基于教務(wù)信息的教室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陸 輝，牟 艷，高 晴，童 年

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022）

基于教務(wù)信息的教室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陸 輝，牟 艷，高 晴，童 年

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022）

為了將教務(wù)信息和教室監(jiān)控相結(jié)合，實現(xiàn)在移動終端根據(jù)教務(wù)信息點播觀看教室監(jiān)控視頻，提出了在現(xiàn)有教務(wù)管理和教室監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上利用移動終端完成教室監(jiān)控的設(shè)計方案，并開發(fā)了基于IOS系統(tǒng)的監(jiān)控終端軟件。介紹了整個系統(tǒng)的總體架構(gòu)、硬件平臺、流媒體傳輸技術(shù)、MVC設(shè)計模式和教室監(jiān)控終端軟件開發(fā)。整個系統(tǒng)滿足教學(xué)和視頻監(jiān)控的功能需求，可以在移動終端根據(jù)課程信息列表清晰流暢地播放教室監(jiān)控視頻和瀏覽詳細(xì)的教務(wù)信息；還可以作為電子考場，實現(xiàn)無人監(jiān)考，具有很高的實用價值。經(jīng)過測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，并成功應(yīng)用于河海大學(xué)常州校區(qū)。

教務(wù)信息；視頻監(jiān)控；移動終端；IOS軟件；MVC設(shè)計模式；流媒體技術(shù)

1 引 言

目前，學(xué)校的現(xiàn)代化電子教務(wù)管理和教室視頻監(jiān)控系統(tǒng)都很成熟，且應(yīng)用廣泛［1］。但是，目前教務(wù)信息和教室監(jiān)控相對獨立，使得現(xiàn)有的教室監(jiān)控系統(tǒng)功能單一，無法滿足根據(jù)課程信息點播觀看教室監(jiān)控視頻這一需求。同時，有線視頻監(jiān)控方式，限制了系統(tǒng)的靈活性和應(yīng)用范圍。因此，提出了基于教務(wù)信息的教室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，并在IOS平臺上開發(fā)了監(jiān)控終端軟件，將監(jiān)控視頻和教務(wù)數(shù)據(jù)相結(jié)合，實現(xiàn)了在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，監(jiān)控終端可在任何時間、任何地點根據(jù)實時的課程、教師、教室等參數(shù)點播觀看監(jiān)控視頻和瀏覽詳細(xì)的教務(wù)信息，滿足了學(xué)校教學(xué)管理的實際應(yīng)用需求［2］。同時還可以作為電子考場，實現(xiàn)無人監(jiān)考。該設(shè)計方案具有通用性，可對具有電子教務(wù)管理系統(tǒng)的學(xué)校進(jìn)行視頻監(jiān)控系統(tǒng)改造，也可為學(xué)校的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒。

2 基于教務(wù)信息的教室監(jiān)控系統(tǒng)總體框架與工作流程

教室監(jiān)控終端顯示課程信息列表，當(dāng)選擇某一課程時，播放教室監(jiān)控視頻和顯示詳細(xì)的教務(wù)信息。教務(wù)信息包括課程信息、教學(xué)計劃、上課時間、學(xué)生人數(shù)等信息，這些數(shù)據(jù)存放在教務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，需要通過教務(wù)信息接口獲取實時教務(wù)信息。教室監(jiān)控視頻需要通過教室監(jiān)控視頻管理平臺進(jìn)行配置和管理。因此，整個系統(tǒng)從以下三個部分進(jìn)行設(shè)計：教室監(jiān)控視頻管理平臺、教務(wù)信息接口、教室監(jiān)控終端軟件設(shè)計。

2.1 系統(tǒng)總體框架

基于教務(wù)信息的教室監(jiān)控系統(tǒng)需要完成如下工作：前端設(shè)備參數(shù)配置、視頻數(shù)據(jù)采集與傳輸、實時教務(wù)數(shù)據(jù)獲取、視頻數(shù)據(jù)與教務(wù)信息匹配、監(jiān)控終端視頻播放［3］。如何將教務(wù)管理系統(tǒng)中的教務(wù)數(shù)據(jù)與教室監(jiān)控視頻相匹配以及監(jiān)控終端視頻播放是研究的重點。教室監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。教室監(jiān)控視頻管理平臺負(fù)責(zé)對前端視頻采集設(shè)備的統(tǒng)一管理；教務(wù)信息接口負(fù)責(zé)獲取詳細(xì)的教務(wù)信息數(shù)據(jù)；教室監(jiān)控終端軟件提供用戶操作界面，實現(xiàn)教務(wù)信息顯示、視頻解碼播放等功能。教室監(jiān)控視頻外圍系統(tǒng)負(fù)責(zé)視頻圖像的采集與存儲。

