基于互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的多媒體中央控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

(安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院，蕪湖 241000)

引 言

多媒體中央控制系統(tǒng)是指使用計(jì)算機(jī)技術(shù)以及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制多媒體信息的一種系統(tǒng)。系統(tǒng)采用先進(jìn)的信息技術(shù)，將多媒體信息通過多種信息展示給學(xué)習(xí)者，同時(shí)增加與學(xué)習(xí)者之間的交互，從而使學(xué)習(xí)者充分了解和體驗(yàn)多媒體中央控制系統(tǒng)展示的信息內(nèi)容，達(dá)到深刻學(xué)習(xí)的目的。

本系統(tǒng)主要由以下4個(gè)部分的內(nèi)容組成：

① 多媒體操作系統(tǒng)為該套多媒體中央控制系統(tǒng)的操作系統(tǒng)軟件，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度功能、多媒體信息轉(zhuǎn)換功能以及實(shí)現(xiàn)支持多種外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序和控制。

② 多媒體硬件系統(tǒng)包括CPU、GPU、多媒體信號(hào)輸入/輸出設(shè)備及數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置、通信傳輸設(shè)備等。

③ 多媒體處理系統(tǒng)軟件也稱為多媒體系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)工具組件，是該套多媒體中央控制系統(tǒng)各種應(yīng)用軟件的重要基礎(chǔ)軟件。

④ 用戶應(yīng)用軟件為根據(jù)終端用戶需求而定制的應(yīng)用軟件或面向某一領(lǐng)域的用戶應(yīng)用軟件系統(tǒng)。

隨著信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，多媒體中央控制系統(tǒng)使用越來越廣泛，其效率日益受到人們的重視。多媒體中央控制系統(tǒng)主要包括軟件資源、硬件設(shè)備等。隨著媒體類型的不斷增加，外接設(shè)備種類的不斷豐富提高，多媒體中央控制系統(tǒng)的體積也變得越來越臃腫，通信傳輸?shù)男问揭灿訌?fù)雜，極大增加了設(shè)備的安裝、維護(hù)成本。目前看來多媒體中央控制系統(tǒng)經(jīng)歷了第一代的模擬式單機(jī)版，第二代的數(shù)字式單機(jī)版，第三代的網(wǎng)絡(luò)版集中式，本文在以往三代多媒體中央控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出一種基于互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的新型嵌入式多媒體中央控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)多媒體中央控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)選用嵌入式平臺(tái)，既能處理多媒體信息，又能控制各類外置設(shè)備；使用的嵌入式操作系統(tǒng)具備多任務(wù)和實(shí)時(shí)性功能,可以高效地管理硬件資源；保留傳統(tǒng)設(shè)備的多媒體演示程序具有交互性，能夠較好地實(shí)現(xiàn)演示功能，增加了無線傳輸多媒體信息的功能；多媒體設(shè)備控制程序能夠利用無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制；利用無線網(wǎng)絡(luò)較高的信息傳輸能力，可以傳輸高質(zhì)量的多媒體信息；所有使用硬件設(shè)備均有體積小、低功耗和價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用“智能終端設(shè)備-無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備-嵌入式中央設(shè)備-多媒體教學(xué)設(shè)備”設(shè)計(jì)方案，主要由無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與嵌入式中央控制設(shè)備組成，整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示。

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

① 整個(gè)系統(tǒng)硬件部分采用功能模塊化設(shè)計(jì)，當(dāng)某一功能模塊出現(xiàn)故障時(shí)，可以立即更換，從而不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行使用，使得系統(tǒng)整體具有高可靠性。

② 本系統(tǒng)硬件核心采用嵌入式設(shè)備，具有良好的抗干擾性,信號(hào)傳輸方式使用WiFi，使得系統(tǒng)具有控制覆蓋范圍廣、無需復(fù)雜的布線的優(yōu)點(diǎn)，保障了系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。

③ 該系統(tǒng)使用了操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)和多設(shè)備的同時(shí)管理，可以方便管理多種終端設(shè)備，使用者和管理人員在任何時(shí)間和地點(diǎn)都可以通過系統(tǒng)的IP來控制和檢測(cè)系統(tǒng)，突顯了該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、維護(hù)便捷的特點(diǎn)。該系統(tǒng)還預(yù)留了多種外設(shè)接口，使得系統(tǒng)的功能擴(kuò)展只需增加相關(guān)功能模塊，無需更換現(xiàn)有設(shè)備，避免了設(shè)備頻繁更換的問題，接口采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具有較大的擴(kuò)展性和兼容性。

2 主要硬件及軟件設(shè)計(jì)

