CN107403095B - 一种教育教学授课管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种教育教学授课管理系统,在教学楼内部署一个或多个分布式机房安装多台功能主机构建局域网系统;同时在各教室安装客户端。客户端通过网线分别连接机房内不同的功能主机;网线中传输音视频信号以及鼠标键盘控制信号。课件预先通过校园网云平台传输至局域网内的存储主机中;教师通过操作客户端,间接操作位于机房内的功能主机。功能主机输出的音视频信号通过网线传输至客户端,并在教师讲台的显示器以及投影幕布上同时显示出来。本发明避免了现有教室PC机使用寿命短,防盗措施差,节能效果差,容易感染病毒等缺点,同时还实现了对教室授课的远程监控。
Description
技术领域
本发明涉及一种校园网络系统,具体是一种教育教学授课管理系统。
背景技术
随着计算机技术的发展和计算机软件功能的日益强大,使用电子版课件授课已经成为了各个学校教师的一种基本教学方法。相比于传统的通过单一的口述以及黑板板书,电子版课件能够以更加生动的图像、声音、视频的形式传播知识,利于学生学习和掌握知识。
对于学校来说,需要提供完整的硬件平台保证教室里使用电子版课件授课。传统的方法往往是在每个教室部署一台完整的PC机和一套投影设备,教师上课时通过U盘携带课件。这样的方式虽然灵活,但也存在一些问题,
第一,每个教室都需要安装一台完整的PC机,并且往往在无人管理时,24小时开机,不仅带来电力的浪费,而且影响PC机使用寿命。
第二,教室内PC机往往成为课件的中转站,学生也通过U盘拷贝课件,而U盘很容易成为传播病毒的媒介,如果一个老师或同学的U盘中毒,往往会把病毒传播给教室内PC机,进而传播给其他U盘,严重的计算机病毒甚至导致系统崩溃,影响正常授课。
第三,USB接口作为一种物理接口,本身的插拔次数不能太多,否则容易造成永久损坏。因而为保证教室PC机的使用寿命,需要限制USB的使用次数。
第四,作为学校的管理者,经常需要远程查看某个教室的课堂纪律,学生出勤情况等,为此往往需要为整个教学楼单独安装一套监控设备,耗费较大,而实际上投入产出比不高。实现该功能,往往只需要很简单的监控系统就能完成。
发明内容
本发明就是为了解决上述问题,所提供了一种教育教学授课管理系统。
本发明是按照以下技术方案实施的。
一种教育教学授课管理系统,包括校内网云平台和多个分别部署于不同教学楼内的分布式终端局域网;所述校内网云平台通过主路由器连接各个分布式终端局域网,以及多台分别部署于各教师办公室的教师工作机;
所述分布式终端局域网系统中设有局域网路由器和多个分布式交换机,分布式交换机部分别部署于各个分布式机房内,每个分布式交换机通过网线连接控制主机、存储主机和多台功能主机;
所述控制主机为低功耗嵌入式平台主机,包括ARM主控制器和与之相连的存储模块、网络模块、温度传感器;所述网络模块通过网线连接分布式交换机;所述ARM主控制器还通过RS485总线连接不少于一个主机控制器和一个空调控制器;所述主机控制器上设有单片机和多个继电器模块,每个继电器模块分别连接一台功能主机;所述空调控制器包括单片机和红外发射器;
所述功能主机包括部署于机架上的主板、扩展板、主机电源;所述主板上设有通过网线连接分布式交换机的网络接口、显卡、开关机控制接口、音频接口;所述开关机控制接口的两个端子分别连接一个继电器模块输出端的一对常开触点;所述扩展板上设有通过HDMI接口连接显卡输出端的FPGA芯片,通过USB接口连接主板的USB信号增强器模块,通过音频延长线连接音频接口的音频ADC芯片;FPGA芯片内部包括视频解码模块、视频压缩模块、控制模块三个逻辑单元;所述音频ADC芯片输出端连接串行编码器;FPGA芯片输出端、串行编码器输出端、USB信号增强器均连接主机接口模块;主机接口模块通过标准八芯网线连接客户端;八芯网线中的两对差分线用于视频传输,一对差分线用于USB信号传输,一对差分线用于音频信号传输;
