摘要：本文從蘇州臺4K轉(zhuǎn)播車系統(tǒng)項目實際應(yīng)用出發(fā)，通過采購帶Android系統(tǒng)的19寸長條屏顯示器，基于Android系統(tǒng)框架及SDK定向開發(fā)，實現(xiàn)了多臺19寸長條屏顯示器集中控制管理、NTP授時、倒計時設(shè)、多種顯示方案實時切換的功能，目前該時鐘系統(tǒng)已經(jīng)在蘇州臺4K轉(zhuǎn)播車上順利投入使用，通過IP化的管理和授時方式，提高了時間顯示精度，滿足了多樣化的4K節(jié)目制作需求。
關(guān)鍵字：Android；NTP；倒計時控制；19寸長條屏顯示器；Socket服務(wù)。
一、 概述
????在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)播車和演播室時鐘授時及顯示使用方案上，目前國內(nèi)主要用的是朗威和青島的時鐘顯示產(chǎn)品，主要原理是通過GPS授時，將接收下來的時間轉(zhuǎn)換成LTC時間碼，再通過分配器發(fā)送給各個時鐘顯示單元及倒計時控制器，時鐘顯示主要通過LED數(shù)碼管顯示。
????傳統(tǒng)時鐘授時及顯示方案，需要增加一堆硬件投入，使用時間長以后，會出現(xiàn)各類硬件損壞或失靈情況，屆時只能重新購買。
????在進入4K IP制作以后，轉(zhuǎn)播車系統(tǒng)內(nèi)主要使用的是PTP+BB的同步方案，同時同步機自帶NTP服務(wù)，可以通過網(wǎng)絡(luò)獲得更精確的時間。因此，為了降低硬件維護成本及難度、獲取更精確的時鐘，我臺決定通過自主開始，實現(xiàn)通過NTP授時的時鐘顯示方案。
二、硬件方案選擇及系統(tǒng)架構(gòu)
????2.1、19寸長條屏顯示器介紹
????19寸長條顯示器通過采購第三方的現(xiàn)有解決方案，顯示器如下圖所示，采用窄邊框設(shè)計，分辨率1920*360，最高亮度為500cd/m2，對比度為600/1，帶1個RJ45的網(wǎng)口，1根外部WIFI天線，1路紅外輸入，不帶VGA或HDMI輸入，顯示器內(nèi)部集成了定制的Android 6.0系統(tǒng)，可以通過外接鍵鼠或者紅外遙控器，對顯示界面進行操作。
????值得一提的是，19寸長條屏顯示器的Android系統(tǒng)，采用的是手機和平板端的Android進行的定制，修改了分辨率和布局顯示，因此在相應(yīng)Android程序的開始時，需選擇手機或者平板端的開發(fā)框架。
????2.2、時鐘授時系統(tǒng)框架
????轉(zhuǎn)播車內(nèi)時鐘授時及顯示的框架如下圖所示，主同步機通過GPS授時，生成PTP、BB、LTC、WCLK、NTP等同步信號，4K轉(zhuǎn)播車內(nèi)的備同步機、交換機、IP設(shè)備通過PTP來鎖同步；同時主同步機作為NTP服務(wù)器，19寸長條時鐘顯示器作為NTP客戶端，共同接入控制交換機；每臺時鐘顯示器對外開放接口，倒計時控制軟件可通過這些接口，去單獨設(shè)置每臺時鐘顯示器的倒計時、欄目名、初始化顯示界面等配置信息。
????相比于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)播車時鐘授時及顯示系統(tǒng)，新的時鐘顯示系統(tǒng)，去除了時鐘主機、時碼分配、倒計時控制硬件等硬件，每臺時鐘顯示器可進行分布式管控，在操作和顯示上更具靈活性，同時通過NTP服務(wù)從同步機上獲取時鐘信息，精度更高、更穩(wěn)定。
三、Android端開發(fā)設(shè)計方案
????Android端使用Android Studio進行開發(fā)，Android Studio是用于開發(fā)Android應(yīng)用的官方集成開發(fā)環(huán)境，以IntelliJ IDEA為基礎(chǔ)構(gòu)建而成;得益于官方的支持，Android Studio除了提供強大的代碼編譯器和開發(fā)著工具，還提供了更多提高Android應(yīng)用構(gòu)建效率的功能，如快速且功能豐富的模擬器、統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境、基于Gradle的靈活構(gòu)建系統(tǒng)、大量的測試工具和框架等，開發(fā)者不需要從頭開始搭建，就可以快速的構(gòu)建自己的Android應(yīng)用程序。
????3.1、Android端時鐘顯示程序框架
? ??程序框架圖如下圖所示：
1. Android應(yīng)用程序在獲取各類權(quán)限和SDK以后，進入MainActivity主進程；
