基于教務信息的教室監控系統設計與實現

陸 輝，牟 艷，高 晴，童 年

（河海大學物聯網工程學院，常州213022）

基于教務信息的教室監控系統設計與實現

陸 輝，牟 艷，高 晴，童 年

（河海大學物聯網工程學院，常州213022）

為了將教務信息和教室監控相結合，實現在移動終端根據教務信息點播觀看教室監控視頻，提出了在現有教務管理和教室監控系統基礎上利用移動終端完成教室監控的設計方案，并開發了基于IOS系統的監控終端軟件。介紹了整個系統的總體架構、硬件平臺、流媒體傳輸技術、MVC設計模式和教室監控終端軟件開發。整個系統滿足教學和視頻監控的功能需求，可以在移動終端根據課程信息列表清晰流暢地播放教室監控視頻和瀏覽詳細的教務信息；還可以作為電子考場，實現無人監考，具有很高的實用價值。經過測試，系統運行穩定可靠，并成功應用于河海大學常州校區。

教務信息；視頻監控；移動終端；IOS軟件；MVC設計模式；流媒體技術

1 引 言

目前，學校的現代化電子教務管理和教室視頻監控系統都很成熟，且應用廣泛［1］。但是，目前教務信息和教室監控相對獨立，使得現有的教室監控系統功能單一，無法滿足根據課程信息點播觀看教室監控視頻這一需求。同時，有線視頻監控方式，限制了系統的靈活性和應用范圍。因此，提出了基于教務信息的教室監控系統設計方案，并在IOS平臺上開發了監控終端軟件，將監控視頻和教務數據相結合，實現了在無線網絡覆蓋范圍內，監控終端可在任何時間、任何地點根據實時的課程、教師、教室等參數點播觀看監控視頻和瀏覽詳細的教務信息，滿足了學校教學管理的實際應用需求［2］。同時還可以作為電子考場，實現無人監考。該設計方案具有通用性，可對具有電子教務管理系統的學校進行視頻監控系統改造，也可為學校的視頻監控系統設計提供借鑒。

2 基于教務信息的教室監控系統總體框架與工作流程

教室監控終端顯示課程信息列表，當選擇某一課程時，播放教室監控視頻和顯示詳細的教務信息。教務信息包括課程信息、教學計劃、上課時間、學生人數等信息，這些數據存放在教務系統數據庫中，需要通過教務信息接口獲取實時教務信息。教室監控視頻需要通過教室監控視頻管理平臺進行配置和管理。因此，整個系統從以下三個部分進行設計：教室監控視頻管理平臺、教務信息接口、教室監控終端軟件設計。

2.1 系統總體框架

基于教務信息的教室監控系統需要完成如下工作：前端設備參數配置、視頻數據采集與傳輸、實時教務數據獲取、視頻數據與教務信息匹配、監控終端視頻播放［3］。如何將教務管理系統中的教務數據與教室監控視頻相匹配以及監控終端視頻播放是研究的重點。教室監控系統的結構框架如圖1所示。教室監控視頻管理平臺負責對前端視頻采集設備的統一管理；教務信息接口負責獲取詳細的教務信息數據；教室監控終端軟件提供用戶操作界面，實現教務信息顯示、視頻解碼播放等功能。教室監控視頻外圍系統負責視頻圖像的采集與存儲。

圖1 基于教務信息的教室監控系統結構圖

2.2 系統工作流程

多臺網絡攝像機通過交換機連接至網絡硬盤錄像機，多臺網絡硬盤錄像機通過校園網連接至教室監控視頻管理平臺，監控管理平臺對網絡硬盤錄像機和前端攝像機進行參數配置。配置完成后，網絡攝像機準備采集視頻圖像信號，教室監控視頻管理平臺等待監控終端請求視頻數據。

軟件啟動時，監控終端以請求時間為參數向教務信息接口請求實時教務信息，教務信息接口接收請求后從教務系統數據庫中查找教務數據并轉成JSON格式返回給監控終端。JSON是一種輕量級的數據交換格式，便于監控終端解析，監控終端根據獲取的教務信息顯示課程信息列表。

當選擇某一課程時，以教務信息的教室編號為參數向教室監控視頻管理平臺請求視頻播放參數；監控終端根據獲取的視頻播放參數向教室監控視頻管理平臺請求建立連接；連接成功后教室監控視頻管理平臺根據參數中的設備號找到網絡硬盤錄像機，根據通道號找到請求的視頻數據，通過網絡硬盤錄像機的流媒體模塊將視頻數據包發送給教室監控視頻管理平臺；教室監控視頻管理平臺收到視頻數據包后轉發給監控終端；監控終端接收到視頻流后進行解碼播放。整個系統的工作流程圖如圖2所示。