主要硬件要求：系統(tǒng)的主要硬件是指嵌入式中央控制設(shè)備，能夠控制用于視頻的投影系統(tǒng)，用于提供音視頻信號(hào)的多媒體周邊設(shè)備。該硬件采用了由英國(guó)“Raspberry Pi 基金會(huì)”開發(fā)的Raspberry Pi開發(fā)板。它是一款基于ARM的微型電腦主板，使用Broadcom BCM2837芯片組，運(yùn)行頻率為1.2 GHz，64位4核ARM Cortex-A53、802.11 b/g/n 無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙4.1、雙核 Video core IV多媒體協(xié)處理器、1 GB LPDDR2存儲(chǔ)器、1個(gè)100以太網(wǎng)端口、1個(gè)HDMI 視頻、1個(gè)RCA音頻連接器、1個(gè)CSI 攝像機(jī)連接器、4個(gè) USB 2.0 端口、40個(gè)GPIO引腳、1個(gè)microSD 卡插槽。

圖2 LAMP網(wǎng)站架構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：在軟件的運(yùn)行環(huán)境上，該系統(tǒng)安裝了Raspbian操作系統(tǒng)。Raspbian是一個(gè)基于Linux的免費(fèi)開源操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)包含基本程序和工具，可以在Raspberry Pi開發(fā)板上運(yùn)行，并且Raspbian提供了超過35 000組軟件包，可以實(shí)現(xiàn)Raspberry Pi開發(fā)板的最佳性能。在此操作系統(tǒng)上，通過SSH和VNC可以很便捷地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和控制。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多種應(yīng)用功能還需要安裝好各種軟件，其中最重要的是搭建LAMP(Linux + Apache + MySQL + PHP)，這關(guān)系到此系統(tǒng)特有的教師個(gè)人BLOG、外接硬盤文件服務(wù)器和云存儲(chǔ)系統(tǒng)三種重要功能模塊的實(shí)現(xiàn)。LAMP網(wǎng)站架構(gòu)圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)的特色應(yīng)用功能

3.1 智能終端設(shè)備對(duì)嵌入式中央控制設(shè)備的無線遠(yuǎn)程控制功能

管理人員可以使用智能終端設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)登錄中央控制設(shè)備，通過VNC界面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)，掌握系統(tǒng)的內(nèi)存參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如需調(diào)整，可以通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程配置；當(dāng)教師使用遇到故障時(shí)，管理人員實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程硬件故障的診斷和軟件問題的處理，高效而便捷地解決各類使用問題。為了能夠使開機(jī)自動(dòng)引導(dǎo)VNC Server服務(wù)，需要在/etc/init.d文件夾下配置自動(dòng)執(zhí)行文件。 VNC自啟動(dòng)配置源代碼如圖3所示。

圖3 VNC自啟動(dòng)配置源代碼

3.2 教學(xué)課程網(wǎng)站功能

為了能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，本系統(tǒng)創(chuàng)新性地在本系統(tǒng)搭建了LAMP構(gòu)架，本構(gòu)架采用的服務(wù)器軟件是Apache，該軟件可以運(yùn)行在多種常見的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，由于其跨平臺(tái)性和安全性被廣泛使用，是目前使用最廣泛的Web服務(wù)器端軟件之一，其快速、可靠并且可通過簡(jiǎn)單的API擴(kuò)充，將多種常見的解釋器編譯到服務(wù)器中。

數(shù)據(jù)庫管理軟件選用的是MySQL，此軟件是目前流行的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。MySQL是一種關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)保存在不同的表中，而不是將所有數(shù)據(jù)放在一個(gè)大倉庫內(nèi)，這樣就增加了速度并提高了靈活性。MySQL所使用的 SQL 語言是用于訪問數(shù)據(jù)庫的最常用標(biāo)準(zhǔn)化語言。MySQL 由于其體積小、速度快、總體擁有成本低，尤其是開放源碼這一特點(diǎn)，由于其性能卓越，搭配 PHP 和 Apache 可組成良好的開發(fā)環(huán)境。網(wǎng)站設(shè)計(jì)上采用PHP語言。該語言主要適用于Web開發(fā)領(lǐng)域。PHP 獨(dú)特的語法混合了C、Java、Perl以及PHP自創(chuàng)的語法。它可以比CGI或者Perl更快速地執(zhí)行動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁。MySQL內(nèi)部數(shù)據(jù)圖如圖4所示，PHP網(wǎng)站測(cè)試圖如圖5所示。

圖4 MySQL內(nèi)部數(shù)據(jù)圖

圖5 PHP網(wǎng)站測(cè)試圖

在此基礎(chǔ)上可以輕易建立教學(xué)課程網(wǎng)站，教師可以在網(wǎng)站上發(fā)布課前預(yù)習(xí)、課后作業(yè)、實(shí)驗(yàn)安排等教學(xué)信息，學(xué)生可以在網(wǎng)上對(duì)教師留言、提問，教師解答問題的回復(fù)可以供所有同學(xué)參考，內(nèi)容和形式上如同一個(gè)課程的BLOG，無需精品課程網(wǎng)站需要那么多的硬件和軟件資源，簡(jiǎn)單的設(shè)置和設(shè)備要求使得更多教師和學(xué)生能夠方便、快捷地享用優(yōu)質(zhì)的教育資源，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。課程網(wǎng)站后臺(tái)管理圖如圖6所示。課程網(wǎng)站前臺(tái)運(yùn)行圖如圖7所示。

