高校多媒體教學(xué)集控系統(tǒng)的發(fā)展研究

摘 要總結(jié)我國高校多媒體教學(xué)集控系統(tǒng)（即集中控制系統(tǒng)，下同）的發(fā)展歷程，并根據(jù)高等教育數(shù)字化教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，提出開發(fā)新一代數(shù)字化教室智能集控系統(tǒng)的意義和方法。該系統(tǒng)基于多傳感器信息融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化教室中的多媒體教學(xué)設(shè)備和各類環(huán)境設(shè)備的一體化智能集中控制。

關(guān)鍵詞 多傳感器信息融合；數(shù)字化教室；多媒體；環(huán)境設(shè)備；集控系統(tǒng)

中圖分類號(hào): TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào):1671-489X（2008）03-0032-04

Research of Multimedia Centre-control System in High Education//Lv Lichang，Guo Xiangyong

Abstract The development course of Multimedia Centre-Control System is summarized in this paper. In accordance with the development trend of the digital teaching in high education， the significance and method of developing new Centre-control System of Digital Schoolroom is put forwarded. This system is based on technology of Multi-sensor Information Fusion， realizes integrative and intelligence Centre-control to Multimedia Devices and Environment Equipments of digital Schoolroom.

Key words Multi-sensor Information Fusion；Digital Schoolroom；Multimedia；Environment Equipment；Center-control System

Author's address Application Institute of Information Technology， Shenzhen Polytechnic，Shenzhen，Guangdong 518055

多媒體教學(xué)已成為我國高等教育的最重要的教學(xué)形式之一，在多媒體教學(xué)的發(fā)展過程中，涌現(xiàn)出各種各樣的多媒體教學(xué)設(shè)備，比如投影機(jī)、計(jì)算機(jī)、視頻展示臺(tái)、錄像機(jī)、DVD、話筒、功率放大器和音箱等等。隨著多媒體教學(xué)設(shè)備的種類和數(shù)量不斷增多，如何對(duì)眾多設(shè)備進(jìn)行有效的管理和控制就成為當(dāng)務(wù)之急。為解決這一問題，致力于高校教育裝備研究和設(shè)計(jì)的研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)單位不斷研制出各種不同功能的多媒體集中控制系統(tǒng)。

根據(jù)功能和控制原理的不同，多媒體集中控制系統(tǒng)大體經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段，即第1代模擬式單機(jī)版多媒體集中控制器、第2代數(shù)字式單機(jī)版多媒體集中控制器和第3代網(wǎng)絡(luò)版多媒體集控系統(tǒng)。相應(yīng)的，筆者所在的深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院分別研制出EITC-01、EITC-02和EITC-03.Net 3款多媒體集中控制器。

這3代多媒體控制器見證了多媒體教學(xué)方法及其裝備的發(fā)展歷程，尤其是第3代網(wǎng)絡(luò)型集控系統(tǒng)近幾年普及很快，為提高多媒體教學(xué)效果和多媒體設(shè)備管理效率做出很大的貢獻(xiàn)。隨著科技的不斷進(jìn)步和教育裝備的不斷升級(jí)換代，原有的多媒體集中控制器的功能和性能也不斷遇到新的挑戰(zhàn)，集中表現(xiàn)在現(xiàn)代化的數(shù)字化校園及數(shù)字化教室概念的形成與逐步實(shí)施上。數(shù)字化教室概念可以認(rèn)為包含軟件部分和硬件部分2大內(nèi)容，軟件部分主要指應(yīng)用于教室的各種教學(xué)及管理軟件，如課表編排軟件、課程錄制軟件、遠(yuǎn)程教學(xué)軟件、講授型及自主學(xué)習(xí)型網(wǎng)絡(luò)課程、精品課程和網(wǎng)上提供的各種數(shù)字化教學(xué)資源等；硬件部分主要指能夠滿足數(shù)字化教室需要的各種教學(xué)裝備。目前，數(shù)字化教室研究的重點(diǎn)主要集中在軟件部分，并已經(jīng)取得相當(dāng)數(shù)量的科研成果。相比之下，硬件裝備部分的系統(tǒng)性研究幾乎處于空白狀態(tài)。

