基于IP网络的多媒体教学控制系统

摘要 本文介绍了一种基于IP网络的远程设备控制系统。该系统基于计算机网络（IP网络），以Moxa公司的多串口服务器为核心，将多媒体教学中的各种设备如，录像机、VCD、功放音响系统、彩色摄像系统、电源系统、视音频矩阵等非网络设备纳入到计算机网络中，实现了基于IP网络的多媒体教学控制系统。 关键词 IP网络 非网络设备 串口服务器 虚拟设备 串口对象 传统的多媒体教学控制系统多采用专用网络，如RS485、CAN等来实现设备的远程控制，同时在控制中心采用集中控制器，教学现场采用专用单片机键盘进行教学节目的播放等操作。然而对于大型的多媒体教学系统，一方面有着更多的媒体设备，另一方面由于目前计算机在教学应用中的普及以及结构化布线系统的深入，几乎在每个教学现场都有计算机的使用或者至少具备计算机接入的网络接口，传统的集中控制器和专用网络存在显著的缺点，为了充分发挥计算机网络的优势和无缝整合各种媒体设备及资源，我们研发了基于计算机IP网络的多媒体教学控制系统实现大容量远程媒体设备的网络化实时控制和共享。 本系统通过教学现场的计算机触摸屏，将各种控制指令以TCP/IP协议包的形式发到教学控制中心，对控制中心的各种模拟制的媒体设备如录像机、VCD、录音卡座、等进行操控，或者直接通过网络申请服务器上的各种数字媒体资源播放到教学现场，同时在教学中也可以操作教学现场的摄像系统进行教学节目的录制或实况转播。 1、 系统组成 系统不采用传统媒体设备控制中的集中控制器的思路，而是采用各种独立的专业设备进行整合。比如对于录像机、VCD、录音卡座、功放等模拟制的媒体设备，我们研发了通用的红外遥控系统，该系统是一个独立设备，具备一个RS232接口和32条在系统（ISP）可编程红外遥控通道，可以同时对32种设备进行红外操控。对于视音频信号的分配我们采用了带RS232口32X32的专业视音频矩阵。考虑到系统的工作稳定和可靠，系统采用智能配电方式，由带RS485接口的8通道8X3KVA的固体继电单元取代传统的手动电源开关。对于彩色摄像系统，我们专门设计了复合了OSD、PTZ控制和云台解码的专业解码器。所有这些设备都通过一台Moxa的8串口服务器NPort Server，接入到计算机网络中。其系统组成图如图1所示： 在实际的系统中，共接入了8台录像机、8台VCD、4台录音卡座、4台功放、16台教室用电视机、9台控制中心的监控电视机、16部彩色摄像头、1台投影仪，16台计算机及若干远程键盘单元。所有的媒体设备在教学控制中心集中安装管理，并可以从每间教室共享和远程控制，由于设备的集中管理和统筹使用，设备的使用效率和寿命得到很大提高。 2、 主要技术 可以看到我们在系统中纳入了大量的非网络化设备，所有这些设备要通过IP网络进行远程控制和共享，需要从技术上进行一些处理，这些处理包括硬件层面的，也包括软件层面的。在硬件层面，第一步我们主要解决了非网络可控设备的智能接口，使一些如电视机、录像机等不能通过计算机直接控制的设备可以通过RS232/RS485进行控制，第二步将这些众多的RS232/RS485设备通过多串口设备接入计算机中；在软件层面，需要建立通用控制协议和虚拟设备模型来实现非网络设备的真正网络化。其中的主要技术将从以下几个方面进行阐述。 2.1 非网络设备的网络化 在多媒体教学应用中，甚至在许多会议、指挥调度的应用中都存在大量的传统视音频设备，这些设备比如录像机、VCD、电视机、投影仪、功放等，这些设备通常都不具备网络功能，也就是所谓的非网络设备；还有很多，如配电系统、灯光系统、电动屏幕等也属于非网络设备；对于带云台解码器摄像系统属于非IP网络的网络设备；一些专业视音频矩阵带有智能接口，属于智能设备，但主要还是基于键盘应用的多。所有这些设备都需要经过一定形式的转化才能纳入IP网络。一旦这些设备网络化后，就可以从网络的任何一个授权点进行有效的控制甚至共享。对不同的非网络设备在进行网络化时有不同的方式，在实际的整合应用中，我们可以对这些非网络设备进行分类，主要有两大类，网络可控和非网络可控设备。 如表1： 对于网络可控设备，只要接入计算机的串口，就可以通过计算机进行控制，而要实现基于IP网络的远程控制，还需要有一层应用网关，这个网关实际上是运行在一台计算机上的后台服务进程。 对于非网络可控设备的接入，需要从硬件上作一些处理，在实际的应用中，我们对于红外可控的AV设备，设计了通用的多通道红外控制器，和传统的集中控制器不同，我们的红外控制器是一个独立的设备，带有RS232口，每台设备支持8条可编程红外控制通道，通过内部级联，每一个RS232口最大支持32条红外通道。