集中式、网络化数字校园解决方案

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第一部分：系统概述

1.1:系统概述：

       近年来，随着网络技术和产品的不断成熟，学校对校园网络的大力投入，学校都具备了相当好的校园网络环境，如何利用好现有的网络资源，使投入获得最大的回报是今后校园建设考虑的一个重点。我们根据教学特点与现代化校园建设的要求，联合了网络视频服务器厂商、硬盘录像机厂商、流媒体课件软件开发商，结合我们的网络中控技术，提出了集中式、网络化数字校园方案，该方案集合了：网络技术、嵌入式技术、流媒体技术、视音频压缩技术、环境控制、软件应用技术等技术于一体，它不是将一些设备进行简单的叠加、连接，而是将现有的成熟的先进技术以最优的性能价格比合理地应用到系统工程中，使竣工后的学校成为智能化、网络化、教学管理自动化的的综合学校。集中式、网络化数字校园方案的设计是以校园网为核心，体现集中式的理念，她主要涵盖如下几个子系统：

网络教学管理系统（核心技术是：网络中控）

网络中控设备管理
非接触IC卡结合课程表的自动化教学管理
网络监控系统（核心技术是：网络视频服务器 / 硬盘录像机）
网络远程监控
硬盘录像/回放
电视墙
网络通讯系统（核心技术是：网络中控 / 网络音频压缩传输）
语音网络报障对讲
语音网络广播
手机短信报警
网络教学应用系统（核心技术是：流媒体课件）
精品课程录播系统
集中式课件录播系统
非线性课件编辑系统
学习管理系统
网络视频直播系统（核心技术是：视音频压缩板卡）

1.2：系统组成及网络结构：

集中式、网络化数字校园系统结构图：

 

 

 

系统特点：

所有功能均在总控制室实现，实现真正的集中式管理；

所有功能利用原有的校园网，无需重新布线；

国内首创“整合软件”概念，各系统除了独立运行外，还提供一个总控制软件，所有的子系统功能均可以在一个总控制软件界面下操作、控制实现；

系统网络结构如图：

 

 

1.3：总控制软件：

       集中式、网络化数字校园的各个子系统大部分既不是一个单纯的硬件系统，也不是一个单纯的软件系统，而是两者的结合；如果仅仅将各个子系统拼凑起来。管理老师将会面对很多软件，使用起来既不方便也不科学。奕星公司创造性的提出“整合软件”概念，也就是在不影响各个子系统正常工作的前提下，采用一个“总控制软件”将所有子系统都管理起来，通过总控制软件，可以实现

1)设备的远程控制和管理；

2)课程表和IC卡的管理；

3)控制课件录播；

4)网络视频监控；

5)网络IP语音对讲和广播； 

6)手机短信报警；

7)网络视频直播；

       总控制软件仅仅对各子系统进行控制和管理，并不是实现所有子系统功能，比如课件录播，它需要课件录播服务器和软件进行录播，总控制软件只是进行“启动”“停止”的控制！再如网络视频监控，它仍需要一台网络视频监控服务器进行不间断的录制，总控制软件只是从网络上获取教室的图象数据，使控制管理更简单！网络视频直播仍需要一台直播服务器，总控软件只是实现控制教室端电脑接收网络视频信号。

1.3.1 总控制软件界面

 

 

1.3.2 多画面教室电脑桌面监控

       首创的“多画面教室电脑监控”功能，可以在多画面的模式下监视教室端电脑桌面，这样教室的使用情况是上课、玩游戏、上网、播放DVD，一目了然！另外在我们进行网络视频直播时，可以作为对网络视频直播接收的监视。

灵活的画面设置：

       总控制软件可以分别设置楼层显示的画面数目，根据楼层教室数目的不同选择9画面/16画面/25画面显示，楼层教室少的可以选择9画面，这样教室的电脑桌面监视画面更大些，教室较多时可以选择25画面。

自适应画面传送：

       教室端电脑在总控制软件显示大画面时传送大图，显示小画面时传送小图，而且在多画面的监控状态下，教室端电脑仅仅0.5秒才传送一幅桌面图片给总控制软件，不会过多占用网络带宽，而且总控电脑的CPU占用率也很低，大约20%。