所述客户端部署于各个教室内,包括客户端主机;所述客户端主机上设有客户端接口模块和与之相连的FPGA芯片、串行解码器、USB信号增强器;FPGA芯片内部包括视频编码模块、视频解压模块、控制模块三个逻辑单元;串行解码器输出端连接音频DAC;USB信号增强器连接USB集线器,USB集线器连接鼠标、键盘、USB摄像头;FPGA芯片通过HDMI接口连接HDMI分配器输入端,HDMI分配器两个输出端分别连接显示器和投影仪;音频DAC通过音频延长线连接音箱;
所述FPGA芯片的视频编码格式为H.264或H.265;所述音频ADC输出端通过IIS接口连接串行编码器;所述音频DAC输入端通过IIS接口连接串行解码器;所述音频延长线两端为3.5mm音频插头。
所述校内网云平台还连接外部网络,校内网云平台与外部网络之间设有阻挡来自网络攻击的硬件防火墙。
所述分布式机房中设有空调器;所述空调控制器的红外发射器指向空调器上的红外接收器。
所述功能主机的主板上还连接有USB存储器。
所述存储主机上搭载网络文件系统。
所述功能主机基于Intel的X86架构CPU和Microsoft的Windows操作系统。
本发明在教学楼内部署一个或多个分布式机房,将原来部署于各教室的PC机集中起来构建局域网系统;同时在各教室安装客户端。客户端通过网线分别连接机房内不同的PC机;网线中传输音视频信号以及鼠标键盘控制信号。教师通过办公室的PC机或广域网中的其他PC登陆校园网云平台,上传课件,校园网云平台根据课时安排,在授课当天,将该课件发送至上课教室所属的局域网内。教师通过操作客户端,间接操作位于远端的PC机,即本发明所述的功能主机。功能主机输出的音视频信号通过网线传输至客户端,并在教师讲台的显示器以及投影幕布上同时显示出来。从而实现电子课件授课所需的功能要求。
本发明获得了如下有益效果。
本发明提供了一种教育教学授课管理系统, 将原来部署于各教室内的PC机集中于恒温的机房内,有利于集中管理和延长PC机使用寿命,也利于防盗;从根源上避免了计算机病毒通过USB接口侵入教室计算机甚至校园网络系统的可能性;原系统所需的完整PC机简化为不需要机箱和硬盘的功能主机,降低了设备成本;附带提供了一套视频监控系统,可供管理人员查看课堂出勤及课堂秩序。
附图说明
图1是本发明中校级主干网络的结构框图;
图2是本发明中分布式终端局域网的结构框图;
图3是本发明中控制主机的结构框图;
图4是本发明中功能主机的结构框图;
图5是本发明中客户端的结构框图。
具体实施方式
以下参照附图及实施例对本发明进行进一步的技术说明。
如图1~5所示,一种教育教学授课管理系统,包括校内网云平台和多个分别部署于不同教学楼内的分布式终端局域网;所述校内网云平台通过主路由器连接各个分布式终端局域网,以及多台分别部署于各教师办公室的教师工作机;
所述分布式终端局域网系统中设有局域网路由器和多个分布式交换机,分布式交换机部分别部署于各个分布式机房内,每个分布式交换机通过网线连接控制主机、存储主机和多台功能主机;
所述控制主机为低功耗嵌入式平台主机,包括ARM主控制器和与之相连的存储模块、网络模块、温度传感器;所述网络模块通过网线连接分布式交换机;所述ARM主控制器还通过RS485总线连接不少于一个主机控制器和一个空调控制器;所述主机控制器上设有单片机和多个继电器模块,每个继电器模块分别连接一台功能主机;所述空调控制器包括单片机和红外发射器;
所述功能主机包括部署于机架上的主板、扩展板、主机电源;所述主板上设有通过网线连接分布式交换机的网络接口、显卡、开关机控制接口、音频接口;所述开关机控制接口的两个端子分别连接一个继电器模块输出端的一对常开触点;所述扩展板上设有通过HDMI接口连接显卡输出端的FPGA芯片,通过USB接口连接主板的USB信号增强器模块,通过音频延长线连接音频接口的音频ADC芯片;FPGA芯片内部包括视频解码模块、视频压缩模块、控制模块三个逻辑单元;所述音频ADC芯片输出端连接串行编码器;FPGA芯片输出端、串行编码器输出端、USB信号增强器均连接主机接口模块;主机接口模块通过标准八芯网线连接客户端;八芯网线中的两对差分线用于视频传输,一对差分线用于USB信号传输,一对差分线用于音频信号传输;
