基于HTTP协议的多媒体教室管理系统的构建

李绍民，秦红霞，刘玉鹏，赵岱民，秦亚娜

(1.大连民族大学 信息与通信工程学院，辽宁 大连 116605；2.石家庄学院 计算机科学与工程学院，河北 石家庄 050035)

基于HTTP协议的多媒体教室管理系统的构建

李绍民1，秦红霞1，刘玉鹏1，赵岱民1，秦亚娜2

(1.大连民族大学 信息与通信工程学院，辽宁 大连 116605；2.石家庄学院 计算机科学与工程学院，河北 石家庄 050035)

根据辽宁省大连市高校多媒体教室使用和管理的实际情况，设计了以STC89C54单片机为CPU的网络中控，并开发了与中控配套使用的总控，完成了中控与总控间的HTTP协议通信，提高了系统的安全性和兼容性。系统主要实现中控对多媒体教室内部设备运行状态的本地控制和总控对各个教室中控及多媒体设备的使用情况进行远程监测和控制(监控)两大功能。从而解决多媒体教室管理难度大的问题。

多媒体教室；中控；总控；HTTP协议

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

多媒体教室的不断发展壮大，使教学环境得到改善的同时也使多媒体设备的正常使用和高效管理出现了问题[1]。多媒体中控作为多媒体教室的核心，采用计算机网络技术最新成果，将对所有多媒体设备的操作控制集中在一个控制面板上，并可通过网络进行监控，方便用户使用。当前高校使用的多媒体管理系统种类繁多，但是存在总控不完善、中控和门禁协调困难、系统资源利用率低等不足之处，其中最大的缺陷是更换厂家时部分设备或软件更新不具兼容性，所以现有的多媒体管理系统并不能满足现阶段高校的功能需求。在性能、成本以及社会需求的综合影响下，如何实现高质量的中控及完善的总控，成为高校关注的焦点。

1 需求分析及系统组成

1.1 需求分析

每一个多媒体教室都有一套中控设备，教师上课时需要先通过教师专用卡进行门禁验证，验证通过后中控会自动打开门禁，同时按照多媒体管理系统设置的开启步骤自动完成电源开启、台式机开启、投影机开启、投影幕布下降等操作，教师可直接进行教学活动；下课后，教师直接拔卡离开教室就可，系统会自动升起投影幕布、关闭台式机、延时断电，不用人工等待投影机冷却后再断电[2]。一切动作都由中控自动完成，如果中控设备出现故障，总控就会根据实际情况，进行远程协助。

针对多媒体教室管理难度大、设备使用水平低等问题，课题组全面整合网络资源，设计出了基于HTTP协议的多媒体教室管理系统，保证了多媒体教室的低成本运行，为日常的教学活动提供了可靠保障，实现了多媒体教室的高效管理[3]。

1.2 系统组成

基于HTTP协议的多媒体教室管理系统以校园网为基础，由中控和总控两大部分组成[4]。总控用于实现对所有多媒体教室设备的远程监控，所有传输到多媒体教室的控制信号都是利用现有的校园网，不需额外布线，降低成本[5]；多媒体教室的中控用于对笔记本、DVD、投影机、投影幕布、设备电源和功放音响等外设的本地控制[6-8]。系统总体结构如图1。

图1 系统总体结构图

2 中控设计

2.1 中控硬件设计

根据本设计的实际要求，考虑到设计成本、功耗和性能等因素，中控的CPU采用宏晶公司生产的STC89C54单片机，该单片机性能高、功耗低，具有价格低廉、程序写入方便的特点；中控入网选用W5500网络芯片，该芯片支持用户从网络更底层设计入网方式，可以在满足应用的同时尽可能地少占用硬件资源，使系统高效稳定运行。

中控硬件主要由控制面板模块、网络通信模块、门禁模块和串口通信模块组成。中控通过单片机的I/O端口与电源、投影机、投影幕布、音响和笔记本等外设连接，通过控制面板实现对电源和外设的开关控制或者使用总控来远程控制中控进一步实现对中控外设的控制；中控利用24C512存储器扩展芯片来存储教师和教室的有用信息，无需再在多媒体操作台里安装专门存储信息装置，通过继电器控制台式机电源、笔记本电源、功放电源和其它外设电源，整套系统所有切换均为继电器触点切换，VGA默认切换在教室台式机端，如果在整个教学过程中多媒体设备出现故障，只要教室台式机正常工作就可以正常上课。中控硬件主要集中在一块PCB板上，布线少，使用灵活方便。中控硬件结构如图2。

