基于Python的多媒體教室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張喜紅 王玉香

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 亳州 236800)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多媒體教室的應(yīng)用逐漸普及[1]。計(jì)算機(jī)、投影機(jī)是學(xué)校多媒體教室必備的基礎(chǔ)性硬件設(shè)備，這類設(shè)備大多使用壽命有限、配件價格較高。如，普通投影機(jī)燈泡的使用壽命僅4 000 h左右，激光投影機(jī)燈泡的使用壽命僅20 000 h左右，且使用時若操作不當(dāng)極易導(dǎo)致燈泡損壞[2]。在學(xué)校多媒體教室設(shè)備日常管理中，規(guī)范使用，按需開關(guān)機(jī)，有助于延長設(shè)備使用壽命。目前，大多學(xué)校采用多媒體教室外配專屬中控設(shè)備的方式來實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院即采用此種方式在實(shí)際使用當(dāng)中發(fā)現(xiàn)存在以下問題：中控設(shè)備的配置增加了建設(shè)成本；中控設(shè)備的接入增加了系統(tǒng)施工、布線的復(fù)雜程度；后期維修、維護(hù)相對困難。為了避免這些問題，我們基于Python語言重新設(shè)計(jì)了一套多媒體教室管理系統(tǒng)。Python語言具有模塊豐富、語法簡潔、跨平臺性能較好等優(yōu)勢[3]，因此基于Python的系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，使用成本不高。

1 系統(tǒng)硬件及工作流程

1.1 系統(tǒng)硬件組成

多媒體教室管理系統(tǒng)的硬件由總控計(jì)算機(jī)、路由器、各教室計(jì)算機(jī)、投影機(jī)等組成(見圖1) 。教室的多媒體設(shè)備包括教室計(jì)算機(jī)和投影機(jī)，各教室計(jì)算機(jī)支持網(wǎng)卡喚醒啟動，教室計(jì)算機(jī)與投影機(jī)之間通過RS232串行總線連接，教室計(jì)算機(jī)可通過串行總線向投影機(jī)發(fā)送控制指令，最終實(shí)現(xiàn)投影機(jī)的開啟與關(guān)閉。每臺教室計(jì)算機(jī)和總控計(jì)算機(jī)通過路由器連接，形成局域網(wǎng)。

圖1 多媒體教室管理系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)

開始管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首先需確定以下問題：(1) 采用什么方式控制各教室計(jì)算機(jī)的自動開啟和關(guān)閉；(2) 確定課表分析功能是由教室計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，還是由總控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)；(3) 如何控制投影機(jī)按需、按時完成開啟和關(guān)閉等操作。

現(xiàn)有管理方式是通過外配中控硬件來實(shí)現(xiàn)教室計(jì)算機(jī)的自動開啟和關(guān)閉等操作。對于教室計(jì)算機(jī)，是通過斷電器聯(lián)接計(jì)算機(jī)電源開機(jī)觸發(fā)線實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的開關(guān)機(jī)控制，長期使用對硬件的損傷較大。對于投影機(jī)，是通過單片機(jī)模塊的串口通信實(shí)現(xiàn)控制，且大多采用無應(yīng)答檢查控制方式，可靠性低。因此，省去中控設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)自動控制是系統(tǒng)改造的重點(diǎn)工作。

當(dāng)前各教室計(jì)算機(jī)支持網(wǎng)卡喚醒功能，因此，在不額外增加設(shè)備的情況下，各教室計(jì)算機(jī)的開機(jī)操作可通過網(wǎng)卡遠(yuǎn)程喚醒來實(shí)現(xiàn)。如果由總控計(jì)算機(jī)完成所有課表的分析，并有針對性地實(shí)時喚醒各教室計(jì)算機(jī)，將導(dǎo)致總控計(jì)算機(jī)的運(yùn)算分析工作量過大。為了保證實(shí)時性，總控計(jì)算機(jī)應(yīng)滿足較高的硬件配置要求。為了控制改造成本，課表分析任務(wù)、投影機(jī)的開關(guān)機(jī)控制都由當(dāng)前各教室計(jì)算機(jī)來完成。

基于以上考慮，確定系統(tǒng)工作流程：

(1) 總控計(jì)算機(jī)依據(jù)當(dāng)前季度的作息時間，在每節(jié)課上課前5 min內(nèi)向全校多媒體教室發(fā)送網(wǎng)絡(luò)喚醒開機(jī)指令，開啟各多媒體教室計(jì)算機(jī)。

