摘要：本文从苏州台4K转播车系统项目实际应用出发，通过采购带Android系统的19寸长条屏显示器，基于Android系统框架及SDK定向开发，实现了多台19寸长条屏显示器集中控制管理、NTP授时、倒计时设、多种显示方案实时切换的功能，目前该时钟系统已经在苏州台4K转播车上顺利投入使用，通过IP化的管理和授时方式，提高了时间显示精度，满足了多样化的4K节目制作需求。
关键字：Android；NTP；倒计时控制；19寸长条屏显示器；Socket服务。
一、 概述
在传统转播车和演播室时钟授时及显示使用方案上，目前国内主要用的是朗威和青岛的时钟显示产品，主要原理是通过GPS授时，将接收下来的时间转换成LTC时间码，再通过分配器发送给各个时钟显示单元及倒计时控制器，时钟显示主要通过LED数码管显示。
传统时钟授时及显示方案，需要增加一堆硬件投入，使用时间长以后，会出现各类硬件损坏或失灵情况，届时只能重新购买。
在进入4K IP制作以后，转播车系统内主要使用的是PTP+BB的同步方案，同时同步机自带NTP服务，可以通过网络获得更精确的时间。因此，为了降低硬件维护成本及难度、获取更精确的时钟，我台决定通过自主开始，实现通过NTP授时的时钟显示方案。
二、硬件方案选择及系统架构
2.1、19寸长条屏显示器介绍
19寸长条显示器通过采购第三方的现有解决方案，显示器如下图所示，采用窄边框设计，分辨率1920*360，最高亮度为500cd/m²，对比度为600/1，带1个RJ45的网口，1根外部WIFI天线，1路红外输入，不带VGA或HDMI输入，显示器内部集成了定制的Android 6.0系统，可以通过外接键鼠或者红外遥控器，对显示界面进行操作。
值得一提的是，19寸长条屏显示器的Android系统，采用的是手机和平板端的Android进行的定制，修改了分辨率和布局显示，因此在相应Android程序的开始时，需选择手机或者平板端的开发框架。
图2.1 19寸长条显示器
2.2、时钟授时系统框架
转播车内时钟授时及显示的框架如下图所示，主同步机通过GPS授时，生成PTP、BB、LTC、WCLK、NTP等同步信号，4K转播车内的备同步机、交换机、IP设备通过PTP来锁同步；同时主同步机作为NTP服务器，19寸长条时钟显示器作为NTP客户端，共同接入控制交换机；每台时钟显示器对外开放接口，倒计时控制软件可通过这些接口，去单独设置每台时钟显示器的倒计时、栏目名、初始化显示界面等配置信息。
相比于传统的转播车时钟授时及显示系统，新的时钟显示系统，去除了时钟主机、时码分配、倒计时控制硬件等硬件，每台时钟显示器可进行分布式管控，在操作和显示上更具灵活性，同时通过NTP服务从同步机上获取时钟信息，精度更高、更稳定。
图2.2 转播车时钟系统框架图
三、Android端开发设计方案
Android端使用Android Studio进行开发，Android Studio是用于开发Android应用的官方集成开发环境，以IntelliJ IDEA为基础构建而成;得益于官方的支持，Android Studio除了提供强大的代码编译器和开发着工具，还提供了更多提高Android应用构建效率的功能，如快速且功能丰富的模拟器、统一的开发环境、基于Gradle的灵活构建系统、大量的测试工具和框架等，开发者不需要从头开始搭建，就可以快速的构建自己的Android应用程序。
3.1、Android端时钟显示程序框架
程序框架图如下图所示：
1. Android应用程序在获取各类权限和SDK以后，进入MainActivity主进程；
2. MainActivity下进入初始化事件onCreate,读取时钟显示器本地存储中的”countdownTime.json”和”app.config”，两个文件都为自定义，其中第一个表示倒计时及NTP服务配置的文件，内部存有栏目名、开始时间、结束时间、NTP服务器地址等信息，第二个表示时钟程序初始化后的界面显示和Socket服务地址；
3. 打开SocketService端口监听服务，时钟显示器作为服务端，PC倒计时控制程序作为客户端，当两边建立连接以后，倒计时控制器发送”countdownTime.json”配置文件给时钟显示器,时钟显示器对比本地和接收到的”countdownTime.json”配置文件，当文件内容不一样时，覆盖掉本地的配置文件，并启用新的倒计时配置；
