基于TCP协议的多媒体教室远程管理系统设计

赵军

摘 要 多媒体教学已经成为学校教学的主要形式之一，随着多媒体教室利用率的提升，应通过合理设计远程管理系统，提高其管理效率。文章首先对多媒体教室远程管理系统的硬件结构进行分析，进而探讨其软件功能的设计与实现，包括下位机软件的主程序设计、射频读卡程序设计、网络通信程序设计，以及上位机软件的监控程序设计和数据接口设计等。

关键词 TCP协议；多媒体教室；远程管理；系统设计

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）223-0113-02

传统的多媒体教室管理系统独立性较高，多数控制管理功能为本地功能，需要管理人员到具体教室中进行操作，管理效率较低。在全新的多媒体教学模式构建需求下，各学校多媒体教室数量不断增加，管理任务十分繁重。

为确保正常的教学秩序，必须采取先进的管理手段，对多媒体教室的管理模式进行创新。基于TCP协议实现的多媒体教室远程管理系统，可以解决传统管理系统存在的问题，极大地减轻管理人员负担，实现远程集中管理目标。

1 系统硬件结构

本次设计的多媒体教室远程管理系统是基于互联网TCP协议实现的，具有远程控制、网络通讯等功能。从系统硬件组成结构来看，主要基于C8051F020单片机芯片进行开发，包含4个外围电路模块，具体为网络通信、时钟发生、射频读卡和设备控制模块。其中，网络通信模块采用CP2200以太网控制器实现，射频读卡模块采用MFRC522射频读卡芯片实现。其功能和性能都能够满足学校多媒体教室远程管理的需要，保证系统响应效率和系统运行可靠性。在该硬件系统结构下，可通过分别设计和实现下位机、上位机软件，完成系统设计任务[ 1 ]。

2 基于TCP协议的多媒体教室远程管理系统下位机软件设计

2.1 主程序设计

下位机系统主程序主要负责多媒体教室设备的电源启停控制、网络数据接收控制、输入数据读取控制以及控制命令解析和执行等功能。采用的C8051F020单片机芯片在不通电情况下，服务器组态软件为中控离线状态，通电后，经过复位及初始化，由网络模块根据TCP协议，连接上位机的端口，并将上位机组态软件的状态改变成中控在线。此时，下位机开始对识别区是否插入IC卡进行循环判断，读取到IC卡卡号之后，将卡号传输到上位机，由上位机开始验证，下位机等待上位机的回应。如果上位机未在3s时间以内作出应答，则切换到本地验证模式，查询本地flash。

在下位机运行过程中，会时刻对上位机的控制指令进行监听，同时控制周边多媒体设备，每隔15s，向上位机发送状态包，每隔1h，向上位机发送flash中存储的数据表更新请求。由此可以确保卡号数据和教务课表数据保持一致。若下位机接收到控键盘电路中断请求，则读取键值，然后执行相应的执行控制指令[2]。

2.2 射频读卡程序设计

射频读卡程序的设计主要以MFRC522射频读卡芯片为核心，在MFRC522射频读卡芯片完成初始化操作后，依次循环寻卡、防冲撞、选卡功能，读取物理卡号。成功读取后，将物理卡号传送到服务器端进行身份验证，等待时间同样为3s。在3s内服务器接收到系统通过验证的指令，就会启动电源输出，如果未收到通过验证指令，则判定为离线状态或存在网络故障。此时先通过时钟芯片读取当前时间，然后从本地flash中查询工号验证。在这样的射频读卡程序设计下，教师可以在网络在线情況完成刷卡身份验证，即使出现网络故障，也能够通过本地验证，正常使用多媒体设备[ 3 ]。

2.3 网络通信程序设计

网络通信模块是实现远程控制功能的关键，其主要功能有初始化、芯片驱动、TCP/IP协议栈处理等。其中，芯片驱动功能是由相应的驱动程序接收网络数据，同时负责数据发送。出于软硬件资源的考虑，而且该系统的实际功能需求较少，设计TCP/ IP协议栈时，可只选择3个协议，即TCP协议、IP协议和ARP协议。其中的重点是TCP协议模块的设计，TCP协议属于运输层的协议，具有端口功能，支持传输通道的复用与分用。在TCP数据传输工作中，数据包的首部字节长度为20～60，该协议是面向连接的，数据传输服务可靠，主要功能函数有初始化函数、保活函数、发送函数、接收函数和重传函数等。