隨著高等教育的迅速發(fā)展，現(xiàn)代化教室除了安裝原有的各種多媒體教學(xué)設(shè)備外，空調(diào)、門禁、安防和完備的照明系統(tǒng)也已經(jīng)成為不可或缺的裝備。如何對(duì)現(xiàn)代化教室眾多的多媒體設(shè)備和環(huán)境設(shè)備都進(jìn)行充分合理的利用和有效的集中智能管理，已非上述3代集中控制器所能解決。為此，筆者在已經(jīng)開發(fā)的前3代集中控制器的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字化教室的新需求，提出第4代數(shù)字化教室智能集控系統(tǒng)的概念并已展開研究。下面就多媒體教學(xué)集控系統(tǒng)的發(fā)展歷程作一簡(jiǎn)單回顧，并提出基于多傳感器信息融合的第4代數(shù)字化教室智能集控系統(tǒng)的解決方案。

1 第1代模擬式單機(jī)版多媒體教學(xué)集控系統(tǒng)

第1代模擬式單機(jī)版多媒體教學(xué)集控系統(tǒng)在20世紀(jì)90年代得到廣泛普及應(yīng)用，它是以對(duì)磁帶錄放像機(jī)、復(fù)合視頻格式輸出的模擬視頻展示臺(tái)等模擬式多媒體教學(xué)設(shè)備的控制為標(biāo)志，主要由多媒體集中控制器及其外圍多媒體教學(xué)設(shè)備組成。該控制系統(tǒng)的原理框圖見圖1[1]。

其中，集中控制器是這個(gè)系統(tǒng)的核心設(shè)備，包括微處理器、輸入控制模塊、輸出控制模塊和輔助電路模塊。微處理器一般采用8位單片機(jī)即可滿足要求；輸入控制模塊包括紅外編碼學(xué)習(xí)、音頻輸入、復(fù)合視頻輸入及VGA信號(hào)輸入；輸出控制模塊包括紅外遙控輸出、音頻輸出、復(fù)合視頻輸出、VGA信號(hào)輸出及周邊設(shè)備控制輸出；輔助電路模塊則包括操作面板、EEPROM存儲(chǔ)模塊和多種電源供電模塊。

EITC-01型多媒體集中控制器即是這一代設(shè)備的代表性產(chǎn)品之一。目前，這一類產(chǎn)品已經(jīng)退出市場(chǎng)，僅有少量還在使用中。

2第2代數(shù)字式單機(jī)版多媒體教學(xué)集控系統(tǒng)

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，多媒體教學(xué)設(shè)備也由最初的模擬時(shí)代進(jìn)入數(shù)字時(shí)代，第2代多媒體教學(xué)集控系統(tǒng)即數(shù)字式單機(jī)版多媒體教學(xué)集控系統(tǒng)開始出現(xiàn)。它是以對(duì)DVD影碟機(jī)、VGA視頻格式輸出的數(shù)字展示臺(tái)等多媒體教學(xué)設(shè)備的控制為標(biāo)志，主要包括數(shù)字式集中控制器主機(jī)和各類數(shù)字式多媒體教學(xué)設(shè)備。該控制系統(tǒng)的原理框圖與圖1類似，不同的是圖1中的錄像機(jī)、模擬視頻展臺(tái)換成了DVD影碟機(jī)和數(shù)碼展示臺(tái)等設(shè)備，相應(yīng)的輸入輸出控制電路也進(jìn)行了一定的改變。

EITC-02型自適應(yīng)數(shù)字式多媒體集中控制器就是在這一時(shí)期研發(fā)的。目前，這一類型的產(chǎn)品已經(jīng)開始逐漸退出市場(chǎng)，原來裝備的設(shè)備大多還在使用中。

3第3代網(wǎng)絡(luò)型多媒體教學(xué)集控系統(tǒng)