图2 硬件组成结构图

2.2 中控软件设计

中控软件采用C语言编写，用于实现初始化、控制面板、串口通信与 I/O口模拟串口通信、射频读卡及网络通信等功能。其中控制面板程序主要用于实现按键扫描，进而实现包括音/视频切换、设备电源开关、投影机开关、投影幕布升降等设备的开关及切换操作；串口通信程序主要用于中控向投影机串口发送控制码，以实现通电状态下投影机的开关机操作，也用于实现对中控上网所需网络参数的设置；I/O口模拟串口通信程序主要实现中控控制教室台式机的软关机；射频读卡程序主要实现教师身份的识别；网络通信程序主要实现总控同中控的信息传递。中控软件工作流程如图3。

图3 软件工作流程图

中控作为服务端，软件一直保持监听状态。当控制面板上的按键被按下时，软件就会执行一键操控，当收到客户端发送的连接请求时就会进行HTTP服务，当读取到有效卡进入门禁射频范围时，就会开启门禁，当收到串口消息时就会进行串口通信，各个功能互不干扰，独立运行。

2.3 中控通信方式设计

单片机通过硬件SPI接口对W5500网络芯片进行读写操作，单片机为SPI主机模式，W5500为SPI从机模式。对W5500的编程要时刻关注状态机的变化，W5500虽然集成了TCP/IP协议栈，但网络状态机需要用户控制，需要注意的是不仅对W5500寄存器的操作可以改变状态机状态，而且客户端的动作也能改变状态机的状态。W5500的状态机有如下6种状态：

(1)NOT_CONNECT状态[9-10]：W5500上电后的默认状态，即中控CPU还没有对W5500进行初始化时的状态，在这个状态下中控CPU需要判断W5500是否存在、是否正常。如果W5500不存在或不正常，应给出故障提示；如果W5500正常，通过初始化后进入SOCK_CLOSED状态。

(2)SOCK_CLOSED状态：W5500存在并正常的情况下，对W5500初始化(本设计初始化成TCP模式)后进入的状态，其他状态收到中控CPU的DISCON或CLOSE命令时也能够进入此状态。在SOCK_CLOSED状态下，如果收到OPEN命令就进入SOCK_INIT状态。

(3)SOCK_INIT状态：在SOCK_CLOSED状态下，如果收到OPEN命令就进入SOCK_INIT状态。此状态有两个出口：收到CLOSE命令时进入SOCK_CLOSED状态，收到LISTEN命令时进入SOCK_LISTEN状态。

(4) SOCK_LISTEN状态：在SOCK_INIT状态下，收到LISTEN命令时进入SOCK_LISTEN状态。此状态有两个出口：收到中控CPU的CLOSE命令时进入SOCK_CLOSED状态，收到客户端的连接请求便进入SOCK_ESTABLISHED状态。

(5) SOCK_ESTABLISHED状态：在SOCK_LISTEN状态下，收到客户端的连接请求时进入SOCK_ESTABLISHED状态，并与客户端进行通信。此状态有两个出口：收到中控CPU的CLOSE命令时进入SOCK_CLOSED状态，收到客户端的断开请求便进入SOCK_CLOSE_WAIT状态。

(6) SOCK_CLOSE_WAIT状态：在SOCK_ESTABLISHED状态下，收到客户端的断开请求时进入SOCK_CLOSE_WAIT状态，收到中控CPU的DISCON或CLOSE命令便进入SOCK_CLOSED状态。

正常情况下，W5500初始化后应为后五种状态之一，如果因为某种原因不是上述状态之一，就应该重新初始化。W5500服务端模式状态进入及转移如图4。

图4 W5500服务端模式状态进入及转移图

为了在部分中控升级换代时保证软件的兼容性，总控与中控采用HTTP协议进行通信，也就是万维网通信协议。。基于以上分析，本文以能够可靠实现远程监控为目标，对HTTP协议进行必要简化，主要在以下方面进行简化：

(1) HTTP的底层只实现ARP、TCP、ICMP、IGMP协议，暂不考虑其它功能。

(2) TCP协议暂不分片，协议包长度不超过1024字节(本设计所有单片机的RAM仅1024个字节)。

(3) HTTP只实现GET请求，设置功能通过GET传递参数实现，暂时不考虑实现POSE请求。

(4)不支持HTTP保持连接功能，即每次连接服务端传回GET响应包后就断开连接，只要客户端不是同时访问，就可以实现多客户端访问。

由于在校园内还没有为各个教室准备DNS服务器，所以统一资源描述符URL采用直接IP地址及端口号的方式(比如某教室的URL为HTTP：//192.168.1.81:5000/)，使浏览器或定制客户软件不需要区分特定的网页文件，就可以通过参数的形式传递特定的控制要求。为简化中控服务端软件的设计，并同时支持浏览器监视及定制软件监视访问，中控响应内容采用HTML语言编写；为减少内部RAM使用量，大部分HTML内容固化在单片机代码区，只是在取出传给客户前，根据监视内容改变部分内容，解决界面要求丰富和内部RAM少的矛盾。监控一般要求连续监控，而HTTP是单次请求响应方式，如果采用C/S模式软件监控，可以让软件连续定时发送HTTP请求；如果采用通用浏览器监控，可以设置浏览器连续访问。但考虑到浏览器的兼容性问题，我们采用编写JS客户端脚本方式实现客户端连续定时访问服务端的功能，中控采用HTTP协议可以支持多个总控同时连接中控服务端。

