裴 虹， 葉仁春， 陸云龍

(華中科技大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心， 湖北 武漢 430074)

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通過(guò)云服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)中控實(shí)現(xiàn)投影燈泡主動(dòng)更新

裴 虹， 葉仁春， 陸云龍

(華中科技大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心， 湖北 武漢 430074)

高校多媒體教室用的投影燈泡是使用和更換比較頻繁的昂貴耗費(fèi)品，需要一個(gè)能及時(shí)掌握投影燈泡運(yùn)行時(shí)間的方法。文中利用面向云服務(wù)的編程思想，并以網(wǎng)絡(luò)中控升級(jí)改造為契機(jī)，實(shí)現(xiàn)了投影燈泡運(yùn)行時(shí)間累計(jì)計(jì)時(shí)、設(shè)限觸發(fā)、消息推送、采購(gòu)報(bào)送等一系列主動(dòng)更新的全過(guò)程。實(shí)踐表明，以此方法實(shí)現(xiàn)的投影燈泡主動(dòng)更新，為多媒體教室設(shè)備管理和維護(hù)提供了新穎的方法。

云服務(wù)； 網(wǎng)絡(luò)中控； 投影燈泡； 主動(dòng)更新； 消息推送； 采購(gòu)報(bào)送

0 引 言

目前高校多媒體教室普遍安裝了投影機(jī)，經(jīng)10多年的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)投影燈泡是教學(xué)設(shè)備中，使用和更換比較頻繁的昂貴耗費(fèi)品。投影燈泡在使用了一段時(shí)間后，尤其在超過(guò)標(biāo)稱(chēng)使用時(shí)間后，其亮度會(huì)有很大的衰減，這時(shí)需要更換投影燈泡，否則將會(huì)影響上課效果。由于不能及時(shí)掌握投影燈泡的運(yùn)行時(shí)間，等上課教師反映投影效果不好，管理人員再查看投影機(jī)時(shí)，才知道投影燈泡的運(yùn)行已經(jīng)超過(guò)了標(biāo)稱(chēng)使用時(shí)間[1]。又因投影燈泡價(jià)格昂貴，采購(gòu)?fù)队盁襞菪枰驅(qū)W校申購(gòu)，而且更換投影燈泡也不方便，這就影響了正常上課[2]。

為了保證多媒體教室能正常上課，需要建立一個(gè)針對(duì)多媒體教室投影燈泡的運(yùn)行時(shí)間信息跟蹤系統(tǒng)，利用面向云服務(wù)的編程思想[3]，并以網(wǎng)絡(luò)中控升級(jí)改造契機(jī)，實(shí)現(xiàn)投影燈泡運(yùn)行時(shí)間累計(jì)計(jì)時(shí)、設(shè)限觸發(fā)、消息推送、采購(gòu)報(bào)送等一系列主動(dòng)更新的全過(guò)程。

1 投影燈泡主動(dòng)更新的技術(shù)特性

圖1為投影燈泡主動(dòng)更新原理主框圖。從圖中可看出，整個(gè)系統(tǒng)中有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：外網(wǎng)(全域網(wǎng))設(shè)備，即云服務(wù)；內(nèi)網(wǎng)(局域網(wǎng))設(shè)備[4]，即網(wǎng)絡(luò)中控、智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)等，共同通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)投影燈泡主動(dòng)更新。其中外網(wǎng)設(shè)備的云服務(wù)，有DNS域名可以直接訪問(wèn)。內(nèi)網(wǎng)設(shè)備需要主動(dòng)與云服務(wù)鏈接，并通過(guò)云服務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)，內(nèi)網(wǎng)設(shè)備之間才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[5]。同時(shí)內(nèi)網(wǎng)設(shè)備還需要與云服務(wù)保持網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)鏈接[6]，才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)網(wǎng)設(shè)備發(fā)生的消息事件，通過(guò)云服務(wù)以消息推送方式[7]，發(fā)到其他內(nèi)網(wǎng)設(shè)備。比如網(wǎng)絡(luò)中控累計(jì)投影燈泡運(yùn)行時(shí)間，只要超過(guò)設(shè)限時(shí)間就生成消息事件，發(fā)送到云服務(wù)，并通過(guò)云服務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)，再以消息推送方式，發(fā)到其他內(nèi)網(wǎng)設(shè)備，如智能手機(jī)用戶(hù)提醒，以及申請(qǐng)采購(gòu)報(bào)送的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)[8]處理。

圖1 投影燈泡主動(dòng)更新原理主框圖

由此可知，如何保持內(nèi)網(wǎng)設(shè)備與云服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)鏈接，網(wǎng)絡(luò)中控累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，到限觸發(fā)事件，實(shí)現(xiàn)云服務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和消息推送，形成投影燈泡主動(dòng)更新的關(guān)鍵技術(shù)特性。

2 投影燈泡主動(dòng)更新的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)鏈接的心跳包機(jī)制建立

