基于HTTP協(xié)議的多媒體教室管理系統(tǒng)的構(gòu)建

李紹民，秦紅霞，劉玉鵬，趙岱民，秦亞娜

(1.大連民族大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116605；2.石家莊學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050035)

基于HTTP協(xié)議的多媒體教室管理系統(tǒng)的構(gòu)建

李紹民1，秦紅霞1，劉玉鵬1，趙岱民1，秦亞娜2

(1.大連民族大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116605；2.石家莊學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050035)

根據(jù)遼寧省大連市高校多媒體教室使用和管理的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了以STC89C54單片機(jī)為CPU的網(wǎng)絡(luò)中控，并開發(fā)了與中控配套使用的總控，完成了中控與總控間的HTTP協(xié)議通信，提高了系統(tǒng)的安全性和兼容性。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)中控對(duì)多媒體教室內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的本地控制和總控對(duì)各個(gè)教室中控及多媒體設(shè)備的使用情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制(監(jiān)控)兩大功能。從而解決多媒體教室管理難度大的問題。

多媒體教室；中控；總控；HTTP協(xié)議

Abstract:According to the actual situation of the use and management of multimedia classroom in colleges and universities in Dalian, Liaoning Province, the network central controller based on STC89C54 microcontroller (CPU) is designed, and the general controller which is used with the central controller is also developed simultaneously. The system has achieved communicating between central controller and general controller using the HTTP protocol, which improves the security and compatibility of the system. The system mainly implements two functions, one is that the central controller can control running status of multimedia classrooms’ internal equipments locally, the other is that the general controller can supervise and control (monitor) the conditions of central controllers and multimedia equipments in each classroom remotely. So the system can solve the difficult problem of multimedia classroom management.

Keywords:multimedia classroom; central controller; general controller; HTTP protocol

多媒體教室的不斷發(fā)展壯大，使教學(xué)環(huán)境得到改善的同時(shí)也使多媒體設(shè)備的正常使用和高效管理出現(xiàn)了問題[1]。多媒體中控作為多媒體教室的核心，采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最新成果，將對(duì)所有多媒體設(shè)備的操作控制集中在一個(gè)控制面板上，并可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控，方便用戶使用。當(dāng)前高校使用的多媒體管理系統(tǒng)種類繁多，但是存在總控不完善、中控和門禁協(xié)調(diào)困難、系統(tǒng)資源利用率低等不足之處，其中最大的缺陷是更換廠家時(shí)部分設(shè)備或軟件更新不具兼容性，所以現(xiàn)有的多媒體管理系統(tǒng)并不能滿足現(xiàn)階段高校的功能需求。在性能、成本以及社會(huì)需求的綜合影響下，如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的中控及完善的總控，成為高校關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 需求分析及系統(tǒng)組成

1.1 需求分析

每一個(gè)多媒體教室都有一套中控設(shè)備，教師上課時(shí)需要先通過教師專用卡進(jìn)行門禁驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后中控會(huì)自動(dòng)打開門禁，同時(shí)按照多媒體管理系統(tǒng)設(shè)置的開啟步驟自動(dòng)完成電源開啟、臺(tái)式機(jī)開啟、投影機(jī)開啟、投影幕布下降等操作，教師可直接進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)；下課后，教師直接拔卡離開教室就可，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)升起投影幕布、關(guān)閉臺(tái)式機(jī)、延時(shí)斷電，不用人工等待投影機(jī)冷卻后再斷電[2]。一切動(dòng)作都由中控自動(dòng)完成，如果中控設(shè)備出現(xiàn)故障，總控就會(huì)根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程協(xié)助。

針對(duì)多媒體教室管理難度大、設(shè)備使用水平低等問題，課題組全面整合網(wǎng)絡(luò)資源，設(shè)計(jì)出了基于HTTP協(xié)議的多媒體教室管理系統(tǒng)，保證了多媒體教室的低成本運(yùn)行，為日常的教學(xué)活動(dòng)提供了可靠保障，實(shí)現(xiàn)了多媒體教室的高效管理[3]。

