基于HTTP協議的多媒體教室管理系統的構建

李紹民，秦紅霞，劉玉鵬，趙岱民，秦亞娜

(1.大連民族大學 信息與通信工程學院，遼寧 大連 116605；2.石家莊學院 計算機科學與工程學院，河北 石家莊 050035)

基于HTTP協議的多媒體教室管理系統的構建

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 信息與通信工程學院，遼寧 大連 116605；2.石家莊學院 計算機科學與工程學院，河北 石家莊 050035)

根據遼寧省大連市高校多媒體教室使用和管理的實際情況，設計了以STC89C54單片機為CPU的網絡中控，并開發了與中控配套使用的總控，完成了中控與總控間的HTTP協議通信，提高了系統的安全性和兼容性。系統主要實現中控對多媒體教室內部設備運行狀態的本地控制和總控對各個教室中控及多媒體設備的使用情況進行遠程監測和控制(監控)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展壯大，使教學環境得到改善的同時也使多媒體設備的正常使用和高效管理出現了問題[1]。多媒體中控作為多媒體教室的核心，采用計算機網絡技術最新成果，將對所有多媒體設備的操作控制集中在一個控制面板上，并可通過網絡進行監控，方便用戶使用。當前高校使用的多媒體管理系統種類繁多，但是存在總控不完善、中控和門禁協調困難、系統資源利用率低等不足之處，其中最大的缺陷是更換廠家時部分設備或軟件更新不具兼容性，所以現有的多媒體管理系統并不能滿足現階段高校的功能需求。在性能、成本以及社會需求的綜合影響下，如何實現高質量的中控及完善的總控，成為高校關注的焦點。

1 需求分析及系統組成

1.1 需求分析

每一個多媒體教室都有一套中控設備，教師上課時需要先通過教師專用卡進行門禁驗證，驗證通過后中控會自動打開門禁，同時按照多媒體管理系統設置的開啟步驟自動完成電源開啟、臺式機開啟、投影機開啟、投影幕布下降等操作，教師可直接進行教學活動；下課后，教師直接拔卡離開教室就可，系統會自動升起投影幕布、關閉臺式機、延時斷電，不用人工等待投影機冷卻后再斷電[2]。一切動作都由中控自動完成，如果中控設備出現故障，總控就會根據實際情況，進行遠程協助。

針對多媒體教室管理難度大、設備使用水平低等問題，課題組全面整合網絡資源，設計出了基于HTTP協議的多媒體教室管理系統，保證了多媒體教室的低成本運行，為日常的教學活動提供了可靠保障，實現了多媒體教室的高效管理[3]。

1.2 系統組成

基于HTTP協議的多媒體教室管理系統以校園網為基礎，由中控和總控兩大部分組成[4]。總控用于實現對所有多媒體教室設備的遠程監控，所有傳輸到多媒體教室的控制信號都是利用現有的校園網，不需額外布線，降低成本[5]；多媒體教室的中控用于對筆記本、DVD、投影機、投影幕布、設備電源和功放音響等外設的本地控制[6-8]。系統總體結構如圖1。

圖1 系統總體結構圖

2 中控設計

2.1 中控硬件設計

根據本設計的實際要求，考慮到設計成本、功耗和性能等因素，中控的CPU采用宏晶公司生產的STC89C54單片機，該單片機性能高、功耗低，具有價格低廉、程序寫入方便的特點；中控入網選用W5500網絡芯片，該芯片支持用戶從網絡更底層設計入網方式，可以在滿足應用的同時盡可能地少占用硬件資源，使系統高效穩定運行。

中控硬件主要由控制面板模塊、網絡通信模塊、門禁模塊和串口通信模塊組成。中控通過單片機的I/O端口與電源、投影機、投影幕布、音響和筆記本等外設連接，通過控制面板實現對電源和外設的開關控制或者使用總控來遠程控制中控進一步實現對中控外設的控制；中控利用24C512存儲器擴展芯片來存儲教師和教室的有用信息，無需再在多媒體操作臺里安裝專門存儲信息裝置，通過繼電器控制臺式機電源、筆記本電源、功放電源和其它外設電源，整套系統所有切換均為繼電器觸點切換，VGA默認切換在教室臺式機端，如果在整個教學過程中多媒體設備出現故障，只要教室臺式機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。中控硬件結構如圖2。

