基于软件中央控制器的多媒体教学系统实施方案

2012-08-16叶惠文柯铭健

华南师范大学学报（自然科学版） 2012年4期

叶惠文，柯铭健

(华南师范大学教育信息中心，广东广州510631)

随着学校的信息化广泛应用，多媒体教学系统逐步普及，有效地促进了教学改革，提高了教学质量和效率．目前应用的多媒体教学系统处于没有统一规范统一标准的局面．所使用的多媒体产品的标准都是厂家各自定义，中央控制器、通信格式和操作控制码各自为政，造成使用麻烦．由于多媒体教学系统对中控器非常依赖，且中控器内嵌了视音频切换和处理模块，无论系统配置前端或后端设备技术指标多高，最后显示还原的结果，只能达到中控器技术指标水平．无法满足某些学科或者某些技术特殊的功能室用户要求，如音乐专业学科对于音频要求较高;医学和艺术专业学科对图像色彩要求严格等等．

为了使学校建设的多媒体教学系统能实现设备互联互通，相互替换，中国教育技术协会2011年制定了《多媒体教学环境的工程建设规范》［1］，为开发多媒体教学系统设备提供了标准依据．本文提出一个以《多媒体教学环境的工程建设规范》(以下简称《工程建设规范》)为标准的基于软件中央控制器多媒体教学系统的实施方案．

1 多媒体教学系统背景

1．1 硬件中央控制器

多媒体教学系统中央控制器是在硬件上将音视频切换模块、VGA电脑信号切换模块、设备电源管理模块、电动屏幕控制模块、音色、音量处理模块、控制接口处理模块、电源模块、红外线编码和发射模块以及R232或R485通信接口集成一起，通过内嵌的控制软件，用户可用按钮式控制面板、触摸屏和无线遥控等设备，完成控制投影机、展示台、影碟机、录像机、卡座、功放、话筒、计算机、笔记本、电动屏幕、电动窗帘、灯光等设备的操作与控制的设备［2］．

1．2 软件中央控制器

所谓多媒体教学系统软件中央控制器就是用软件技术设计多媒体教学操控平台，通过互联网将依据《工程建设规范》［1］设计的各媒体设备集成一体;在应用中，用户可以根据多媒体教学系统所配置的设备功能，自行选择适合自己的操作控制，自定义控制界面，以实现多媒体教学系统控制操作、联动集成操控、嵌入新设备、新系统等功能，并能实现即插即用．

1．3 系统设计思路

基于软件中央控制器的多媒体教学系统，将原硬件的中控器所有集成的硬件模块分别设计成一个独立的、依据《工程建设规范》［1］的、具有 tcp/ip通信和系统自测、数字化信号采集功能的设备，然后用软件中央控制平台通过互联网方式将所有媒体设备级联一体，实现远程管理、远程控制、移动管理和控制［3］．这样，用户在建设多媒体教学系统时就可以根据专业教学的功能和技术需求，科学、合理选配各种档次的媒体设备组成系统，各专业教师可以根据教学实际自定义自己的操作界面，进行多媒体教学;同时，避免了升级或设备更新中必须满足原硬件中央控制器标准的弊端，提高系统可维护性．

2 基于软件中控器的多媒体教学系统框架结构

2．1 系统基本组成

基于软件中控器的多媒体教学系统由2部分组成．

2．1．1 硬件教学支撑系统基于软件由用户中央控制器多媒体教学系统的硬件组成比较灵活，根据学科专业教学需求而定，并可以随时增添，即装即用．

在硬件设计上，为了实现透明管理和远程操控管理，提高系统管理和服务的效率，提高系统的可靠性，各媒体设备通过内嵌的tcp/ip协议接口组件，依托互联网进集成一体，也可根据教学需求随时在线接入所需的设备，具备即插即用的效能;各媒体设备通过内嵌设备自动诊断检测和数字化信号采集组件，将检测和采集的各课室多媒体设备状态信息送往远程管理中心，管理人员可准确地了解设备的运行状态，提前发现问题，快速处理，避免教学事故，保证正常教学．

2．1．2 基于软件中央控制器多媒体教学系统结构

基于软件中央控制器的多媒体教学系统结构图中的课室多媒体教学系统(图1，虚线框图所示)由下列部件组成:

图1 基于软件中央控制器的多媒体教学系统结构Figure 1 The central controller based on software structure ofmultimedia education system

①课室多媒体互联网堆叠器．该设备由具有堆叠功能的网络交换机组成，将课室内部教学设备链接起来，构成一个内部子网，完成课室里所有多媒体设备的互联，并将多媒体设备采集数据［4］和控制操作信息交换到远程控制中心．此外，在外部网络断线情况下，完成内部网络的通信，以保障正常的教学进行．

②内嵌互联网接口的设备．所有接入系统的设备必须具有两个功能模块:基于tcp/ip协议的互联接口模块和系统检测、信号采集模块．加入这些功能的目的是能够将媒体的控制参数、工作状态以及设备运行信息传送到本地软件中央控制器和远程控制管理中心．