1.3.3 无缝兼容视频监控软件

       一般的总控制软件和视频监控软件是分开的两个软件，在远程控制的时候如果要看视频监视画面需要进行软件切换，奕星首创的总控制软件和视频监控软件的无缝兼容功能，在总控软件只需切换到“视频模式”就可以看到视频监控画面，而且软件还兼容硬盘录像机和视频服务器两种视频监控模式。

 

(总控制软件：视频监控模式)

 

1.3.5 总控制软件课程表管理

       总控制软件的课程表管理系统并不是排课系统，而是将排课系统排好的课程表下载到教室读卡机，使读卡机根据课程表进行管理 。以前总控制软件对课程表管理的支持只是提供“周课表”，有很大的局限性，比如不能支持单/双周，不能支持规律不明显的选修课等。现在我们设计的课程表是一学期（30周）课程表，不管课程表多么复杂都可以体现。

       课程表的填写实际上就是填授课老师的名字，软件支持只需要在课程上双击，就会弹出“教师基础数据库”，我们只需在教师基础数据库上选择即可，无需输入教师的名字；另外由于教师库中的老师会有几千个，我们提供姓名拼音的索引方式，方便找到老师，如上述界面，我们要选择“陈程”，只需输入“CC”，软件就会找到具有相同姓名简拼的名字，输入非常方便。由于课程表的重复性很高，除了课程表很方便填写以外，我们还提供了很强的“复制”功能。 

       课程表主要是为了下载到教室端读卡机，让读卡机根据课程表进行管理，所以软件有很强的下载功能，有从AAA周至BBB周的批量下载以及从星期一到星期天的当天的即时下载，满足临时授权的要求。

       课程表数据最好是直接从排课系统由软件自动获得，但由于现在排课软件没有一个统一的接口标准，因此要实现课程表自动化，需要根据单位的要求进行二次开发，开发时排课系统软件商需要跟我们协商一个接口数据格式，方便两个软件的数据交互。

       课程表下载到读卡机后，读卡机是脱网进行管理的，除非需要调课，才需要网络进行重新下载！管理有很高的可靠性。

1.3.6 总控制软件功能模块

 

 

1.3.7 兼容性设计__网络指令翻译文件

       总控制软件是开放性设计的，有很好的兼容性，远程控制是基于网络指令的方式实现，我们定义了50条网络指令，包括“系统开/关”、“投影开/关”、“远程开锁”等，其它网络中控也是需要实现上述功能，如果在我们总控制软件控制的教室中有其他品牌的网络中控，只要我们相应的按照该品牌的指令进行发送，就可以实现相同的功能（如开投影），我们根本感觉不到那是别的品牌的中控，实现无缝兼容！当然前提需要了解其它品牌中控的网络指令，并作出翻译。我们设计了一个网络指令翻译工具，界面如图：

第二部分：网络教学管理系统

2.1：功能描述：

       通过网络中控，使得在总控制室即可以实现对各分教室设备的集中管理，功能包括：

1)多媒体教室设备远程监控：

具有远程“监视”功能：总控制室可以以9画面/16画面/25画面的方式远程监看教室端的电脑画面和教室端的监控视频画面，教室情况一目了然；

具有远程“设备控制”功能：总控室可远程控制教室设备；包括控制台电子锁开关，中控机复位，电脑启动/关闭，投影机开关，屏幕升降，教室设备的信号切换；

具有远程“电脑控制”功能：总控室可远程控制教室电脑的鼠标、键盘和远程关机，可以跟教室端电脑进行网络短信通讯；

具有远程“实时状态监测”功能：教室的中控机采集本教室设备的使用信息（包括：设备供电状态、投影开关状态、投影丢失状态、控制台柜门开关状态、电脑开关状态等）即时上传到总控室并直观地显示；

“批处理”控制功能：可以同时完成多个多媒体教室的远程控制，如同时打开多间教室的控制台柜门；

“自检”功能：启动自检程序在几分钟内完成上百间教室的设备监控检测，采集各投影机灯泡使用时间数据并以数据列表的形式显示检测报告；

2)非接触IC卡结合课程表的自动化教学管理

非接触IC卡兼容校园“一卡通”卡：教学管理自动化的依据是课程表，实现手段是IC卡，校园“一卡通”卡只需经过简单的“注册”即可在管理系统上使用，无需专门定制；

IC卡的分级别管理： IC卡可分为：“管理员卡”（万能卡）---不受时段、教室限制的校园卡；“用户卡”---按授权时段、指定教室方可使用的校园卡；“临时卡”---由教室管理中心临时发给的仅在指定时段、指定教室使用的校园卡；

