多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)化智能教學(xué)多媒體共享系統(tǒng)設(shè)計

馬驥超

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)化智能教學(xué); 多媒體共享; 教育信息化; 資源查詢; 消息管理; 方差值選取

中圖分類號： TN926?34; TP37 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）14?0157?04

Design of multimedia sharing system for multi?node networked intelligent teaching

MA Jichao

（Jilin Unversity， Changchun 130062， China）

Abstract： A multi?node networked multimedia sharing system for intelligent teaching is designed， which can control and share multimedia resource information by means of physical control center and logic control center. The can resource query， positioning and sharing of multimedia resources for intelligent teaching can be realized by the resource sharing module in the logic control center according to the structured peer?to?peer network and intercommunication between nodes and executing nodes. The module transfers the signal to the classroom after the switching signal is controlled for centralized control to realize the management of message and communication. The system selects the gateway node with minimum variance as the gateway outlet by means of the multi?node networking algorithm to ensure that the residual load capacity of the intelligent teaching multimedia sharing network node is greater and the teaching multimedia resources are transmitted efficiently. Experiment results show that the network throughput capacity of this system is higher than that of the contrast system， and it can effectively share the intelligent teaching multimedia. It provides the possibility for teaching real?time on?demand and teaching evaluation， and is more suitable for multimedia sharing of intelligent teaching.

Key words： networking intelligent teaching; multimedia sharing; education informationization; resource query; message management; variance yield selection

多媒體網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)是一種新的教學(xué)形式，其將計算機(jī)作為中心采取網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)、現(xiàn)代教育技術(shù)開展教育教學(xué)活動[1]。隨著科技的進(jìn)步，計算機(jī)技術(shù)、人工智能的不斷發(fā)展，多媒體教室逐漸出現(xiàn)在人們面前[2]。但是以往多媒體教室存在應(yīng)用范圍狹窄、控制功能較弱兩個缺陷，這些多媒體教室沒有充分發(fā)揮校園網(wǎng)優(yōu)勢，教學(xué)資源依舊受限在一個教室中，沒有利用網(wǎng)絡(luò)拓展到每一個教室[3]。通過不斷深入的高等教育改革和不斷提高的信息技術(shù)，將多媒體教室逐漸演化成多媒體教學(xué)系統(tǒng)。本文基于已有的實驗研究，采用多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計智能教學(xué)多媒體共享系統(tǒng)，通過選取最優(yōu)網(wǎng)關(guān)節(jié)點，提高教學(xué)多媒體共享網(wǎng)絡(luò)節(jié)點負(fù)載能力，增強(qiáng)智能多媒體教學(xué)資源共享速度，實現(xiàn)教學(xué)多媒體資源共享[4]。

1 ?智能教學(xué)多媒體共享系統(tǒng)設(shè)計

1.1 ?智能教學(xué)多媒體共享系統(tǒng)框架

共享式多媒體教學(xué)系統(tǒng)將控制模塊作為系統(tǒng)核心，根據(jù)可視化的集成環(huán)境，以網(wǎng)絡(luò)、智能中央控制設(shè)備為基礎(chǔ)，建立良好的多媒體教學(xué)環(huán)境[5]。系統(tǒng)主要由物理控制中心和邏輯控制中心構(gòu)成。物理控制中心主要包括網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和智能中央控制設(shè)備，智能中央控制設(shè)備控制邏輯控制中心的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和教師機(jī);邏輯控制中心包括多個多媒體教室，控制教室內(nèi)的投影儀、音視頻等與教室相關(guān)的設(shè)備。邏輯控制中心可以獨立或與物理控制中心協(xié)同控制教師機(jī)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，在校園網(wǎng)的任意一點，用戶可根據(jù)自身權(quán)限共享智能教學(xué)多媒體。智能教學(xué)多媒體共享系統(tǒng)框架如圖1所示。

1.1.1 ?資源共享模塊

系統(tǒng)通過資源共享模塊提供用戶遠(yuǎn)程使用機(jī)器上的資源，減少共享過程中資源浪費(fèi)現(xiàn)象。圖2為資源共享模塊中整個智能教學(xué)多媒體資源的共享過程。

資源共享過程中采用結(jié)構(gòu)化對等網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到管理系統(tǒng)中節(jié)點、查詢定位和共享遠(yuǎn)程智能教學(xué)多媒體資源的目的。資源共享模塊中一共有3個節(jié)點，用戶隨時選擇節(jié)點執(zhí)行任務(wù)[6]，每個節(jié)點都能同時擔(dān)任兩個角色，分別是資源的使用者和資源的提供者。其他遠(yuǎn)程節(jié)點能運(yùn)行該節(jié)點的作業(yè)，該節(jié)點也能執(zhí)行其他遠(yuǎn)程節(jié)點作業(yè)。