圖1 基于教務(wù)信息的教室監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)工作流程

多臺網(wǎng)絡(luò)攝像機通過交換機連接至網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機，多臺網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機通過校園網(wǎng)連接至教室監(jiān)控視頻管理平臺，監(jiān)控管理平臺對網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機和前端攝像機進(jìn)行參數(shù)配置。配置完成后，網(wǎng)絡(luò)攝像機準(zhǔn)備采集視頻圖像信號，教室監(jiān)控視頻管理平臺等待監(jiān)控終端請求視頻數(shù)據(jù)。

軟件啟動時，監(jiān)控終端以請求時間為參數(shù)向教務(wù)信息接口請求實時教務(wù)信息，教務(wù)信息接口接收請求后從教務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中查找教務(wù)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)成JSON格式返回給監(jiān)控終端。JSON是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，便于監(jiān)控終端解析，監(jiān)控終端根據(jù)獲取的教務(wù)信息顯示課程信息列表。

當(dāng)選擇某一課程時，以教務(wù)信息的教室編號為參數(shù)向教室監(jiān)控視頻管理平臺請求視頻播放參數(shù)；監(jiān)控終端根據(jù)獲取的視頻播放參數(shù)向教室監(jiān)控視頻管理平臺請求建立連接；連接成功后教室監(jiān)控視頻管理平臺根據(jù)參數(shù)中的設(shè)備號找到網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機，根據(jù)通道號找到請求的視頻數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機的流媒體模塊將視頻數(shù)據(jù)包發(fā)送給教室監(jiān)控視頻管理平臺；教室監(jiān)控視頻管理平臺收到視頻數(shù)據(jù)包后轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控終端；監(jiān)控終端接收到視頻流后進(jìn)行解碼播放。整個系統(tǒng)的工作流程圖如圖2所示。

3 教室監(jiān)控視頻管理平臺

教室監(jiān)控視頻管理平臺是監(jiān)控設(shè)備的接入中心，實現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理并完成向監(jiān)控終端的視頻數(shù)據(jù)傳輸。

3.1 設(shè)備參數(shù)配置

學(xué)校的教學(xué)樓和教室分布較廣，每個教室根據(jù)需求配備有若干臺網(wǎng)絡(luò)攝像機。因此，需要將這些分散點的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，供監(jiān)控終端訪問。教室監(jiān)控視頻管理平臺統(tǒng)一配置、管理、存儲所有前端設(shè)備參數(shù)，包括教學(xué)樓編號、教室編號、設(shè)備編號、設(shè)備IP地址、區(qū)域編號、設(shè)備編號、通道號等參數(shù)，以便監(jiān)控終端可以快速獲取請求的視頻數(shù)據(jù)，最后將配置好的參數(shù)寫入到教室監(jiān)控管理數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)設(shè)計選用SQL Server 2008 R2作為數(shù)據(jù)庫平臺。參數(shù)配置完成后，前端設(shè)備可以開始采集視頻圖像信號。

3.2 視頻采集與傳輸

視頻采集端選用網(wǎng)絡(luò)攝像機（IPC）采集圖像信號，網(wǎng)絡(luò)攝像機的編碼模塊將圖像信號編碼壓縮成數(shù)字信號［4］，目前最常用的編碼格式為H.264［5］。編碼之后的視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機。網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機由流媒體模塊、錄像服務(wù)器、磁盤陣列三部分組成。流媒體模塊接收多路IPC傳過來的視頻數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部總線傳輸給錄像服務(wù)器，錄像服務(wù)器負(fù)責(zé)把視頻流存儲到磁盤陣列中。流媒體模塊還有對外端口，負(fù)責(zé)接收監(jiān)控管理平臺的請求，并及時響應(yīng)查找視頻數(shù)據(jù)分發(fā)給監(jiān)控管理平臺。流媒體傳輸?shù)膶崿F(xiàn)需要合適的傳輸協(xié)議。采用HTTP/TCP傳輸控制信息，RTP/UDP傳輸實時視頻數(shù)據(jù)包。RTP（實時傳輸協(xié)議）需要與RTCP（實時傳輸控制協(xié)議）協(xié)同工作。其中RTP用于數(shù)據(jù)傳輸，RTCP用于統(tǒng)計、管理和控制RTP傳輸［6］。