(2) 各多媒體教室計(jì)算機(jī)開機(jī)后，運(yùn)行程序，讀取并分析本地存放的本教室課表文件。若當(dāng)前未安排課程，則執(zhí)行計(jì)算機(jī)的關(guān)機(jī)指令，立即關(guān)閉本教室計(jì)算機(jī)。

(3) 若當(dāng)前時段安排有課程，則通過串口開啟投影機(jī)，并以一定的時間間隔周期性檢查是否已到下課時間。若下課時間到，就先通過串口向投影機(jī)發(fā)送關(guān)機(jī)指令，關(guān)閉投影機(jī)，然后執(zhí)行計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)指令，立即關(guān)閉本教室計(jì)算機(jī)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 總控計(jì)算機(jī)程序

總控計(jì)算機(jī)的主要任務(wù)是依據(jù)當(dāng)前季度的作息時間，在每節(jié)課前通過網(wǎng)絡(luò)喚醒技術(shù)提前啟動多媒體教室計(jì)算機(jī)。實(shí)現(xiàn)這一功能，應(yīng)首先確定開機(jī)時間節(jié)點(diǎn)的獲取方式，然后完成網(wǎng)絡(luò)喚醒功能的程序設(shè)計(jì)。開機(jī)時間節(jié)點(diǎn)通過讀取Excel文件得到，以適應(yīng)上課時間的變化。首先，將各節(jié)次上課時間與提前開機(jī)時間設(shè)置值按圖2所示格式存放于Excel文件中，待總控端程序啟動后，通過Python語言中xlrd模塊的相應(yīng)函數(shù)將Excel 文件中的開機(jī)時間列表文件讀入；接著，程序駐留于后臺保持運(yùn)行，其間按照一定的時間間隔，通過Python語言中time模塊的time.localtime()方法，周期性提取系統(tǒng)時間，并與從Excel文件中讀入的時間安排進(jìn)行比對，若相符即可通過網(wǎng)絡(luò)喚醒技術(shù)遠(yuǎn)程啟動多媒體教室計(jì)算機(jī)。通過Python語言中xlrd模塊讀取圖2所示Excel文件，以獲取上課時間節(jié)點(diǎn)。

圖2 上課時間安排

函數(shù)代碼如下：

def Read_Class_time(class_path)：#讀取本季度各節(jié)的上課時間

# class_path為表格文件的存放路徑

data=xlrd.open_workbook(class_path)

table=data.sheets()[0]#讀取表格文件的Sheet1表

# 獲取Sheet1表的第2列數(shù)據(jù)，得到開機(jī)時間節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

Class_time=table.col_values(1)

# 獲取Sheet1表的第3列的第1個數(shù)據(jù)，得到提前開機(jī)時間值

Difference_time =table.col(2)[0].value

# 計(jì)算開機(jī)時間，并把開機(jī)時間轉(zhuǎn)化為以“時”為單位的時間列表

value_list = []

for t in range(0，10)：

h=int(24*3600*Class_time[t]/3600)#時

m=int(24*3600*Class_time[t]%3600/60)#分

#以“時”為單位整合時間列表，便于與系統(tǒng)時間比較

value=h+m/60.0-Difference_time/60.0

value_list.append(value)

return value_list #返回開機(jī)時間列表

通過Python語言time模塊獲取總控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時間，其函數(shù)代碼如下：

def get_current_time()：#獲取當(dāng)前電腦時間

current_time=list(time.localtime())#獲取總控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時間

hour=current_time[3]#提取“時”

minute=current_time[4]#提取“分”

value=hour+minute/60.0#統(tǒng)一變換為以“時”為單位的數(shù)據(jù)，以便后續(xù)比較

return value

網(wǎng)絡(luò)喚醒啟動，是由總機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)對各分機(jī)傳送規(guī)定內(nèi)容的編碼包來實(shí)現(xiàn)，編碼包用16進(jìn)制格式表示為：“FF FF FF FF FF FF +16次目標(biāo)機(jī)MAC地址”。同時，網(wǎng)絡(luò)喚醒具有明顯的廣播特征，通常采用UDP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)[4-5]。通過Python提供的socket模塊，簡單配置參數(shù)后便可實(shí)現(xiàn)UDP網(wǎng)絡(luò)通信[6]。采用Python設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)喚醒功能，其函數(shù)代碼如下：

import socket#導(dǎo)入模塊

import binascii

#ip參數(shù)為主機(jī)IP地址，PORT為通信端口號，MAC_List為各目標(biāo)機(jī)MAC地址列表

def UDP_Broadcast_Tx(IP，POTR，MAC_List)：

#初始化“套接字”為UDP連接

my_socket = socket.socket(socket.AF_INET，socket.SOCK_DGRAM)

my_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET，socket.SO_BROADCAST，1)