③课室软件中央控制器．它以计算机或者移动终端设备(pad或手机或pda设备)为载体，将控制操作软件嵌入在此类设备中．在教学过程中，教师可以使用计算机或移动终端进行控制，也可以由远程控制中心控制，必要时，还可以由课室管理技术员利用移动设备操控．

④移动管理终端设备．通过无线网络接收远程控制管理中心发来的所有课室的多媒体教学系统的设备状态和控制信息，管理人员随时地了解到各室设备的运行状况，对设备出现的故障或问题即时进行处理和提供远程控制服务［5］．

框图中的远程控制管理中心由计算机和服务器设备构成，将远程控制平台安装在这里．远程控制平台主要完成两个任务:各课室的多媒体教学系统操作控制、各种相关的数据收集和管理．这里数据包括课室安排、课室与上课教师的关联、各课室的媒体设备状态等．

2．2 软件服务支撑系统

软件服务系统是系统中最重要的部分，在《工程建设规范》的前提下，软件服务系统重点开发2个平台．

(1)基于互联网的、可远程服务与管理的可视化平台远程管理、移动管理和远程维护与服务是当今服务与管理的发展趋势．基于软件中央控制器的多媒体系统由于各设备都具有互联接口和通信能力，通过远程服务与管理平台可以将各设备的运行状态信息收集，给管理者或维护人员提供透明化运行图，即时发现运行中的系统问题，给用户提供超前式服务(在用户发现问题前就解决了故障)，提高服务质量;通过无线网络，实现移动式管理，大大减少维护与管理人员，提高效率;通过设备使用信息，清晰了解设备的使用频率和效率，各教师的使用习惯，为相关部门提供建设和升级系统制定计划依据．

(2)课室多媒体教学系统的软件中央控制器平台基于软件的多媒体教学中央控制器的开发可以引入虚拟技术，构建各教师个性化的虚拟桌面，或用户自由地定义自己的操控界面．用户可以根据专业和教学的需求，组合多媒体系统的硬件，如用户对音频要求比较高的，可以选择高档的音频处理设备来组合系统，不需传统的硬件中控器那样绑定公司自研的设备．在教学应用时，一旦教师通过刷卡确认身份后自动将操控桌面推送到课室．

3 系统的关键技术与特色

3．1 硬件关键技术

要通过互联网对教学设备实行远程控制(图2)，在硬件上需要决解2个关键技术:教学设备互联网通信接口和教学设备信号与参数采集的模块．

图2 基于软件中央控制器多媒体教学设备框图Figure 2 The central controller based on software ofmultimedia teaching equipment diagram

3．1．1 教学设备互联网通信本系统中所有设备的互联网通信接口(图3)，其中51单片机负责设备的数据采集和网络互联，在上电开机时，自动将传感器采集的信号数据读入进行分析，以判断系统是否正常;初始化处理时，自动将设备系统各控制状态参数读入，为远程控制提供依据．同时，使用串行E2prom作为IP地址存储器．

图3 教学设备互联网通信接口Figure 3 On teaching equipments internet communication interface

3．1．2 教学设备信号与参数采集的模块在多媒体学设备中主要采集的信号有4种类型:音频信号、视频信号、VGA信号和开关信号［6］．系统中对于视频信号采集同步信号分离法，即从复合视频信号中，采用放大、箝位、切割技术，将同步头分离出来，整形为“0”和“1”的信号;对于 VGA 信号，由于 R、G、B和同步信号分离独立传送，因此，可以直接从它的同步信号驱动线中取出，通过整形、转换处理，成为“0”和“1”的信号;在多媒体教学系统中，音频信号源较多，处理较为复杂．系统采用10位的A/D转换器进行采集，并在硬件上使用多路分时采集方式，进行各音频信号采集．

3．2 软件关键技术

基于软件中央控制器的多媒体教学系统中，主要是解决移动终端操作控制与管理软件嵌入技术和软件中控个性化操控的虚拟桌面技术问题．本系统的开发主要面向类似ipod和智能手机等方便携带的终端工具．目前这种工具主要使用的操作系统有Android和windowce等2大系统．因此，开发支持这2种操作系统的、内嵌于移动终端的软件模块成为技术的关键和特色．

为了方便管理，基于移动终端的软件又分为:移动管理和移动软件中央控制平台模块．移动管理主要为多媒体管理人员提供基于pod移动终端的软件，以方便管理员进行巡视式管理;移动软件中央控制平台主要是为教师提供基于pod移动终端的操控软件，以方便教师在教学过程中进行移动式讲学，提高师生教与学的互动性．

由于移动管理和移动教学的软件模块中，仍需要嵌入其它第三方应用软件，因此．系统引入虚拟桌面技术制定个性化的管理与操控桌面，以满足各学校、各教师的个性化的应用．