基于教务信息的教室监控系统设计与实现

陆 辉，牟 艳，高 晴，童 年

（河海大学物联网工程学院，常州213022）

基于教务信息的教室监控系统设计与实现

陆 辉，牟 艳，高 晴，童 年

（河海大学物联网工程学院，常州213022）

为了将教务信息和教室监控相结合，实现在移动终端根据教务信息点播观看教室监控视频，提出了在现有教务管理和教室监控系统基础上利用移动终端完成教室监控的设计方案，并开发了基于IOS系统的监控终端软件。介绍了整个系统的总体架构、硬件平台、流媒体传输技术、MVC设计模式和教室监控终端软件开发。整个系统满足教学和视频监控的功能需求，可以在移动终端根据课程信息列表清晰流畅地播放教室监控视频和浏览详细的教务信息；还可以作为电子考场，实现无人监考，具有很高的实用价值。经过测试，系统运行稳定可靠，并成功应用于河海大学常州校区。

教务信息；视频监控；移动终端；IOS软件；MVC设计模式；流媒体技术

1 引 言

目前，学校的现代化电子教务管理和教室视频监控系统都很成熟，且应用广泛［1］。但是，目前教务信息和教室监控相对独立，使得现有的教室监控系统功能单一，无法满足根据课程信息点播观看教室监控视频这一需求。同时，有线视频监控方式，限制了系统的灵活性和应用范围。因此，提出了基于教务信息的教室监控系统设计方案，并在IOS平台上开发了监控终端软件，将监控视频和教务数据相结合，实现了在无线网络覆盖范围内，监控终端可在任何时间、任何地点根据实时的课程、教师、教室等参数点播观看监控视频和浏览详细的教务信息，满足了学校教学管理的实际应用需求［2］。同时还可以作为电子考场，实现无人监考。该设计方案具有通用性，可对具有电子教务管理系统的学校进行视频监控系统改造，也可为学校的视频监控系统设计提供借鉴。

2 基于教务信息的教室监控系统总体框架与工作流程

教室监控终端显示课程信息列表，当选择某一课程时，播放教室监控视频和显示详细的教务信息。教务信息包括课程信息、教学计划、上课时间、学生人数等信息，这些数据存放在教务系统数据库中，需要通过教务信息接口获取实时教务信息。教室监控视频需要通过教室监控视频管理平台进行配置和管理。因此，整个系统从以下三个部分进行设计：教室监控视频管理平台、教务信息接口、教室监控终端软件设计。

2.1 系统总体框架

基于教务信息的教室监控系统需要完成如下工作：前端设备参数配置、视频数据采集与传输、实时教务数据获取、视频数据与教务信息匹配、监控终端视频播放［3］。如何将教务管理系统中的教务数据与教室监控视频相匹配以及监控终端视频播放是研究的重点。教室监控系统的结构框架如图1所示。教室监控视频管理平台负责对前端视频采集设备的统一管理；教务信息接口负责获取详细的教务信息数据；教室监控终端软件提供用户操作界面，实现教务信息显示、视频解码播放等功能。教室监控视频外围系统负责视频图像的采集与存储。

图1 基于教务信息的教室监控系统结构图

2.2 系统工作流程

多台网络摄像机通过交换机连接至网络硬盘录像机，多台网络硬盘录像机通过校园网连接至教室监控视频管理平台，监控管理平台对网络硬盘录像机和前端摄像机进行参数配置。配置完成后，网络摄像机准备采集视频图像信号，教室监控视频管理平台等待监控终端请求视频数据。

软件启动时，监控终端以请求时间为参数向教务信息接口请求实时教务信息，教务信息接口接收请求后从教务系统数据库中查找教务数据并转成JSON格式返回给监控终端。JSON是一种轻量级的数据交换格式，便于监控终端解析，监控终端根据获取的教务信息显示课程信息列表。

当选择某一课程时，以教务信息的教室编号为参数向教室监控视频管理平台请求视频播放参数；监控终端根据获取的视频播放参数向教室监控视频管理平台请求建立连接；连接成功后教室监控视频管理平台根据参数中的设备号找到网络硬盘录像机，根据通道号找到请求的视频数据，通过网络硬盘录像机的流媒体模块将视频数据包发送给教室监控视频管理平台；教室监控视频管理平台收到视频数据包后转发给监控终端；监控终端接收到视频流后进行解码播放。整个系统的工作流程图如图2所示。