與投影燈泡主動(dòng)更新有關(guān)的內(nèi)網(wǎng)設(shè)備，在有些極端情況如掉電、網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉、拔網(wǎng)線、WiFi掉線、路由故障等，這時(shí)候云服務(wù)端無(wú)法快速感知，也就無(wú)法轉(zhuǎn)發(fā)投影燈泡消息事件，投影燈泡的主動(dòng)更新也就無(wú)從談起。內(nèi)網(wǎng)設(shè)備需要定時(shí)向云服務(wù)端發(fā)送心跳包數(shù)據(jù)，到云服務(wù)端的一系列網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備內(nèi)存，會(huì)在某個(gè)時(shí)間段暫存此鏈路，也就等于向云服務(wù)端報(bào)送了各自的網(wǎng)絡(luò)鏈路[9]。在云服務(wù)端的應(yīng)用層，設(shè)置與內(nèi)網(wǎng)設(shè)備對(duì)接的心跳檢測(cè)。云服務(wù)端接收到心跳數(shù)據(jù)后，可以忽略不做任何處理，也可以回應(yīng)心跳檢測(cè)(向內(nèi)網(wǎng)設(shè)備回應(yīng)一段任意數(shù)據(jù))。

網(wǎng)絡(luò)中控在每次開(kāi)機(jī)上線，與云服務(wù)端網(wǎng)絡(luò)鏈接穩(wěn)定后，網(wǎng)絡(luò)中控的網(wǎng)絡(luò)功能模塊每隔一段時(shí)間，以定時(shí)方式向云服務(wù)端發(fā)送心跳包數(shù)據(jù)，保持網(wǎng)絡(luò)中控與云服務(wù)端的網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)鏈接。投影燈泡在運(yùn)行時(shí)間累計(jì)超過(guò)設(shè)限后，就可以及時(shí)向云服務(wù)發(fā)送事件消息。

智能手機(jī)用戶(hù)如需要及時(shí)得知自己所關(guān)心的投影燈泡運(yùn)行時(shí)間數(shù)據(jù)，一樣也要設(shè)置定時(shí)心跳包數(shù)據(jù)發(fā)送云服務(wù)，保持與云服務(wù)網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)鏈接，這樣就可以及時(shí)收到云服務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的消息推送，同時(shí)用戶(hù)智能手機(jī)也可以通過(guò)云服務(wù)來(lái)查詢(xún)網(wǎng)絡(luò)中控的投影燈泡運(yùn)行時(shí)間。因要管理全校數(shù)百臺(tái)投影機(jī)，投影燈泡采購(gòu)申報(bào)的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，也需要向云服務(wù)發(fā)送定時(shí)心跳包數(shù)據(jù)，這樣就能通過(guò)云服務(wù)及時(shí)得到消息推送，及時(shí)更新投影燈泡申請(qǐng)采購(gòu)的數(shù)量。

2.2 云服務(wù)的投影燈泡消息事件轉(zhuǎn)發(fā)

2.2.1 支持云服務(wù)的Workerman服務(wù)器框架

Workerman是一款純PHP語(yǔ)言的開(kāi)源的性能比較高的PHP Socket服務(wù)器框架[10]。使用Workerman開(kāi)發(fā)的云服務(wù)應(yīng)用程序，可以不依賴(lài)Apache、Nginx容器獨(dú)立運(yùn)行，適合于智能手機(jī)APP、硬件通訊、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)。支持TCP網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)連接，支持HTTP協(xié)議、WebSocket協(xié)議、以及簡(jiǎn)單的Text文本自定義協(xié)議等。Workerman開(kāi)啟一個(gè)主進(jìn)程和多個(gè)子進(jìn)程對(duì)外提供服務(wù)，主進(jìn)程負(fù)責(zé)監(jiān)控子進(jìn)程退出信號(hào)，并負(fù)責(zé)生成新的子進(jìn)程去處理服務(wù)，這樣做不僅提高了應(yīng)用程序的性能，而且使得Workerman更加穩(wěn)定，使開(kāi)發(fā)者更專(zhuān)注于業(yè)務(wù)邏輯開(kāi)發(fā)。

2.2.2 以WebSocket協(xié)議為引擎實(shí)現(xiàn)投影燈泡消息事件轉(zhuǎn)發(fā)

HTTP協(xié)議僅能實(shí)現(xiàn)單向通信，HTTP Request的header頭非常長(zhǎng)，有效數(shù)據(jù)很小，占用很多帶寬，效率很低；Comet協(xié)議，使用了Ajax，可以模擬雙向通信，但效率較低，并需要服務(wù)器有較好的支持；而WebSocket協(xié)議[11]，內(nèi)網(wǎng)設(shè)備與云服務(wù)端只需通過(guò)HTTP先做一個(gè)握手動(dòng)作，創(chuàng)建TCP通道鏈接，然后內(nèi)網(wǎng)設(shè)備和云服務(wù)之間可以直接通信，其Header頭數(shù)據(jù)最小只有2Bytes，這樣就可以實(shí)現(xiàn)云服務(wù)數(shù)據(jù)推送到內(nèi)網(wǎng)設(shè)備，節(jié)省帶寬并達(dá)到實(shí)時(shí)通訊?？紤]到內(nèi)網(wǎng)設(shè)備會(huì)出現(xiàn)各種意外的不可靠，就需要在內(nèi)網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用層設(shè)置定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的心跳包機(jī)制，并在云服務(wù)端設(shè)置對(duì)接的心跳包檢測(cè)機(jī)制。

