CN112581809A - 一种教室一体机设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种教室一体机设备，包括壳体以及集成固定在壳体内的录播单元、互动单元、通信单元、电脑单元和语音单元，该设备集常态录播、课堂互动、课堂评价、网络通讯、语音对讲于一体，稳定性高，便于通过嵌入式计算能力，贯通课堂教学、设备管理全环节，该教室一体机设备集成度高，能够实现录播、互动、评价、网络、电脑、语音6台独立设备的集成整合，创造性地实现了以教师为主导、学生为中心、师生评价为主线的新型课堂教学模式，满足学校新教学改革的需求。

Description

一种教室一体机设备
技术领域
本发明属于网络应用技术领域，特别涉及一种教室一体机设备。
背景技术
随着电子技术与无线通信技术的高速发展，“智能家居”、“智慧教室”、“智慧校园”等概念应运而生。其中，“智慧教室(Smart Class)”是一种典型的智慧学习环境的物化，是多媒体和网络教室的高端形态，是借助于物联网技术、云计算技术和智能技术等构建的新型教室，包括有形的物理空间和无形的数字空间，通过各类智能装备辅助教学内容呈现、便利学习资源获取、促进课堂交互开展，实现情境感知和环境管理等功能。在课堂互动环节，通过物理空间与数字空间的结合，改善人与学习环境的关系，在学习空间实现人与环境的自然交互，促进个性化学习、开放式学习。
目前，针对“智慧教室”，尤其是课堂互动环节部分的解决方案，还存在一些较为明显的缺陷，主要体现为如下三点：
第一，实现全面的课堂互动需要物理设备支撑，会涉及中控/录播/物联设备等多厂家设备集成，稳定性和兼容性差；
第二，由于存在大量设备集成，线缆非常多，可靠性较差，对设备、线路等维护和管理带来巨大压力；
第三，设备众多，需要分散管理，缺乏有效的管理工具。
发明内容
本发明的目的是提供一种教室一体机设备，集成录播、课堂互动、网络通讯、电脑单元、语音对讲技术，有利于提高稳定性与兼容性。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种教室一体机设备，包括壳体，所述壳体内固定有录播单元、互动单元、通信单元、电脑单元和语音单元，其中
所述录播单元包括第一处理器，所述第一处理器连接有视频流输入电路、视频流输出电路、第一音频输入电路以及第一存储器；
所述互动单元包括第二处理器，所述第二处理器连接有第二音频输入电路和第二存储器；
所述通信单元包括路由芯片和交换芯片，所述路由芯片上设置有CONSOLE接口、外网接口以及千兆POE内网接口，所述路由芯片通过所述交换芯片分别连接所述第一处理器和所述第二处理器，所述交换芯片还连接有千兆内网接口；
所述电脑单元包括处理器、内部存储器和外部存储器，所述内部存储器、所述外部存储器通过传输总线与所述处理器相连接，所述电脑单元上设置有连接所述路由芯片的千兆内网接口；
所述语音单元包括语音板，所述语音板与所述交换芯片的千兆内网接口相连接。
优选的是，所述视频流输入电路包括HDMI输入接口以及视频桥接芯片，所述HDMI输入接口通过所述视频桥接芯片连接至所述第一处理器的视频输入通道；
所述视频流输出电路包括HDMI输出接口，所述HDMI输出接口连接至所述第一处理器的视频输出通道。
在上述任一方案中优选的是，所述第一音频输入电路包括第一MIC输入接口和第一音频编解码器，所述第一MIC输入接口通过所述第一音频编解码器连接至所述第一处理器的音频输入通道。
在上述任一方案中优选的是，所述第二音频输入电路包括第二MIC输入接口和第二音频编解码器，所述第二MIC输入接口通过所述第二音频编解码器连接至所述第二处理器的音频输入通道。
在上述任一方案中优选的是，所述第一处理器、第二处理器为RK3399处理芯片。