3 总控设计

总控采用C/S架构，与本文设计并实现的中控配套使用，总控作为网络客户端，教室多媒体中控作为服务端。总控基于TCP/IP协议，采用JAVA高级语言编写，具有友好、简洁的操作界面。

总控主要通过HTTP协议把控制信息传递至各个教室的多媒体中控，实现对多媒体终端设备的实时控制。另外，中控需要实时地把教室状态传送到总控，以实现总控对多媒体教室的监测。总控实现流程如图5。

4 系统测试

4.1 硬件电路测试

硬件是软件的基础，没有稳定可靠的硬件环境，就无法保障软件的正常的运行。在进行了方案设计、原理图绘制、PCB制板、元器件焊接之后，对系统硬件进行测试。结合系统设计的功能模块，检查电路的合理性，对各个功能模块进行了测试。PCB主板如图6。

图5 总控流程图

图6 PCB主板

4.2 软件测试

将中控和总控接入校园网，总控通过模拟按键把控制信息传递各个教室的多媒体中控中，实现对多媒体终端设备的实时控制，中控同时把教室状态传送到总控，实现对多媒体教室的监测。

利用网络助手、串口调试助手等工具连续不间断监测中控与总控的通信，对总控和中控通信进行上万次可靠性试验，使用基于WinPcap网络封包抓取工具的Wireshark网络包分析软件从底层监控网络通信，进一步测试整套系统，最终实现总控通过HTTP协议访问中控的目标。通过测试，出现了预期的效果。

5 结 语

系统利用网络技术和多媒体技术，把各个多媒体教室中控连接起来，使之成为可以统一控制、统一管理的网络型集中控制管理系统，用以解决多媒体教室管理难度大的问题。主要完成了以下成果：

(1)将门禁作为中控的内部模块，避免独立门禁与中控的通信协调问题，减少门禁产生的成本，使操作简化；用单个CPU就可以实现对所有多媒体设备的控制，使成本降低的同时也减少了电路的外部接线。

(2)将身份识别的卡号和标识同时存到教师专用卡中，用于教师上课时开启多媒体设备的门禁和挂失处理。

(3)音/视频和VGA切换采用继电器触点切换，减少了电子开关造成的信号失真。

(4)总控与中控采用HTTP协议通信，具备兼容性，方便了系统升级以及多媒体教室设备的更换。

(5)中控使用W5500网络芯片从底层设计通信协议，可以防ARP恶意攻击。

本系统的开发与实现，为解决多媒体教室管理维护复杂的难题提供了参考，使教师能方便地掌握和运用现代教育技术，对优化教学环境，提高教学效率有着积极的作用，具有很强的现实意义。

[1] 杜娟. 多媒体教学网络中央控制系统的设计与实现[D]. 济南：山东大学,2012.

[2] 欧阳均. 基于远程控制的多媒体教室的设计与实现[J]. 温州大学学报(自然科学版),2007(04):56-60.

[3] 谢志昆. 云南大学多媒体教室管理服务系统的设计与实现[D]. 昆明：云南大学,2010.

[4] 方向阳. 一种多媒体教室综合管理系统的研究和实现[D].广州：华南理工大学,2012.

[5] 苏望. 基于J2EE的多媒体教室管理系统设计与实现[D]. 长沙：湖南大学,2014.

[6] 郁则青. 浅析高校多媒体教室建设与管理[J]. 无线互联科技,2013(12):192-201.

[7] 许王凯,邵敏. 基于网络中控技术的多媒体教室管理与监控系统的应用[J].信息与电脑(理论版),2013(10):148-149.

[8] 马凤涛. 基于集中控制系统的多媒体教室设备管理[J]. 中国地质教育,2005(02):92-95.

[9] W RICHARD STEVENS．TCP/IP Illustrated，Volume 1:The Protocols[M]．北京：机械工业出版社，2001.

[10] BEHROUZ A FOROUZAN，SOPHIA CHUNG FEGAN．TCP/IP协议族[M]．谢希仁,译.北京：清华大学出版社， 2003.

(责任编辑 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

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DC201501060301)。

李绍民(1963-)，男，辽宁锦州人，教授，硕士研究生导师，主要从事电子信息和计算机网络研究。

秦红霞(1991-)，女，河北石家庄人，大连民族大学信息与通信工程学院硕士研究生，主要从事网络通信研究,E-mail:2420507729@qq.com。

2096-1383(2017)05-0495-04