基于TCP協(xié)議的多媒體教室遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)設(shè)計

趙軍

摘 要 多媒體教學(xué)已經(jīng)成為學(xué)校教學(xué)的主要形式之一，隨著多媒體教室利用率的提升，應(yīng)通過合理設(shè)計遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，提高其管理效率。文章首先對多媒體教室遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，進(jìn)而探討其軟件功能的設(shè)計與實現(xiàn)，包括下位機(jī)軟件的主程序設(shè)計、射頻讀卡程序設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計，以及上位機(jī)軟件的監(jiān)控程序設(shè)計和數(shù)據(jù)接口設(shè)計等。

關(guān)鍵詞 TCP協(xié)議；多媒體教室；遠(yuǎn)程管理；系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號 TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）223-0113-02

傳統(tǒng)的多媒體教室管理系統(tǒng)獨立性較高，多數(shù)控制管理功能為本地功能，需要管理人員到具體教室中進(jìn)行操作，管理效率較低。在全新的多媒體教學(xué)模式構(gòu)建需求下，各學(xué)校多媒體教室數(shù)量不斷增加，管理任務(wù)十分繁重。

為確保正常的教學(xué)秩序，必須采取先進(jìn)的管理手段，對多媒體教室的管理模式進(jìn)行創(chuàng)新。基于TCP協(xié)議實現(xiàn)的多媒體教室遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，可以解決傳統(tǒng)管理系統(tǒng)存在的問題，極大地減輕管理人員負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中管理目標(biāo)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計的多媒體教室遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)是基于互聯(lián)網(wǎng)TCP協(xié)議實現(xiàn)的，具有遠(yuǎn)程控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。從系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)來看，主要基于C8051F020單片機(jī)芯片進(jìn)行開發(fā)，包含4個外圍電路模塊，具體為網(wǎng)絡(luò)通信、時鐘發(fā)生、射頻讀卡和設(shè)備控制模塊。其中，網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用CP2200以太網(wǎng)控制器實現(xiàn)，射頻讀卡模塊采用MFRC522射頻讀卡芯片實現(xiàn)。其功能和性能都能夠滿足學(xué)校多媒體教室遠(yuǎn)程管理的需要，保證系統(tǒng)響應(yīng)效率和系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。在該硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，可通過分別設(shè)計和實現(xiàn)下位機(jī)、上位機(jī)軟件，完成系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)[ 1 ]。

2 基于TCP協(xié)議的多媒體教室遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計

2.1 主程序設(shè)計

下位機(jī)系統(tǒng)主程序主要負(fù)責(zé)多媒體教室設(shè)備的電源啟?？刂?、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收控制、輸入數(shù)據(jù)讀取控制以及控制命令解析和執(zhí)行等功能。采用的C8051F020單片機(jī)芯片在不通電情況下，服務(wù)器組態(tài)軟件為中控離線狀態(tài)，通電后，經(jīng)過復(fù)位及初始化，由網(wǎng)絡(luò)模塊根據(jù)TCP協(xié)議，連接上位機(jī)的端口，并將上位機(jī)組態(tài)軟件的狀態(tài)改變成中控在線。此時，下位機(jī)開始對識別區(qū)是否插入IC卡進(jìn)行循環(huán)判斷，讀取到IC卡卡號之后，將卡號傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)開始驗證，下位機(jī)等待上位機(jī)的回應(yīng)。如果上位機(jī)未在3s時間以內(nèi)作出應(yīng)答，則切換到本地驗證模式，查詢本地flash。

在下位機(jī)運(yùn)行過程中，會時刻對上位機(jī)的控制指令進(jìn)行監(jiān)聽，同時控制周邊多媒體設(shè)備，每隔15s，向上位機(jī)發(fā)送狀態(tài)包，每隔1h，向上位機(jī)發(fā)送flash中存儲的數(shù)據(jù)表更新請求。由此可以確?？ㄌ枖?shù)據(jù)和教務(wù)課表數(shù)據(jù)保持一致。若下位機(jī)接收到控鍵盤電路中斷請求，則讀取鍵值，然后執(zhí)行相應(yīng)的執(zhí)行控制指令[2]。