3 教室監控視頻管理平臺

教室監控視頻管理平臺是監控設備的接入中心，實現對視頻數據的統一管理并完成向監控終端的視頻數據傳輸。

3.1 設備參數配置

學校的教學樓和教室分布較廣，每個教室根據需求配備有若干臺網絡攝像機。因此，需要將這些分散點的視頻數據進行集中管理，供監控終端訪問。教室監控視頻管理平臺統一配置、管理、存儲所有前端設備參數，包括教學樓編號、教室編號、設備編號、設備IP地址、區域編號、設備編號、通道號等參數，以便監控終端可以快速獲取請求的視頻數據，最后將配置好的參數寫入到教室監控管理數據庫中。系統設計選用SQL Server 2008 R2作為數據庫平臺。參數配置完成后，前端設備可以開始采集視頻圖像信號。

3.2 視頻采集與傳輸

視頻采集端選用網絡攝像機（IPC）采集圖像信號，網絡攝像機的編碼模塊將圖像信號編碼壓縮成數字信號［4］，目前最常用的編碼格式為H.264［5］。編碼之后的視頻數據通過網線傳輸到網絡硬盤錄像機。網絡硬盤錄像機由流媒體模塊、錄像服務器、磁盤陣列三部分組成。流媒體模塊接收多路IPC傳過來的視頻數據，通過內部總線傳輸給錄像服務器，錄像服務器負責把視頻流存儲到磁盤陣列中。流媒體模塊還有對外端口，負責接收監控管理平臺的請求，并及時響應查找視頻數據分發給監控管理平臺。流媒體傳輸的實現需要合適的傳輸協議。采用HTTP/TCP傳輸控制信息，RTP/UDP傳輸實時視頻數據包。RTP（實時傳輸協議）需要與RTCP（實時傳輸控制協議）協同工作。其中RTP用于數據傳輸，RTCP用于統計、管理和控制RTP傳輸［6］。

4 教務信息接口

教務信息接口負責獲取教務管理系統中的教務數據并轉成JSON格式發送給教室監控終端。教務信息包括課程信息、教室編號、任課教師、學生人數、上課時間等數據。監控終端通過HTTP的方式向教務信息接口請求教務數據。

教務信息接口采用.NET三層架構進行設計，實現業務邏輯層、數據訪問層和應用層的分離來降低整個系統的耦合性［7］。

數據訪問層：首先編寫數據訪問公共服務類，包括數據庫連接、查找、增加、刪除和更改等功能。該層不涉及業務邏輯，各個業務類只需繼承公共服務類，并調用相應的方法即可完成對數據庫中表的增、刪、改、查等操作，數據庫訪問操作采用ADO.NET技術實現。

業務邏輯層：在教室監控系統中編寫獲取教務信息的業務邏輯類，該類繼承公共服務類，通過重寫父類的方法進行數據庫操作。首先執行SQL語句獲取教務信息數據集對象，再將數據集對象序列化為JSON字符串。

應用層：監控終端以請求時間為參數向教務信息接口請求實時教務數據，教務信息接口收到請求后，調用獲取教務信息的業務類方法進行處理，教務信息接口將處理完的JSON字符串返回給監控終端。

5 教室監控終端軟件設計

近年來，基于IOS系統的手持設備憑借優越的性能已經成為市場上最受歡迎的移動終端設備。軟件設計選用IOS平臺作為監控終端。教室監控終端軟件采用MVC模式進行設計。通過MVC設計模式可以將后臺數據處理，包括獲取課程信息數據、傳遞視頻播放參數、接收視頻數據、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行設計：一是用戶界面設計，包括歡迎界面、課程信息界面、視頻播放界面。二是后臺數據處理，包括教務信息與視頻播放參數獲取、視頻解碼播放、教務信息實時刷新。

5.1 用戶界面設計

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入歡迎界面，點擊屏幕進入課程信息界面。當選擇某一課程時進入視頻播放界面，可以瀏覽該教室的上課視頻、教務信息和學生聽課情況。在Xcode開發環境中采用Storyboard搭建所有界面，Storyboard是IOS 5的新特征，可以直觀地理解應用中所有視圖之間的邏輯關系。界面視圖之間的切換和數據傳遞都通過Storyboard的segue實現。邏輯代碼寫到與之關聯的.m類文件中，實現了視圖和模型的分離。監控終端軟件界面邏輯關系圖如圖3所示。其中課程信息視圖與LiveVideoViewController類關聯，視頻播放視圖與VideoPlayerViewController類關聯。

