通過云服務和網絡中控實現投影燈泡主動更新

裴 虹， 葉仁春， 陸云龍

(華中科技大學 現代教育技術中心， 湖北 武漢 430074)

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通過云服務和網絡中控實現投影燈泡主動更新

裴 虹， 葉仁春， 陸云龍

(華中科技大學 現代教育技術中心， 湖北 武漢 430074)

高校多媒體教室用的投影燈泡是使用和更換比較頻繁的昂貴耗費品，需要一個能及時掌握投影燈泡運行時間的方法。文中利用面向云服務的編程思想，并以網絡中控升級改造為契機，實現了投影燈泡運行時間累計計時、設限觸發、消息推送、采購報送等一系列主動更新的全過程。實踐表明，以此方法實現的投影燈泡主動更新，為多媒體教室設備管理和維護提供了新穎的方法。

云服務； 網絡中控； 投影燈泡； 主動更新； 消息推送； 采購報送

0 引 言

目前高校多媒體教室普遍安裝了投影機，經10多年的運行，發現投影燈泡是教學設備中，使用和更換比較頻繁的昂貴耗費品。投影燈泡在使用了一段時間后，尤其在超過標稱使用時間后，其亮度會有很大的衰減，這時需要更換投影燈泡，否則將會影響上課效果。由于不能及時掌握投影燈泡的運行時間，等上課教師反映投影效果不好，管理人員再查看投影機時，才知道投影燈泡的運行已經超過了標稱使用時間[1]。又因投影燈泡價格昂貴，采購投影燈泡需要向學校申購，而且更換投影燈泡也不方便，這就影響了正常上課[2]。

為了保證多媒體教室能正常上課，需要建立一個針對多媒體教室投影燈泡的運行時間信息跟蹤系統，利用面向云服務的編程思想[3]，并以網絡中控升級改造契機，實現投影燈泡運行時間累計計時、設限觸發、消息推送、采購報送等一系列主動更新的全過程。

1 投影燈泡主動更新的技術特性

圖1為投影燈泡主動更新原理主框圖。從圖中可看出，整個系統中有兩個網絡系統：外網(全域網)設備，即云服務；內網(局域網)設備[4]，即網絡中控、智能手機、計算機管理系統等，共同通過網絡實現投影燈泡主動更新。其中外網設備的云服務，有DNS域名可以直接訪問。內網設備需要主動與云服務鏈接，并通過云服務轉發，內網設備之間才能實現數據通信[5]。同時內網設備還需要與云服務保持網絡長鏈接[6]，才能實現一個內網設備發生的消息事件，通過云服務以消息推送方式[7]，發到其他內網設備。比如網絡中控累計投影燈泡運行時間，只要超過設限時間就生成消息事件，發送到云服務，并通過云服務轉發，再以消息推送方式，發到其他內網設備，如智能手機用戶提醒，以及申請采購報送的計算機管理系統[8]處理。

圖1 投影燈泡主動更新原理主框圖

由此可知，如何保持內網設備與云服務的網絡長鏈接，網絡中控累計運行時間，到限觸發事件，實現云服務數據轉發和消息推送，形成投影燈泡主動更新的關鍵技術特性。

2 投影燈泡主動更新的關鍵技術實現

2.1 網絡長鏈接的心跳包機制建立

與投影燈泡主動更新有關的內網設備，在有些極端情況如掉電、網絡關閉、拔網線、WiFi掉線、路由故障等，這時候云服務端無法快速感知，也就無法轉發投影燈泡消息事件，投影燈泡的主動更新也就無從談起。內網設備需要定時向云服務端發送心跳包數據，到云服務端的一系列網絡節點設備內存，會在某個時間段暫存此鏈路，也就等于向云服務端報送了各自的網絡鏈路[9]。在云服務端的應用層，設置與內網設備對接的心跳檢測。云服務端接收到心跳數據后，可以忽略不做任何處理，也可以回應心跳檢測(向內網設備回應一段任意數據)。

網絡中控在每次開機上線，與云服務端網絡鏈接穩定后，網絡中控的網絡功能模塊每隔一段時間，以定時方式向云服務端發送心跳包數據，保持網絡中控與云服務端的網絡長鏈接。投影燈泡在運行時間累計超過設限后，就可以及時向云服務發送事件消息。