當(dāng)節(jié)點作為提交節(jié)點時，節(jié)點實現(xiàn)探測、訪問特殊編輯器、統(tǒng)計信譽(yù)情況的功能，這些報告都存在于對等網(wǎng)絡(luò)中，能夠被所有的節(jié)點訪問查看[7]。當(dāng)節(jié)點作為執(zhí)行節(jié)點時，支持信任的JVM，即Java虛擬機(jī)，該虛擬機(jī)將應(yīng)用進(jìn)展的相關(guān)信息發(fā)送到報告中。

1.1.2 ?控制模塊

多媒體教室中的控制模塊由教室集中控制和教室分控兩部分構(gòu)成。集中控制是指物理控制中心部分，而教室分控分散在各個教室中，且數(shù)量不定;教室分控主要功能包括教室設(shè)定、信號切換和信號發(fā)送，通過信號發(fā)送將信號輸入教室集中控制[8]。教室集中控制根據(jù)系統(tǒng)功能進(jìn)行同步設(shè)置，同時切換收到的信號，發(fā)送消息達(dá)到控制消息的目的。教室集中控制還可控制教室中的設(shè)備，通過矩陣控制和攝像控制進(jìn)行RS 232，RS 485通信，實現(xiàn)了控制多個教室的目的。

1.2 ?軟件設(shè)計

1.2.1 ?智能教學(xué)多媒體數(shù)據(jù)采集流程

多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)化算法根據(jù)節(jié)點的視頻媒體數(shù)據(jù)和其他節(jié)點的調(diào)度信息列表BM，選取合理的客戶端，從中采集智能教學(xué)多媒體信息，詳細(xì)的智能教學(xué)多媒體數(shù)據(jù)采集流程圖見圖4。當(dāng)用戶查找自己所需教學(xué)信息時，應(yīng)在其他節(jié)點列表中查找，信息管理模塊主要更新管理節(jié)點調(diào)度列表，當(dāng)同一個數(shù)據(jù)模塊由多個提供者提供時，應(yīng)選取與節(jié)點延遲最小的提供者。若出現(xiàn)沒有節(jié)點提供數(shù)據(jù)情況，則信息管理模塊更新節(jié)點列表，確保各數(shù)據(jù)都有一個提供者，當(dāng)提供者提供較多信息時，應(yīng)該優(yōu)先傳輸數(shù)據(jù)，提高智能教學(xué)多媒體資源共享速度[9]。

1.2.2 ?多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)化算法

校內(nèi)校園網(wǎng)端口和其他節(jié)點一起構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)，確保用戶可利用其他節(jié)點資源。智能教學(xué)多媒體共享網(wǎng)絡(luò)中的不同用戶節(jié)點具有不同的功能，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都選取一個節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)時，網(wǎng)絡(luò)可能會出現(xiàn)瓶頸，大部分情況下，網(wǎng)關(guān)節(jié)點都具有連接外網(wǎng)的能力，此時應(yīng)篩選出最合適的網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)，加快智能教學(xué)多媒體共享速度。

計算各個網(wǎng)關(guān)節(jié)點到固定節(jié)點的距離，根據(jù)距離可以判斷作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點是否具有穩(wěn)定性，從而選擇最優(yōu)網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)?？梢圆捎眉訖?quán)平均法去衡量網(wǎng)關(guān)節(jié)點的穩(wěn)定性，公式如下：

[Ga=αHna+βLQna+θEna+εLDna+δSYna] （1）

式中：[Ga]表示節(jié)點選擇因子，用于描述選取節(jié)點[a]可以被當(dāng)成網(wǎng)關(guān)的綜合度量;節(jié)點n到網(wǎng)關(guān)節(jié)點[α]的跳數(shù)定義為[Hna]，權(quán)重表示為[α];節(jié)點n到網(wǎng)關(guān)節(jié)點[α]的鏈路質(zhì)量定義為[LQna]，權(quán)重表示為β;網(wǎng)關(guān)節(jié)點的能量定義為[Ena]，權(quán)重表示為θ;網(wǎng)關(guān)節(jié)點的負(fù)載能力定義為[LDna]，權(quán)重表示為ε;網(wǎng)關(guān)節(jié)點的穩(wěn)定性定義為[SYna]，權(quán)重表示為δ。通過對[Ga]的比較，選擇最優(yōu)網(wǎng)關(guān)節(jié)點即網(wǎng)關(guān)，節(jié)點的綜合性能與節(jié)點選擇因子成反比，即選擇因子越小，綜合性能越好。

電源電量為網(wǎng)關(guān)節(jié)點的能量，當(dāng)交流電源供給節(jié)點使用時，判定其能量大。節(jié)點的負(fù)載能力與選擇節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)的數(shù)量有關(guān)，智能教學(xué)多媒體共享網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的剩余負(fù)載能力越大，多媒體教學(xué)資源共享速度越快。式（1）中，LD計算公式為：

[LDa，t=Ca-n∈Nca，t] ? ?（2）

式中：網(wǎng)關(guān)節(jié)點的總帶寬定義為[Ca];選取節(jié)點a為網(wǎng)關(guān)節(jié)點在t時的帶寬定義為[ca，t]。剩余負(fù)載的計算與時間有關(guān)，不同時間計算的剩余負(fù)載不同。為了得到合適的負(fù)載，應(yīng)對其進(jìn)行平滑處理：