4 教務(wù)信息接口

教務(wù)信息接口負(fù)責(zé)獲取教務(wù)管理系統(tǒng)中的教務(wù)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)成JSON格式發(fā)送給教室監(jiān)控終端。教務(wù)信息包括課程信息、教室編號、任課教師、學(xué)生人數(shù)、上課時間等數(shù)據(jù)。監(jiān)控終端通過HTTP的方式向教務(wù)信息接口請求教務(wù)數(shù)據(jù)。

教務(wù)信息接口采用.NET三層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層和應(yīng)用層的分離來降低整個系統(tǒng)的耦合性［7］。

數(shù)據(jù)訪問層：首先編寫數(shù)據(jù)訪問公共服務(wù)類，包括數(shù)據(jù)庫連接、查找、增加、刪除和更改等功能。該層不涉及業(yè)務(wù)邏輯，各個業(yè)務(wù)類只需繼承公共服務(wù)類，并調(diào)用相應(yīng)的方法即可完成對數(shù)據(jù)庫中表的增、刪、改、查等操作，數(shù)據(jù)庫訪問操作采用ADO.NET技術(shù)實現(xiàn)。

業(yè)務(wù)邏輯層：在教室監(jiān)控系統(tǒng)中編寫獲取教務(wù)信息的業(yè)務(wù)邏輯類，該類繼承公共服務(wù)類，通過重寫父類的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作。首先執(zhí)行SQL語句獲取教務(wù)信息數(shù)據(jù)集對象，再將數(shù)據(jù)集對象序列化為JSON字符串。

應(yīng)用層：監(jiān)控終端以請求時間為參數(shù)向教務(wù)信息接口請求實時教務(wù)數(shù)據(jù)，教務(wù)信息接口收到請求后，調(diào)用獲取教務(wù)信息的業(yè)務(wù)類方法進(jìn)行處理，教務(wù)信息接口將處理完的JSON字符串返回給監(jiān)控終端。

5 教室監(jiān)控終端軟件設(shè)計

近年來，基于IOS系統(tǒng)的手持設(shè)備憑借優(yōu)越的性能已經(jīng)成為市場上最受歡迎的移動終端設(shè)備。軟件設(shè)計選用IOS平臺作為監(jiān)控終端。教室監(jiān)控終端軟件采用MVC模式進(jìn)行設(shè)計。通過MVC設(shè)計模式可以將后臺數(shù)據(jù)處理，包括獲取課程信息數(shù)據(jù)、傳遞視頻播放參數(shù)、接收視頻數(shù)據(jù)、視頻解碼、顯示播放與用戶對界面的操作獨立開來。因此，整個終端軟件分為兩部分進(jìn)行設(shè)計：一是用戶界面設(shè)計，包括歡迎界面、課程信息界面、視頻播放界面。二是后臺數(shù)據(jù)處理，包括教務(wù)信息與視頻播放參數(shù)獲取、視頻解碼播放、教務(wù)信息實時刷新。

5.1 用戶界面設(shè)計

用戶界面主要有：歡迎界面、課程信息界面和視頻播放界面。終端軟件啟動時首先進(jìn)入歡迎界面，點擊屏幕進(jìn)入課程信息界面。當(dāng)選擇某一課程時進(jìn)入視頻播放界面，可以瀏覽該教室的上課視頻、教務(wù)信息和學(xué)生聽課情況。在Xcode開發(fā)環(huán)境中采用Storyboard搭建所有界面，Storyboard是IOS 5的新特征，可以直觀地理解應(yīng)用中所有視圖之間的邏輯關(guān)系。界面視圖之間的切換和數(shù)據(jù)傳遞都通過Storyboard的segue實現(xiàn)。邏輯代碼寫到與之關(guān)聯(lián)的.m類文件中，實現(xiàn)了視圖和模型的分離。監(jiān)控終端軟件界面邏輯關(guān)系圖如圖3所示。其中課程信息視圖與LiveVideoViewController類關(guān)聯(lián)，視頻播放視圖與VideoPlayerViewController類關(guān)聯(lián)。