智能手機用戶如需要及時得知自己所關心的投影燈泡運行時間數據，一樣也要設置定時心跳包數據發送云服務，保持與云服務網絡長鏈接，這樣就可以及時收到云服務轉發過來的消息推送，同時用戶智能手機也可以通過云服務來查詢網絡中控的投影燈泡運行時間。因要管理全校數百臺投影機，投影燈泡采購申報的計算機管理系統，也需要向云服務發送定時心跳包數據，這樣就能通過云服務及時得到消息推送，及時更新投影燈泡申請采購的數量。

2.2 云服務的投影燈泡消息事件轉發

2.2.1 支持云服務的Workerman服務器框架

Workerman是一款純PHP語言的開源的性能比較高的PHP Socket服務器框架[10]。使用Workerman開發的云服務應用程序，可以不依賴Apache、Nginx容器獨立運行，適合于智能手機APP、硬件通訊、物聯網等領域開發。支持TCP網絡長連接，支持HTTP協議、WebSocket協議、以及簡單的Text文本自定義協議等。Workerman開啟一個主進程和多個子進程對外提供服務，主進程負責監控子進程退出信號，并負責生成新的子進程去處理服務，這樣做不僅提高了應用程序的性能，而且使得Workerman更加穩定，使開發者更專注于業務邏輯開發。

2.2.2 以WebSocket協議為引擎實現投影燈泡消息事件轉發

HTTP協議僅能實現單向通信，HTTP Request的header頭非常長，有效數據很小，占用很多帶寬，效率很低；Comet協議，使用了Ajax，可以模擬雙向通信，但效率較低，并需要服務器有較好的支持；而WebSocket協議[11]，內網設備與云服務端只需通過HTTP先做一個握手動作，創建TCP通道鏈接，然后內網設備和云服務之間可以直接通信，其Header頭數據最小只有2Bytes，這樣就可以實現云服務數據推送到內網設備，節省帶寬并達到實時通訊。考慮到內網設備會出現各種意外的不可靠，就需要在內網設備的應用層設置定時發送數據的心跳包機制，并在云服務端設置對接的心跳包檢測機制。

根據上述Workerman框架介紹，充分利用Workerman框架支持WebSocket協議，能更好節省服務器資源和帶寬，達到實時通訊，設計如圖2所示的云服務轉發投影燈泡消息事件原理框圖。

云服務應用程序采用Workerman的Gateway/Worker進程模型。Gateway是主進程，負責網絡IO，全異步非阻塞。為簡單敘述，這里設置網絡中控進程、智能手機進程、設備管理系統進程等Gateway進程，每個不同進程可同時接受上萬客戶端的內網設備連接。Workers是子進程，采用的是PHP同步模型，并提供了基本的接口，添加上自己的業務邏輯即可。

內網設備和外網設備云服務都遵守WebSocket協議，由內網設備主動發送HTTP握手鏈接，與云服務建立TCP相互通信的數據通道，并由內網設備發送定時心跳包數據到云服務端，云服務設置對接的心跳包檢測機制，建立內網設備與云服務的網絡長鏈接。

圖2 云服務轉發投影燈泡消息事件原理框圖

當網絡中控監控到投影燈泡累計的運行時間超過設限，就觸發消息事件，并送到云服務的Workerman框架的網絡中控主進程(即Gateway主進程)。然后由云服務Workerman框架的Worker子進程，根據業務邏輯MySQL數據庫的智能手機字段，轉到智能手機進程，對智能手機用戶進行消息推送。智能手機用戶通過跨平臺HTML5的APP界面，就可以知道哪個教室的投影燈泡運行時間已經到限，做好更換投影燈泡的準備。同時，根據業務邏輯MySQL數據庫的采購報送計算機管理系統字段，轉到管理系統進程，對學校的設備采購計算機管理系統也進行消息推送，表明某個教室的投影燈泡需要申請采購。云服務就此實現了投影燈泡的運行時間到限的消息事件轉發，實現了投影燈泡的主動更新。

2.3 網絡中控的投影燈泡主動更新實現

2.3.1 網絡中控與投影燈泡相關的硬件和軟件設計

針對網絡中控的升級改造，要求對投影機燈泡能實現主動更新。網絡中控就必須實現投影燈泡運行時間的累計計時、設限觸發、消息發送等功能。另外網絡中控還需要實現心跳包數據到云服務，從而實現與云服務的網絡長鏈接。為此，設計如圖3所示網絡中控

