基于互聯(lián)網(wǎng)+技術的多媒體中央控制系統(tǒng)設計*

(安徽師范大學皖江學院，蕪湖 241000)

引 言

多媒體中央控制系統(tǒng)是指使用計算機技術以及通信網(wǎng)絡技術實現(xiàn)控制多媒體信息的一種系統(tǒng)。系統(tǒng)采用先進的信息技術，將多媒體信息通過多種信息展示給學習者，同時增加與學習者之間的交互，從而使學習者充分了解和體驗多媒體中央控制系統(tǒng)展示的信息內(nèi)容，達到深刻學習的目的。

本系統(tǒng)主要由以下4個部分的內(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，可以實現(xiàn)實時任務調(diào)度功能、多媒體信息轉換功能以及實現(xiàn)支持多種外部設備的驅動程序和控制。

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

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

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

隨著信息技術的蓬勃發(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、硬件設備等。隨著媒體類型的不斷增加，外接設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訌碗s，極大增加了設備的安裝、維護成本。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版，第二代的數(shù)字式單機版，第三代的網(wǎng)絡版集中式，本文在以往三代多媒體中央控制系統(tǒng)的基礎上提出一種基于互聯(lián)網(wǎng)+技術的新型嵌入式多媒體中央控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)。

1 嵌入式無線網(wǎng)絡多媒體中央控制系統(tǒng)的結構

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

圖1 系統(tǒng)的功能結構圖

系統(tǒng)采用“智能終端設備-無線網(wǎng)絡設備-嵌入式中央設備-多媒體教學設備”設計方案，主要由無線網(wǎng)絡設備與嵌入式中央控制設備組成，整個系統(tǒng)如圖1所示。

該系統(tǒng)的設計具有以下三個優(yōu)點：

① 整個系統(tǒng)硬件部分采用功能模塊化設計，當某一功能模塊出現(xiàn)故障時，可以立即更換，從而不會影響整個系統(tǒng)的運行使用，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備，具有良好的抗干擾性,信號傳輸方式使用WiFi，使得系統(tǒng)具有控制覆蓋范圍廣、無需復雜的布線的優(yōu)點，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)，可以實現(xiàn)多任務和多設備的同時管理，可以方便管理多種終端設備，使用者和管理人員在任何時間和地點都可以通過系統(tǒng)的IP來控制和檢測系統(tǒng)，突顯了該系統(tǒng)操作簡單、維護便捷的特點。該系統(tǒng)還預留了多種外設接口，使得系統(tǒng)的功能擴展只需增加相關功能模塊，無需更換現(xiàn)有設備，避免了設備頻繁更換的問題，接口采用國際標準的USB設計，系統(tǒng)具有較大的擴展性和兼容性。

2 主要硬件及軟件設計

主要硬件要求：系統(tǒng)的主要硬件是指嵌入式中央控制設備，能夠控制用于視頻的投影系統(tǒng)，用于提供音視頻信號的多媒體周邊設備。該硬件采用了由英國“Raspberry Pi 基金會”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)、藍牙4.1、雙核 Video core IV多媒體協(xié)處理器、1 GB LPDDR2存儲器、1個100以太網(wǎng)端口、1個HDMI 視頻、1個RCA音頻連接器、1個CSI 攝像機連接器、4個 USB 2.0 端口、40個GPIO引腳、1個microSD 卡插槽。

圖2 LAMP網(wǎng)站架構圖

系統(tǒng)軟件設計：在軟件的運行環(huán)境上，該系統(tǒng)安裝了Raspbian操作系統(tǒng)。Raspbian是一個基于Linux的免費開源操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)包含基本程序和工具，可以在Raspberry Pi開發(fā)板上運行，并且Raspbian提供了超過35 000組軟件包，可以實現(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可以很便捷地實現(xiàn)遠程訪問和控制。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的多種應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)，這關系到此系統(tǒng)特有的教師個人BLOG、外接硬盤文件服務器和云存儲系統(tǒng)三種重要功能模塊的實現(xiàn)。LAMP網(wǎng)站架構圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)的特色應用功能

