基于树莓派的局域网数字标牌

基于局域网（LAN）并使用树莓派的数字标牌解决方案

1. 引言

1.1. 数字标牌在学校中的应用

学校在日常运营中使用的标识比大多数组织都要多。在小学，代表学生个人作业的学生海报传统上会展示在靠近班级教室的走廊里。食堂会显示午餐菜单，这些菜单最受所有学术背景的学生热切关注。学校营地的精彩瞬间以照片和参加相关校外活动并成为领导者的学生的简短总结形式带回学校。当地学校的集市、社区活动甚至学校通讯通常由本地企业赞助。其他更普遍且大多数组织通用的用途包括活动安排和一般公告。

1.2. 协作技术项目应对数字课程

所有这些传统的学校标识使用方式以及更多应用，都为教师和学生提供了引入数字课程（Digital Curriculum）各个方面的机遇（例如，参见维多利亚州数字技术课程 2017：http://victoriancurriculum.vcaa.vic.edu.au/technologies/digital-technologies/introduction/rationale-and-aims）。

数字课程侧重于计算思维（Wing，2006），强调利用信息系统和技术解决问题。这可能涉及编码，但通常并不限于此。它甚至可能完全不涉及计算机（CS Unplugged，2017），或者可能是构想出一种新解决方案，将现有的技术组件在适当指导和知识基础上整合在一起。在小学或中学开展建立自己的数字标牌或智能标牌系统的项目，是一项优秀的基于项目的活动，能够为传统的大范围校园问题提供一种现代、灵活且低成本的解决方案。

1.3. 基于局域网的数字标牌解决方案的优势

学校代表了一个社区空间，这个空间使用基于互联网的资源，但将互联网限制在校园边界之外。这是一个社交媒体对学生隐私构成重大威胁的社区空间。现代课程也为所有学生提供了良好的网络安全基础。校园内的标识面向学生、教师、家长和看护者。这正是一个基于 Raspberry Pi 的数字标牌解决方案的理想环境：不依赖互联网，并可由教师和学生自己搭建和运行。此外，在搭建该系统的过程中，还能自然地融入数字技术课程的其他方面，例如：引导学生进行决策时，考虑处理人员、数据和流程的不同方式，权衡为社区中所有利益相关者带来的益处与风险；甚至思考他们应向互联网上的未知受众展示社区的哪些方面。

此外，该解决方案还可以通过复用任何家庭无线路由器部署在教室局域网中，从而摆脱对学校IT网络的依赖，同时融入了基础的网络知识，以及数据在同一子网内如何传输的知识。

2. 解决方案概述

局域网（LAN）是一种覆盖相对较小区域的计算机网络。它为计算机和共享资源提供通信线路，通常包括打印机、文件服务、其他计算机，或在家庭场景中的智能电视和游戏机，而在本例中，则是一个将通过连接的高清多媒体接口（HDMI）屏幕播放数字信息的raspberry Pi。

作为类比，想象局域网就像我们城市的交通系统，它允许我们从一个地方前往另一个地方。局域网能够实现数据从一个地点（例如计算机）到另一台设备（例如 Raspberry Pi），以便我们可以从我们的计算机访问 Raspberry Pi。

局域网可以通过电线物理连接相关计算机，也可以是无线的，或两者结合。对于无线局域网，您需要一个无线接入点（WAP），在我们的案例中，即为一个无线路由器。

该解决方案利用Raspberry Pi作为数字标牌内容服务器和播放器，开发了一套基于局域网的数字标牌系统（图1）。我们使用计算机显示器作为数字标牌显示屏，并通过高清多媒体接口电缆连接到Raspberry Pi。网络连接由一个备用的家庭无线路由器提供，从而可以通过笔记本电脑、平板电脑或智能手机上的任意网页浏览器（例如IE、Chrome、Safari和Firefox）在同一个网络内无线上传和管理数字标牌内容。图1展示了该解决方案的最终阶段。注意：以192.168前缀开头的 IP地址表示其属于局域网，而非互联网上的地址。

该解决方案不需要互联网访问，除非您希望在某个时间点在数字标牌系统上播放公共网站内容或从互联网流媒体。

2.1. 硬件和软件

该解决方案需要表1中所示的硬件和软件组件（表2）。

表1. 硬件要求

Item	数量	描述
Raspberry Pi 3 Model B	1	一款信用卡大小的微型计算机，具备 Wi-Fi 功能。
8GB Micro SD 卡（Class 10 或更高版本）	1	Raspberry Pi 的存储设备，我们将在此安装数字标牌软件。
无线路由器	1	它提供本地无线网络连接。4GB为最低要求，建议使用8GB。
带高清多媒体接口的显示器/电视	1	如果显示器上没有高清多媒体接口，则需要在该端使用VGA/DVI转高清多媒体接口转换器。注意：Raspberry Pi 3 B 具有高清多媒体接口端口。
高清多媒体接口线缆	1	它用于连接 Raspberry Pi 和显示器。
键盘	1	仅在安装期间进行初始配置时需要。
计算机	1	它用于将数字标牌软件烧录到已使用的 Raspberry Pi Micro SD 卡。我们还使用浏览器来访问数字标牌通过HTTP管理内容管理门户。
网络电缆RJ45（可选）	1	仅在无法访问无线时需要路由器无线连接。我们可以使用网线来将计算机连接到路由器并执行初始配置。
USB读卡器（可选）	1	您可能需要一个USB SD卡读卡器来烧录Digital将标牌软件从您的计算机复制到SD卡。