在上述任一方案中优选的是，所述电脑单元的处理器为I5-6360U处理器，所述外部存储器为SSD存储器，所述电脑单元上还设置有USB接口、HDMI接口和VGA接口。
在上述任一方案中优选的是，所述第一存储器、所述第二存储器均包括内部存储器、EMMC存储器,所述第一处理器通过扩展卡连接有硬盘。
在上述任一方案中优选的是，所述第一处理器和所述第二处理器上分别连接有USB接口。
在上述任一方案中优选的是，所述壳体的一面为接口板，该教室一体机设备的各接口均固定在所述接口板上。
在上述任一方案中优选的是，该教室一体机设备还包括显示单元，所述显示单元包括若干状态指示灯且电连接在所述接口板上，用于显示各功能接口的工作状态
本发明提供的教室一体机设备，具有如下有益效果：
第一，本发明能够实现传统技术中录播、互动、网络、电脑、语音对讲至少五台设备的集成整合，稳定性高，贯通课堂互动的各个环节，防止设备不兼容的问题；
第二，由于设备集成度高，相对于传统技术需要分别管理，本发明仅需单台管理，且设备内置电脑单元模块，支持后台远程管控教室桌面，统一部署镜像，管理效率大大提升；
第三，基于设备的高度集成，可以减少线缆的投入部署，降低部署难度和成本，提升管理效果，具有更高的可靠性。
附图说明
图1为本发明的教室一体机设备的一优选实施例的逻辑框图；
图2为图1所示实施例的外部结构示意图。
图中标号说明：
101-录播单元接线区；102-互动单元接线区；103-电脑单元接线区。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1：
本发明的教室一体机设备采用机架式一体结构，为录播单元、互动单元以及通信单元提供了强大的硬件基础。
一种教室一体机设备，如图1和图2所示，包括壳体，集成固定在壳体内的电子器件包括录播单元、互动单元、通信单元、电脑单元、语音单元，其中录播单元包括第一处理器，第一处理器连接有视频流输入电路、视频流输出电路、第一音频输入电路以及第一存储器；互动单元包括第二处理器，第二处理器连接有第二音频输入电路和第二存储器；所述通信单元包括路由芯片和交换芯片，所述路由芯片上设置有CONSOLE接口、外网接口以及千兆POE内网接口，所述路由芯片通过所述交换芯片分别连接所述第一处理器和所述第二处理器，所述交换芯片还连接有千兆内网接口，所述电脑单元包括处理器、内部存储器和外部存储器，所述内部存储器、所述外部存储器通过传输总线与所述处理器相连接，所述电脑单元上设置有连接所述路由芯片的千兆内网接口，所述语音单元包括语音板，所述语音板与所述交换芯片的千兆内网接口相连接。
本发明的教室一体机设备整机分为录播单元、互动单元和通信单元三部分构成，其中录播单元、互动单元作为该教室一体机设备教学互动功能的核心，能够通过两个RK3399处理芯片实现。具体的，如图1所示，第一处理芯片(即CPU1)和第二处理芯片(即CPU2)均采用RK3399处理芯片，其为一款低功耗、高性能的应用处理器芯片，内置多个高性能硬件处理引擎，能够支持多种格式的视频解码，如：4K*2K(分辨率)、60fps(秒传输帧数)的H.264/H.265/VP9，也支持1080P、30fps的H.264/MVC/VP8以及高质量的JPEG编解码。
RK3399处理芯片具备双MIPI CSI-2串口、嵌入式RGMII接口、三通道I2S、双通道HDMI等特点，RK3399处理芯片支持双通道DDR3、支持EMMC 5.1，因此第一处理器和第二处理器上均连接有内嵌式存储器EMMC 5.1和DDR3内存条作为存储单元，即第一存储器和第二存储器，分别进行所连接处理器的数据存储和数据运算。
为了扩大存储容量，第一存储器还包括硬盘，该硬盘优选为HDD(机械硬盘)，HDD单位成本低，适合做大容量存储；第一处理器的PCIE端口通过扩展卡ASM1061R连接HDD；扩展卡ASM1061R从一个PCIE扩展2个SATA口出来，传输速率比原生SATA2进行提升。