3 教室监控视频管理平台

教室监控视频管理平台是监控设备的接入中心，实现对视频数据的统一管理并完成向监控终端的视频数据传输。

3.1 设备参数配置

学校的教学楼和教室分布较广，每个教室根据需求配备有若干台网络摄像机。因此，需要将这些分散点的视频数据进行集中管理，供监控终端访问。教室监控视频管理平台统一配置、管理、存储所有前端设备参数，包括教学楼编号、教室编号、设备编号、设备IP地址、区域编号、设备编号、通道号等参数，以便监控终端可以快速获取请求的视频数据，最后将配置好的参数写入到教室监控管理数据库中。系统设计选用SQL Server 2008 R2作为数据库平台。参数配置完成后，前端设备可以开始采集视频图像信号。

3.2 视频采集与传输

视频采集端选用网络摄像机（IPC）采集图像信号，网络摄像机的编码模块将图像信号编码压缩成数字信号［4］，目前最常用的编码格式为H.264［5］。编码之后的视频数据通过网线传输到网络硬盘录像机。网络硬盘录像机由流媒体模块、录像服务器、磁盘阵列三部分组成。流媒体模块接收多路IPC传过来的视频数据，通过内部总线传输给录像服务器，录像服务器负责把视频流存储到磁盘阵列中。流媒体模块还有对外端口，负责接收监控管理平台的请求，并及时响应查找视频数据分发给监控管理平台。流媒体传输的实现需要合适的传输协议。采用HTTP/TCP传输控制信息，RTP/UDP传输实时视频数据包。RTP（实时传输协议）需要与RTCP（实时传输控制协议）协同工作。其中RTP用于数据传输，RTCP用于统计、管理和控制RTP传输［6］。

4 教务信息接口

教务信息接口负责获取教务管理系统中的教务数据并转成JSON格式发送给教室监控终端。教务信息包括课程信息、教室编号、任课教师、学生人数、上课时间等数据。监控终端通过HTTP的方式向教务信息接口请求教务数据。

教务信息接口采用.NET三层架构进行设计，实现业务逻辑层、数据访问层和应用层的分离来降低整个系统的耦合性［7］。

数据访问层：首先编写数据访问公共服务类，包括数据库连接、查找、增加、删除和更改等功能。该层不涉及业务逻辑，各个业务类只需继承公共服务类，并调用相应的方法即可完成对数据库中表的增、删、改、查等操作，数据库访问操作采用ADO.NET技术实现。

业务逻辑层：在教室监控系统中编写获取教务信息的业务逻辑类，该类继承公共服务类，通过重写父类的方法进行数据库操作。首先执行SQL语句获取教务信息数据集对象，再将数据集对象序列化为JSON字符串。

应用层：监控终端以请求时间为参数向教务信息接口请求实时教务数据，教务信息接口收到请求后，调用获取教务信息的业务类方法进行处理，教务信息接口将处理完的JSON字符串返回给监控终端。

5 教室监控终端软件设计

近年来，基于IOS系统的手持设备凭借优越的性能已经成为市场上最受欢迎的移动终端设备。软件设计选用IOS平台作为监控终端。教室监控终端软件采用MVC模式进行设计。通过MVC设计模式可以将后台数据处理，包括获取课程信息数据、传递视频播放参数、接收视频数据、视频解码、显示播放与用户对界面的操作独立开来。因此，整个终端软件分为两部分进行设计：一是用户界面设计，包括欢迎界面、课程信息界面、视频播放界面。二是后台数据处理，包括教务信息与视频播放参数获取、视频解码播放、教务信息实时刷新。

5.1 用户界面设计

用户界面主要有：欢迎界面、课程信息界面和视频播放界面。终端软件启动时首先进入欢迎界面，点击屏幕进入课程信息界面。当选择某一课程时进入视频播放界面，可以浏览该教室的上课视频、教务信息和学生听课情况。在Xcode开发环境中采用Storyboard搭建所有界面，Storyboard是IOS 5的新特征，可以直观地理解应用中所有视图之间的逻辑关系。界面视图之间的切换和数据传递都通过Storyboard的segue实现。逻辑代码写到与之关联的.m类文件中，实现了视图和模型的分离。监控终端软件界面逻辑关系图如图3所示。其中课程信息视图与LiveVideoViewController类关联，视频播放视图与VideoPlayerViewController类关联。

图3 监控终端软件界面逻辑关系图

5.2 数据处理

整个系统的数据源分为两部分，一部分是存放在数据库中的教务信息和视频播放参数；另一部分是网络摄像机采集的视频图像数据。可以从教务信息与视频播放参数获取、视频解码播放、教务信息的实时刷新三部分进行设计。其中获取的教务信息需要与请求的时间相匹配，始终显示实时教务信息。核心的业务处理类包括课程信息视图类和视频播放视图类。类结构图如图4所示。