圖2 硬件組成結構圖

2.2 中控軟件設計

中控軟件采用C語言編寫，用于實現初始化、控制面板、串口通信與 I/O口模擬串口通信、射頻讀卡及網絡通信等功能。其中控制面板程序主要用于實現按鍵掃描，進而實現包括音/視頻切換、設備電源開關、投影機開關、投影幕布升降等設備的開關及切換操作；串口通信程序主要用于中控向投影機串口發送控制碼，以實現通電狀態下投影機的開關機操作，也用于實現對中控上網所需網絡參數的設置；I/O口模擬串口通信程序主要實現中控控制教室臺式機的軟關機；射頻讀卡程序主要實現教師身份的識別；網絡通信程序主要實現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

中控作為服務端，軟件一直保持監聽狀態。當控制面板上的按鍵被按下時，軟件就會執行一鍵操控，當收到客戶端發送的連接請求時就會進行HTTP服務，當讀取到有效卡進入門禁射頻范圍時，就會開啟門禁，當收到串口消息時就會進行串口通信，各個功能互不干擾，獨立運行。

2.3 中控通信方式設計

單片機通過硬件SPI接口對W5500網絡芯片進行讀寫操作，單片機為SPI主機模式，W5500為SPI從機模式。對W5500的編程要時刻關注狀態機的變化，W5500雖然集成了TCP/IP協議棧，但網絡狀態機需要用戶控制，需要注意的是不僅對W5500寄存器的操作可以改變狀態機狀態，而且客戶端的動作也能改變狀態機的狀態。W5500的狀態機有如下6種狀態：

(1)NOT_CONNECT狀態[9-10]：W5500上電后的默認狀態，即中控CPU還沒有對W5500進行初始化時的狀態，在這個狀態下中控CPU需要判斷W5500是否存在、是否正常。如果W5500不存在或不正常，應給出故障提示；如果W5500正常，通過初始化后進入SOCK_CLOSED狀態。

(2)SOCK_CLOSED狀態：W5500存在并正常的情況下，對W5500初始化(本設計初始化成TCP模式)后進入的狀態，其他狀態收到中控CPU的DISCON或CLOSE命令時也能夠進入此狀態。在SOCK_CLOSED狀態下，如果收到OPEN命令就進入SOCK_INIT狀態。

(3)SOCK_INIT狀態：在SOCK_CLOSED狀態下，如果收到OPEN命令就進入SOCK_INIT狀態。此狀態有兩個出口：收到CLOSE命令時進入SOCK_CLOSED狀態，收到LISTEN命令時進入SOCK_LISTEN狀態。

(4) SOCK_LISTEN狀態：在SOCK_INIT狀態下，收到LISTEN命令時進入SOCK_LISTEN狀態。此狀態有兩個出口：收到中控CPU的CLOSE命令時進入SOCK_CLOSED狀態，收到客戶端的連接請求便進入SOCK_ESTABLISHED狀態。

(5) SOCK_ESTABLISHED狀態：在SOCK_LISTEN狀態下，收到客戶端的連接請求時進入SOCK_ESTABLISHED狀態，并與客戶端進行通信。此狀態有兩個出口：收到中控CPU的CLOSE命令時進入SOCK_CLOSED狀態，收到客戶端的斷開請求便進入SOCK_CLOSE_WAIT狀態。

(6) SOCK_CLOSE_WAIT狀態：在SOCK_ESTABLISHED狀態下，收到客戶端的斷開請求時進入SOCK_CLOSE_WAIT狀態，收到中控CPU的DISCON或CLOSE命令便進入SOCK_CLOSED狀態。

正常情況下，W5500初始化后應為后五種狀態之一，如果因為某種原因不是上述狀態之一，就應該重新初始化。W5500服務端模式狀態進入及轉移如圖4。

圖4 W5500服務端模式狀態進入及轉移圖

為了在部分中控升級換代時保證軟件的兼容性，總控與中控采用HTTP協議進行通信，也就是萬維網通信協議。。基于以上分析，本文以能夠可靠實現遠程監控為目標，對HTTP協議進行必要簡化，主要在以下方面進行簡化：