2.2 射頻讀卡程序設(shè)計

射頻讀卡程序的設(shè)計主要以MFRC522射頻讀卡芯片為核心，在MFRC522射頻讀卡芯片完成初始化操作后，依次循環(huán)尋卡、防沖撞、選卡功能，讀取物理卡號。成功讀取后，將物理卡號傳送到服務(wù)器端進(jìn)行身份驗證，等待時間同樣為3s。在3s內(nèi)服務(wù)器接收到系統(tǒng)通過驗證的指令，就會啟動電源輸出，如果未收到通過驗證指令，則判定為離線狀態(tài)或存在網(wǎng)絡(luò)故障。此時先通過時鐘芯片讀取當(dāng)前時間，然后從本地flash中查詢工號驗證。在這樣的射頻讀卡程序設(shè)計下，教師可以在網(wǎng)絡(luò)在線情況完成刷卡身份驗證，即使出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，也能夠通過本地驗證，正常使用多媒體設(shè)備[ 3 ]。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)通信模塊是實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能的關(guān)鍵，其主要功能有初始化、芯片驅(qū)動、TCP/IP協(xié)議棧處理等。其中，芯片驅(qū)動功能是由相應(yīng)的驅(qū)動程序接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，同時負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)發(fā)送。出于軟硬件資源的考慮，而且該系統(tǒng)的實際功能需求較少，設(shè)計TCP/ IP協(xié)議棧時，可只選擇3個協(xié)議，即TCP協(xié)議、IP協(xié)議和ARP協(xié)議。其中的重點是TCP協(xié)議模塊的設(shè)計，TCP協(xié)議屬于運(yùn)輸層的協(xié)議，具有端口功能，支持傳輸通道的復(fù)用與分用。在TCP數(shù)據(jù)傳輸工作中，數(shù)據(jù)包的首部字節(jié)長度為20～60，該協(xié)議是面向連接的，數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)可靠，主要功能函數(shù)有初始化函數(shù)、?；詈瘮?shù)、發(fā)送函數(shù)、接收函數(shù)和重傳函數(shù)等。

在與上位機(jī)建立連接時，需要建立三次握手。第一次握手中的發(fā)送請求方為下位機(jī)，應(yīng)答方為上位機(jī)。得到上位機(jī)回發(fā)的應(yīng)答包后，開始進(jìn)行第二次握手，此時發(fā)送方變?yōu)樯衔粰C(jī)，應(yīng)答方變?yōu)橄挛粰C(jī)，上位機(jī)得到回應(yīng)后回發(fā)應(yīng)答包。最后經(jīng)過第三次握手，建立TCP連接。在連接成功的情況下，下位機(jī)接收到TCP包后，會在上位機(jī)請求號的基礎(chǔ)上，增加一個接收數(shù)據(jù)長度，將請求號、應(yīng)答號設(shè)置為TCP包的應(yīng)答號，然后再發(fā)送出應(yīng)答包。

在上下位機(jī)的通訊期間，應(yīng)答號與請求號必須保持一致。若出現(xiàn)應(yīng)答號比請求號小的情況，說明下位機(jī)未接收到應(yīng)答包，此時要由下位機(jī)重新發(fā)送緩存數(shù)據(jù)包。若連續(xù)兩次重發(fā)后，應(yīng)答號仍小于請求號，則關(guān)閉連接。如果出現(xiàn)應(yīng)答號比請求號大的情況，則直接關(guān)閉連接。采用這種連接方式能夠確保網(wǎng)絡(luò)傳輸通信的可靠性和穩(wěn)定性，適用于多媒體教室管理。