近年來，嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到快速發(fā)展和應(yīng)用，以高速校園局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)為依托，出現(xiàn)了以遠(yuǎn)程控制和管理為特色的網(wǎng)絡(luò)型多媒體教學(xué)集控系統(tǒng)。基于TCP/IP的遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)集控系統(tǒng)，采用32位嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，不僅可以對(duì)各種多媒體設(shè)備（如數(shù)碼視頻展示臺(tái)、影碟機(jī)、錄像機(jī)、電腦和投影機(jī)等）和少量環(huán)境設(shè)備（如屏幕、窗簾等）進(jìn)行本地集中控制，而且實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)（如多媒體教室）的更高層次的遠(yuǎn)程二次集中管理與維護(hù)，從而大大降低管理成本、提升運(yùn)行效率，成為傳統(tǒng)單機(jī)版中控器真正意義上的升級(jí)換代產(chǎn)品。該系統(tǒng)從管理架構(gòu)上可以分為遠(yuǎn)程控制臺(tái)和多媒體教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備2大部分。其中，遠(yuǎn)程控制臺(tái)包含電腦主機(jī)和控制臺(tái)軟件，是第3代多媒體教學(xué)集控系統(tǒng)與第2代多媒體教學(xué)集控系統(tǒng)的根本區(qū)別。

這一類產(chǎn)品目前是市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，應(yīng)用最為廣泛。圖2是EITC-03.net網(wǎng)絡(luò)型多媒體集控系統(tǒng)的詳細(xì)工作原理圖[2]。

4 基于多傳感器信息融合技術(shù)的第4代數(shù)字化教室智能集控系統(tǒng)

近一兩年來，隨著數(shù)字化城市、數(shù)字化校園等概念的提出，數(shù)字化教室的概念和實(shí)際應(yīng)用也已經(jīng)浮出水面，因應(yīng)社會(huì)和技術(shù)的不斷發(fā)展，研究和開發(fā)下一代多媒體教學(xué)集控系統(tǒng)——基于多傳感器信息融合技術(shù)的第4代數(shù)字化教室智能集控系統(tǒng)已是大勢(shì)所趨。

現(xiàn)代化教室的各種數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)及環(huán)境設(shè)備齊全，給師生的教學(xué)、學(xué)習(xí)活動(dòng)帶來極大便利，但同時(shí)也存在能源浪費(fèi)嚴(yán)重、管理難度大的問題，如：下課后空調(diào)不及時(shí)關(guān)機(jī)；白天毫無必要地開燈；教室內(nèi)僅有少數(shù)幾個(gè)人，卻開啟全部燈光、空調(diào)；午休或晚自習(xí)時(shí)缺乏門禁集中管理，導(dǎo)致學(xué)生自由出入教室?guī)淼脑O(shè)備安全和能源浪費(fèi)等問題。

基于傳感器信息融合技術(shù)的第4代數(shù)字化教室智能集控系統(tǒng)，通過對(duì)現(xiàn)有多媒體教學(xué)控制系統(tǒng)的升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)、門禁、燈光及多媒體設(shè)備工作狀態(tài)的智能化監(jiān)測(cè)，并依據(jù)溫度、濕度、煙霧、火焰、光線及嵌入式數(shù)字圖像等多傳感器信號(hào)的融合檢測(cè)與模糊推理判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化教室多媒體教學(xué)設(shè)備和空調(diào)、門禁、燈光等環(huán)境設(shè)備的一體化遠(yuǎn)程綜合智能控制，不僅節(jié)約數(shù)字化教室的人工管理成本，而且為大大減少能源的浪費(fèi)、提高控制系統(tǒng)的可靠性提供強(qiáng)有力的支持和保障。

根據(jù)自行研制的第3代多媒體教學(xué)集控系統(tǒng)，并結(jié)合實(shí)際使用當(dāng)中遇到的新問題，筆者提出第4代數(shù)字化教室智能集控系統(tǒng)的解決方案，其控制原理框圖見圖3。