3.1 智能終端設備對嵌入式中央控制設備的無線遠程控制功能

管理人員可以使用智能終端設備通過無線網(wǎng)絡登錄中央控制設備，通過VNC界面對整個系統(tǒng)進行實時監(jiān)測和控制。遠程監(jiān)測系統(tǒng)設備的工作狀態(tài)，掌握系統(tǒng)的內(nèi)存參數(shù)、網(wǎng)絡參數(shù)，如需調(diào)整，可以通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程配置；當教師使用遇到故障時，管理人員實現(xiàn)遠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。為了能夠使開機自動引導VNC Server服務，需要在/etc/init.d文件夾下配置自動執(zhí)行文件。 VNC自啟動配置源代碼如圖3所示。

圖3 VNC自啟動配置源代碼

3.2 教學課程網(wǎng)站功能

為了能夠實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+技術，本系統(tǒng)創(chuàng)新性地在本系統(tǒng)搭建了LAMP構架，本構架采用的服務器軟件是Apache，該軟件可以運行在多種常見的計算機平臺上，由于其跨平臺性和安全性被廣泛使用，是目前使用最廣泛的Web服務器端軟件之一，其快速、可靠并且可通過簡單的API擴充，將多種常見的解釋器編譯到服務器中。

數(shù)據(jù)庫管理軟件選用的是MySQL，此軟件是目前流行的關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。MySQL是一種關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，關系數(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)庫的最常用標準化語言。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，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)站設計上采用PHP語言。該語言主要適用于Web開發(fā)領域。PHP 獨特的語法混合了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)行動態(tài)網(wǎng)頁。MySQL內(nèi)部數(shù)據(jù)圖如圖4所示，PHP網(wǎng)站測試圖如圖5所示。

圖4 MySQL內(nèi)部數(shù)據(jù)圖

圖5 PHP網(wǎng)站測試圖

在此基礎上可以輕易建立教學課程網(wǎng)站，教師可以在網(wǎng)站上發(fā)布課前預習、課后作業(yè)、實驗安排等教學信息，學生可以在網(wǎng)上對教師留言、提問，教師解答問題的回復可以供所有同學參考，內(nèi)容和形式上如同一個課程的BLOG，無需精品課程網(wǎng)站需要那么多的硬件和軟件資源，簡單的設置和設備要求使得更多教師和學生能夠方便、快捷地享用優(yōu)質的教育資源，促進教學質量的提高。課程網(wǎng)站后臺管理圖如圖6所示。課程網(wǎng)站前臺運行圖如圖7所示。

3.3 校園云存儲功能

現(xiàn)在很多教師和學生會使用公共云存儲的服務，存放和備份教學資源，但是校園內(nèi)一般使用校園網(wǎng)管理，訪問外網(wǎng)資源需要計算流量費用，速度也較慢，本系統(tǒng)充分利用分布在教室內(nèi)的中央控制設備，搭建一個個云服務器，教師和學生可以實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)訪問該云存儲系統(tǒng)，能夠使用多種類型設備訪問，支持多人和群組使用，可以設置個人、群組分享，讓云存儲功能的使用十分便捷。此功能的實現(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器。和其它的同類服務一樣，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)，可以在自己設備之間同步任意數(shù)據(jù)或部分數(shù)據(jù)并分享給其它人。然而比其它的解決方案更優(yōu)秀的是可以運行在個人的服務器上。

圖6 課程網(wǎng)站后臺管理圖

圖7 課程網(wǎng)站前臺運行圖

在數(shù)據(jù)的安全上，可以通過給教師和學生分配不同的訪問地址來管理云存儲用戶的登錄，同時存儲的數(shù)據(jù)是進行加密的，即使管理員賬號也無法瀏覽云存儲內(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。云存儲配置源代碼如圖8所示。

圖8 云存儲配置源代碼

授課教師可以將自己課件、案例和作業(yè)等教學資源放在云存儲上，上課不必再攜帶移動存儲設備，只需要在家中或辦公室將上述資源傳到云存儲即可，學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算機病毒的交叉?zhèn)鞑?。使用智能終端登錄云服務器圖如圖9所示。