2. MainActivity下進入初始化事件onCreate,讀取時鐘顯示器本地存儲中的”countdownTime.json”和”app.config”，兩個文件都為自定義，其中第一個表示倒計時及NTP服務(wù)配置的文件，內(nèi)部存有欄目名、開始時間、結(jié)束時間、NTP服務(wù)器地址等信息，第二個表示時鐘程序初始化后的界面顯示和Socket服務(wù)地址；
3. 打開SocketService端口監(jiān)聽服務(wù)，時鐘顯示器作為服務(wù)端，PC倒計時控制程序作為客戶端，當兩邊建立連接以后，倒計時控制器發(fā)送”countdownTime.json”配置文件給時鐘顯示器,時鐘顯示器對比本地和接收到的”countdownTime.json”配置文件，當文件內(nèi)容不一樣時，覆蓋掉本地的配置文件，并啟用新的倒計時配置；
4. 初始化NTP服務(wù)，更新NTP服務(wù)器的IP地址，并從NTP服務(wù)端獲取時間;
5. 新建一個定時器的線程，每隔200ms去獲取以下本地的”countdownTime.json”配置文件，并更新時鐘顯示界面；
6. 時鐘顯示器支持外部紅外遙控，當按下外部紅外遙控器按鈕以后，觸發(fā)程序中“onKeyDown“事件，程序根據(jù)按下去按鈕的類型，如”前進“、”后退“，再比對現(xiàn)有的顯示界面，來切換不同的時鐘顯示界面，當切換到新的顯示界面后，將新界面中的”startPoint“保存到本地”app.config“文件中，這樣下次重啟時鐘顯示程序時，會根據(jù)”startPonit”自動進入上次保存的顯示界面。
????3.2、Android端的環(huán)境搭建
? ??????3.2.1、build.gradle文件的構(gòu)建
????1. 時鐘顯示器的Android版本為6.0版本，Android版本自上而下兼容，考慮今后的兼容性和擴展性，此次開發(fā)的此次開發(fā)的Android SDK，選用了Android 10.0（Q）的版本，API等級為29，在程序構(gòu)建配置項“build.gradle”中配置如下。
????2. 在bulid.gradle中添加本地和第三方庫，具體如下圖所示，其中主要用到的庫有：
????'com.google.code.gson:gson:2.8.6'為google提供的json讀寫庫；
????'org.greenrobot:eventbus:3.0.0'為greenrobot的多線程處理庫；
????"io.reactivex.rxjava2:rxandroid:2.0.2"為線程之間通信需要的庫；
? ??project(path: ':library')包含了本地工程文件中，library下面的所有庫，其中主要用到NTP服務(wù)的是第三方庫“TrueTime.java“。
? ?
3.1.2、AndroidManifest文件的構(gòu)建
????在AndroidManifest.xml里面，對應(yīng)用程序所要用到的權(quán)限、組件、服務(wù)信息做一些規(guī)范，如其中主要用到的規(guī)范有：
1.uses-permission”下加入允許內(nèi)部存儲的讀寫、開機自動啟動程序的權(quán)限；
2.讀寫權(quán)限除了在AndroidManifest里面進行全局設(shè)置以外，還需要在初始化啟動Activity進程時，打開頁面對應(yīng)存儲的讀寫權(quán)限（新版本Android系統(tǒng)出于對系統(tǒng)文件的保護考慮），具體代碼如下；
3. 在“application-receiver“下打開接收開機自動啟動的廣播類” .BootBroadcastReceiver“；
4.在“application-service“下打開通信端口的服務(wù)類”.SocketService“；
5. 在“application-activity“下，規(guī)定程數(shù)啟動時啟動的Activitey頁面，已經(jīng)頁面的方向，默認我們啟動程序時是進入”MainActivity“并橫屏顯示。
????3.2、NTP授時設(shè)計
????獲取NTP時間的SDK已經(jīng)導(dǎo)入到項目的“l(fā)ibrary“庫中，調(diào)用SDK的接口通過”TrueTime“接口去實現(xiàn)，NTP授時的部分代碼如下：
1. 通過異步的方式初始化NTP時間，包括通過”.build”建立TrueTime對象,”withNtpHost(ntpHost)”設(shè)置NTP服務(wù)端IP地址，“.withConnectionTimeout(3_1428)“設(shè)置連接服務(wù)的事件，”initialize()“初始化NTP服務(wù)的連接，并同時鐘顯示器步本地時鐘；