表2. 软件需求

Item	下载链接	描述
Screenly OSE	https://github.com/screenly/screenly-ose/releases	提供数字 signage 功能的开源免费软件，标牌内容管理与播放器功能。
Etcher	https://etcher.io/	一个开源的SD卡烧录应用程序，将Screenly OSE烧录到SD卡以用于Raspberry Pi。
PuTTY（可选）	http://www.putty.org/	一个SSH客户端，如果您想访问 Screenly 命令行接口（CLI）通过SSH远程。

3. 解决方案部署

3.1. 规划和设置局域网（LAN）

在当前示例中，我们使用192.168.0.0/24 IP地址范围，具体规划细节如表3所示。

192.168.0.0被称为子网ID；而/24是子网掩码的长度，用于定义子网大小。这意味着 32位IP地址的前24位被设置为1（即11111111.11111111.11111111.00000000），也可以这样书写作为255.255.255.0——dotted-decimal格式的转换，以方便我们人类阅读和记忆。

子网ID和子网掩码共同定义了我们可以使用的IP地址范围。在我们的例子中，192.168.0.0/24 包含从 192.168.0.0 到 192.168.0.255 的IP地址。由于第一个IP地址192.168.0.0被保留用于子网ID，而最后一个IP地址192.168.0.255被保留用于子网的广播用途；因此我们只能在设备上使用其余的IP地址，即从192.168.0.1到 192.168.0.254之间的IP地址。

raspberry Pi 将配置为静态 IP（即 192.168.0.10），因此我们始终知道其访问地址；而用户设备（包括笔记本电脑、平板电脑或智能手机）将分配动态 IP （在 192.168.0.11 和 192.168.0.254 之间）。

图1中所示的无线路由器作为局域网网关（或接入点）使用，可通过浏览器在地址192.168.0.1进行访问。无线路由器上的DHCP范围也如图2所示进行了配置。

注意：每个品牌的无线路由器都有其自身的安装和设置接口（基于网页的配置页面），但其中的字段和选项将与图2中的非常相似。对于您选择使用的路由器，请遵循制造商的说明。

我们还启用了无线功能，并在路由器上配置了“加入网络”认证以增强安全性，如图3所示。

ssid（服务集标识符）是您为网络指定的名称，用于将您的网络与附近可能正在广播的其他无线网络区分开来。WPA（Wi-Fi保护访问）是保护您的无线数据不被泄露的安全协议（一组规则）。WPA2是WPA的后续版本，安全性更强（而 WPA是一种加密强度高于早期WEP协议的协议——无线路由器配置通常会提及这三代安全协议：WEP、WPA和WPA2）。

PSK 是预共享密钥的缩写。它是设置在无线路由器上的密码短语（图3），以便用户设备（例如笔记本电脑、智能手机和平板电脑）可以使用它连接到指定的无线网络。

高级加密标准（Advanced Encryption Standard）是一种对Wi-Fi流量进行加密的方法，可防止您的邻居通过捕获您的Wi-Fi信号来了解您的浏览内容或获取您的银行账户信息。

表3. IP地址分配

网络	192.168.0.0/24
局域网网关	192.168.0.1
静态IP范围	192.168.0.2-10
数字标牌（raspberry Pi）	192.168.0.10
DHCP 作用域	192.168.0.11-254

3.2. 烧录数字标牌镜像

现在我们的无线网络接入点已经设置并配置完成，我们从表2提供的链接中下载 Screenly OSE和Etcher软件；然后在一台计算机上安装并运行Etcher——这台计算机不一定是将来要加入网络的设备。我们的目标是创建一张SD卡，稍后将其插入Raspberry Pi 3，使其启动时成为连接的高清多媒体接口显示器上数字标牌显示的核心控制设备。注意：Etcher提供适用于Windows、MacOS或Linux计算机的可下载版本。

Etcher SD卡烧录工具允许我们通过选择镜像——即包含Screenly软件的镜像——然后选择目标SD卡（您的计算机必须能够通过合适的插槽读取该SD卡），最后点击“烧录！”（图4）。