如图2所示： 图2 红外可控设备的入网处理方式 对于其它如电源配电、现场灯光等，纳入IP网络进行控制，是系统整合能力的体现，这一类的设备的控制，通常都是一些继电器开关型的控制，可以设计通用的智能开关单元来实现，在实际应用中，我们设计了8X3KVA的智能开关单元，通过RS485总线可以控制每一路固体继电器的开闭，还可以返回每一路开关的状态。如图3所示： 图3 电源配电系统的入网处理方式 2.2 串口服务器NPort Server 在将各种RS232/RS485设备纳入IP网络的设计中，可以有多种方式，一是采用多串口卡，这是一种基于计算机插槽的扩展卡，可以扩充计算机的串口数量，另外一种是独立的多串口设备，如Moxa的NPort Server Pro系列，这是一种工业型专用的设备联网服务器，可连接 8/16 台各种RS-232 设备到TCP/IP 以太网络，它采用Intel i960CA RISC 作为核心处理器，提供8/16条50 bps ~ 230.4 Kbps的RS232通道，同时具有10/100M自适应的以太网接口。在实际的应用中我们从以下1、系统弹性；2、安装方便；3主机容错等方面考虑选用了独立的8口NPort Server，作为RS232/RS485的接入设备。同时标准的19“机架型NPort Server和系统中的其它设备，如服务器、网络交换机、视音频矩阵、红外控制器等安装在一个独立的机柜中可以形成一个良好的局部运行环境，保证了设备的长期使用的稳定性。 由于部分设备是RS485接口，需要安装RS232/RS485转换器，对于一些远距离的RS232设备，如我们实际系统中的投影仪带RS232接口，但设备距离控制中心较远，为了保证通信的可靠性，我们采用一对RS232/RS485转换器来接入NPort Server。 2.3 软件方面的设计 设备接入计算机网络后，还没有真正实现网络化的概念，必须通过一个应用网关来实现设备的网络化，这个主要有几个方面的内容，一是虚拟设备模型、二是虚拟设备原语、三是设备控制协议。 虚拟设备模型，是应用网关实现的一组内存对象，该模型把具体设备、设备连接关系、通道属性、控制协议等封装成一个虚拟设备对象，不同的虚拟设备对象继承和实现不同的原语接口就形成各种类型的虚拟设备，如电视机、录像机等。远程客户端，通过虚拟设备原语操控虚拟设备对象，而完成对具体设备的操控，由于虚拟设备是动态可分配的，所以网络用户可以通过虚拟设备映像到控制中心所有的设备上，这一点和传统的多媒体教学控制系统有着本质的区别，也就是说在任何一间教室都可以通过该系统使用所有的媒体设备资源。虚拟设备模型如图4所示 图4 虚拟设备模型 虚拟设备是一个具有独立工作线程的对象，独立线程有助于提高系统对并发性控制的响应。虚拟设备原语，是一组采用C++定义的虚基类，每一种虚拟设备可以根据实际设备的功能和操作方法继承和实现相应的接口。 在具体的实现中，因为不是每一台虚拟设备都拥有一个实质的串口设备，比如在我们的系统中有很多的虚拟录像机、电视机等，它们都只能通过一个红外遥控设备进行控制，也就是说这些虚拟设备必须具有共享NPort Server串口通道的能力。在实际程序设计中串口对象是单独封装和管理的，虚拟设备将控制数据发到数据总线上，由数据总线根据标签转发给相应的串口对象，串口对象只负责转发数据。应用网关的软件结构大致如下图5所示： 图5 应用网关的结构 3、 串口对象的实现 串口对象，是系统开发中比较复杂和难以调试的一个部分，由于各种RS232接入设备对数据格式、波特率、校验有不同的需求，并且控制协议也有很大的不同，所以我们特别封装设计了串口对象，其模型如图6所示 图6 串口对象模型 实现串口对象时，可以采用平台提供的串口编程API，在我们的系统实现中采用的是Moxa公司提供的串口通信SDK包，它提供了一组非常明了的编程接口，可以迅速封装自己的串口对象。但在实现有几个需要注意的方面。首先，串口对象必须实现为线程安全的，这可以通过互斥（ Mutex ）或临界（ CriticalSection ）等手段来实现线程的同步。其次，收发线程是事件驱动的，无数据时线程处于挂起等待状态。第三，在数据包的处理上，应尽量避免大量的数据包拷贝工作。实际的系统中，我们的数据包实现为一个能自我销毁的对象。下面用形式语言给出一段发送线程的片断： . . PACK dp; loop: WaitEvent (INFINITE); // 线程在此阻塞，等待数据队列产生的非空事件