2.通過Timer類定時器，每隔200ms去獲取NTP時間以及倒計時并更新顯示頁面，具體程序如下圖，其中“getCountdownData“為獲取本地倒計時配置及NTP服務(wù)器地址，”updateTime(dataList)“是將獲取到的倒計時信息，更新并顯示給程序頁面。
????3.3、Socket服務(wù)
????Scoket服務(wù)是通過Android線程啟動的TCP端口連接服務(wù)，主要用于連接Android時鐘顯示器和倒計時控制軟件，SocketService線程啟動在Android主程序中，通過Intent方法實現(xiàn)，傳遞參數(shù)為IP地址和端口號，默認TCP端口號“5000“，如下圖；
????SocketService繼承于Service服務(wù)類，然后通過重寫“onStartCommand“、”run“、”onDestroy“三個方法:
? ??“onStartCommand“用于獲取主線程傳遞的參數(shù)、讀取本地配置文件以及初始化TCP接口三個功能，其中TCP接口的TCP接口初始化為服務(wù)端，當每次有客戶端連接請求時，就會新建一個線程，單獨處理客戶端的連接及通信請求；
? ??“run”用于循環(huán)接收倒計時控制客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)保存到本地“countdownTime.json”配置文件中；
? ??“onDestroy”用于在SocketService服務(wù)斷開以后，釋放之前對應(yīng)的socket連接資源。
????3.4、開機自動啟動
????Android端時鐘顯示器的程序，要求每次開機自動啟動，并且顯示上一次關(guān)機的畫面。在Android系統(tǒng)啟動時，會發(fā)送一個字符串系統(tǒng)廣播，廣播內(nèi)容為“action.BOOT_COMPLETED”，所有只要在程序的“BroadcastReceiver”中接收到該消息，并創(chuàng)建啟用相應(yīng)的Activity，就能實現(xiàn)Android程序的開機自啟動。
實現(xiàn)程序開機自啟動的具體方法如下：
1．新建一個BootBroadcasReceiver的類，繼承于BroadcastReceiver，重寫onReceive方法，實現(xiàn)啟動程序中MainActivity主進程，代碼如下圖；
2．在AndroidManifest中打開程序開機自啟的權(quán)限，另外指定“BootBroadcasReceiver”接收廣播“action.BOOT_COMPLETED”后自動觸發(fā)執(zhí)行內(nèi)部OnReceive方法。
????3.5、顯示界面設(shè)計及切換
1. 時鐘顯示方案是通過在一個MainActivity進程中，顯示四個布局方案，分別為：
“activity_main”主顯示方案，頁面進入錨點startPoint為0，該頁面主要包含欄目名、日期、正計時時間、倒計時時間的顯示；
“activity_countdown”倒計時顯示方案，頁面進入錨點startPoint為1，該頁面主要包含倒計時時鐘顯示；
“activity_countup”倒計時顯示方案，頁面進入錨點startPoint為2，該頁面主要包含正計時時鐘顯示；
“activity_details”倒計時顯示方案，頁面進入錨點startPoint為3，該頁面主要包含一些提醒信息說明，各個時鐘顯示方案如下如所示。
2.為了模仿LED字體顯示的效果，時鐘顯示程序從網(wǎng)上下載了第三方LED字體庫文件“digital-7.ttf”,放入工程文件中“src/main/assets”目錄下，之后通過重寫”TextView”文本框方法，重新生成一個“DigitalTextView”的帶LED字體顯示效果的文本框，“DigitalTextView”文本框在頁面設(shè)計使用時，跟”TextView”文本框一致，重寫方法如下。
3.時鐘顯示界面切換邏輯：
在程序初始化的時候，會讀取本地存儲“app.confiig”中的startPoint值，該值為進入對應(yīng)的顯示方案的錨點；
當使用外置紅外遙控器對程序進行操作時，如“向前翻頁”，則startPoint在原來值的基礎(chǔ)上加1，如果startPoint已經(jīng)是最大值3，則重新回到0開始，反之如“向后翻頁”，則strartPoint在原來的基礎(chǔ)上減1，不斷循環(huán)；
當startPoint錨點修改以后，會記錄到本地存儲“app.config”中，程序每次刷新時間，都會重新讀取“app.config”中startPoint的值，并通過對應(yīng)的值顯示顯示界面；