所述通信单元中的路由芯片优选为MT7621，其包括高性能的880mhz MIPS1004kccpu核心和高速usb3.0/pcie/sdxc接口，支持五口千兆MDI收发，以及RGMII、PCIe、USB、SD-XC等众多连接选项。所述路由芯片连接有CONSOLE接口、WAN外网接口以及4个LAN+POE千兆POE内网接口。
所述通信单元中设有1个交换芯片88E6176，所述交换芯片的收发端口分别连接所述第一处理器、路由芯片以及LAN千兆内网接口，从而实现几个器件之间的收发交换；第二处理器通过末位的交换芯片连接LAN千兆内网接口实现收发，电脑单元处理器连接交换芯片连接LAN千兆内网接口实现收发，语音板连接交换芯片连接LAN千兆内网接口实现收发，达到交换转发性能800Mbps、路由转发性能400Mbps。
在该教室一体机设备使用时，录播单元与教室内的视频采集设备和音频采集设备可实现对授课过程进行录制，电脑单元还可将视频、图像、音频等文件经所述通信单元传至录播单元，并进行播放。
互动单元上的音频输入装置，获取学生或教师的音频信息，并将该音频信息通过通信单元传输至电脑单元，利用DTW算法提取关键词，并依据该关键词，在互联网上检索相关内容，检索内容通过录播单元或电脑单元进行播放，从而实现了物理空间与数字空间的结合，改善人与学习环境的关系，促进个性化学习、开放式学习。
应用该教室一体机设备，还可实现自动点名、课堂效果评价。可以理解的是，针对自动点名、课堂效果评价的实现，是依靠安装于该教室一体机设备或后台服务器上的程序实现的。具体地讲，预先获取学生的头像信息，并经学习后存储于程序对应的存储器内，该教室一体机设备的录播单元，实时获取包括所有学生的视频，对获取的包括所有学生的视频，利用多任务级联神经网络模型检测视频各帧中的人脸，从而获取各学生面部信息，得到学生人脸数据的集合X1，利用facenet模型对X1进行处理得到学生人脸数据的紧致欧式空间的映射集合X2。在情感识别阶段，微调了一个CNN模型(ResNet-50)，采用了FER2013数据集，对集合X2中各学生的表情数据进行识别。
为了便于教师对数据的读取，该课堂评价方法的程序可基于Vue.js前端框架和Flask后端框架实现了一个基于web的系统，使获取的学生的情感变化通过静态的方式或动态变化曲线存储于存储器内，从而便于教师看到学生情感的静态和动态数据。
需要说明的是，人脸提取的算法有多种，之所以选用多任务级联神经网络模型，是为了适应人脸尺度多变、数量冗大、化妆、环境光照条件恶劣、姿势多样如低头、戴帽子口罩等的遮挡等不利因素对精度造成干扰，以提高提取的精度。
在本实施例中，所述视频流输入电路包括HDMI输入接口以及视频桥接芯片，HDMI输入接口通过视频桥接芯片连接至第一处理器的视频输入通道；所述视频流输出电路包括HDMI输出接口，HDMI输出接口连接至第一处理器的视频输出通道。
如图2所示，视频流输入电路包括HDMI输入接口(即HDMI IN)以及视频桥接芯片TC358749，HDMI输入接口用于连接电脑，输入电脑画面的视频流；视频桥接芯片TC358749能够将输入的视频流转换为MIPI CSI信号输入至所述第一处理器MIPI CSI-2端口中，以被第一处理器进行处理；所述视频流输出电路包括HDMI输出接口(即HDMI OUT)，第一处理器RK3399处理芯片HDMI输出通道(即端口)连接HDMI输出接口(即HDMI OUT)，输出电脑画面或者录播导播画面。
在本实施例中，所述第一处理器还连接有第一音频输入电路，第一音频输入电路包括第一MIC输入接口(即MIC IN)和第一音频编解码器，第一MIC输入接口通过所述第一音频编解码器ALC5651连接至所述第一处理器的音频输入通道；第一MIC输入接口用于连接拾音设备，支持录播单元进行录音。其中，第一音频编解码器ALC5651是一种高性能、低功耗、双I2S接口音频编解码器，对音频数据具有良好的滤波降噪能力。