圖3 監(jiān)控終端軟件界面邏輯關(guān)系圖

5.2 數(shù)據(jù)處理

整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源分為兩部分，一部分是存放在數(shù)據(jù)庫中的教務(wù)信息和視頻播放參數(shù)；另一部分是網(wǎng)絡(luò)攝像機采集的視頻圖像數(shù)據(jù)。可以從教務(wù)信息與視頻播放參數(shù)獲取、視頻解碼播放、教務(wù)信息的實時刷新三部分進(jìn)行設(shè)計。其中獲取的教務(wù)信息需要與請求的時間相匹配，始終顯示實時教務(wù)信息。核心的業(yè)務(wù)處理類包括課程信息視圖類和視頻播放視圖類。類結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

5.2.1 教務(wù)信息與視頻播放參數(shù)獲取

課程信息列表界面以表格的形式顯示數(shù)據(jù)，IOS的UITableView控件顯示表格的整體部分；UITable-ViewCell控件顯示表格的一行。

在課程信息列表視圖類的viewDidLoad方法中，通過HTTP的方式將當(dāng)前時間作為參數(shù)向教務(wù)信息接口請求教務(wù)數(shù)據(jù)，教務(wù)信息接口調(diào)用獲取教務(wù)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)類方法讀取數(shù)據(jù)庫中的教務(wù)信息表，獲取當(dāng)前時間內(nèi)所有教室的教務(wù)信息。若在當(dāng)前時間內(nèi)教室有上課則課程名稱顯示對應(yīng)的課程，若沒有則顯示“暫無授課”。監(jiān)控終端接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析，通過自定義的UITableViewCell控件顯示表格的每一行數(shù)據(jù)［8］。每一行數(shù)據(jù)與自定義的UITableViewCell控件模板相融合，就構(gòu)成了整個課程信息列表視圖。當(dāng)選擇某一課程時，以教室編號為參數(shù)向教室監(jiān)控管理平臺請求與之關(guān)聯(lián)的教室監(jiān)控視頻參數(shù)，視頻播放參數(shù)與教室編號是一一對應(yīng)的。通過prepareForSegue方法將選中教室的視頻播放參數(shù)和詳細(xì)的教務(wù)信息傳遞給視頻播放視圖。視頻播放視圖根據(jù)視頻播放參數(shù)向平臺請求建立連接，再向網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機請求選中教室的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)。

5.2.2 視頻解碼播放

在視頻播放視圖類中，采用多線程進(jìn)行設(shè)計。主線程響應(yīng)用戶操作，負(fù)責(zé)創(chuàng)建播放視圖、繪圖、屏幕刷新、狀態(tài)顯示等工作；子線程根據(jù)獲取的視頻播放參數(shù)登錄平臺，登錄成功后平臺根據(jù)參數(shù)中的設(shè)備編號找到網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機，根據(jù)通道號等參數(shù)獲取視頻數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機接收到請求后通過流媒體模塊將請求的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控管理平臺，監(jiān)控管理平臺通過組播方式再轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控終端。接收子線程獲取到視頻數(shù)據(jù)包后，提取視頻幀數(shù)據(jù)并解碼，將解碼后的數(shù)據(jù)放入圖片緩沖區(qū)，調(diào)用IOS的OpenGL ES對象及接口函數(shù)進(jìn)行繪圖和渲染［9］，再進(jìn)入數(shù)據(jù)接收、幀提取、視頻解碼、繪圖的循環(huán)。終端視頻解碼播放流程圖如圖5所示。

圖4 課程信息視圖、視頻播放視圖類結(jié)構(gòu)圖

5.2.3 教務(wù)信息實時刷新

視頻播放視圖顯示的是當(dāng)前教室的監(jiān)控視頻和對應(yīng)的教務(wù)信息，但是一個教室在不同的時間段有不同的課程。因此，顯示的教務(wù)信息需要實時刷新，可以采取三種方式：手動刷新、服務(wù)器推送和定時刷新。