1.2 系統(tǒng)組成

基于HTTP協(xié)議的多媒體教室管理系統(tǒng)以校園網(wǎng)為基礎(chǔ)，由中控和總控兩大部分組成[4]。總控用于實(shí)現(xiàn)對(duì)所有多媒體教室設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，所有傳輸?shù)蕉嗝襟w教室的控制信號(hào)都是利用現(xiàn)有的校園網(wǎng)，不需額外布線，降低成本[5]；多媒體教室的中控用于對(duì)筆記本、DVD、投影機(jī)、投影幕布、設(shè)備電源和功放音響等外設(shè)的本地控制[6-8]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 中控設(shè)計(jì)

2.1 中控硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，考慮到設(shè)計(jì)成本、功耗和性能等因素，中控的CPU采用宏晶公司生產(chǎn)的STC89C54單片機(jī)，該單片機(jī)性能高、功耗低，具有價(jià)格低廉、程序?qū)懭敕奖愕奶攸c(diǎn)；中控入網(wǎng)選用W5500網(wǎng)絡(luò)芯片，該芯片支持用戶從網(wǎng)絡(luò)更底層設(shè)計(jì)入網(wǎng)方式，可以在滿足應(yīng)用的同時(shí)盡可能地少占用硬件資源，使系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行。

中控硬件主要由控制面板模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、門禁模塊和串口通信模塊組成。中控通過單片機(jī)的I/O端口與電源、投影機(jī)、投影幕布、音響和筆記本等外設(shè)連接，通過控制面板實(shí)現(xiàn)對(duì)電源和外設(shè)的開關(guān)控制或者使用總控來遠(yuǎn)程控制中控進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)中控外設(shè)的控制；中控利用24C512存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片來存儲(chǔ)教師和教室的有用信息，無需再在多媒體操作臺(tái)里安裝專門存儲(chǔ)信息裝置，通過繼電器控制臺(tái)式機(jī)電源、筆記本電源、功放電源和其它外設(shè)電源，整套系統(tǒng)所有切換均為繼電器觸點(diǎn)切換，VGA默認(rèn)切換在教室臺(tái)式機(jī)端，如果在整個(gè)教學(xué)過程中多媒體設(shè)備出現(xiàn)故障，只要教室臺(tái)式機(jī)正常工作就可以正常上課。中控硬件主要集中在一塊PCB板上，布線少，使用靈活方便。中控硬件結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 硬件組成結(jié)構(gòu)圖

2.2 中控軟件設(shè)計(jì)

中控軟件采用C語言編寫，用于實(shí)現(xiàn)初始化、控制面板、串口通信與 I/O口模擬串口通信、射頻讀卡及網(wǎng)絡(luò)通信等功能。其中控制面板程序主要用于實(shí)現(xiàn)按鍵掃描，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)包括音/視頻切換、設(shè)備電源開關(guān)、投影機(jī)開關(guān)、投影幕布升降等設(shè)備的開關(guān)及切換操作；串口通信程序主要用于中控向投影機(jī)串口發(fā)送控制碼，以實(shí)現(xiàn)通電狀態(tài)下投影機(jī)的開關(guān)機(jī)操作，也用于實(shí)現(xiàn)對(duì)中控上網(wǎng)所需網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置；I/O口模擬串口通信程序主要實(shí)現(xiàn)中控控制教室臺(tái)式機(jī)的軟關(guān)機(jī)；射頻讀卡程序主要實(shí)現(xiàn)教師身份的識(shí)別；網(wǎng)絡(luò)通信程序主要實(shí)現(xiàn)總控同中控的信息傳遞。中控軟件工作流程如圖3。

圖3 軟件工作流程圖

中控作為服務(wù)端，軟件一直保持監(jiān)聽狀態(tài)。當(dāng)控制面板上的按鍵被按下時(shí)，軟件就會(huì)執(zhí)行一鍵操控，當(dāng)收到客戶端發(fā)送的連接請(qǐng)求時(shí)就會(huì)進(jìn)行HTTP服務(wù)，當(dāng)讀取到有效卡進(jìn)入門禁射頻范圍時(shí)，就會(huì)開啟門禁，當(dāng)收到串口消息時(shí)就會(huì)進(jìn)行串口通信，各個(gè)功能互不干擾，獨(dú)立運(yùn)行。

