基于TCP協議的多媒體教室遠程管理系統設計

趙軍

摘 要 多媒體教學已經成為學校教學的主要形式之一，隨著多媒體教室利用率的提升，應通過合理設計遠程管理系統，提高其管理效率。文章首先對多媒體教室遠程管理系統的硬件結構進行分析，進而探討其軟件功能的設計與實現，包括下位機軟件的主程序設計、射頻讀卡程序設計、網絡通信程序設計，以及上位機軟件的監控程序設計和數據接口設計等。

關鍵詞 TCP協議；多媒體教室；遠程管理；系統設計

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

傳統的多媒體教室管理系統獨立性較高，多數控制管理功能為本地功能，需要管理人員到具體教室中進行操作，管理效率較低。在全新的多媒體教學模式構建需求下，各學校多媒體教室數量不斷增加，管理任務十分繁重。

為確保正常的教學秩序，必須采取先進的管理手段，對多媒體教室的管理模式進行創新。基于TCP協議實現的多媒體教室遠程管理系統，可以解決傳統管理系統存在的問題，極大地減輕管理人員負擔，實現遠程集中管理目標。

1 系統硬件結構

本次設計的多媒體教室遠程管理系統是基于互聯網TCP協議實現的，具有遠程控制、網絡通訊等功能。從系統硬件組成結構來看，主要基于C8051F020單片機芯片進行開發，包含4個外圍電路模塊，具體為網絡通信、時鐘發生、射頻讀卡和設備控制模塊。其中，網絡通信模塊采用CP2200以太網控制器實現，射頻讀卡模塊采用MFRC522射頻讀卡芯片實現。其功能和性能都能夠滿足學校多媒體教室遠程管理的需要，保證系統響應效率和系統運行可靠性。在該硬件系統結構下，可通過分別設計和實現下位機、上位機軟件，完成系統設計任務[ 1 ]。

2 基于TCP協議的多媒體教室遠程管理系統下位機軟件設計

2.1 主程序設計

下位機系統主程序主要負責多媒體教室設備的電源啟停控制、網絡數據接收控制、輸入數據讀取控制以及控制命令解析和執行等功能。采用的C8051F020單片機芯片在不通電情況下，服務器組態軟件為中控離線狀態，通電后，經過復位及初始化，由網絡模塊根據TCP協議，連接上位機的端口，并將上位機組態軟件的狀態改變成中控在線。此時，下位機開始對識別區是否插入IC卡進行循環判斷，讀取到IC卡卡號之后，將卡號傳輸到上位機，由上位機開始驗證，下位機等待上位機的回應。如果上位機未在3s時間以內作出應答，則切換到本地驗證模式，查詢本地flash。

在下位機運行過程中，會時刻對上位機的控制指令進行監聽，同時控制周邊多媒體設備，每隔15s，向上位機發送狀態包，每隔1h，向上位機發送flash中存儲的數據表更新請求。由此可以確保卡號數據和教務課表數據保持一致。若下位機接收到控鍵盤電路中斷請求，則讀取鍵值，然后執行相應的執行控制指令[2]。

2.2 射頻讀卡程序設計

射頻讀卡程序的設計主要以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器端進行身份驗證，等待時間同樣為3s。在3s內服務器接收到系統通過驗證的指令，就會啟動電源輸出，如果未收到通過驗證指令，則判定為離線狀態或存在網絡故障。此時先通過時鐘芯片讀取當前時間，然后從本地flash中查詢工號驗證。在這樣的射頻讀卡程序設計下，教師可以在網絡在線情況完成刷卡身份驗證，即使出現網絡故障，也能夠通過本地驗證，正常使用多媒體設備[ 3 ]。

2.3 網絡通信程序設計

網絡通信模塊是實現遠程控制功能的關鍵，其主要功能有初始化、芯片驅動、TCP/IP協議棧處理等。其中，芯片驅動功能是由相應的驅動程序接收網絡數據，同時負責數據發送。出于軟硬件資源的考慮，而且該系統的實際功能需求較少，設計TCP/ IP協議棧時，可只選擇3個協議，即TCP協議、IP協議和ARP協議。其中的重點是TCP協議模塊的設計，TCP協議屬于運輸層的協議，具有端口功能，支持傳輸通道的復用與分用。在TCP數據傳輸工作中，數據包的首部字節長度為20～60，該協議是面向連接的，數據傳輸服務可靠，主要功能函數有初始化函數、保活函數、發送函數、接收函數和重傳函數等。