根據(jù)上述Workerman框架介紹，充分利用Workerman框架支持WebSocket協(xié)議，能更好節(jié)省服務(wù)器資源和帶寬，達(dá)到實(shí)時(shí)通訊，設(shè)計(jì)如圖2所示的云服務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)投影燈泡消息事件原理框圖。

云服務(wù)應(yīng)用程序采用Workerman的Gateway/Worker進(jìn)程模型。Gateway是主進(jìn)程，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)IO，全異步非阻塞。為簡(jiǎn)單敘述，這里設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中控進(jìn)程、智能手機(jī)進(jìn)程、設(shè)備管理系統(tǒng)進(jìn)程等Gateway進(jìn)程，每個(gè)不同進(jìn)程可同時(shí)接受上萬(wàn)客戶(hù)端的內(nèi)網(wǎng)設(shè)備連接。Workers是子進(jìn)程，采用的是PHP同步模型，并提供了基本的接口，添加上自己的業(yè)務(wù)邏輯即可。

內(nèi)網(wǎng)設(shè)備和外網(wǎng)設(shè)備云服務(wù)都遵守WebSocket協(xié)議，由內(nèi)網(wǎng)設(shè)備主動(dòng)發(fā)送HTTP握手鏈接，與云服務(wù)建立TCP相互通信的數(shù)據(jù)通道，并由內(nèi)網(wǎng)設(shè)備發(fā)送定時(shí)心跳包數(shù)據(jù)到云服務(wù)端，云服務(wù)設(shè)置對(duì)接的心跳包檢測(cè)機(jī)制，建立內(nèi)網(wǎng)設(shè)備與云服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)鏈接。

圖2 云服務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)投影燈泡消息事件原理框圖

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中控監(jiān)控到投影燈泡累計(jì)的運(yùn)行時(shí)間超過(guò)設(shè)限，就觸發(fā)消息事件，并送到云服務(wù)的Workerman框架的網(wǎng)絡(luò)中控主進(jìn)程(即Gateway主進(jìn)程)。然后由云服務(wù)Workerman框架的Worker子進(jìn)程，根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的智能手機(jī)字段，轉(zhuǎn)到智能手機(jī)進(jìn)程，對(duì)智能手機(jī)用戶(hù)進(jìn)行消息推送。智能手機(jī)用戶(hù)通過(guò)跨平臺(tái)HTML5的APP界面，就可以知道哪個(gè)教室的投影燈泡運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)到限，做好更換投影燈泡的準(zhǔn)備。同時(shí)，根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的采購(gòu)報(bào)送計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)字段，轉(zhuǎn)到管理系統(tǒng)進(jìn)程，對(duì)學(xué)校的設(shè)備采購(gòu)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)也進(jìn)行消息推送，表明某個(gè)教室的投影燈泡需要申請(qǐng)采購(gòu)。云服務(wù)就此實(shí)現(xiàn)了投影燈泡的運(yùn)行時(shí)間到限的消息事件轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了投影燈泡的主動(dòng)更新。

2.3 網(wǎng)絡(luò)中控的投影燈泡主動(dòng)更新實(shí)現(xiàn)

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)中控與投影燈泡相關(guān)的硬件和軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中控的升級(jí)改造，要求對(duì)投影機(jī)燈泡能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)更新。網(wǎng)絡(luò)中控就必須實(shí)現(xiàn)投影燈泡運(yùn)行時(shí)間的累計(jì)計(jì)時(shí)、設(shè)限觸發(fā)、消息發(fā)送等功能。另外網(wǎng)絡(luò)中控還需要實(shí)現(xiàn)心跳包數(shù)據(jù)到云服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)與云服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)鏈接。為此，設(shè)計(jì)如圖3所示網(wǎng)絡(luò)中控

網(wǎng)絡(luò)中控應(yīng)用程序(STM32F103RET)投影燈泡運(yùn)行時(shí)間數(shù)據(jù)定義(含設(shè)限觸發(fā))運(yùn)行時(shí)間累計(jì)計(jì)時(shí)OLED屏?xí)r間顯示構(gòu)架trWnepO)0267TM(DNS運(yùn)服務(wù)器域名+嵌入式HTML5網(wǎng)頁(yè)WebSocket協(xié)議心跳包數(shù)據(jù)長(zhǎng)鏈接投影燈泡消息事件傳輸U(kuò)DP/IPTCP/IPIP網(wