CN112215733A - 一种基于黑板的校园信息化系统及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于黑板的校园信息化系统及处理方法，属于校园信息网络技术领域。针对现有技术中存在的校园信息化系统前端显示、网络交换层、数据后台三块大量重复建设、互不兼容等问题，本发明提供了一种基于黑板的校园信息化系统及处理方法，做到三个集中，前端集中、交换集中、计算集中，形成前端以智慧黑板为主，中间网络交换以数据编码，分时传送的方式进行信息发送，后台以设计的模块化服务平台的“超融合”云平台，它可以实现做到“端、网、云”三个方面统一协调发展，实现校园信息化系统的成本低，效率高，替代性好。

Description

一种基于黑板的校园信息化系统及处理方法

技术领域

本发明涉及校园信息网络技术领域，更具体地说，涉及一种基于黑板的校园信息化系统及处理方法。

背景技术

校园信息化系统，是为对校园整体信息进行采集和处理的系统，但是现有的技术存重复建设、单个功能有单独一套体系，相关应用无法复用，如智能设备一般采用设备端与服务器直接通讯的方式，通过服务器直接下发指令给设备端，控制设备进行相应的操作。这种方式下，每种设备都需要一个自己的计算处理模块，比如摄像头，需要内置一个计算处理模块，进行控制开关、对视频进行编码、存储、上传等操作；并且都需要一套对应的服务器系统进行管理。当服务器与设备间的网络不通时，便无法控制设备。而且，由于每一个设备都需要内置一个计算处理模块，造成成本居高不下；另外当多个设备需要同时进行处理时，每个设备都对自己处理的数据上传给服务器，对网络的承受能力是非常大的考验。

现有的系统也大多是对整体软件进行构架，并未结合整体硬件和软件进行整体设计，成本高，且不容易置换，如中国专利申请，申请号201110309091.3，公开日2011年12月28日，公开了智慧校园系统，智慧校园系统，包含基础教育云服务平台、智能管理系统、智能教学系统、移动学习系统、数字化实验系统、智慧系统文化、家校通系统，基础教育云服务平台是数据、信息及资源中心，为所述的智能管理系统、智能教学系统、移动学习系统、数字化实验系统、智慧文化系统、家校通系统提供底层数据存储、数据管理、信息传递及资源支撑。此发明把学校的教学、管理和科研集成为一体，形成一个有机的智慧校园系统，本发明广泛应用于各级各类校园设计中。但是此方案就是基于一个软件进行整体信息的整理，需要设置非常多的独立硬件设备，且信息处理对于硬件要求高，网络资源使用庞大。

又如中国专利申请，申请号201610846914.9，公开日2017年1月25日，公开了智慧校园系统包括校园管理子系统和校园教学子系统；所述校园管理子系统包括云平台管理工作站、综合服务器、云平台服务器、视频监控系统服务器和视频监控存储磁盘阵列；所述校园教学子系统包括24小时自助阅览室、若干电子黑板及学生平板电脑；所述校园管理子系统和校园教学子系统的各单元通过学校局域网相互连接；该系统将学校的各类教学活动、科研项目、系统管理、校园资源和各种应用系统进行全面有效的整合，提高了教学质量和校园管理效率，实现了智慧化服务和管理的校园模式以及资源的互动上传和同步管理，减少了学校服务器压力，保证了学校资源的互通和安全，使得教学资源能够安全快速分享，还能够通过相关数据对教师和学生进行考评，家校互动体验佳。同上书方案相同，此方案对于网络资源和存储要求大、成本高。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的校园信息化系统前端显示、网络交换层、数据后台三块大量重复建设、互不兼容等问题，本发明提供了一种基于黑板的校园信息化系统及处理方法，它可以实现做到“端、网、云”三个方面统一协调发展，实现校园信息化系统的成本低，效率高，替代性好。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于黑板的校园信息化系统，包括，

前端功能模块，对校园信息进行采集，通过智慧黑板设置的边缘计算模块进行采集，进行处理和存储，并上传；

传输系统，将前端功能模块采集处理的信息传输到模块化服务平台；

模块化服务平台，将相应的数据存入对应服务器中，并且通过物联网中心将相应的数据推送给对应的终端。

更进一步的，所述的前端功能模块，包括集成有边缘计算模块的黑板和外接智能设备，黑板接收和外接智能设备的数据。

更进一步的，外接智能设备，包括摄像头、智能灯光设备、智能窗帘、安防设备、班牌、显示屏的一种或多种。

更进一步的，外接智能设备不包括数据处理和/或存储功能。

更进一步的，所述黑板本体用于显示外接智能设备的工作状态及外接智能设备传输给边缘计算模块的数据。

更进一步的，所述的模块化服务平台包括云计算服务器、录播服务器和存储服务器。

一种黑板的校园信息化系统的处理方法，步骤如下：

前端功能模块通过外接智能设备采集相应信息，并送入黑板的边缘计算模块进行采集，进行处理和存储，通过传输系统，将前端功能模块采集处理的信息传输到模块化服务平台；模块化服务平台接收到相应数据，将相应的数据存入对应服务器中，并且通过物联网中心将相应的数据推送给对应的终端。

更进一步的，传输系统，对采集数据进行分类，和压缩存储，并通过分时传送，将前端功能模块采集处理的信息传输到模块化服务平台。

更进一步的，分时处理方法如下，判断当前时间点是否适合数据上传的判定表达式为：

其中，F(Vi)为判定因式，Vi为第i个外部设备端口的采集数据，Wi为第i个外部设备端口的判定输出数据。

更进一步的，定时上传的时间段选择为：早休6点至8点且CPU利用率小于等于13％时进行上传；午休12点至13点且CPU利用率小于等于13％时进行上传；晚休凌晨24点至第二天早晨6点且CPU利用率小于等于13％时进行上传。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

1)本方案设计了一种统一的智慧黑板可视化终端，把现在教室周围设备合为一体，整合现有安防外设与教育摄录播外设，集成物连网模块，集成5G、wifi6等内交换，结束之前“杂、乱、分散”，过分依赖学校主干网络，做到三合一的前端摄像与麦录/板卡多合一系统，形成一个可视化、稳定、网端闲时互传终端平台；

2)通过统一的数据网络传输协议，一方面统一业务后，只留下一路传输通道，不再需要多个网络交互单元，另一方面利用分时处理技术进行分时处理；

3)通过统一的超融合云计算处理后台，智慧黑板为中心的集成外设，配合超融合云计算技术的整体解决方案，远程维护等。

附图说明

图1为本发明的校园信息化系统整体结构示意图；

图2为边缘计算集成示意图；

图3为分时传送方法示意图；

图4为智慧黑板处理流程。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

如图1、4所示，本方案针对于现有的智慧校园信息化以业务为单元的部署方式，解决目前前端显示、网络交换层、数据后台三块大量重复建设、互不兼容等问题，做到三个集中，前端集中、交换集中、计算集中，形成前端以智慧黑板为主，中间网络交换以数据编码，分时传送的方式进行信息发送，后台以设计的模块化服务平台的“超融合”云平台，做到“端、网、云”三个方面统一协调发展；

其中前端模块主要是基于黑板的一套系统，包括黑板主体及内置在黑板中的边缘计算模块，在黑板中内置不间断电源给边缘计算模块供电，当外接电源断电时，黑板内置的不间断电源能够给边缘计算模块供电，从而保证即便发生电源断电或者黑板关闭的情况下，如题2 所示，边缘计算模块仍然能够正常工作。摄像头、智能灯光设备、智能窗帘等各种外接智能设备与边缘计算模块连接，边缘计算模块接收外接智能设备传输的数据，对上述数据进行处理和存储，并上传至服务器。需要说明的是，对数据进行处理和存储主要指的是对视频、照片及一些指令(如开关机等)等数据进行处理和存储，这是本领域技术人员的公知常识，边缘计算模块对数据进行处理和存储的技术方案与摄像头、智能灯光设备、智能窗帘等设备本身的数据处理模块对数据进行处理和存储的技术方案并无不同，在此就不加赘述。

边缘计算模块包括网关和处理模块，网关用于定义外接设备的接口标准，并接收外接智能设备传输的数据，然后传输给处理模块，以便处理模块对上述数据进行处理。

更具体地说，在本实施例中，在黑板中内置一个边缘计算模块，同时黑板中还有一个24 小时供电的不间断电源给边缘计算模块供电，使边缘计算模块在黑板开机或关机状态下，都能保持与外接智能设备的交互。在本实施例中，网关能够对接的外接智能设备的接口标准包括LAN(局域网、Local Area Network)/POS(Packet Over SONET/SDH)/WiFi/IrDA(红外数据组织、Infrared Data Association)等，当然还可以提供其他标准的接口。网关将提前定义好各类设备的接口标准，例如空调类接口IrDA，监控类接口LAN等。当需要对网关添加新的外接智能设备时，将该外接智能设备按照其已有类型(如智能照明灯、监控设备等)定义好的接口标准，对外接智能设备进行配对，以接收外接智能设备传输的数据。

本实施例中的处理模块包括多个不同的计算模块，相当于将原先外接智能设备中的处理模块集中到黑板本体中，例如包括针对监控类设备的多种处理模块，比如图像处理和存储，音视频处理和存储，以及图像视频传输等模块；针对智能灯光设备包括灯光的开、关以及定时开关等处理。具体实施时，处理模块可基于ARM处理器实现，当黑板关机时，并不会影响处理模块的运行。需要说明的是，本实施例中的处理模块可采用现有技术实现，具体的实现方式属于本领域技术人员的公知常识。

外接智能设备具有本发明中的网关对应的接口标准，外接智能设备可以对接收的信号进行相应的处理，但本身不存储数据，也不对采集到的数据进行处理，同时也不将数据直接传输给服务器由服务器进行处理，更具体地说，现有技术中是采用外接智能设备本身对数据进行处理和存储，即一般的外接智能设备本身具有数据处理模块，外接智能设备通过数据处理模块对数据进行处理和存储，而本实施例中外接智能设备并不进行数据的处理和存储，即不具备数据处理模块这个部分，而是将采集的数据传输到网关，由网关传输给处理模块进行统一处理。比如智能监控设备，只负责录像，并不进行视频编码、视频处理等操作等等。这在一定程度上也降低了外接智能设备的成本，处理模块对接收的数据进行计算处理后，将处理好的数据先保存至本地，随后上传至服务器，为管理员提供各类应用的数据来源。在服务器与外接智能设备之间的网络断开的情况下，处理模块依旧可以通过网关对外接智能设备进行控制，并将数据保存至本地，待网络恢复时再将数据上传至服务器，从而解决现有技术中存在的当服务器与设备间的网络不通时、无法控制设备的问题，以及当多个设备需要同时进行处理时、容易造成网络的拥堵的问题等问题。

本发明中黑板主体作为显示设备，可以将外接智能设备传输给网关的数据显示出来，同时还可以对处于连接状态的外接智能设备进行可视化管理，即黑板主体将当前处于连接状态的外接智能设备实时显示出来，便于用户更直观地了解当前连接的外接智能设备的状态并进行管理。

具体实施时，除了外接智能设备采集传输的数据，边缘计算模块还可以实时将自身已经连接的外接智能设备的数据上传至服务端，如外接智能设备的类型、状态、可执行的操作等。

服务器通过发送指令给边缘计算模块来控制外接智能设备的开关机，具体实施时，通过网关对自身连接的所有外接智能设备或部分外接智能设备发送开机或关机信号，来控制外接智能设备的开关机。当然，这种指令不限于开关机，还可以包括其他的控制命令等等。例如服务器可以下发“每天下午5点进行全部关机”或“每天早上七点进行全部开机”的操作指令，服务器将指令下发给边缘计算模块后，由边缘计算模块执行相应的操作。即服务器只需对边缘计算模块进行统一管理，而不是每种外接智能设备各自部署一套服务器，大大节省了成本。并且即使服务器与边缘计算模块之间的网络断开，也不会影响边缘计算模块对外接智能设备的控制，提高了整个系统的可靠性。边缘计算模块收到数据后，进行常规化处理，通过离线版本的人脸识别，处理出常用数据，不能处理的部分，再交给后台服务器处理；

其中黑板的处理模块包括，采集单元、数据处理单元和设备管理单元，数据处理单元和设备管理单元分别与采集单元连接；其中，采集单元用于采集音视频数据，设备管理单元用于控制采集单元采集音视频数据，数据处理单元用于处理音视频数据。采集单元包括摄像头和拾音器，摄像头和拾音器分别与设备管理单元连接。

在具体工作的时候，黑板利用采集单元采集音视频数据；采集单元将采集的音视频数据传输至数据处理单元，：当需要录音时，设备管理单元控制拾音器进行录音得到音频数据；当需要录像时，设备管理单元控制摄像头进行录像得到视频数据；

数据处理单元对音视频数据进行处理得到处理后的音视频数据；音视频数据包括音频数据和视频数据，数据处理单元对音频数据和视频数据分别进行编码压缩，然后将编码压缩后的音频数据和视频数据进行混合封装得到可播放的视频文件，而后数据处理单元对可播放的视频文件进行标记。

而后数据处理单元将处理后的音视频数据存储至智慧黑板的存储单元或者服务器。数据处理单元自动将处理后的音视频数据传输至服务器，服务器接收处理后的音视频数据并进行存储；或者服务器发送指令至数据处理单元，数据处理单元根据指令将处理后的音视频数据存储至服务器。

传输系统，之前是每个业务有单独的传输协议与数据内容，比如：录播系统要建立独立传输通道，监控也要建立独立的传输通道，而且分别要传输音频频数据，无论是实时或集中传输都增加网络压力，也增加终端与服务器处理压力，现在把类似的业务集中一个通道，并在公有流媒体协议加一个拆分，让每一家业务都能兼容。为解决音、视频、分析控制流数据传输协议，分为三个通道传输，后台有专门虚拟单元进行处理，低码流音视频分开传输与低延时技术，优化的H.264编码技术，支持4K显示，兼容各种浏览器，拥有更高的编码效率，更低的CPU负载和带宽占用，而且兼容现有的摄录播与安防的协议，形成分流数据，多方使用。把云游戏技术用在虚拟云桌面上；同时把虚拟云桌面技术用在电子黑板上。实现数据的分开传送。此处使用的是网关和对应的交换器作为硬件连接前端功能模块和后端的模块化服务平台。

重点的，在存储的时候采用分时的方法进行存储，此时通过交换集中的方式进行有效的设计，进行相应的数据交换，我们在上传的时候进行相应的转码后进行分时上传，如图3所示，安防，录播，摄像头，人脸识别，灯控，环控设备，窗帘，门禁设备和黑板保持连接，黑板和服务器进行数据交互。

摄像头外接黑板上面，黑板控制摄像头摄像，摄像头将音视频数据传送给黑板，黑板进行对数据压缩，标签，分割处理。在早休，午休，晚休和黑板闲置时，进行上传数据到服务器。音视频通过系统摄像头抓取数据，通过mediaCodeC进行解码成h264流数据，通过live555 进行rtsp推流到设备端，设备端再进行存储。

通过测试证明用户在使用黑板的时候，cpu使用率平均在13％左右。

所以早休的时间可以根据6：00<＝time<＝8：00 and cpu<＝13％时进行上传。午休的时间判别可以根据12：00<＝time<＝13：00 and cpu<＝13％时进行上传。晚休的时间判别可以根据24：00<＝time<＝6：00 and cpu<＝13％时进行上传。

人脸识别和黑板保持长连接，人脸识别数据采集到了推送到黑板上面，黑板进行数据采集，压缩，标签分割处理。在早休，午休，晚休和黑板闲置时，进行上传数据到服务器。人脸识别数据通过摄像头抓取数据，将数据解析成数据流，用人脸识别算法提取人脸特征值，将特征值推送到设备端。

灯控设备和黑板保持长连接，黑板发送指令告诉灯控是否需要开关，灯控将开关状态和灯光信息通过长连接推送给黑板。黑板进行数据采集，压缩，标签分割处理。在早休，午休，晚休和黑板闲置时，进行上传数据到服务器。灯光通过socket端tcp进行通信，设备端搜索到灯控设备，控制灯控，灯控将运行信息通过socket返回给设备端。

环境检测控制端和黑板保持长连接，环控设备检测到环境参数时，推送给黑板，黑板进行数据采集，压缩，标签分割处理。在早休，午休，晚休和黑板闲置时，进行上传数据到服务器。环境检测同样通过socket端tcp进行通信，设备端和环境检测系统进行长连接，发送具体检测指令给环境检测系统，系统将检测到的环境参数再通过socket返回给设备端进行存储。

窗帘设备和黑板保持长连接，黑板发送指令告诉窗帘是否需要打开，窗帘将打开状态和窗帘开合程度信息通过长连接推送给黑板。黑板进行数据采集，压缩，标签分割处理。在早休，午休，晚休和黑板闲置时，进行上传数据到服务器。窗帘也是通过socket进行tcp通信，设备端发送tcp命令到窗帘控制系统，窗帘将控制信息通过socket返回给设备端。

门禁控制端和黑板保持长连接，门禁设备采集到新的刷卡，指纹考勤数据时，推送给黑板，黑板进行数据采集，压缩，标签分割处理。在早休，午休，晚休和黑板闲置时，进行上传数据到服务器。门禁系统是和设备进行socket长连接，保持2s钟心跳频率，设备端检测有无新的门禁考勤数据返回，有就存储到数据库。

智能黑板中的周期控制模块周期性的向多个外部设备分别发送采集开启信号；外部设备接收采集开启信号，采集并将采集数据发送至智能黑板中的数据处理模块；数据处理模块接收各外部设备发回的采集数据，并根据预设的判定表达式对各采集数据分别进行筛选，通过筛选的多个采集数据发送至上位机或服务器，使用okhttp进行文件上传，在上传失败的时候，进行断点记录，下次继续进行断点续传；上位机或服务器接收数据处理模块发送的采集数据。

可以通过外部设备总功耗Di与固定阈值G进行大小比较来判断采集数据是否需要上传至上位机或服务器，判定表达式为：

其中，F(Vi)为判定因式，Vi为第i个传感器端口的采集数据，Wi为第i个传感器端口的判定输出数据。

可以通过外部设备总功耗Di与固定阈值G进行大小比较来判断采集数据是否需要上传至上位机或服务器，判定因式为：

也可以通过当前外部设备总功耗Dn与上一个周期的外部设备总功耗Dn-1的计算与变化阈值B进行比较来判断该时间点是否需要上传至上位机或服务器，判定表达式为：

或

通过上述方式进行分时发送，避免占用带宽以及可以使得硬件要求降低，且由于不上课时候，可以作为做成前台平台中心，关黑板关掉平台，也就是后台模块会一直在供电状态，利用闲事上传，这样就可以实现广播、班牌等一系列的功能，而不影响其他功能的实现和维持。很多设备可以合为一体，省去不少设备成本，而且更高效。

最终通过分时传送，将相应的数据发送到模块化的服务平台，将相应的数据存入云计算服务器、录播服务器和存储服务器中，并且通过物联网中心将相应的数据推送给对应的终端。

可以通过远程维护，进行整体化维护，很多边远地区的维护人员少而且技术能力弱，加上每个业务都有自己一套平台，导致现场维护人员根本无法维护。统一标准与集成后，我们是24小时在线服务中心，一站式交付。

智慧教室中央处理单元节点。融合安卓/云计算瘦客户端/整合摄录播及摄像、巡课/本地化存储功能强大与分时传送功能/班牌、讲台的功能处理融合/多功能物联网模块

模块化服务平台包括超融合存储处理中心，对教室集控、摄录播、安防服务器、所有摄像内容合并，利用云计算技术，可以实现多功能的单元处理以及远端管理界面/将所有的内容投放到可视化终端/合并交换机功能/冗余电源/空调内置/将机房缩小100倍。

本方案通过集成“端、网、云”三个方面的内容，三方面统一协调发展；针对于现有的智慧校园信息化以业务为单元的部署方式进行解决，通过整体方案设计，同时配合硬件系统的改进，实现整体成本的降低，效率的提高，且针对于校园信息化系统进行特殊的设计，成本低、可替换性好。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.一种基于黑板的校园信息化系统，其特征在于：包括，

前端功能模块，对校园信息进行采集，通过智慧黑板设置的边缘计算模块进行采集，进行处理和存储，并上传；

传输系统，将前端功能模块采集处理的信息传输到模块化服务平台；

模块化服务平台，将相应的数据存入对应服务器中，并且通过物联网中心将相应的数据推送给对应的终端。

2.根据权利要求1所述的一种基于黑板的校园信息化系统，其特征在于：所述的前端功能模块，包括集成有边缘计算模块的黑板和外接智能设备，黑板接收和外接智能设备的数据。

3.根据权利要求2所述的一种基于黑板的校园信息化系统，其特征在于：外接智能设备，包括摄像头、智能灯光设备、智能窗帘、安防设备、班牌、显示屏的一种或多种。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于黑板的校园信息化系统，其特征在于：外接智能设备不包括数据处理和/或存储功能。

5.根据权利要求1所述的一种基于黑板的校园信息化系统，其特征在于：所述黑板本体用于显示外接智能设备的工作状态及外接智能设备传输给边缘计算模块的数据。

6.根据权利要求1所述的一种基于黑板的校园信息化系统，其特征在于：所述的模块化服务平台包括云计算服务器、录播服务器和存储服务器。

7.一种基于权利要求1-6任一所述的黑板的校园信息化系统的处理方法，步骤如下：

前端功能模块通过外接智能设备采集相应信息，并送入黑板的边缘计算模块进行采集，进行处理和存储，通过传输系统，将前端功能模块采集处理的信息传输到模块化服务平台；模块化服务平台接收到相应数据，将相应的数据存入对应服务器中，并且通过物联网中心将相应的数据推送给对应的终端。

8.根据权利要求7所述的一种黑板的校园信息化系统的处理方法，其特征在于，传输系统，对采集数据进行分类，和压缩存储，并通过分时传送，将前端功能模块采集处理的信息传输到模块化服务平台。

9.根据权利要求8所述的一种黑板的校园信息化系统的处理方法，其特征在于，分时处理方法如下，判断当前时间点是否适合数据上传的判定表达式为：

其中，F(Vi)为判定因式，Vi为第i个外部设备端口的采集数据，Wi为第i个外部设备端口的判定输出数据。

10.根据权利要求9所述的一种黑板的校园信息化系统的处理方法，其特征在于，定时上传的时间段选择为：早休6点至8点且CPU利用率小于等于13％时进行上传；午休12点至13点且CPU利用率小于等于13％时进行上传；晚休凌晨24点至第二天早晨6点且CPU利用率小于等于13％时进行上传。

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