在本实施例中，所述第一处理器和第二处理器上分别连接有USB接口。第一处理器连接有USB接口，能够为录播单元提供外接存储功能；所述第二处理器连接有USB接口，能够为互动单元提供外接存储功能。
所述第二处理器(即CPU2)作为互动单元主处理器，除了连接第二存储器外，还连接有第二音频输入电路，第二音频输入电路包括第二MIC输入接口(即MIC IN)和第二音频编解码器，本实施例中，第二MIC输入接口通过所述第二音频编解码器ALC5651连接至所述第二处理器的音频输入通道；第二MIC输入接口用于连接拾音设备，支持互动单元进行录音。
所述电脑单元的处理器为I5-6360U处理器，外部存储器为SSD存储器，电脑单元上还设置有USB接口、HDMI接口和VGA接口。需要指出的是，本实施例中所述的接口，均为连接器。
在本实施例中，该教室一体机设备中的电子器件，如第一处理器(RK3399)、第二处理器(RK3399)、路由芯片(MTK7621)、交换芯片(MARVELL-88E6176)、电脑芯片(Intel I5)等均集成固定在壳体内，壳体的一面为接口板(即机箱背板)，设备的各接口均固定在该接口板上，以外接网线或拾音设备等等。如图2所示，接口板上包括录播单元接线区101、互动单元接线区102、电脑单元接线区103。接口板上可设置有两个MIC IN连接器(即接口，下同)，一个HDMI IN连接器，一个HDMI OUT连接器输出录播导播画面，两个USB接口，一个CONSOLE接口，6个千兆接口，千兆接口中包括1个用于连接外网的WAN接口，1个千兆内网接口和4个千兆POE内网接口，1个开关控制端子,2个USB3.0接口,1个HDMI OUT连接器输出电脑单元画面，1个VGA连接器,2个USB2.0接口,1个3.5mm麦克风插孔,1个3.5mm耳机插孔，1个开关按钮。
本教室一体机设备中包括复位按钮，用于该设备的复位设置；该设备中还包括电源模块为整机供电，电源模块的充电端子设置在壳体侧面或接口板上(图中未标示)以供电源模块的电源适配器接入充电。复位按钮和电源模块充电均为本领域成熟技术，此处不再赘述。
作为优选，该教室一体机设备还包括显示单元，显示单元包括若干状态指示灯且电连接在所述接口板上以显示各功能接口工作状态，如NET表示通信单元状态灯，用于显示通信单元工作状态；INT表示互动单元状态灯，用于显示互动单元工作状态；REC表示录播单元状态灯，用于显示录播单元工作状态；PWR表示电源状态灯。
本发明的教室一体机设备，以集成录播、课堂互动、课堂评价、网络通讯、电脑单元、语音对讲技术作为硬件基础，提供嵌入式计算能力，用于支撑基本管理业务以及轻量产品业务，以实现对其搭载的各软件系统提供运算服务、数据通信和网络管理，构建整体系统软件平台运行架构。即基于本发明的硬件构成，集成了教学互动器功能可用于实现教室课堂互动，集成了录播主机能用于实现教室内画面采集、音视频合成等功能，集成了交换路由一体机可用于通过通信单元实现教室内设备对外进行网络通讯功能；集成了电脑单元终端可用于教师授课使用，集成了语音通话功能，用于语音报障，集成了上述功能为一体，可用于贯通课堂互动的各个环节，解决了设备不兼容的问题，且简化了整体综合布线，教学互动器、录播主机、交换路由一体机、教学电脑、语音对讲无需再用网线进行互联，传统多台设备需要通过多条电缆分别连接网络和电源，至少需要超过8根线缆，而本发明约仅需2根线缆即可部署，提高了部署和管理效率，并有更高的可靠性。本发明设备成本较低、性能较高，适于推广。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”为电路连接，即电连接，是两个器件之间按照引脚或端口定义通过非必要限定的电路走线连接，即为本领域常规接线电路，除非本发明另给出连接电路实施例。电子器件之间的连接为电连接但不排除一定程度的机械连接，本领域技术人员应当知晓。