4. 初始化NTP服务，更新NTP服务器的IP地址，并从NTP服务端获取时间;
5. 新建一个定时器的线程，每隔200ms去获取以下本地的”countdownTime.json”配置文件，并更新时钟显示界面；
6. 时钟显示器支持外部红外遥控，当按下外部红外遥控器按钮以后，触发程序中“onKeyDown“事件，程序根据按下去按钮的类型，如”前进“、”后退“，再比对现有的显示界面，来切换不同的时钟显示界面，当切换到新的显示界面后，将新界面中的”startPoint“保存到本地”app.config“文件中，这样下次重启时钟显示程序时，会根据”startPonit”自动进入上次保存的显示界面。
图3.1 Android端时钟显示程序框架图
3.2、Android端的环境搭建
3.2.1、build.gradle文件的构建
1. 时钟显示器的Android版本为6.0版本，Android版本自上而下兼容，考虑今后的兼容性和扩展性，此次开发的此次开发的Android SDK，选用了Android 10.0（Q）的版本，API等级为29，在程序构建配置项“build.gradle”中配置如下。
图3.2 build.gradle中内部SDK的配置
2. 在bulid.gradle中添加本地和第三方库，具体如下图所示，其中主要用到的库有：
'com.google.code.gson:gson:2.8.6'为google提供的json读写库；
'org.greenrobot:eventbus:3.0.0'为greenrobot的多线程处理库；
"io.reactivex.rxjava2:rxandroid:2.0.2"为线程之间通信需要的库；
project(path: ':library')包含了本地工程文件中，library下面的所有库，其中主要用到NTP服务的是第三方库“TrueTime.java“。
图3.3 build.gradle中添加依赖项
3.1.2、AndroidManifest文件的构建
在AndroidManifest.xml里面，对应用程序所要用到的权限、组件、服务信息做一些规范，如其中主要用到的规范有：
1.uses-permission”下加入允许内部存储的读写、开机自动启动程序的权限；
图3.4 AndroidManinfest中uses-permission设置
2.读写权限除了在AndroidManifest里面进行全局设置以外，还需要在初始化启动Activity进程时，打开页面对应存储的读写权限（新版本Android系统出于对系统文件的保护考虑），具体代码如下；
图3.5 Activity Oncreate中uses-permission设置
3. 在“application-receiver“下打开接收开机自动启动的广播类” .BootBroadcastReceiver“；
图3.6 打开自动接收开机启动的广播
4.在“application-service“下打开通信端口的服务类”.SocketService“；
图3.7 打开通信端口类的服务
5. 在“application-activity“下，规定程数启动时启动的Activitey页面，已经页面的方向，默认我们启动程序时是进入”MainActivity“并横屏显示。
3.2、NTP授时设计
获取NTP时间的SDK已经导入到项目的“library“库中，调用SDK的接口通过”TrueTime“接口去实现，NTP授时的部分代码如下：
1. 通过异步的方式初始化NTP时间，包括通过”.build”建立TrueTime对象,”withNtpHost(ntpHost)”设置NTP服务端IP地址，“.withConnectionTimeout(3_1428)“设置连接服务的事件，”initialize()“初始化NTP服务的连接，并同时钟显示器步本地时钟；
图3.8 通过initTrueTime初始化NTP服务
2.通过Timer类定时器，每隔200ms去获取NTP时间以及倒计时并更新显示页面，具体程序如下图，其中“getCountdownData“为获取本地倒计时配置及NTP服务器地址，”updateTime(dataList)“是将获取到的倒计时信息，更新并显示给程序页面。