所述客户端部署于各个教室内,包括客户端主机;所述客户端主机上设有客户端接口模块和与之相连的FPGA芯片、串行解码器、USB信号增强器;FPGA芯片内部包括视频编码模块、视频解压模块、控制模块三个逻辑单元;串行解码器输出端连接音频DAC;USB信号增强器连接USB集线器,USB集线器连接鼠标、键盘、USB摄像头;FPGA芯片通过HDMI接口连接HDMI分配器输入端,HDMI分配器两个输出端分别连接显示器和投影仪;音频DAC通过音频延长线连接音箱;
所述FPGA芯片的视频编码格式为H.264或H.265;所述音频ADC输出端通过IIS接口连接串行编码器;所述音频DAC输入端通过IIS接口连接串行解码器;所述音频延长线两端为3.5mm音频插头。
所述校内网云平台还连接外部网络,校内网云平台与外部网络之间设有阻挡来自网络攻击的硬件防火墙。
所述分布式机房中设有空调器;所述空调控制器的红外发射器指向空调器上的红外接收器。
所述功能主机的主板上还连接有USB存储器。
所述存储主机上搭载网络文件系统。
所述功能主机基于Intel的X86架构CPU和Microsoft的Windows操作系统。
实施例一:
本发明的使用方法及原理为:
如图1所示,校内网云平台提供文件存储、文件传输服务;教师通过办公室PC机或其他广域网PC机提交课件;校内网云平台根据课程安排——授课教室的位置及授课时间,在授课当天上课30min之前,将课件传送至分布式终端局域网内的存储主机中。
分布式机房位于各教学楼内,安排专人负责管理,平时上锁,内部保持恒温,由于多台主机部署于此,因而需要安装空调,一般将温度调节至23—27度,利于PC机保持最佳工作温度,同时空调的负荷也相对较小。视教学楼教室数量及教学楼规模,决定楼内分布式机房的数量和位置。一般保证分布式机房与教室之间的布线长度不超过100m,否则会导致网络信号衰减造成客户端无法收到正确的视频信号。
控制主机始终保持运行,一方面实时检测室内温度,一旦发现温度超出设定阈值,通过空调控制器,向空调主机发送控制命令,调整空调工作状态。另一方面,控制每台功能主机的通断电。
功能主机的主板为以普通x86架构CPU为核心的通用主板,主板上设有开关机控制接口,关机状态时,开关机控制接口的两个触点短接时(如PC机的开机操作),执行开机动作。本发明中,控制主机通过RS485总线连接多个主机控制器,每个主机控制器上又设有多个继电器模块;每个继电器模块对应一台功能主机。当继电器模块动作时,输出端的常开触点迅速闭合1秒再断开,即可触发开机动作。继电器模块的动作命令来自于控制主机。
局域网内的机器均基于Windows操作系统,系统文件存放于存储主机中,存储主机对网络内其他功能主机提供网络文件系统服务;功能主机的主板上不直接连接硬盘,开机时通过网络文件系统加载操作系统。功能主机通过USB接口连接U盘,U盘作为临时存放数据文件的介质。
功能主机启动后,显卡输出的HDMI视频信号进入扩展卡的FPGA内,首先解码成并行的RGB数据,之后经压缩模块压缩成H.264或H.265格式,进而通过以太网接口发送至客户端。本发明中,显卡输出视频原则上低于1080P60,在满足需求情况下尽可能低,以减少网络带宽。网络视频传输功能实现需要占用两对网线;对于8芯网线,其余两对网线分别用来传输USB信号和音频信号。其中,音频信号来自于经主板音频接口输出的模拟音频,经音频ADC转换成IIS格式数字音频后,经过串行编码,以差分串行数据流的形式发送至终端。USB信号通过专用的功率放大芯片,将普通情况下只能传输5米的USB信号的传输距离扩展至近100米,虽然牺牲了一定的带宽,但对于鼠标键盘这种数据量较小的USB设备来说,可以满足需求。
客户端的FPGA、USB信号增强器、串行解码模块的功能,相当于扩展板上各功能模块的逆过程,将来自功能主机端的视频、音频、控制信号重新还原为原始形式。
