (4) и контроллеров экрана (5) электронных блоков или в виде отдельных электронных плат. Микроволновые антенны (7) могут быть изготовлены из проволоки или металлического прутка методом токарной обработки или штамповки. Плоские микроволновые антенны (13) могут быть изготовлены из листа металла методом фрезеровки или лазерной резки или в виде печатных плат с дорожками подходящей формы для эффективного излучения микроволнового сигнала несущей частоты. Оптические приемопередатчики представляют собой комбинацию из светодиода и фотодиода, размещенных в закрытом корпусе. Светодиоды и фотодиоды изготавливаются с помощью существующих промышленных методов.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Контроллеры экрана (5) получают данные для видеотрансляции через мобильную сеть связи, используя встроенные приемопередатчики мобильной связи. Данные видеотрансляции сохраняются в устройствах хранения информации контроллеров экрана (5). Контроллеры экрана (5) разделяют данные видеотрансляции на блоки данных, соответствующие сегментам экрана (1). Блоки данных через беспроводную шину передачи данных передаются контроллерам сегментов. Если используются несколько контроллеров экрана (5), они могут обмениваться информацией между собой и разделять функции управления сегментами экрана (1). В некоторых вариантах реализации контроллеры экрана (5) могут быть встроены в сегменты экрана (1) или подключены к ним. В этом случае передача данных по волноводам происходит между приемопередатчиками сегментов экрана (1).
Передача данных внутри беспроводной шины передачи данных производится следующим образом: при передаче данных электромагнитные приемопередатчики с помощью высокочастотных электрических колебаний возбуждают микроволновые антенны (7, 13), размещенные внутри волноводов (2, 12). Микроволновые антенны (7, 13) излучают высокочастотные электромагнитные волны внутри волноводов (2, 12). Модулированное микроволновое излучение проходит через волноводы (2, 12) с минимальной потерей мощности сигнала на протяжении волноводов. Расположенные по всей длине волноводов (2, 12) микроволновые антенны (7, 13) принимают модулированное микроволновое излучение и демодулируют принятый сигнал с помощью встроенного демодулятора, извлекая данные. Для передачи и приема данных могут использоваться специально разработанные протоколы передачи данных или существующие стандарты связи WiFI, WiGig и другие.
В одном из вариантов реализации устройства данные могут передаваться через волноводы (2, 12) с помощью модулированного оптического излучения. В этом случае функционирование устройства происходит следующим образом: приемопередатчики управляют током светодиодов или лазерных диодов, которые излучают оптический сигнал в волновод (2, 12), предназначенный для распространения оптического излучения. Оптические приемники с помощью фотодиодов принимают входящий световой поток и преобразуют его в ток. Далее ток усиливается и преобразовывается в напряжение. Электрические импульсы подаются на демодулирующее устройство и в результате демодуляции из него извлекают данные. В некоторых вариантах реализации устройства оптические и микроволновые сигналы могут передаваться через один и тот же волновод (2, 12).
После приема данных контроллеры сегментов (4) разделяют входящий поток данных видеотрансляции на несколько потоков для управления отдельными светодиодными модулями (6) или светодиодными ламелями (9) сегмента экрана (1). Если светодиодные модули (6) подключены к контроллерам сегментов (4) с помощью проводов, то управляющий сигнал проходит по проводам к драйверам светодиодов светодиодных модулей (6). В случае использования беспроводного подключения светодиодных модулей (6) или светодиодных ламелей (9) к контроллерам сегментов (4), данные передаются беспроводным способом встроенными в светодиодные модули (6) или светодиодные ламели (9) контроллерами, которые управляют драйверами светодиодов, формируя управляющие последовательности сигналов. Драйверы светодиодов в соответствии с входящим сигналом управляют электрическим током, проходящим через светодиоды. При прохождении электрического тока светодиоды излучают свет, формируя картинку изображения на поверхности светодиодных модулей (6) или светодиодных ламелей (9).