(1) HTTP的底層只實現ARP、TCP、ICMP、IGMP協議，暫不考慮其它功能。

(2) TCP協議暫不分片，協議包長度不超過1024字節(本設計所有單片機的RAM僅1024個字節)。

(3) HTTP只實現GET請求，設置功能通過GET傳遞參數實現，暫時不考慮實現POSE請求。

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

由于在校園內還沒有為各個教室準備DNS服務器，所以統一資源描述符URL采用直接IP地址及端口號的方式(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分特定的網頁文件，就可以通過參數的形式傳遞特定的控制要求。為簡化中控服務端軟件的設計，并同時支持瀏覽器監視及定制軟件監視訪問，中控響應內容采用HTML語言編寫；為減少內部RAM使用量，大部分HTML內容固化在單片機代碼區，只是在取出傳給客戶前，根據監視內容改變部分內容，解決界面要求豐富和內部RAM少的矛盾。監控一般要求連續監控，而HTTP是單次請求響應方式，如果采用C/S模式軟件監控，可以讓軟件連續定時發送HTTP請求；如果采用通用瀏覽器監控，可以設置瀏覽器連續訪問。但考慮到瀏覽器的兼容性問題，我們采用編寫JS客戶端腳本方式實現客戶端連續定時訪問服務端的功能，中控采用HTTP協議可以支持多個總控同時連接中控服務端。

3 總控設計

總控采用C/S架構，與本文設計并實現的中控配套使用，總控作為網絡客戶端，教室多媒體中控作為服務端。總控基于TCP/IP協議，采用JAVA高級語言編寫，具有友好、簡潔的操作界面。

總控主要通過HTTP協議把控制信息傳遞至各個教室的多媒體中控，實現對多媒體終端設備的實時控制。另外，中控需要實時地把教室狀態傳送到總控，以實現總控對多媒體教室的監測。總控實現流程如圖5。

4 系統測試

4.1 硬件電路測試

硬件是軟件的基礎，沒有穩定可靠的硬件環境，就無法保障軟件的正常的運行。在進行了方案設計、原理圖繪制、PCB制板、元器件焊接之后，對系統硬件進行測試。結合系統設計的功能模塊，檢查電路的合理性，對各個功能模塊進行了測試。PCB主板如圖6。

圖5 總控流程圖

圖6 PCB主板

4.2 軟件測試

將中控和總控接入校園網，總控通過模擬按鍵把控制信息傳遞各個教室的多媒體中控中，實現對多媒體終端設備的實時控制，中控同時把教室狀態傳送到總控，實現對多媒體教室的監測。

利用網絡助手、串口調試助手等工具連續不間斷監測中控與總控的通信，對總控和中控通信進行上萬次可靠性試驗，使用基于WinPcap網絡封包抓取工具的Wireshark網絡包分析軟件從底層監控網絡通信，進一步測試整套系統，最終實現總控通過HTTP協議訪問中控的目標。通過測試，出現了預期的效果。

5 結 語

系統利用網絡技術和多媒體技術，把各個多媒體教室中控連接起來，使之成為可以統一控制、統一管理的網絡型集中控制管理系統，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部模塊，避免獨立門禁與中控的通信協調問題，減少門禁產生的成本，使操作簡化；用單個CPU就可以實現對所有多媒體設備的控制，使成本降低的同時也減少了電路的外部接線。

(2)將身份識別的卡號和標識同時存到教師專用卡中，用于教師上課時開啟多媒體設備的門禁和掛失處理。

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

(4)總控與中控采用HTTP協議通信，具備兼容性，方便了系統升級以及多媒體教室設備的更換。

(5)中控使用W5500網絡芯片從底層設計通信協議，可以防ARP惡意攻擊。

本系統的開發與實現，為解決多媒體教室管理維護復雜的難題提供了參考，使教師能方便地掌握和運用現代教育技術，對優化教學環境，提高教學效率有著積極的作用，具有很強的現實意義。

[1] 杜娟. 多媒體教學網絡中央控制系統的設計與實現[D]. 濟南：山東大學,2012.

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(責任編輯 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

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(DC201501060301)。

李紹民(1963-)，男，遼寧錦州人，教授，碩士研究生導師，主要從事電子信息和計算機網絡研究。

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

2096-1383(2017)05-0495-04