5.2.1 教务信息与视频播放参数获取

课程信息列表界面以表格的形式显示数据，IOS的UITableView控件显示表格的整体部分；UITable-ViewCell控件显示表格的一行。

在课程信息列表视图类的viewDidLoad方法中，通过HTTP的方式将当前时间作为参数向教务信息接口请求教务数据，教务信息接口调用获取教务数据的业务类方法读取数据库中的教务信息表，获取当前时间内所有教室的教务信息。若在当前时间内教室有上课则课程名称显示对应的课程，若没有则显示“暂无授课”。监控终端接收到数据后进行解析，通过自定义的UITableViewCell控件显示表格的每一行数据［8］。每一行数据与自定义的UITableViewCell控件模板相融合，就构成了整个课程信息列表视图。当选择某一课程时，以教室编号为参数向教室监控管理平台请求与之关联的教室监控视频参数，视频播放参数与教室编号是一一对应的。通过prepareForSegue方法将选中教室的视频播放参数和详细的教务信息传递给视频播放视图。视频播放视图根据视频播放参数向平台请求建立连接，再向网络硬盘录像机请求选中教室的监控视频数据。

5.2.2 视频解码播放

在视频播放视图类中，采用多线程进行设计。主线程响应用户操作，负责创建播放视图、绘图、屏幕刷新、状态显示等工作；子线程根据获取的视频播放参数登录平台，登录成功后平台根据参数中的设备编号找到网络硬盘录像机，根据通道号等参数获取视频数据。网络硬盘录像机接收到请求后通过流媒体模块将请求的视频数据发送给监控管理平台，监控管理平台通过组播方式再转发给监控终端。接收子线程获取到视频数据包后，提取视频帧数据并解码，将解码后的数据放入图片缓冲区，调用IOS的OpenGL ES对象及接口函数进行绘图和渲染［9］，再进入数据接收、帧提取、视频解码、绘图的循环。终端视频解码播放流程图如图5所示。

图4 课程信息视图、视频播放视图类结构图

5.2.3 教务信息实时刷新

视频播放视图显示的是当前教室的监控视频和对应的教务信息，但是一个教室在不同的时间段有不同的课程。因此，显示的教务信息需要实时刷新，可以采取三种方式：手动刷新、服务器推送和定时刷新。

手动刷新就是在播放视图上增加一个按钮，每次手动点击按钮时以时间为参数向教务信息接口请求一次数据，获取到详细的教务信息后在label控件上进行显示。服务器推送方式需要监控终端与教务信息接口建立长连接，每次课程信息变更后，服务器主动向监控终端发送数据，显然这种刷新方式不需要人为监控，但是每个监控终端都与服务器建立长连接会消耗大量的服务器资源。综合对比这两种刷新方式的优缺点可以采用定时刷新方式。通过调用NSTimer类的方法设置时间间隔为1分钟，每隔一分钟请求一次数据实现教务信息的实时刷新。

图5 视频解码播放流程图

6 基于教务信息的教室监控系统运行和实现

基于教务信息的教室监控系统已成功运用于河海大学常州校区。在厚德楼、卓越楼的28个教室和2个机房中共计配备了64台网络摄像机、2台网络硬盘录像机（32路）和一台教室视频监控管理平台服务器，实现了教室的移动视频监控功能，可根据课程、教师、教室等参数点播观看实时的教室监控视频。教室监控终端软件在多种IOS智能设备上运行稳定流畅，运行效果图如图6所示。（a）图为欢迎界面，（b）图是课程信息列表界面，（c）图为视频播放界面，（d）图为全屏播放时的效果图。

图6 教室监控终端软件运行效果图

7 结束语

针对教室监控系统与教务信息管理相对独立的现状，提出了基于教务信息的教室监控系统设计方案。将教务信息与教室监控视频相结合，实现了在IOS移动终端设备上根据教务信息对教室的监控。系统已在河海大学常州校区应用，还可以作为电子考场，实现无人监考，满足了教学管理的实际应用需求，验证了系统设计方案的可行性。系统通过移植可实现不同平台智能终端的监控，同时该设计方案还具备通用性，可对具有电子教务管理系统的学校进行视频监控系统改造。该设计思路也可为学校的视频监控系统设计提供借鉴。

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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

陆辉（1990－），男，江苏省泰兴市人，硕士研究生，主研方向：智能信息处理理论与技术。

2015－02－09