2.3 中控通信方式設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過硬件SPI接口對(duì)W5500網(wǎng)絡(luò)芯片進(jìn)行讀寫操作，單片機(jī)為SPI主機(jī)模式，W5500為SPI從機(jī)模式。對(duì)W5500的編程要時(shí)刻關(guān)注狀態(tài)機(jī)的變化，W5500雖然集成了TCP/IP協(xié)議棧，但網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)機(jī)需要用戶控制，需要注意的是不僅對(duì)W5500寄存器的操作可以改變狀態(tài)機(jī)狀態(tài)，而且客戶端的動(dòng)作也能改變狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)。W5500的狀態(tài)機(jī)有如下6種狀態(tài)：

(1)NOT_CONNECT狀態(tài)[9-10]：W5500上電后的默認(rèn)狀態(tài)，即中控CPU還沒有對(duì)W5500進(jìn)行初始化時(shí)的狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下中控CPU需要判斷W5500是否存在、是否正常。如果W5500不存在或不正常，應(yīng)給出故障提示；如果W5500正常，通過初始化后進(jìn)入SOCK_CLOSED狀態(tài)。

(2)SOCK_CLOSED狀態(tài)：W5500存在并正常的情況下，對(duì)W5500初始化(本設(shè)計(jì)初始化成TCP模式)后進(jìn)入的狀態(tài)，其他狀態(tài)收到中控CPU的DISCON或CLOSE命令時(shí)也能夠進(jìn)入此狀態(tài)。在SOCK_CLOSED狀態(tài)下，如果收到OPEN命令就進(jìn)入SOCK_INIT狀態(tài)。

(3)SOCK_INIT狀態(tài)：在SOCK_CLOSED狀態(tài)下，如果收到OPEN命令就進(jìn)入SOCK_INIT狀態(tài)。此狀態(tài)有兩個(gè)出口：收到CLOSE命令時(shí)進(jìn)入SOCK_CLOSED狀態(tài)，收到LISTEN命令時(shí)進(jìn)入SOCK_LISTEN狀態(tài)。

(4) SOCK_LISTEN狀態(tài)：在SOCK_INIT狀態(tài)下，收到LISTEN命令時(shí)進(jìn)入SOCK_LISTEN狀態(tài)。此狀態(tài)有兩個(gè)出口：收到中控CPU的CLOSE命令時(shí)進(jìn)入SOCK_CLOSED狀態(tài)，收到客戶端的連接請(qǐng)求便進(jìn)入SOCK_ESTABLISHED狀態(tài)。

(5) SOCK_ESTABLISHED狀態(tài)：在SOCK_LISTEN狀態(tài)下，收到客戶端的連接請(qǐng)求時(shí)進(jìn)入SOCK_ESTABLISHED狀態(tài)，并與客戶端進(jìn)行通信。此狀態(tài)有兩個(gè)出口：收到中控CPU的CLOSE命令時(shí)進(jìn)入SOCK_CLOSED狀態(tài)，收到客戶端的斷開請(qǐng)求便進(jìn)入SOCK_CLOSE_WAIT狀態(tài)。

(6) SOCK_CLOSE_WAIT狀態(tài)：在SOCK_ESTABLISHED狀態(tài)下，收到客戶端的斷開請(qǐng)求時(shí)進(jìn)入SOCK_CLOSE_WAIT狀態(tài)，收到中控CPU的DISCON或CLOSE命令便進(jìn)入SOCK_CLOSED狀態(tài)。

正常情況下，W5500初始化后應(yīng)為后五種狀態(tài)之一，如果因?yàn)槟撤N原因不是上述狀態(tài)之一，就應(yīng)該重新初始化。W5500服務(wù)端模式狀態(tài)進(jìn)入及轉(zhuǎn)移如圖4。

圖4 W5500服務(wù)端模式狀態(tài)進(jìn)入及轉(zhuǎn)移圖

為了在部分中控升級(jí)換代時(shí)保證軟件的兼容性，總控與中控采用HTTP協(xié)議進(jìn)行通信，也就是萬維網(wǎng)通信協(xié)議。?；谝陨戏治觯疚囊阅軌蚩煽繉?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控為目標(biāo)，對(duì)HTTP協(xié)議進(jìn)行必要簡(jiǎn)化，主要在以下方面進(jìn)行簡(jiǎn)化：