[LDa=γLDa，t+（1-γ）LDa，t-1， ? ?t>0Ca， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? t=0] （3）

式中，剩余負(fù)載因子定義為γ，取值范圍在0～1之間。響應(yīng)度和準(zhǔn)確性與γ有關(guān)。當(dāng)γ較小時，選取網(wǎng)關(guān)節(jié)點的負(fù)載能力較好;反之當(dāng)γ較大時，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載響應(yīng)速率較快，導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)的多次切換。網(wǎng)關(guān)節(jié)點的穩(wěn)定性主要與它和節(jié)點n的距離有關(guān)，距離的波動性越平穩(wěn)，表示網(wǎng)關(guān)節(jié)點的穩(wěn)定性越好，即可采用次網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)， 提高教學(xué)多媒體資源共享的速度和精準(zhǔn)性[10]。為了計算網(wǎng)關(guān)節(jié)點的穩(wěn)定性，統(tǒng)計一定時期內(nèi)節(jié)點n到最優(yōu)節(jié)點的距離，通過距離的方差判定網(wǎng)關(guān)節(jié)點的穩(wěn)定性。

[SYna=Dn，at=1nm=0n-1dn，at-m-E（dn，at）2] ? ? （4）

其中，在t時刻節(jié)點n和網(wǎng)關(guān)節(jié)點a之間距離的均值為：

[Edn，at=1nm=0n-1dn，at-m] （5）

選取方差最小的值，代表此時的網(wǎng)關(guān)節(jié)點為最優(yōu)網(wǎng)關(guān)節(jié)點，選取最優(yōu)網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)出口，采用此刻的節(jié)點訪問外網(wǎng)，可以實現(xiàn)多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)化智能教學(xué)多媒體資源共享，且共享多媒體的速度快、精度高。

2 ?實驗分析

多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)化智能教學(xué)多媒體共享系統(tǒng)的關(guān)鍵是選擇最佳網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點的穩(wěn)定性決定了共享系統(tǒng)是否可以實現(xiàn)多媒體資源的穩(wěn)定傳輸和高效率共享。實驗選取本文系統(tǒng)控制的某校園多媒體共享網(wǎng)絡(luò)中的4個節(jié)點A，B，C，D進(jìn)行模擬，假設(shè)有一固定節(jié)點為n，通過改變4個網(wǎng)關(guān)到節(jié)點n的距離，分析選取4個節(jié)點中哪個節(jié)點作為最優(yōu)網(wǎng)關(guān)節(jié)點，對比4個節(jié)點分別作為網(wǎng)關(guān)出口時的共享資源速度。節(jié)點選擇同距離間的關(guān)系見圖5，節(jié)點選取與共享智能多媒體效率見圖6。

2.1 ?網(wǎng)絡(luò)吞吐量對比

吞吐量是指在單位時間內(nèi)系統(tǒng)讀取、處理、存儲信息的量，分析3種系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，可以判斷出系統(tǒng)共享智能教學(xué)多媒體的速度，即吞吐量高的系統(tǒng)，共享智能教學(xué)多媒體速度快。對比結(jié)果如圖7所示。

從圖中可以看出，本文系統(tǒng)共享多媒體資源時吞吐量最高，且可達(dá)到的最大吞吐量為12 Mb/s，說明在相同時間內(nèi)，采用本文系統(tǒng)共享智能教學(xué)多媒體速度較快，更適用于實際的智能教學(xué)多媒體共享。

2.2 ?共享教學(xué)多媒體情況對比

3種系統(tǒng)共享教學(xué)多媒體情況如表1所示。

從表中可以看出，教師采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和P2P?BT系統(tǒng)對教學(xué)情況的控制效果不夠理想，而教師采用本文系統(tǒng)控制教學(xué)情況的效果更優(yōu)秀，非常適用于智能教學(xué)多媒體共享;對比系統(tǒng)中用戶可以利用資源十分有限，僅限于教室內(nèi)，降低了智能教學(xué)多媒體資源的共享效果，且對比系統(tǒng)沒有中心監(jiān)控功能，無法基于校園網(wǎng)實施遠(yuǎn)程控制，不能對教學(xué)情況實時廣播和評估。采用本文系統(tǒng)時，當(dāng)用戶采取本文系統(tǒng)共享智能教學(xué)多媒體時，能在教室中使用整個校園資源，最大限度利用教學(xué)多媒體資源，避免教學(xué)多媒體資源浪費(fèi)，同時本文系統(tǒng)還為教學(xué)實時點播、評估教學(xué)提供可能性。說明本文系統(tǒng)優(yōu)于對比系統(tǒng)，適用于智能教學(xué)多媒體共享。

3 ?結(jié) ?論

本文系統(tǒng)通過計算網(wǎng)關(guān)節(jié)點間距離，選取最優(yōu)網(wǎng)關(guān)節(jié)點，將最優(yōu)網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行智能教學(xué)多媒體的共享，提高了共享智能教學(xué)多媒體的速率和穩(wěn)定性。

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