#廣播各目標(biāo)機(jī)喚醒數(shù)據(jù)包

for i in mac：

#構(gòu)造各目標(biāo)機(jī)的開機(jī)魔術(shù)數(shù)據(jù)包

data=binascii.unhexlify(′FF′ * 6 + i * 16)

#發(fā)送數(shù)據(jù)包

my_socket.sendto(data，(ip，port))

my_socket.close()#關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接

2.2 教室計(jì)算機(jī)程序

教室計(jì)算機(jī)程序的功能是，依據(jù)本教室的課表按時開關(guān)投影機(jī)。具體的實(shí)現(xiàn)過程如下：

(1) 將本教室的課表按圖3所示模板來設(shè)計(jì)，存放于教室計(jì)算機(jī)本地磁盤中。

辛迪·舍曼（Cindy Sherman）、杰夫·昆斯(Jeff Koons)和托恩·霍克斯(Teun Hocks)親自步入鏡頭前；霍埃爾-彼得·威特金(Joel-Peter Witkin)和喬·甘茨(Joe Gantz)則創(chuàng)造出不時使人震驚的敘述體場景。阿瑟·特雷斯(Arthur Tress)和戴維·萊維索爾(David Levinthal)長于縮微場景；卡魯姆·科爾萬(Calum Colvin)和維克托·施勒格(Victor Schrager)則擅長靜物攝影。

(2) 教室計(jì)算機(jī)被喚醒啟動后，自動啟動教室計(jì)算機(jī)端的程序，通過Python的datetime模塊，首先獲取系統(tǒng)的當(dāng)前日期與時間，并提取分解出當(dāng)前周次與時間。

(3) 通過xlrd模塊的相關(guān)函數(shù)，讀取課表文件中的節(jié)次時間安排，并與當(dāng)前時間作比對，得到當(dāng)前時間對應(yīng)節(jié)次。

(4) 以周次與節(jié)次為行、列索引讀取課表信息。若當(dāng)前單元格為空，則將課程標(biāo)記變量置為‘0’，代表無課，于是執(zhí)行關(guān)閉計(jì)算機(jī)指令；若當(dāng)前單元格不為空，則將課程標(biāo)記置為‘1’，代表有課，于是執(zhí)行開啟投影機(jī)指令。

(5) 程序在后臺駐留，并以一定的時間間隔周期性地比較系統(tǒng)時間與課表文件中的下課時間。若下課時間到，則依次執(zhí)行關(guān)閉投影機(jī)和關(guān)閉計(jì)算機(jī)的指令。其中，計(jì)算機(jī)的關(guān)機(jī)操作通過os模塊的os.system(“shutdown -s -t 0”)方法實(shí)現(xiàn)。

圖3 教室課表模板

2.3 開關(guān)投影機(jī)程序

鑒于原有教室計(jì)算機(jī)與投影機(jī)已布設(shè)有串行連接線，本次設(shè)計(jì)中教室計(jì)算機(jī)對投影機(jī)的控制將通過RS232串行總線來實(shí)現(xiàn)。通常，投影機(jī)在出廠時標(biāo)配RS232串口，并提供串口控制指令碼及參數(shù)表。如日電NP-CR3125X投影機(jī)的通信波特率為38 400，串行口開、關(guān)機(jī)指令碼分別是02-00-00-00-00-02、02-01-00-00-00-03，且控制成功后會返回應(yīng)答碼，開、關(guān)機(jī)的應(yīng)答碼分別是22-00-01-20-00-43、22-01-01-20-00-44。

Python語言中實(shí)現(xiàn)串口控制的模塊是serial模塊。應(yīng)用serial模塊設(shè)計(jì)串口控制程序，主要內(nèi)容包括串口的初始化和串口的發(fā)送與接收。