(1) HTTP的底層只實(shí)現(xiàn)ARP、TCP、ICMP、IGMP協(xié)議，暫不考慮其它功能。

(2) TCP協(xié)議暫不分片，協(xié)議包長(zhǎng)度不超過1024字節(jié)(本設(shè)計(jì)所有單片機(jī)的RAM僅1024個(gè)字節(jié))。

(3) HTTP只實(shí)現(xiàn)GET請(qǐng)求，設(shè)置功能通過GET傳遞參數(shù)實(shí)現(xiàn)，暫時(shí)不考慮實(shí)現(xiàn)POSE請(qǐng)求。

(4)不支持HTTP保持連接功能，即每次連接服務(wù)端傳回GET響應(yīng)包后就斷開連接，只要客戶端不是同時(shí)訪問，就可以實(shí)現(xiàn)多客戶端訪問。

由于在校園內(nèi)還沒有為各個(gè)教室準(zhǔn)備DNS服務(wù)器，所以統(tǒng)一資源描述符URL采用直接IP地址及端口號(hào)的方式(比如某教室的URL為HTTP：//192.168.1.81:5000/)，使瀏覽器或定制客戶軟件不需要區(qū)分特定的網(wǎng)頁文件，就可以通過參數(shù)的形式傳遞特定的控制要求。為簡(jiǎn)化中控服務(wù)端軟件的設(shè)計(jì)，并同時(shí)支持瀏覽器監(jiān)視及定制軟件監(jiān)視訪問，中控響應(yīng)內(nèi)容采用HTML語言編寫；為減少內(nèi)部RAM使用量，大部分HTML內(nèi)容固化在單片機(jī)代碼區(qū)，只是在取出傳給客戶前，根據(jù)監(jiān)視內(nèi)容改變部分內(nèi)容，解決界面要求豐富和內(nèi)部RAM少的矛盾。監(jiān)控一般要求連續(xù)監(jiān)控，而HTTP是單次請(qǐng)求響應(yīng)方式，如果采用C/S模式軟件監(jiān)控，可以讓軟件連續(xù)定時(shí)發(fā)送HTTP請(qǐng)求；如果采用通用瀏覽器監(jiān)控，可以設(shè)置瀏覽器連續(xù)訪問。但考慮到瀏覽器的兼容性問題，我們采用編寫JS客戶端腳本方式實(shí)現(xiàn)客戶端連續(xù)定時(shí)訪問服務(wù)端的功能，中控采用HTTP協(xié)議可以支持多個(gè)總控同時(shí)連接中控服務(wù)端。

3 總控設(shè)計(jì)

總控采用C/S架構(gòu)，與本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的中控配套使用，總控作為網(wǎng)絡(luò)客戶端，教室多媒體中控作為服務(wù)端?？偪鼗赥CP/IP協(xié)議，采用JAVA高級(jí)語言編寫，具有友好、簡(jiǎn)潔的操作界面。

總控主要通過HTTP協(xié)議把控制信息傳遞至各個(gè)教室的多媒體中控，實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體終端設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。另外，中控需要實(shí)時(shí)地把教室狀態(tài)傳送到總控，以實(shí)現(xiàn)總控對(duì)多媒體教室的監(jiān)測(cè)?？偪貙?shí)現(xiàn)流程如圖5。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 硬件電路測(cè)試

硬件是軟件的基礎(chǔ)，沒有穩(wěn)定可靠的硬件環(huán)境，就無法保障軟件的正常的運(yùn)行。在進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)、原理圖繪制、PCB制板、元器件焊接之后，對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行測(cè)試。結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能模塊，檢查電路的合理性，對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行了測(cè)試。PCB主板如圖6。

圖5 總控流程圖

圖6 PCB主板

4.2 軟件測(cè)試

將中控和總控接入校園網(wǎng)，總控通過模擬按鍵把控制信息傳遞各個(gè)教室的多媒體中控中，實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體終端設(shè)備的實(shí)時(shí)控制，中控同時(shí)把教室狀態(tài)傳送到總控，實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體教室的監(jiān)測(cè)。