3.3. 创建网络配置文件

下一步，Screenly 网络配置定义在一个 ‘network.ini’ 配置文件中，该文件将在 raspberry 启动过程中被解析。对于关注细节的用户，Screenly 网络管理服务（screenly-net-manager.service）以及相关的 Python 脚本（screenly_net_mgr.py）均可在 GitHub 获取（https://github.com/Screenly/screenly-ose/tree/master/ansible/roles/network/files）。

Screenly提供了一个在线配置向导（https://wizard.screenly.io/）来生成定制的 “network.ini”文件。或者，我们可以使用文本编辑器创建配置文件，并将该文件另存为 “network.ini”置于SD卡的根目录下。示例1展示了我的“network.ini”文件作为示例。

列表1. ‘network.ini’配置文件

配置wlan0接口以加入无线网络并设置静态IP地址
[wlan0]
ssid=AltairXWifi
密码短语=yourpassphrase
ip=192.168.0.10
子网掩码=255.255.255.0
网关=192.168.0.1
# 配置NTP和DNS服务器IP地址
[generic]
ntp=192.168.0.1
dns=192.168.0.1

3.4. 启动数字标牌系统

现在可以将SD卡插入raspberry，连接键盘、显示器和电源，如图5所示。数字标牌系统已准备就绪，可以启动。

Screenly启动后，数字标牌系统管理信息将显示在HDMI显示器上，如清单2所示。

清单2. 数字标牌管理IP

要管理此屏幕上的内容，只需将您的浏览器指向： http://192.168.0.10:8080

3.5. 扩展文件系统

安装后，Screenly仅占用4GB的SD卡空间以满足其最低存储要求。我们可以扩展 Screenly的文件系统，以充分利用SD卡的存储空间。

在Screenly中，按下‘Ctrl + Alt + F1’将进入控制台登录界面。Raspberry Pi 的默认用户名为‘pi’，密码为‘raspberry’。

我们首先通过执行清单3中所示的命令来验证当前文件系统的大小。“df”（即“disk filesystem”）是Linux命令，用于显示文件系统信息。在扩展文件系统之前，根文件系统的大 小为3.6G。

然后我们通过执行清单4中的命令来启动“Raspberry Pi 软件配置工具”（图6）。

我们通过选择“高级选项”（图6），然后选择“扩展文件系统”（图7），将文件 系统扩展以使用SD卡的全部存储空间。

然后需要重启以应用更改。我们通过执行清单5中所示的命令再次检查文件系 统大小。文件系统扩展后，根文件系统大小现在为15G。

‘Raspberry Pi Software Configuration Tool’ 还允许我们：更改用户密 码；启用 SSH 访问；更改键盘布局和语言选项；等等。

清单3. 扩展前的文件系统大小

pi@raspberrypi:~ $ df –h
文件系统 Size Used 可用 Use% 安装在
/dev/root 3.6G 1.3G 2.3G 36% /

清单4. 启动树莓派软件配置工具

pi@raspberrypi:~ $ sudo raspi-config

清单5. 扩展后的文件系统大小

pi@raspberrypi:~ $ df –h
文件系统 Size Used 可用 Use% 安装在
/dev/root 15G 1.3G 13G 9% /

3.6. 远程管理数字标牌系统

现在我们可以使用任何连接到同一局域网的计算机、平板电脑或智能手机远程管理 数字标牌系统，在我的示例中，通过 WiFi ssid：AltairXWifi 连接到接入点即可。

然后，在该设备上，我们将打开浏览器并使用清单2中显示的IP地址。现在， 我们可以从Web门户上传和管理数字标牌内容，如图8所示。

4. 升级

在当前的数字标牌解决方案中，raspberry同时作为媒体播放器和内容管理服务器（图1）。如果 您有多个高清多媒体接口显示屏用于展示标牌内容，则每个raspberry独立运行一个隔离的数字 标牌系统。

这意味着，如果我们希望多个显示器播放相同的内容，则必须通过HTTP分别 访问每个独立的数字标牌系统，并多次上传和配置内容。

在管理多个屏幕内容的情况下，采用集中式内容管理服务器，并通过分布式媒 体播放器（raspberry）连接到显示器，是一种更高效的解决方案。图9展示了一 个整合的数字标牌系统，其中内容被集中管理，然后分发到多个播放器，从而实现 对多个屏幕的控制。

我所概述的系统，利用raspberry作为媒体播放器和内容管理服务器，是一种 更简单的解决方案，可供高中教师和学生实施，以熟悉一种有用的数字标牌解决方 案。如果该方案被证明能够成功满足学校的标牌需求，但随后需要进行扩展——无论是在概念上，还是在所需的物理和软件资源方面都可 实现。在这两种情况下，学生都可以将他们所取得的成果视为在学校中持续成功 的案例，并由此获得在信息与通信技术方面相应的个人自信心。