“教学专用”的读卡机：不采用普通门禁的非接触卡读卡机，而是自主研发的教学专用读卡机，读卡机上带有实时时钟，可以根据课程表的上课时段进行精确的管理，带有大容量存储器，可以存30周的课程表和3个月的刷卡记录；

“网络”读卡机：可以通过网络对读卡机下载数据，校准时间及IC卡挂失；

脱网使用：课程表或教师数据下载到读卡机后，读卡机即可以进行自动化的管理操作，即便网络出现故障，也不影响管理、使用；

“基于课程表”的自动化管理：读卡机可以根据下载的课程表，当有课时自动开启系统设备（自动运行），或者允许有课老师的校园卡，刷卡开启系统设备；

“基于教师”的自动化管理：读卡机可以下载保存所有教师的校园卡号，这样仅老师的校园卡可以开启系统设备，学生的校园卡则不起作用；

灵活的课程表录入：管理系统支持方便的手工、多人同时录入30周课程表，也可以为学校定制开发从排课系统自动导入课程表，进行管理使用；

 

2.2：网络中控系统结构：

       控制原理及系统结构图如下：

 

       总控制室的管理端电脑通过校园网将控制指令以TCP/IP协议包的方式传送到教室中控网络（接入）模块（如图是带视频监控的网络模块），再由教室中控的网络模块将收到的TCP/IP协议包转成中控主机能识别的RS232串口指令，最后由中控主机完成对教室多媒体设备的控制。

       另一方面，网络模块收集中控的一些重要状态的检测数据（如系统供电、投影开关、防盗状态等），当管理端电脑发出查询指令时，将状态数据转成IP包发给管理端电脑，实现管理端电脑的状态显示。

       网络中控IP联网方式，充分利用了现有的电脑网络资源，只要能连上校园网即可实现控制，没有位置的概念，通过总控制软件平台真正实现“远在千里，控在指间”。

       系统采用模块化设计，如上图，网络模块选用带视频监控的网络模块，则系统将具有网络视频监视功能；接入IC卡读卡机，系统即具有IC卡自动化管理功能；接入IP对讲模块则具有IP报障对讲功能。

2.3：系统主要组成介绍：

2.3.1：YX6000集中控制系统

       Yx6000集中控制系统是奕星公司推出的新一代集中控制系统，该系统在可靠性、兼容性、网络应用等方面都进行了独特的设计，如图：

(YX6000网络中控实物图)

规格参数：  

6路电源管理；

4选2视音频矩阵；

3选2VGA矩阵；

两路麦克风输入；

两路数控调音；

6路红外输出，内置红外学习；

内置220V电源检测；

内置投影开关检测；

内置投影回路检测防盗电路；

一路网络接口；

五路串口，其中一路可编程；

电容感应式触摸设计，防尘、防水，无限次按键寿命；

网络设计特点：

1：真实工作状态检测的设计:

       内置220V电源检测，投影开关检测（通过检测投影机工作电流判断投影机开关状态），以便联网时向总控制室传送真实的教室设备状态；

 

2：真实投影灯泡工作计时的设计:

       类似于汽车的里程计，当检测到投影开时进行计时，投影关时停止计时，并在联网时将教室投影灯泡使用时间传送给总控制室；

3：投影防盗的设计:

       VGA线接上投影时，信号形成回路，当VGA线脱离投影时，信号回路断开，控制系统通过判断回路的通/断来进行投影机的防盗报警，在联网时将报警信号传送到总控制室；

（注：投影机不供电时，回路检测仍然有效）

 

（带视频监控网络模块YXNET500AVIP两面，及网络接入核心板图）

 