在與上位機建立連接時，需要建立三次握手。第一次握手中的發送請求方為下位機，應答方為上位機。得到上位機回發的應答包后，開始進行第二次握手，此時發送方變為上位機，應答方變為下位機，上位機得到回應后回發應答包。最后經過第三次握手，建立TCP連接。在連接成功的情況下，下位機接收到TCP包后，會在上位機請求號的基礎上，增加一個接收數據長度，將請求號、應答號設置為TCP包的應答號，然后再發送出應答包。

在上下位機的通訊期間，應答號與請求號必須保持一致。若出現應答號比請求號小的情況，說明下位機未接收到應答包，此時要由下位機重新發送緩存數據包。若連續兩次重發后，應答號仍小于請求號，則關閉連接。如果出現應答號比請求號大的情況，則直接關閉連接。采用這種連接方式能夠確保網絡傳輸通信的可靠性和穩定性，適用于多媒體教室管理。

3 基于TCP協議的多媒體教室遠程管理系統上位機軟件設計

3.1 監控程序設計

在上位機軟件設計過程中，監控程序要在主窗口加載后，創建服務器偵聽主socket。然后分別創建并執行接入線程和管理線程。其中，接入子線程負責處理客戶端接入。在遠端連接時，先建立新連接的socket和新連接對象，并對其進行關聯，再創建新的連接子線程，最后成功將連接對象加入到客戶端的對象集合內。

管理子線程的工作是對離線的連接對象進行清除，釋放系統資源，自動刪除客戶端socket。之后讀取后臺數據庫狀態，對其屬性列表進行更新，在查詢操作中，可顯示當前多媒體教室的使用狀態。在監控程序運行過程中，先循環遍歷客戶端集合，查詢每一個連接對象，將超時對象剔除。在剔除操作過程中，要關閉對應的連接子程序，同時關閉遠端socket，使其處于離線狀態，然后將數據庫對應節點也改變為離線狀態。更新樹形列表，根據遍歷的節點IP地址，查詢中控狀態值。

最后，通過查詢系統，獲取多媒體教室使用情況，根據教室號，實現設備使用狀態的查詢功能，并更新相應標簽，實現對多媒體教室設備的遠程監控。為避免出現子程序共用一個連接對象，引發數據庫操作沖突，還需要對每個子程序進行分別設計，采用連接對象實現數據庫操作，采取這種辦法，可有效提升數據庫的讀寫效率，確保系統穩定運行。

3.2 數據接口設計

系統數據接口包含一卡通接口和教務接口等。其中，一卡通接口的作用是調用一卡通Web？ Service接口，在原始數據表中提取卡號、工號、姓名等字段，對其格式進行轉換后，存儲到本地數據表中，等待調用。教務接口的作用是調用教務系統Web？Service接口，在原始數據表中相應的教務字段信息，同樣需要進行格式轉化，然后存儲在本地數據表中。在數據接口的處理過程中，數據結構和格式轉換是難點部分，比如一卡通原始數據表中的卡號為十進制字符串類型，設置為可變長度，但系統所需的時4字節十六進制卡號，所以需要將原字符串先轉換為32位無符號整數類型，然后再將其轉換為字節數組，最后插入到數據庫卡號字段中。

教務表中的數據組織結構與多媒體遠程管理系統的結構都不一樣，需要依次完成各個數據字段的轉換功能。先從一卡通原始數據表中獲得功耗、上課時間和地點等信息，在對其進行拆解，通過層層循環后，構成系統所需的數據結構。為保證數據使用安全性，所有Web？Service接口調用者都需要身份驗證，通過驗證的人員才能夠進行指令發送。采用這種方式可以為多媒體教室設備的使用安全性提供保障。

4 結論

綜上所述，基于TCP協議設計實現的多媒體教室遠程管理系統能夠滿足多媒體教室管理的實時監控、遠程操作、使用安全等方面的需求，而且使系統管理的集中度得到明顯提升。將基于TCP協議的多媒體教室遠程管理系統應用到學校多媒體教室管理實踐中，能夠同時提升管理效率和系統運行可靠性，具有較高的綜合效益。

參考文獻

[1]孫宏志，鄒元君.多媒體教室遠程管理系統構建及應用[J].軟件導刊，2017，16（2）：88-90.

[2]張波.基于TCP協議的多媒體教室遠程管理系統的設計[J].價值工程，2016，35（5）：195-197.

[3]吳洋.多媒體教學管理系統的設計與實現[D].西安：西安科技大學，2014.