实施例二:
每天设定开机时间和关机时间,例如学校教学楼一般22:00关闭,6:30重新开启。设定控制主机每天6:30依次开启所有功能主机,每天22:00关闭所有功能主机,以实现省电节能的目的。
实施例三:
USB摄像头拍摄听课的学生,功能主机在一节课中随机选取多个时间点,触发USB摄像头的拍照功能,将拍摄的照片通过USB通道回传至功能主机,并存放于U盘内。功能主机定时将当天存放于U盘内的图片数据统一上传至校内网云平台,供学校管理者查看。
实时例四:
每位教师存放于存储主机中的课件均存放于单独目录下,并对文件夹加密处理。当本学期授课工作结束后,存储主机统一清空该课程对应的所有课件相关文件。
Claims (6)
1.一种教育教学授课管理系统,其特征在于,包括校内网云平台和多个分别部署于不同教学楼内的分布式终端局域网;所述校内网云平台通过主路由器连接各个分布式终端局域网,以及多台分别部署于各教师办公室的教师工作机;
所述分布式终端局域网中设有局域网路由器和多个分布式交换机,分布式交换机分别部署于各个分布式机房内,每个分布式交换机通过网线连接控制主机、存储主机和多台功能主机;
所述控制主机为低功耗嵌入式平台主机,包括ARM主控制器和与之相连的存储模块、网络模块、温度传感器;所述网络模块通过网线连接分布式交换机;所述ARM主控制器还通过RS485总线连接不少于一个主机控制器和一个空调控制器;所述主机控制器上设有单片机和多个继电器模块,每个继电器模块分别连接一台功能主机;所述空调控制器包括单片机和红外发射器;
所述功能主机包括部署于机架上的主板、扩展板、主机电源;所述主板上设有通过网线连接分布式交换机的网络接口、显卡、开关机控制接口、音频接口;所述开关机控制接口的两个端子分别连接一个继电器模块输出端的一对常开触点;所述扩展板上设有通过HDMI接口连接显卡输出端的FPGA芯片,通过USB接口连接主板的USB信号增强器模块,通过音频延长线连接音频接口的音频ADC芯片;FPGA芯片内部包括视频解码模块、视频压缩模块、控制模块三个逻辑单元;所述音频ADC芯片输出端连接串行编码器;FPGA芯片输出端、串行编码器输出端、USB信号增强器均连接主机接口模块;主机接口模块通过标准八芯网线连接客户端;八芯网线中的两对差分线用于视频传输,一对差分线用于USB信号传输,一对差分线用于音频信号传输;
所述客户端部署于各个教室内,包括客户端主机;所述客户端主机上设有客户端接口模块和与之相连的FPGA芯片、串行解码器、USB信号增强器;FPGA芯片内部包括视频编码模块、视频解压模块、控制模块三个逻辑单元;串行解码器输出端连接音频DAC;USB信号增强器连接USB集线器,USB集线器连接鼠标、键盘、USB摄像头;FPGA芯片通过HDMI接口连接HDMI分配器输入端,HDMI分配器两个输出端分别连接显示器和投影仪;音频DAC通过音频延长线连接音箱;
所述FPGA芯片的视频编码格式为H.264或H.265;所述音频ADC输出端通过IIS接口连接串行编码器;所述音频DAC输入端通过IIS接口连接串行解码器;所述音频延长线两端为3.5mm音频插头。
2.如权利要求1所述的一种教育教学授课管理系统,其特征在于,所述校内网云平台还连接外部网络,校内网云平台与外部网络之间设有阻挡来自网络攻击的硬件防火墙。
3.如权利要求1所述的一种教育教学授课管理系统,其特征在于,所述分布式机房中设有空调器;所述空调控制器的红外发射器指向空调器上的红外接收器。
4.如权利要求1所述的一种教育教学授课管理系统,其特征在于,所述功能主机的主板上还连接有USB存储器。
5.如权利要求1所述的一种教育教学授课管理系统,其特征在于,所述存储主机上搭载网络文件系统。
6.如权利要求1所述的一种教育教学授课管理系统,其特征在于,所述功能主机基于Intel的X86架构CPU和Microsoft的Windows操作系统。
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