3 基于TCP協(xié)議的多媒體教室遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計

3.1 監(jiān)控程序設(shè)計

在上位機(jī)軟件設(shè)計過程中，監(jiān)控程序要在主窗口加載后，創(chuàng)建服務(wù)器偵聽主socket。然后分別創(chuàng)建并執(zhí)行接入線程和管理線程。其中，接入子線程負(fù)責(zé)處理客戶端接入。在遠(yuǎn)端連接時，先建立新連接的socket和新連接對象，并對其進(jìn)行關(guān)聯(lián)，再創(chuàng)建新的連接子線程，最后成功將連接對象加入到客戶端的對象集合內(nèi)。

管理子線程的工作是對離線的連接對象進(jìn)行清除，釋放系統(tǒng)資源，自動刪除客戶端socket。之后讀取后臺數(shù)據(jù)庫狀態(tài)，對其屬性列表進(jìn)行更新，在查詢操作中，可顯示當(dāng)前多媒體教室的使用狀態(tài)。在監(jiān)控程序運(yùn)行過程中，先循環(huán)遍歷客戶端集合，查詢每一個連接對象，將超時對象剔除。在剔除操作過程中，要關(guān)閉對應(yīng)的連接子程序，同時關(guān)閉遠(yuǎn)端socket，使其處于離線狀態(tài)，然后將數(shù)據(jù)庫對應(yīng)節(jié)點也改變?yōu)殡x線狀態(tài)。更新樹形列表，根據(jù)遍歷的節(jié)點IP地址，查詢中控狀態(tài)值。

最后，通過查詢系統(tǒng)，獲取多媒體教室使用情況，根據(jù)教室號，實現(xiàn)設(shè)備使用狀態(tài)的查詢功能，并更新相應(yīng)標(biāo)簽，實現(xiàn)對多媒體教室設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。為避免出現(xiàn)子程序共用一個連接對象，引發(fā)數(shù)據(jù)庫操作沖突，還需要對每個子程序進(jìn)行分別設(shè)計，采用連接對象實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫操作，采取這種辦法，可有效提升數(shù)據(jù)庫的讀寫效率，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 數(shù)據(jù)接口設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口包含一卡通接口和教務(wù)接口等。其中，一卡通接口的作用是調(diào)用一卡通Web？ Service接口，在原始數(shù)據(jù)表中提取卡號、工號、姓名等字段，對其格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，存儲到本地數(shù)據(jù)表中，等待調(diào)用。教務(wù)接口的作用是調(diào)用教務(wù)系統(tǒng)Web？Service接口，在原始數(shù)據(jù)表中相應(yīng)的教務(wù)字段信息，同樣需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，然后存儲在本地數(shù)據(jù)表中。在數(shù)據(jù)接口的處理過程中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和格式轉(zhuǎn)換是難點部分，比如一卡通原始數(shù)據(jù)表中的卡號為十進(jìn)制字符串類型，設(shè)置為可變長度，但系統(tǒng)所需的時4字節(jié)十六進(jìn)制卡號，所以需要將原字符串先轉(zhuǎn)換為32位無符號整數(shù)類型，然后再將其轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組，最后插入到數(shù)據(jù)庫卡號字段中。

教務(wù)表中的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)與多媒體遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都不一樣，需要依次完成各個數(shù)據(jù)字段的轉(zhuǎn)換功能。先從一卡通原始數(shù)據(jù)表中獲得功耗、上課時間和地點等信息，在對其進(jìn)行拆解，通過層層循環(huán)后，構(gòu)成系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。為保證數(shù)據(jù)使用安全性，所有Web？Service接口調(diào)用者都需要身份驗證，通過驗證的人員才能夠進(jìn)行指令發(fā)送。采用這種方式可以為多媒體教室設(shè)備的使用安全性提供保障。

4 結(jié)論

綜上所述，基于TCP協(xié)議設(shè)計實現(xiàn)的多媒體教室遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)能夠滿足多媒體教室管理的實時監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作、使用安全等方面的需求，而且使系統(tǒng)管理的集中度得到明顯提升。將基于TCP協(xié)議的多媒體教室遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)應(yīng)用到學(xué)校多媒體教室管理實踐中，能夠同時提升管理效率和系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，具有較高的綜合效益。

參考文獻(xiàn)

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