在与上位机建立连接时，需要建立三次握手。第一次握手中的发送请求方为下位机，应答方为上位机。得到上位机回发的应答包后，开始进行第二次握手，此时发送方变为上位机，应答方变为下位机，上位机得到回应后回发应答包。最后经过第三次握手，建立TCP连接。在连接成功的情况下，下位机接收到TCP包后，会在上位机请求号的基础上，增加一个接收数据长度，将请求号、应答号设置为TCP包的应答号，然后再发送出应答包。

在上下位机的通讯期间，应答号与请求号必须保持一致。若出现应答号比请求号小的情况，说明下位机未接收到应答包，此时要由下位机重新发送缓存数据包。若连续两次重发后，应答号仍小于请求号，则关闭连接。如果出现应答号比请求号大的情况，则直接关闭连接。采用这种连接方式能够确保网络传输通信的可靠性和稳定性，适用于多媒体教室管理。

3 基于TCP协议的多媒体教室远程管理系统上位机软件设计

3.1 监控程序设计

在上位机软件设计过程中，监控程序要在主窗口加载后，创建服务器侦听主socket。然后分别创建并执行接入线程和管理线程。其中，接入子线程负责处理客户端接入。在远端连接时，先建立新连接的socket和新连接对象，并对其进行关联，再创建新的连接子线程，最后成功将连接对象加入到客户端的对象集合内。

管理子线程的工作是对离线的连接对象进行清除，释放系统资源，自动删除客户端socket。之后读取后台数据库状态，对其属性列表进行更新，在查询操作中，可显示当前多媒体教室的使用状态。在监控程序运行过程中，先循环遍历客户端集合，查询每一个连接对象，将超时对象剔除。在剔除操作过程中，要关闭对应的连接子程序，同时关闭远端socket，使其处于离线状态，然后将数据库对应节点也改变为离线状态。更新树形列表，根据遍历的节点IP地址，查询中控状态值。

最后，通过查询系统，获取多媒体教室使用情况，根据教室号，实现设备使用状态的查询功能，并更新相应标签，实现对多媒体教室设备的远程监控。为避免出现子程序共用一个连接对象，引发数据库操作冲突，还需要对每个子程序进行分别设计，采用连接对象实现数据库操作，采取这种办法，可有效提升数据库的读写效率，确保系统稳定运行。

3.2 数据接口设计

系统数据接口包含一卡通接口和教务接口等。其中，一卡通接口的作用是调用一卡通Web？ Service接口，在原始数据表中提取卡号、工号、姓名等字段，对其格式进行转换后，存储到本地数据表中，等待调用。教务接口的作用是调用教务系统Web？Service接口，在原始数据表中相应的教务字段信息，同样需要进行格式转化，然后存储在本地数据表中。在数据接口的处理过程中，数据结构和格式转换是难点部分，比如一卡通原始数据表中的卡号为十进制字符串类型，设置为可变长度，但系统所需的时4字节十六进制卡号，所以需要将原字符串先转换为32位无符号整数类型，然后再将其转换为字节数组，最后插入到数据库卡号字段中。

教务表中的数据组织结构与多媒体远程管理系统的结构都不一样，需要依次完成各个数据字段的转换功能。先从一卡通原始数据表中获得功耗、上课时间和地点等信息，在对其进行拆解，通过层层循环后，構成系统所需的数据结构。为保证数据使用安全性，所有Web？Service接口调用者都需要身份验证，通过验证的人员才能够进行指令发送。采用这种方式可以为多媒体教室设备的使用安全性提供保障。

4 结论

综上所述，基于TCP协议设计实现的多媒体教室远程管理系统能够满足多媒体教室管理的实时监控、远程操作、使用安全等方面的需求，而且使系统管理的集中度得到明显提升。将基于TCP协议的多媒体教室远程管理系统应用到学校多媒体教室管理实践中，能够同时提升管理效率和系统运行可靠性，具有较高的综合效益。

参考文献

[1]孙宏志，邹元君.多媒体教室远程管理系统构建及应用[J].软件导刊，2017，16（2）：88-90.

[2]张波.基于TCP协议的多媒体教室远程管理系统的设计[J].价值工程，2016，35（5）：195-197.

[3]吴洋.多媒体教学管理系统的设计与实现[D].西安：西安科技大学，2014.