圖3 監控終端軟件界面邏輯關系圖

5.2 數據處理

整個系統的數據源分為兩部分，一部分是存放在數據庫中的教務信息和視頻播放參數；另一部分是網絡攝像機采集的視頻圖像數據?？梢詮慕虅招畔⑴c視頻播放參數獲取、視頻解碼播放、教務信息的實時刷新三部分進行設計。其中獲取的教務信息需要與請求的時間相匹配，始終顯示實時教務信息。核心的業務處理類包括課程信息視圖類和視頻播放視圖類。類結構圖如圖4所示。

5.2.1 教務信息與視頻播放參數獲取

課程信息列表界面以表格的形式顯示數據，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的方式將當前時間作為參數向教務信息接口請求教務數據，教務信息接口調用獲取教務數據的業務類方法讀取數據庫中的教務信息表，獲取當前時間內所有教室的教務信息。若在當前時間內教室有上課則課程名稱顯示對應的課程，若沒有則顯示“暫無授課”。監控終端接收到數據后進行解析，通過自定義的UITableViewCell控件顯示表格的每一行數據［8］。每一行數據與自定義的UITableViewCell控件模板相融合，就構成了整個課程信息列表視圖。當選擇某一課程時，以教室編號為參數向教室監控管理平臺請求與之關聯的教室監控視頻參數，視頻播放參數與教室編號是一一對應的。通過prepareForSegue方法將選中教室的視頻播放參數和詳細的教務信息傳遞給視頻播放視圖。視頻播放視圖根據視頻播放參數向平臺請求建立連接，再向網絡硬盤錄像機請求選中教室的監控視頻數據。

5.2.2 視頻解碼播放

在視頻播放視圖類中，采用多線程進行設計。主線程響應用戶操作，負責創建播放視圖、繪圖、屏幕刷新、狀態顯示等工作；子線程根據獲取的視頻播放參數登錄平臺，登錄成功后平臺根據參數中的設備編號找到網絡硬盤錄像機，根據通道號等參數獲取視頻數據。網絡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據發送給監控管理平臺，監控管理平臺通過組播方式再轉發給監控終端。接收子線程獲取到視頻數據包后，提取視頻幀數據并解碼，將解碼后的數據放入圖片緩沖區，調用IOS的OpenGL ES對象及接口函數進行繪圖和渲染［9］，再進入數據接收、幀提取、視頻解碼、繪圖的循環。終端視頻解碼播放流程圖如圖5所示。

圖4 課程信息視圖、視頻播放視圖類結構圖

5.2.3 教務信息實時刷新

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

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向教務信息接口請求一次數據，獲取到詳細的教務信息后在label控件上進行顯示。服務器推送方式需要監控終端與教務信息接口建立長連接，每次課程信息變更后，服務器主動向監控終端發送數據，顯然這種刷新方式不需要人為監控，但是每個監控終端都與服務器建立長連接會消耗大量的服務器資源。綜合對比這兩種刷新方式的優缺點可以采用定時刷新方式。通過調用NSTimer類的方法設置時間間隔為1分鐘，每隔一分鐘請求一次數據實現教務信息的實時刷新。

圖5 視頻解碼播放流程圖

6 基于教務信息的教室監控系統運行和實現

基于教務信息的教室監控系統已成功運用于河海大學常州校區。在厚德樓、卓越樓的28個教室和2個機房中共計配備了64臺網絡攝像機、2臺網絡硬盤錄像機（32路）和一臺教室視頻監控管理平臺服務器，實現了教室的移動視頻監控功能，可根據課程、教師、教室等參數點播觀看實時的教室監控視頻。教室監控終端軟件在多種IOS智能設備上運行穩定流暢，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 教室監控終端軟件運行效果圖

7 結束語

針對教室監控系統與教務信息管理相對獨立的現狀，提出了基于教務信息的教室監控系統設計方案。將教務信息與教室監控視頻相結合，實現了在IOS移動終端設備上根據教務信息對教室的監控。系統已在河海大學常州校區應用，還可以作為電子考場，實現無人監考，滿足了教學管理的實際應用需求，驗證了系統設計方案的可行性。系統通過移植可實現不同平臺智能終端的監控，同時該設計方案還具備通用性，可對具有電子教務管理系統的學校進行視頻監控系統改造。該設計思路也可為學校的視頻監控系統設計提供借鑒。

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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。

2015－02－09