图3.9 NTP及倒计时更新
3.3、Socket服务
Scoket服务是通过Android线程启动的TCP端口连接服务，主要用于连接Android时钟显示器和倒计时控制软件，SocketService线程启动在Android主程序中，通过Intent方法实现，传递参数为IP地址和端口号，默认TCP端口号“5000“，如下图；
图3.10 SocketService线程启动方式
SocketService继承于Service服务类，然后通过重写“onStartCommand“、”run“、”onDestroy“三个方法:
“onStartCommand“用于获取主线程传递的参数、读取本地配置文件以及初始化TCP接口三个功能，其中TCP接口的TCP接口初始化为服务端，当每次有客户端连接请求时，就会新建一个线程，单独处理客户端的连接及通信请求；
图3.11 onStartCommand重写方法
“run”用于循环接收倒计时控制客户端发来的数据，并将这些数据保存到本地“countdownTime.json”配置文件中；
图3.12 run重写方法
“onDestroy”用于在SocketService服务断开以后，释放之前对应的socket连接资源。
3.4、开机自动启动
Android端时钟显示器的程序，要求每次开机自动启动，并且显示上一次关机的画面。在Android系统启动时，会发送一个字符串系统广播，广播内容为“action.BOOT_COMPLETED”，所有只要在程序的“BroadcastReceiver”中接收到该消息，并创建启用相应的Activity，就能实现Android程序的开机自启动。
实现程序开机自启动的具体方法如下：
1．新建一个BootBroadcasReceiver的类，继承于BroadcastReceiver，重写onReceive方法，实现启动程序中MainActivity主进程，代码如下图；
图3.13 BootBroadcasReceiver类实现开机自启
2．在AndroidManifest中打开程序开机自启的权限，另外指定“BootBroadcasReceiver”接收广播“action.BOOT_COMPLETED”后自动触发执行内部OnReceive方法。
图3.14 AndroidManifest中添加BootBroadcasReceiver
3.5、显示界面设计及切换
1. 时钟显示方案是通过在一个MainActivity进程中，显示四个布局方案，分别为：
“activity_main”主显示方案，页面进入锚点startPoint为0，该页面主要包含栏目名、日期、正计时时间、倒计时时间的显示；
“activity_countdown”倒计时显示方案，页面进入锚点startPoint为1，该页面主要包含倒计时时钟显示；
“activity_countup”倒计时显示方案，页面进入锚点startPoint为2，该页面主要包含正计时时钟显示；
“activity_details”倒计时显示方案，页面进入锚点startPoint为3，该页面主要包含一些提醒信息说明，各个时钟显示方案如下如所示。
图3.15 时钟显示布局方案
2.为了模仿LED字体显示的效果，时钟显示程序从网上下载了第三方LED字体库文件“digital-7.ttf”,放入工程文件中“src/main/assets”目录下，之后通过重写”TextView”文本框方法，重新生成一个“DigitalTextView”的带LED字体显示效果的文本框，“DigitalTextView”文本框在页面设计使用时，跟”TextView”文本框一致，重写方法如下。
图3.16 DigitalTextView重写方法
3.时钟显示界面切换逻辑：
在程序初始化的时候，会读取本地存储“app.confiig”中的startPoint值，该值为进入对应的显示方案的锚点；
当使用外置红外遥控器对程序进行操作时，如“向前翻页”，则startPoint在原来值的基础上加1，如果startPoint已经是最大值3，则重新回到0开始，反之如“向后翻页”，则strartPoint在原来的基础上减1，不断循环；