網絡中控應用程序(STM32F103RET)投影燈泡運行時間數據定義(含設限觸發)運行時間累計計時OLED屏時間顯示構架trWnepO)0267TM(DNS運服務器域名+嵌入式HTML5網頁WebSocket協議心跳包數據長鏈接投影燈泡消息事件傳輸UDP/IPTCP/IPIP網絡(IPv4/IPv6)以太網(Ethernet)/無線網(WiFi)生 安理 管量 質 務 服

圖3 網絡中控投影燈泡運行的硬件和軟件架構

投影燈泡運行的硬件和軟件架構。由圖可知，控制投影燈泡主動更新的網絡中控由兩大部分組成：投影燈泡的控制及計時和投影燈泡的消息事件網絡傳輸。

投影燈泡的控制及時間計時部分，選用意法半導體(ST)公司出品的STM32F103RET增強型系列微控制器[12]為核心，其內核是Cortex-M3，有大容量的Flash(512 k)，可以儲存常用的漢字字體，保證了足夠大的存儲空間。由STM32F103RET芯片完成投影燈泡的運行時間數據定義、運行時間累計計時、設限觸發、OLED屏顯示及數據發送。因是由程序員主控設計，可以設置網絡部分的安全、管理及服務質量等。

另外網絡中控的網絡部分，選用聯發科MT7620A智能路由器SOC主控芯片[13]實現，由嵌入式Linux[14]的OpenWrt軟件架構組成[15]。實現對云服務DNS域名尋找、嵌入式Web Server網頁的設置，為了保持與云服務的網絡長鏈接，對云服務主動發送定時心跳包數據，通過嵌入式TCP/IP協議棧完成網絡底層的數據信息傳送，并以WebSocket協議引擎分發接收不同服務類別的網絡數據，實現網絡中控獨特的心跳包及數據傳輸的技術特性。

2.3.2 網絡中控的監控投影燈泡運行主程序流程

網絡中控要控制的設備很多，現在只敘述投影燈泡部分。網絡中控的投影燈泡主動更新的主程序流程如圖4所示。首先，網絡中控上電后，需獲取內網網絡的IP地址，并獲取權限訪問云服務。如果是第一次與云服務鏈接，就需要激活本地網絡中控在云服務的注冊權限，然后登錄云服務記錄登錄在線，并啟動心跳包機制與云服務保持網絡長鏈接。網絡中控就此開始累計投影燈泡運行時間，并與設限時間數據比較。當超過設限時間，就生成投影燈泡到限的消息事件，發送到云服務，由云服務處理并轉發。或者當網絡中控收到云服務發來的查詢任務時，就返回投影燈泡當時運行時間數據。同時，網絡中控擁有展示數據格式的表征，比如智能手機中可以加載該HTML5嵌入式頁面，并根據頁面功能支持用戶控制設備或瀏覽設備狀態。另外網絡中控也設置設備采購管理的字段，告知云服務也要轉發到設備采購管理系統，實現某個多媒體教室投影燈泡的采購報送[16]。

圖4 網絡中控投影燈泡運行時間主程序流程

當網絡中控要求離線時，發送最后要求離線的心跳包數據，通知云服務清除網絡中控在線記錄，并穩定下線。

3 結 語

運用物聯網技術，采用面向云服務編程思想的Workerman框架，使用WebSocket協議實現數據實時轉發。網絡中控使用了STM32F103RET主控，以及MT7620網絡主控的嵌入式Liunx系統OpenWrt框架，定義、封裝不同用戶智能手機以及采購管理系統的權限及字段，解決投影機燈泡運行時間累計計時、設限觸發、消息推送、采購報送，實現投影機燈泡的主動更新，為多媒體教室設備管理和維護提供了新方法。

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An Active Updating System for Projector Lamps Through Cloud-services and Network Control

PEIHong，YERen-chun，LUYun-long

(Modern educational technology Center, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Projector lamp is the kind of frequently used and replaced consumable in multimedia classrooms, hence, measures are needed to monitor the running time of lamps which are rested on projector. Through the use of cloud-services oriented programming ideas, this study successfully achieved a series of active updating processes, including actively time accumulation, condition-limited trigger, message push and purchase orders delivery, by the chance of network control system upgrading. The practical trials show that this paper provided a novel method for the management and maintenance of multimedia classroom equipment.

cloud-service; network control; projector lamps; actively updating; message push; purchase orders delivery

2016-03-15

裴 虹(1957-),男,黑龍江,工程師,研究方向：多媒體教室網絡中控遠程控制及云服務數據安全。

TP 393.05; TN 915.05

A

1006-7167(2016)09-0303-04

Tel.：027-87556846(辦)，18971649889；

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