手動刷新就是在播放視圖上增加一個按鈕，每次手動點擊按鈕時以時間為參數(shù)向教務(wù)信息接口請求一次數(shù)據(jù)，獲取到詳細(xì)的教務(wù)信息后在label控件上進(jìn)行顯示。服務(wù)器推送方式需要監(jiān)控終端與教務(wù)信息接口建立長連接，每次課程信息變更后，服務(wù)器主動向監(jiān)控終端發(fā)送數(shù)據(jù)，顯然這種刷新方式不需要人為監(jiān)控，但是每個監(jiān)控終端都與服務(wù)器建立長連接會消耗大量的服務(wù)器資源。綜合對比這兩種刷新方式的優(yōu)缺點可以采用定時刷新方式。通過調(diào)用NSTimer類的方法設(shè)置時間間隔為1分鐘，每隔一分鐘請求一次數(shù)據(jù)實現(xiàn)教務(wù)信息的實時刷新。

圖5 視頻解碼播放流程圖

6 基于教務(wù)信息的教室監(jiān)控系統(tǒng)運行和實現(xiàn)

基于教務(wù)信息的教室監(jiān)控系統(tǒng)已成功運用于河海大學(xué)常州校區(qū)。在厚德樓、卓越樓的28個教室和2個機房中共計配備了64臺網(wǎng)絡(luò)攝像機、2臺網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機（32路）和一臺教室視頻監(jiān)控管理平臺服務(wù)器，實現(xiàn)了教室的移動視頻監(jiān)控功能，可根據(jù)課程、教師、教室等參數(shù)點播觀看實時的教室監(jiān)控視頻。教室監(jiān)控終端軟件在多種IOS智能設(shè)備上運行穩(wěn)定流暢，運行效果圖如圖6所示。（a）圖為歡迎界面，（b）圖是課程信息列表界面，（c）圖為視頻播放界面，（d）圖為全屏播放時的效果圖。

圖6 教室監(jiān)控終端軟件運行效果圖

7 結(jié)束語

針對教室監(jiān)控系統(tǒng)與教務(wù)信息管理相對獨立的現(xiàn)狀，提出了基于教務(wù)信息的教室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案。將教務(wù)信息與教室監(jiān)控視頻相結(jié)合，實現(xiàn)了在IOS移動終端設(shè)備上根據(jù)教務(wù)信息對教室的監(jiān)控。系統(tǒng)已在河海大學(xué)常州校區(qū)應(yīng)用，還可以作為電子考場，實現(xiàn)無人監(jiān)考，滿足了教學(xué)管理的實際應(yīng)用需求，驗證了系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性。系統(tǒng)通過移植可實現(xiàn)不同平臺智能終端的監(jiān)控，同時該設(shè)計方案還具備通用性，可對具有電子教務(wù)管理系統(tǒng)的學(xué)校進(jìn)行視頻監(jiān)控系統(tǒng)改造。該設(shè)計思路也可為學(xué)校的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒。

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Design and Realization of the Classroom Video Surveillance System Based on Educational Adm inistration Information

Lu Hui，Mu Yan，Gao Qing，Tong Nian
（College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

In order to combine educational administration information with classroom video surveillance together，a design，using mobile terminal to realize classroom video surveillance on the basis of existing educationalmanagement and classroom monitoring system，is proposed to perform a specific function of watching video image with mobile devices according to educational administration information.In this thesis，amobile terminal software based on IOS is developed，and the architecture and hardware platform of the system，the stream media technology，MVC pattern and the developmentof classroom video surveillance software are introduced.The system greatly satisfies the demand of teaching and management.It has very high practical value because it can not only play high－definition classroom video smoothly and browse detailed educational administration information according to the list of course information with mobile terminal，but also be an electronic examination spot.The test result shows that the system is stable and reliable which has already been applied to Hohai University＇s Changzhou campus successfully.

Educational administration information；Video surveillance；Mobile terminal；IOS Software；MVC Pattern；Streaming Media Technology

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.06.016

TP31

A

1002－2279（2015）06－0056－06

陸輝（1990－），男，江蘇省泰興市人，碩士研究生，主研方向：智能信息處理理論與技術(shù)。

2015－02－09