YXNET500AVIP主要网络（接入）功能/性能指标：

网络模块采用32位ARM嵌入式CPU实现TCP/IP协议；

网络模块采用实时Linux操作系统，支持并发访问； 

支持模块网络搜寻功能，可以在网络上对接入模块进行搜寻以及对模块的IP地址、端口号、通讯协议等进行远程设置，方便安装调试；

内置一进四出电脑网络交换机；

四路防盗输入（维修门防盗/使用门防盗/投影防盗/展示台防盗）；

两路状态输入（设备供电状态/投影开关状态）；状态通过YXNET的RJ45口从中控主机获得；

两路电脑控制短路开关输出（电脑电源短路开关/电脑复位短路开关）

一路报警短路开关输出（防盗报警时短路）

内置网络视频服务器，具有网络视频监控功能；

内置IP对讲驱动电路（与IP对讲机配合完成远程IP报障对讲）；

内置一路可编程232口和可编程485口，用于驱动云台或其他扩展设备；

2.3.3：非接触式IC卡机YXIRIC100

       使用IC卡进行教学管理主要是依靠先进的IC卡技术，实现前台“自助式”使用和后台的远程管理；IC卡和普通钥匙相比，具有不可复制性和可编程性，采用IC卡进行教学管理，可以提高整个教学管理水平。只需要经过简单的注册，学校现有的“校园一卡通卡”即可在教学管理系统中使用。

       YXIRIC100非接触IC卡读卡机是奕星公司专门为教学IC卡管理而设计的非接触IC卡读卡机，可以读写S50、S70卡，该读卡机设计有时钟（有后备电池以防掉电），有大容量存储器可存储一学期（30周）课程表信息，读卡机外形和结构框图如图：

 

YXIRIC100非接触IC卡读卡机有四种工作模式：

1)试运行模式：用于学校新建初期，网络没有联通，管理数据无法通过网络下载到读卡机，但中控单机仍需要运行的场合，这种情况下，只要是系统能识别的IC卡均能开启系统；

2)网络课表运行模式：当课程表通过网络下载到读卡机以后，只有有课的老师的IC卡才能开启系统；（老师有课才能使用，有时间限制）；

3)自动运行模式：这种模式读卡机不读卡，而是当课程表通过网络下载到读卡机以后，读卡机自动根据课程表的安排，有课的时候自动开启系统，下课自动关闭系统；

4)教师管理模式：把所有教师的IC卡号通过网络下载到读卡机以后，只有老师的IC卡可以开启系统；（老师使用没有时间限制，是对网络管理模式的一种简化）；

兼容“校园一卡通”原理：

       “校园一卡通”用在食堂、图书馆等需要身份识别或消费的地方，有其独立的一套软/硬件系统，跟我们使用的教学管理的IC卡读卡机不是一个系统，要“兼容”并不是系统的完全兼容，只是大家使用同一个载体（同一张IC卡）！但校园卡由于能用于消费，有电子货币，所以卡是加密的，我们无法读/写！怎样共用呢？其实所有IC卡有一个公开的只读扇区（0扇区），里面有IC卡的物理编号，这是IC卡厂商出厂时固化的，而且编号是唯一的！我们的基于IC卡教学管理系统就是利用IC卡的物理编号作为控制的“钥匙”，这样就实现了IC卡教学管理系统跟“校园一卡通”使用同一张卡的兼容。

YXIRIC100非接触IC卡读卡机工作原理：

读卡机配有大容量存储器，存储空间分为三个区，

管理卡存储区：可以存储48个管理卡号；

网络课表区：可以存3000个卡号（将近30周的课表）；

刷卡记录区，可以存1000个卡号（将近三个月的刷卡记录）；

        当发生一个刷卡动作时，读卡机程序首先在管理卡存储区进行卡号匹配，若找到匹配的卡表明这是一张管理卡，执行“系统开”动作；若不是管理卡则读卡机程序继续到网络课表区进行匹配，如果读卡机工作在“网络课表运行模式”，则根据读卡机当前时间，算出当前授课的卡号在网络课表区的位置，取出该卡号跟刷卡的卡号匹配，匹配表示是合法老师刷卡，执行“系统开”动作；如果读卡机工作在“教师管理模式”，则对网络课表区存储的卡号进行一一匹配，找到匹配的表示是老师卡，执行“系统开”动作；若没找到匹配，表示是非法卡，不予理会。