3.3 校園云存儲(chǔ)功能

現(xiàn)在很多教師和學(xué)生會(huì)使用公共云存儲(chǔ)的服務(wù)，存放和備份教學(xué)資源，但是校園內(nèi)一般使用校園網(wǎng)管理，訪問外網(wǎng)資源需要計(jì)算流量費(fèi)用，速度也較慢，本系統(tǒng)充分利用分布在教室內(nèi)的中央控制設(shè)備，搭建一個(gè)個(gè)云服務(wù)器，教師和學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)訪問該云存儲(chǔ)系統(tǒng)，能夠使用多種類型設(shè)備訪問，支持多人和群組使用，可以設(shè)置個(gè)人、群組分享，讓云存儲(chǔ)功能的使用十分便捷。此功能的實(shí)現(xiàn)采用了ownCloud。該軟件是一種自行托管的開源文件同步和共享服務(wù)器。和其它的同類服務(wù)一樣，也可以讓用戶訪問自己的文件、日歷、聯(lián)系人和其它數(shù)據(jù)，可以在自己設(shè)備之間同步任意數(shù)據(jù)或部分?jǐn)?shù)據(jù)并分享給其它人。然而比其它的解決方案更優(yōu)秀的是可以運(yùn)行在個(gè)人的服務(wù)器上。

圖6 課程網(wǎng)站后臺(tái)管理圖

圖7 課程網(wǎng)站前臺(tái)運(yùn)行圖

在數(shù)據(jù)的安全上，可以通過給教師和學(xué)生分配不同的訪問地址來管理云存儲(chǔ)用戶的登錄，同時(shí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是進(jìn)行加密的，即使管理員賬號(hào)也無法瀏覽云存儲(chǔ)內(nèi)部的數(shù)據(jù)，這樣存放在內(nèi)部的數(shù)據(jù)具有較高的安全性。云存儲(chǔ)配置源代碼如圖8所示。

圖8 云存儲(chǔ)配置源代碼

授課教師可以將自己課件、案例和作業(yè)等教學(xué)資源放在云存儲(chǔ)上，上課不必再攜帶移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，只需要在家中或辦公室將上述資源傳到云存儲(chǔ)即可，學(xué)生也不需要去教師電腦上拷貝資料，這樣使得資源的共享更加便捷又避免了計(jì)算機(jī)病毒的交叉?zhèn)鞑ァＪ褂弥悄芙K端登錄云服務(wù)器圖如圖9所示。

3.4 網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)功能

因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的中央控制設(shè)備采用了嵌入式結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)要滿足體積小、功耗低、價(jià)格廉等重要因素，所以存儲(chǔ)器上沒有選擇傳統(tǒng)的硬盤，特意選擇了SD卡作為外存。一般情況下，SD卡的容量可以滿足日常教學(xué)工作的需求，如果遇到特殊情況，存儲(chǔ)器容量不夠的情況下，也可以便捷地通過USB接口添加USB外接硬盤，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)附件存儲(chǔ)功能。

3.5 分布式存儲(chǔ)功能

在以往隨著教學(xué)活動(dòng)的進(jìn)行，安裝的軟件和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)不斷積累，考慮到數(shù)據(jù)的安全問題，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，這樣需要準(zhǔn)備一個(gè)大硬盤，把需要備份的數(shù)據(jù)存放在上面，或者使用自動(dòng)備份軟件，備份工作硬盤上的數(shù)據(jù)，這樣即使系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可以快速地回到過去的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)將數(shù)據(jù)恢復(fù)，缺點(diǎn)是需要準(zhǔn)備一個(gè)大的存儲(chǔ)硬盤。而分布式文件系統(tǒng)是一種可以讓文件通過網(wǎng)絡(luò)在多臺(tái)設(shè)備上共享的文件系統(tǒng)，可以讓多臺(tái)設(shè)備用戶分享存儲(chǔ)空間，該系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)某一設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)，還可以通過調(diào)用備份文件來繼續(xù)運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失的情況。

結(jié) 語

該套新型多媒體中央控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)設(shè)備相比有很多明顯的優(yōu)點(diǎn)，首先采用ARM構(gòu)架的嵌入式平臺(tái)，在滿足傳統(tǒng)多媒體教學(xué)功能的同時(shí)，極大地縮小了設(shè)備的體積，降低了設(shè)備的功耗；選擇無線網(wǎng)絡(luò)作為傳輸方式，實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備之間數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)的傳輸，免去了傳統(tǒng)設(shè)備繁雜的布線工程和維護(hù)工作。軟件方面采用的基本都是開源操作系統(tǒng)和開源軟件，避免了軟件授權(quán)費(fèi)用和盜版軟件的困擾，提高了整套系統(tǒng)軟件的安全性；通過加入互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，為傳統(tǒng)的多媒體中央控制系統(tǒng)增加了智能物終端設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能、教學(xué)課程網(wǎng)站功能以及網(wǎng)絡(luò)云存儲(chǔ)等其它功能，既豐富了教學(xué)手段又提高了教學(xué)效果。

圖9 使用智能終端登錄云服務(wù)器圖

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