利用網(wǎng)絡(luò)助手、串口調(diào)試助手等工具連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)中控與總控的通信，對(duì)總控和中控通信進(jìn)行上萬次可靠性試驗(yàn)，使用基于WinPcap網(wǎng)絡(luò)封包抓取工具的Wireshark網(wǎng)絡(luò)包分析軟件從底層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通信，進(jìn)一步測(cè)試整套系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)總控通過HTTP協(xié)議訪問中控的目標(biāo)。通過測(cè)試，出現(xiàn)了預(yù)期的效果。

5 結(jié) 語

系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)，把各個(gè)多媒體教室中控連接起來，使之成為可以統(tǒng)一控制、統(tǒng)一管理的網(wǎng)絡(luò)型集中控制管理系統(tǒng)，用以解決多媒體教室管理難度大的問題。主要完成了以下成果：

(1)將門禁作為中控的內(nèi)部模塊，避免獨(dú)立門禁與中控的通信協(xié)調(diào)問題，減少門禁產(chǎn)生的成本，使操作簡(jiǎn)化；用單個(gè)CPU就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有多媒體設(shè)備的控制，使成本降低的同時(shí)也減少了電路的外部接線。

(2)將身份識(shí)別的卡號(hào)和標(biāo)識(shí)同時(shí)存到教師專用卡中，用于教師上課時(shí)開啟多媒體設(shè)備的門禁和掛失處理。

(3)音/視頻和VGA切換采用繼電器觸點(diǎn)切換，減少了電子開關(guān)造成的信號(hào)失真。

(4)總控與中控采用HTTP協(xié)議通信，具備兼容性，方便了系統(tǒng)升級(jí)以及多媒體教室設(shè)備的更換。

(5)中控使用W5500網(wǎng)絡(luò)芯片從底層設(shè)計(jì)通信協(xié)議，可以防ARP惡意攻擊。

本系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)，為解決多媒體教室管理維護(hù)復(fù)雜的難題提供了參考，使教師能方便地掌握和運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)，對(duì)優(yōu)化教學(xué)環(huán)境，提高教學(xué)效率有著積極的作用，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 杜娟. 多媒體教學(xué)網(wǎng)絡(luò)中央控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué),2012.

[2] 歐陽均. 基于遠(yuǎn)程控制的多媒體教室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 溫州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007(04):56-60.

[3] 謝志昆. 云南大學(xué)多媒體教室管理服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 昆明：云南大學(xué),2010.

[4] 方向陽. 一種多媒體教室綜合管理系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學(xué),2012.

[5] 蘇望. 基于J2EE的多媒體教室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué),2014.

[6] 郁則青. 淺析高校多媒體教室建設(shè)與管理[J]. 無線互聯(lián)科技,2013(12):192-201.

[7] 許王凱,邵敏. 基于網(wǎng)絡(luò)中控技術(shù)的多媒體教室管理與監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[J].信息與電腦(理論版),2013(10):148-149.

[8] 馬鳳濤. 基于集中控制系統(tǒng)的多媒體教室設(shè)備管理[J]. 中國(guó)地質(zhì)教育,2005(02):92-95.

[9] W RICHARD STEVENS．TCP/IP Illustrated，Volume 1:The Protocols[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[10] BEHROUZ A FOROUZAN，SOPHIA CHUNG FEGAN．TCP/IP協(xié)議族[M]．謝希仁,譯.北京：清華大學(xué)出版社， 2003.

(責(zé)任編輯 王楠楠)

ConstructionofMultimediaClassroomManagementSystemBasedonHTTPProtocol

LIShao-min1,QINHong-xia1,LIUYu-peng1,ZHAODai-min1,QINYa-na2

(1.School of Information and Communication Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China;2.College of Computer Science and Engineering, Shijiazhuang University, Shijiazhuang Hebei 050035, China)

TP397

A

2017-03-28;

2017-05-25

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DC201501060301)。

李紹民(1963-)，男，遼寧錦州人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事電子信息和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究。

秦紅霞(1991-)，女，河北石家莊人，大連民族大學(xué)信息與通信工程學(xué)院碩士研究生，主要從事網(wǎng)絡(luò)通信研究,E-mail:2420507729@qq.com。

2096-1383(2017)05-0495-04