程序每次重啟不會初始化內(nèi)部存儲中的配置文件，因此通過次方法，可以保證時鐘顯示程序每次開啟，都會顯示上一次開機時的顯示畫面。
4.“countdownTime.json”文件內(nèi)容如下圖所示，采用json文件格式。
節(jié)點“data”表示一個欄目倒計時設(shè)計數(shù)組，可放入多個倒計時欄目，其中“pgmTime”為欄目開始時間，”Length”為欄目結(jié)束時間，“Column”為欄目名，時鐘顯示程序中，會根據(jù)NTP服務(wù)器讀取到的時間，跟“data”節(jié)點下的倒計時欄目進行比對，選擇最接近開播開始或者結(jié)束的欄目，做對應(yīng)倒計時及欄目名的顯示。
節(jié)點“ntpHost”表示NTP服務(wù)器的地址，當設(shè)定好該地址后，會跟時鐘顯示程序中現(xiàn)有的NTP服務(wù)器地址進行比對，如果NTP服務(wù)器地址不一致，則會把新地址傳送給“initTrueTime”類，并重新初始化NTP服務(wù)。
四、時鐘集中控制端的設(shè)計方案
????4.1、Windows環(huán)境及界面設(shè)計
????時鐘顯示系統(tǒng)的倒計時控制，通過遠端Windows窗體應(yīng)用程序，去發(fā)現(xiàn)并連接局域網(wǎng)內(nèi)的每臺時鐘顯示器，然后統(tǒng)一發(fā)送倒計時控制信息。
????Windows窗體應(yīng)用程序基于.NET Framework 4.6框架進行開發(fā)，程序命名為“時鐘倒計時設(shè)置器”，程序界面如下圖所示，左側(cè)“掃描”按鈕按下后，下方會顯示局域網(wǎng)中所有的時鐘顯示器，并自動建立連接；“NTP服務(wù)設(shè)置”下方，可設(shè)置NTP服務(wù)器的地址；“倒計時設(shè)置”下方，可設(shè)置欄目開始時間，結(jié)束時間及欄目名等信息；NTP的服務(wù)器地址、倒計時設(shè)置下的欄目信息，都可以通過“保存配置”按鈕保存到本地，供下次打開程序讀取，也可以直接發(fā)送給時鐘顯示器列表內(nèi)的所有時鐘顯示器。
????4.2、局域網(wǎng)內(nèi)時鐘顯示器的發(fā)現(xiàn)和接入
????當按下“時鐘倒計時設(shè)置器”程序中的“掃描按鈕時，觸發(fā)“”scanBtn_Click”按鈕控制事件，如下圖所示：
1．首先程序會清空所有跟在程序內(nèi)的TCP端口連接；
2．獲取“App.config“文件中的配置信息，如掃描的開始和截止地址、掃描的端口號，對這些地址做差值，從而得到總的需要掃描的地址數(shù)量；
3．遍歷掃描這些地址和端口號，并嘗試進行連接，當和時鐘顯示器端建立連接成功后，返回時鐘顯示器端的IP地址和socket對象；
4．每個時鐘顯示器端的連接和通信，都開通一個單獨的線程，并同步實時更新顯示到“時鐘倒計時設(shè)置器“界面中。
????4.3、欄目名、倒計時信息的讀取、保存和發(fā)送
????程序初始化時，會從本地配置文件中讀取之前保存的配置信息并顯示，本地配置文件名和格式與Android端時鐘顯示器上的一樣，都為“countdownTime.json“；
????在程序里面，可以對“countdownTime.json“讀取出的倒計時信息和NTP服務(wù)器地址進行修改，修改完成后，點保存配置，觸發(fā)”saveBtn_Click“按鈕事件，該事件主要用于覆蓋之前讀取的“countdownTime.json“文件；
????當在程序中點擊“發(fā)送配置”按鈕，觸發(fā)“sendBtn_Click”按鈕事件，將目前程序界面上的內(nèi)容，以json文件數(shù)據(jù)流的格式，發(fā)送給“時鐘顯示”列表里的所有時鐘顯示器，時鐘顯示器端程序收到數(shù)據(jù)流以后，更新顯示并自動覆蓋掉原先的時鐘顯示器端的”countdownTime.json”配置文件，發(fā)送倒計時配置信息的主要程序如下圖所示。
五、總結(jié)
????轉(zhuǎn)播車時鐘系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，滿足了我臺現(xiàn)有4K IP轉(zhuǎn)播車上時鐘授時和顯示的應(yīng)用，不同的操作工位，可以顯示不同的時鐘監(jiān)看方案，同時基于IP化的統(tǒng)一配置管理，使得在時鐘顯示器的配置上更加簡單方便。
????基于Android框架而設(shè)計的時鐘系統(tǒng)，在未來復(fù)雜的4K制作環(huán)節(jié)中，更具有靈活性和多樣性，我們隨時可以根據(jù)不同的需求來修改程序，增加新的功能，如把天氣信息、溫度濕度信息、早中晚的界面顯示顏色、時鐘倒計時蜂鳴器報警等，這些功能也將在今后的實際應(yīng)用中，慢慢完善并加入。