以上所述实施例，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不仅限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围之内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或者改变，都应该覆盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种教室一体机设备，包括壳体，其特征在于：所述壳体内固定有录播单元、互动单元、通信单元、电脑单元和语音单元，其中
所述录播单元包括第一处理器，所述第一处理器连接有视频流输入电路、视频流输出电路、第一音频输入电路以及第一存储器；
所述互动单元包括第二处理器，所述第二处理器连接有第二音频输入电路和第二存储器；
所述通信单元包括路由芯片和交换芯片，所述路由芯片上连接有CONSOLE接口、外网接口以及千兆POE内网接口，所述路由芯片通过所述交换芯片分别连接所述第一处理器和所述第二处理器，所述交换芯片还连接有千兆内网接口；
所述电脑单元包括处理器、内部存储器和外部存储器，所述内部存储器、所述外部存储器通过传输总线与所述处理器相连接，所述电脑单元上设置有连接所述路由芯片的千兆内网接口；
所述语音单元包括语音板，所述语音板与所述交换芯片的千兆内网接口相连接。
2.根据权利要求1所述的教室一体机设备，其特征在于：所述视频流输入电路包括HDMI输入接口以及视频桥接芯片，所述HDMI输入接口通过所述视频桥接芯片连接至所述第一处理器的视频输入通道；
所述视频流输出电路包括HDMI输出接口，所述HDMI输出接口连接至所述第一处理器的视频输出通道。
3.根据权利要求1所述的教室一体机设备，其特征在于：所述第一音频输入电路包括第一MIC输入接口和第一音频编解码器，所述第一MIC输入接口通过所述第一音频编解码器连接至所述第一处理器的音频输入通道。
4.根据权利要求1所述的教室一体机设备，其特征在于：所述第二音频输入电路包括第二MIC输入接口和第二音频编解码器，所述第二MIC输入接口通过所述第二音频编解码器连接至所述第二处理器的音频输入通道。
5.根据权利要求1所述的教室一体机设备，其特征在于：所述第一处理器、第二处理器为RK3399处理芯片。
6.根据权利要求1所述的教室一体机设备，其特征在于：所述电脑单元的处理器为I5-6360U处理器，所述外部存储器为SSD存储器，所述电脑单元上还设置有USB接口、HDMI接口和VGA接口。
7.根据权利要求1所述的教室一体机设备，其特征在于：所述第一存储器、所述第二存储器均包括内部存储器、EMMC存储器,所述第一处理器通过扩展卡连接有硬盘。
8.根据权利要求1所述的教室一体机设备，其特征在于：所述第一处理器和所述第二处理器上分别连接有USB接口。
9.根据权利要求1所述的教室一体机设备，其特征在于：所述壳体的一面为接口板，该教室一体机设备的各接口均固定在所述接口板上。
10.根据权利要求9所述的教室一体机设备，其特征在于：该教室一体机设备还包括显示单元，所述显示单元包括若干状态指示灯且电连接在所述接口板上，用于显示各功能接口的工作状态。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115480923A (zh) * 2022-10-10 2022-12-16 北京师范大学 一种多模态的智慧教室边缘计算控制系统

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