当startPoint锚点修改以后，会记录到本地存储“app.config”中，程序每次刷新时间，都会重新读取“app.config”中startPoint的值，并通过对应的值显示显示界面；
程序每次重启不会初始化内部存储中的配置文件，因此通过次方法，可以保证时钟显示程序每次开启，都会显示上一次开机时的显示画面。
4.“countdownTime.json”文件内容如下图所示，采用json文件格式。
节点“data”表示一个栏目倒计时设计数组，可放入多个倒计时栏目，其中“pgmTime”为栏目开始时间，”Length”为栏目结束时间，“Column”为栏目名，时钟显示程序中，会根据NTP服务器读取到的时间，跟“data”节点下的倒计时栏目进行比对，选择最接近开播开始或者结束的栏目，做对应倒计时及栏目名的显示。
图3.16 countdownTime.json格式
节点“ntpHost”表示NTP服务器的地址，当设定好该地址后，会跟时钟显示程序中现有的NTP服务器地址进行比对，如果NTP服务器地址不一致，则会把新地址传送给“initTrueTime”类，并重新初始化NTP服务。
四、时钟集中控制端的设计方案
4.1、Windows环境及界面设计
时钟显示系统的倒计时控制，通过远端Windows窗体应用程序，去发现并连接局域网内的每台时钟显示器，然后统一发送倒计时控制信息。
Windows窗体应用程序基于.NET Framework 4.6框架进行开发，程序命名为“时钟倒计时设置器”，程序界面如下图所示，左侧“扫描”按钮按下后，下方会显示局域网中所有的时钟显示器，并自动建立连接；“NTP服务设置”下方，可设置NTP服务器的地址；“倒计时设置”下方，可设置栏目开始时间，结束时间及栏目名等信息；NTP的服务器地址、倒计时设置下的栏目信息，都可以通过“保存配置”按钮保存到本地，供下次打开程序读取，也可以直接发送给时钟显示器列表内的所有时钟显示器。
图4.1 时钟倒计时设置器界面
4.2、局域网内时钟显示器的发现和接入
当按下“时钟倒计时设置器”程序中的“扫描按钮时，触发“”scanBtn_Click”按钮控制事件，如下图所示：
1．首先程序会清空所有跟在程序内的TCP端口连接；
2．获取“App.config“文件中的配置信息，如扫描的开始和截止地址、扫描的端口号，对这些地址做差值，从而得到总的需要扫描的地址数量；
3．遍历扫描这些地址和端口号，并尝试进行连接，当和时钟显示器端建立连接成功后，返回时钟显示器端的IP地址和socket对象；
4．每个时钟显示器端的连接和通信，都开通一个单独的线程，并同步实时更新显示到“时钟倒计时设置器“界面中。
图4.2 扫描按钮控制事件
4.3、栏目名、倒计时信息的读取、保存和发送
程序初始化时，会从本地配置文件中读取之前保存的配置信息并显示，本地配置文件名和格式与Android端时钟显示器上的一样，都为“countdownTime.json“；
在程序里面，可以对“countdownTime.json“读取出的倒计时信息和NTP服务器地址进行修改，修改完成后，点保存配置，触发”saveBtn_Click“按钮事件，该事件主要用于覆盖之前读取的“countdownTime.json“文件；
当在程序中点击“发送配置”按钮，触发“sendBtn_Click”按钮事件，将目前程序界面上的内容，以json文件数据流的格式，发送给“时钟显示”列表里的所有时钟显示器，时钟显示器端程序收到数据流以后，更新显示并自动覆盖掉原先的时钟显示器端的”countdownTime.json”配置文件，发送倒计时配置信息的主要程序如下图所示。
图4.3 倒计时设置信息的发送
五、总结
转播车时钟系统的设计与应用，满足了我台现有4K IP转播车上时钟授时和显示的应用，不同的操作工位，可以显示不同的时钟监看方案，同时基于IP化的统一配置管理，使得在时钟显示器的配置上更加简单方便。
基于Android框架而设计的时钟系统，在未来复杂的4K制作环节中，更具有灵活性和多样性，我们随时可以根据不同的需求来修改程序，增加新的功能，如把天气信息、温度湿度信息、早中晚的界面显示颜色、时钟倒计时蜂鸣器报警等，这些功能也将在今后的实际应用中，慢慢完善并加入。
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