該系統(tǒng)主要由6大部分組成，包括遠(yuǎn)程控制臺(tái)、數(shù)字化教室網(wǎng)絡(luò)中控主機(jī)、多傳感器信息融合檢測(cè)輸入模塊、數(shù)字化教室多媒體設(shè)備、數(shù)字化教室環(huán)境設(shè)備和輔助設(shè)備。其中，數(shù)字化教室網(wǎng)絡(luò)中控主機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它采用freescale半導(dǎo)體公司基于Coldfire核的32位微處理器MCF5249為硬件平臺(tái)，運(yùn)行在uCLinux嵌入式操作系統(tǒng)上，接收本地操作面板及遠(yuǎn)程控制臺(tái)的操作指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體教學(xué)設(shè)備及教室環(huán)境設(shè)備的控制，比如音視頻信源的切換、紅外遙控信號(hào)的輸出、空調(diào)的開關(guān)、門禁的開放與閉鎖等；多傳感器信息融合檢測(cè)輸入模塊則利用有線（如Can現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)）或無線（如Zigbee、UWB）傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過對(duì)溫度、濕度、光線、煙霧、火焰、有害氣體濃度（甲醛、CO2等）及圖像信息的融合檢測(cè)與推理判斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)數(shù)字化教室的各種環(huán)境設(shè)備進(jìn)行智能化管理；數(shù)字化教室多媒體設(shè)備控制模塊包括對(duì)投影機(jī)、數(shù)碼展臺(tái)、電腦、功放、影碟機(jī)、話筒等設(shè)備的操作控制；數(shù)字化教室環(huán)境設(shè)備控制模塊包括空調(diào)的開關(guān)及溫度調(diào)節(jié)、門禁的開放與閉鎖、燈光的開關(guān)、通風(fēng)機(jī)的啟閉、窗簾的開合等；遠(yuǎn)程控制臺(tái)包括電腦主機(jī)和遠(yuǎn)程控制軟件2個(gè)部分，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化教室的遠(yuǎn)程集中控制、管理、診斷與維護(hù)；輔助模塊主要包括操作面板、各種數(shù)據(jù)或音視頻便攜接口（USB、VGA等）、供電模塊3部分，構(gòu)成系統(tǒng)的本地操作控制界面。

該方案在第3代多媒體教學(xué)集控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，主要在2個(gè)方面進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新：

1）多傳感器信息融合技術(shù)的應(yīng)用。將溫度、濕度、光線、煙霧、火焰、有害氣體濃度（甲醛、CO2）及圖像信息等多傳感器信息融合技術(shù)引入到對(duì)數(shù)字化教室環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)中，通過對(duì)多個(gè)不同性質(zhì)的傳感器提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)別、多方面的融合處理，補(bǔ)償單一傳感器的不確定性和測(cè)量范圍的局限性，并輔以數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)圖像監(jiān)控，有助于提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度、系統(tǒng)工作的可靠性及智能化。

本系統(tǒng)根據(jù)數(shù)字化教室的特征及檢測(cè)需求，采用分布式有反饋融合系統(tǒng)[3-4]，其原理框圖見圖4。

多傳感器有反饋融合系統(tǒng)可分為傳感器信息檢測(cè)及濾波部分、信息融合單元、融合輸出和反饋單元4個(gè)部分。通過帶有反饋的分布式融合系統(tǒng)，使得融合輸出的檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

2）對(duì)環(huán)境設(shè)備的創(chuàng)新性集成。該系統(tǒng)突破傳統(tǒng)的多媒體中控器僅僅局限于對(duì)多媒體教學(xué)設(shè)備的集成，利用有線接口和無線遙控等多種技術(shù)手段，創(chuàng)新性地把空調(diào)、門禁、燈光、通風(fēng)機(jī)及窗簾等環(huán)境設(shè)備集成到整個(gè)系統(tǒng)中來，而以前這些設(shè)備往往是采用各自獨(dú)立的分散控制單元，從而大大提高系統(tǒng)的集成度和管理效率，減少能源的浪費(fèi)。

綜上所述，高校多媒體教學(xué)集中控制系統(tǒng)的發(fā)展可以分為4個(gè)發(fā)展階段：第1代模擬式單機(jī)版多媒體集中控制器、第2代數(shù)字式單機(jī)版多媒體集中控制器、第3代網(wǎng)絡(luò)版多媒體集控系統(tǒng)和正處在發(fā)展中的第4代數(shù)字化教室智能集控系統(tǒng)。第4代數(shù)字化教室智能集控系統(tǒng)以溫度、濕度、煙霧、氣體等多傳感器信息的融合輸入和模糊推理判斷為特征，以數(shù)字化教室整體為管理單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)教室的各類多媒體教學(xué)設(shè)備和空調(diào)、門禁、燈光等環(huán)境設(shè)備的綜合智能集中控制，這對(duì)進(jìn)一步提升多媒體教室管理效率、減少能源浪費(fèi)和促進(jìn)環(huán)保事業(yè)發(fā)展都有著重大的意義，必將成為多媒體教學(xué)集中控制系統(tǒng)新的發(fā)展趨勢(shì)。

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