 

第三部分：网络监控系统（视频服务器方案）

3.1：功能描述

       数字监控系统通过多媒体教室端的一台嵌入式视音频压缩编码服务器进行现场画面采集及通过局域网或广域网实现高达25帧的动态远程视频图像传输。服务器完全脱离PC平台，采用嵌入式实时多任务操作系统（Vxwork）和特别针对多媒体处理而设计的可编程高速数字信号处理器（DSP），系统的稳定性、可靠性大大提高；不会受到计算机病毒危害；系统采用先进的H.264音、视频压缩算法，使得图像传输更加流畅并且显示更加清晰细腻；它内置WEB服务器,视频摄像机的管理、配置和监控等功能都很容易通过浏览器（Internet Explore）来完成,操作简单方便。系统功耗低，可以常年不间断运行。同时，内置硬件看门狗，具备系统异常重起功能，彻底杜绝死机。

       总控制室端采用电脑进行网络视频监控的录制和回放，采用电脑+多头显卡实现电视墙的功能。

网络视频监控具备以下功能：

嵌入式实时多任务操作系统（Vxwork）和嵌入式处理器，完全脱离PC平台，系统执行效率高，系统和监控服务器程序全部固化在FLASH中，比windows的系统更加稳定可靠；

视频服务器采用标准H.264视频压缩格式，标准MP3音频压缩格式。

视频服务器支持D1（720*576）到CIF（352*288）分辨率

视频服务器内置Web Server，全面支持IE浏览器监视、配置和升级，操作简单、方便。

视频服务器支持动态的码率控制，保证Internet上实时传输。

视频服务器支持双向语音对讲

用户管理支持三级密码。

报警输入输出可支持移动侦测、日期、时间、事件触发。

支持本地录像 (文件可直接由Microsoft MediaPlayer播放，无须安装其他软件), 支持图像屏蔽, 支持电子地图。

支持多头显卡，通过多头显卡，一台高配置电脑可以联结2/4台显示器。

根据需要，视频服务器可配置两路D1（720*576）到CIF（352*288）分辨率的视频压缩，用于课件录制拍摄老师和同学的场景。

3.2：网络监控系统结构图

 

 

       注：摄像机可以采用一体化摄像机，也可用普通摄像机外加云台和解码器，带视频监控的网络模块提供232或485的云台控制接口，电视墙上一台显示器接一个多画面分割服务器，多画面分割服务器完成监视画面的多画面分割显示和视频录像。多画面分割服务器最多工作在16画面，可以采用轮巡的方式增加监控的画面数量。几个多画面分割服务器采用一个鼠标、键盘共享器共享一个鼠标和键盘进行控制管理。

3.3：系统主要组成介绍

3.3.1 带视频监控网络模块视频服务器核心板

 

 

视频服务器核心板说明：

使用美国军方采用的Vxwork实时操作系统，和嵌入式处理器(DSP)，完全脱离PC平台，比windows的系统更加稳定可靠；

在快速活动画面下，画面清晰度是同类产品最好。

在256K低带宽下传输，图像质量是同类产品最好。

内置Web Server，全面支持IE浏览器监视、配置和升级，操作简单、方便。

画面延时：<200ms

3.3.2 实时监控软件RealWord

       网络监控管理软件采用分布式的系统构架，C/S体系结构，基于TCP/IP网络平台。目前该监控管理软件能够管理80路通道，支持电子地图；界面简洁、操作方便。预览、查询、录像、报警回放等功能全备。

 

 

       管理软件单屏幕显示最多16画面，可编辑5页面，所以管理软件能够管理80路通道。可根据需要手动切换页面，也可设置自动切换页面的方式轮询已连接各个通道。

3.3.3 电视墙

电视墙实例说明：

 

 

电视墙内部设备图说明：

 

       网络视频监控电视墙每个监视器需要配一个多画面分割服务器，多画面分割器一般工作在9画面或16画面，画面太少（小于9画面）会浪费资源，画面太多（多于16画面）远距离会看不清晰。每个多画面分割器除了显示分割功能外还负责对所显示的画面进行不间断录像。对多画面分割器的控制我们采用鼠标/键盘共享器将所有多画面分割器的鼠标/键盘口连接在一起，共用一个鼠标/键盘，控制时通过共享器的按钮选择多画面分割器进行控制。