3.4 網(wǎng)絡附加存儲功能

因為本系統(tǒng)的中央控制設備采用了嵌入式結構，在設計時要滿足體積小、功耗低、價格廉等重要因素，所以存儲器上沒有選擇傳統(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工作的需求，如果遇到特殊情況，存儲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，實現(xiàn)網(wǎng)絡附件存儲功能。

3.5 分布式存儲功能

在以往隨著教學活動的進行，安裝的軟件和存儲的數(shù)據(jù)會不斷積累，考慮到數(shù)據(jù)的安全問題，需要對數(shù)據(jù)進行備份，這樣需要準備一個大硬盤，把需要備份的數(shù)據(jù)存放在上面，或者使用自動備份軟件，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時間點將數(shù)據(jù)恢復，缺點是需要準備一個大的存儲硬盤。而分布式文件系統(tǒng)是一種可以讓文件通過網(wǎng)絡在多臺設備上共享的文件系統(tǒng)，可以讓多臺設備用戶分享存儲空間，該系統(tǒng)的最大優(yōu)點是，當某一設備出現(xiàn)問題時，還可以通過調(diào)用備份文件來繼續(xù)運行，不會出現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失的情況。

結 語

該套新型多媒體中央控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)設備相比有很多明顯的優(yōu)點，首先采用ARM構架的嵌入式平臺，在滿足傳統(tǒng)多媒體教學功能的同時，極大地縮小了設備的體積，降低了設備的功耗；選擇無線網(wǎng)絡作為傳輸方式，實現(xiàn)多種設備之間數(shù)據(jù)信號和控制信號的傳輸，免去了傳統(tǒng)設備繁雜的布線工程和維護工作。軟件方面采用的基本都是開源操作系統(tǒng)和開源軟件，避免了軟件授權費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，為傳統(tǒng)的多媒體中央控制系統(tǒng)增加了智能物終端設備的遠程控制功能、教學課程網(wǎng)站功能以及網(wǎng)絡云存儲等其它功能，既豐富了教學手段又提高了教學效果。

圖9 使用智能終端登錄云服務器圖

[1] 李廷.計算機信息技術存儲平臺的開發(fā)與應用[J].電子技術與軟件工程,2017(23):146.

[2] 黃根勇.應用TMS320DM8168數(shù)字媒體處理器的視頻服務器設計[J].電子技術與軟件工程,2017(23):177-178.

[3] Jun-feng Zhang.Study on Intelligent Terminal System Based on Andriod for Distance Learning[C]//Proceedings of Joint International Information Technology,Mechanical and Electronic Engineering Conference (JIMEC 2016),2016.

[4] Bo Kong.A Novel Hybrid Distributed Storage Strategy for Space Information Network[C]//IEEE Beijing Section,Global Union Academy of Science and Technology,Chongqing Global Union Academy of Science and Technology.Proceedings of 2016 IEEE Advanced Information Management,Communicates,Electronic and Automation Control Conference(IMCEC 2016),2016.

[5] Xiaolong Xu,Jinglan Zhou,Xinheng Wang,et al.Multi-authority proxy re-encryption based on CPABE for cloud storage systems[J].Journal of Systems Engineering and Electronics,2016,27(1):211-223.

[6] Hua Kang.Mobile Terminal Service Platform on Intelligent Campus[C]//Singapore Management and Sports Science Institute,Singapore.Information,Business and Management (Lecture Notes in Management Science Volume 49),2015.

[7] 楊照清.模塊化多媒體網(wǎng)絡中央控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].大連:大連理工大學,2015.

[8] 劉和連.多媒體教室網(wǎng)絡智能化中央控制系統(tǒng)的設計與建設[J].中國醫(yī)學教育技術,2015,29(2):157-161.

[9] 王永國,王碩,趙海洲.基于ARM11處理器的多媒體教學網(wǎng)絡中央控制系統(tǒng)設計[J].電子技術與軟件工程,2014(19):143.

[10] 王碩.多媒體教室無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的結構設計[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2014,13(16):69-70.