(1) 串口的初始化。串口的初始化內(nèi)容主要包括端口號及波特率、位長、停止位等參數(shù)的設(shè)置。

初始化與指令發(fā)送函數(shù)代碼如下：

#串口初始化函數(shù)

def serial_init(COM，Baudrate，ByteSize，Stopbits，Timeout)：

serial_COM = serial.Serial(COM)#設(shè)置端口號，如：COM=′COM1′

serial_COM.setBaudrate(Baudrate)#設(shè)置波特率，如：Baudrate=38 400

serial_COM.setByteSize(ByteSize)#設(shè)置位數(shù)，如：ByteSize=8

serial_COM.setStopbits(Stopbits)#設(shè)置停止位，如：Stopbits=1

serial_COM.setTimeout(Timeout)#設(shè)置接收超時，如：Timeout=0.5 s

print serial_COM.portstr

time.sleep(1)#等1 s穩(wěn)定

returnserial_COM

#串口開、關(guān)機(jī)指令發(fā)送函數(shù)

def serial_Tx(serial_COM，Command)：

for i in range(1，3)：#最多發(fā)3次，未收到應(yīng)答提示控制失敗

# 通過串口發(fā)送控制命令

serial_COM.write(Command)#開機(jī)指令：Command=″x02x00x00x00x00x02″.encode(′utf-8′)

#關(guān)機(jī)指令：Command=″x02x01x00x00x00x03″.encode(′utf-8′)

if(serial_COM.read(6)!=″ ″)：#接收投影機(jī)返回的6字節(jié)應(yīng)答信號

print(″投影機(jī)控制成功！″)

return 1

print(″投影機(jī)控制成功！″)

showinfo(title=′提示′，message=′程序控制可能出錯，請您用遙控器操控投影機(jī)′)

return 0

3 系統(tǒng)程序測試

在Pycharm 2016.3.3開發(fā)環(huán)境下，采用python 2.7版本設(shè)計(jì)、調(diào)試總控計(jì)算機(jī)與教室計(jì)算機(jī)程序；然后，再借助py2exe將所設(shè)計(jì)程序編譯打包成exe可執(zhí)行文件[7]，安裝對應(yīng)的總控計(jì)算機(jī)與106臺教室計(jì)算機(jī)。總控計(jì)算機(jī)與教室計(jì)算機(jī)的CPU型號為Intel(R) Core(TM) i3-4160 3.6GHz，內(nèi)存大小為4 GiB，操作系統(tǒng)為Win7-64位。通過Windows系統(tǒng)自帶任務(wù)計(jì)劃程序安排功能，將總控計(jì)算機(jī)與教室計(jì)算機(jī)的exe程序設(shè)為開機(jī)自啟動模式。最后，進(jìn)入教室計(jì)算機(jī)的BIOS系統(tǒng)，開啟允許網(wǎng)絡(luò)喚醒功能。在為期1周的運(yùn)行測試過程中，總控計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r喚醒106臺教室計(jì)算機(jī)。其中，有105臺計(jì)算機(jī)能夠按照課表實(shí)時開啟和關(guān)閉投影機(jī)；有1臺計(jì)算機(jī)，因其系統(tǒng)時間設(shè)置有誤，未能按課表安排的上課時間正常開機(jī)。

4 結(jié) 語

我們以亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)有多媒體教室布設(shè)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，針對外配中控管理方式維護(hù)不便的問題，設(shè)計(jì)了基于Python的多媒體教室管理系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中應(yīng)用了Python的datetime 、xlrd 、socket等模塊，使總控計(jì)算機(jī)可以依照Excel文件中預(yù)設(shè)的時間節(jié)點(diǎn)喚醒各教室計(jì)算機(jī)；同時，應(yīng)用了Python的serial等模塊，使教室計(jì)算機(jī)可以通過串口按照Excel課表安排完成按時開關(guān)機(jī)的工作。在實(shí)際測試中，系統(tǒng)運(yùn)行良好，在一定程度上減少了教室管理員的工作量。所設(shè)計(jì)的軟件是以本地計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時間為操控設(shè)備的基準(zhǔn)時間，因此在實(shí)際應(yīng)用中需注意主板電池、系統(tǒng)時間設(shè)置的匹配性。