3.3.4 视频监控录像

       由于网络带宽的限制，在监控点比较多的情况下，一般选择视频监控的最高带宽为256K是比较适合的，由于我们采用H.264的压缩算法，当画面运动部分较少时，所需带宽大大降低，我们折衷以80K进行估算，一小时的视频录像就需要：60x60x80K=288M的硬盘容量，我们以256G的硬盘计算：256000M/288M=888小时，我们以一台电脑录制2x9=18路视频算，888/18=49小时。可以保存2天的监控录像。当然，由于在晚上基本没有活动物体，录像的数据量非常小，所以实际保存的录像时间更长，实测有接近10天时间。

第四部分：网络通讯系统

 4.1：语音网络报障对讲（YXIPTalk）；

IP网络对讲模块（YXIPTALK），可以安装在黑板下面或桌子旁边，如图示：

 

只有一个呼叫键，无须拨号，操作简便；

免提设计，无需摘机/挂机；

可以用做语音广播；

可以作为教室的拾音器；

总控制室用电脑跟对将器对讲；

对讲功能已经无缝结合到总控制软件中；

 

使用说明：

       教室端：教室端唯一的操作就是“呼叫”，其它功能都由总控制室控制，用户按一下“呼叫键”即开始呼叫总控制室，再按一下则停止呼叫或者呼叫响铃十下，总控制室没有应答即自动停止呼叫。

       总控制室：总控制室采用电脑跟教室端对讲器对讲，所有功能均集成在总控制软件里，使用非常方便；

 

1)当教室呼叫时，总控制软件的教室按钮和教室所在楼层按钮上出现  电话机图标，软件发出电话振铃声；

2)选中教室，按下监听按钮，教室按钮上出现  监听图标，即可监听教室声音，按下教室按钮出现  麦克风图标，即可与教室对讲；

4.2：语音网络广播；

       语音广播由总控制室做主导，按下 “语音广播按钮”，选择接收广播的教室，然后点“开始音频广播”即可进行针对教室的语音广播；点“结束音频广播”即结束语音广播；广播时在教室端可以将IP对讲器的音频输出接入功放。

4.3：手机短信报警；

       总控制室的管理电脑通过串口，接上我们的手机短信模块YXGSM，可以将总控制软件的报警信息，状态检测信息等以手机短信的方式通知相关负责人。手机短信模块YXGSM如图

 

第五部分：网络视频直播系统

       现在的学校已经基本普及了多媒体教室，也就是说一般教室都配备有投影机、电脑，而且教室也实现了网络100M到桌面，如何充分利用学校的软硬件条件进行一些功能扩展、升级是学校建设的发展方向。网络视频直播系统就是一个很好的升级改造项目，它不需要投入很多的资金就能把教室的投影机和电脑充分利用起来，使得多媒体教室可以收看重要的电视节目；如奥运、重大新闻、国家大事；也可以收看学校播放的学校重大活动录像、校长视频讲话等；当然也可以收看学校为丰富学生生活播放的故事片、外语片等。使得学校生活丰富多彩。网络视频直播系统的系统结构如图：

功能特点：

可以直播4~64路D1（720*576）分辨率的视频信号,一路直播传输带宽512K；

淘汰落后的天线接收电视的方式，采用网络组播协议，接受网络直播的电视节目；

在国家推广数字高清电视的影响下，传统已布电视线的学校也不能接收到电视信号了，采用网络视频直播系统可以节省买数字机顶盒的费用；

除了可以播放电视节目外，总控制室还可以播放DVD、录像带节目，网络视频直播服务器可以在播放同时进行实时软件录制。

采用电脑网络接收，投影机VGA显示视频节目的方式，有利于发挥投影机的显示优势，逐行扫描图像不闪烁；

通过总控制软件，可以控制教室电脑接收相应的频道，利用总控制软件电脑屏幕监视功能可以监视教室端接受情况；

通过总控制软件无需打开教室讲台柜门即可以控制教室投影机、电脑，实现无人职守的接收播放功能；

网络视频直播服务器及教室端接收软件：

 

网址：http://www.hnugo.com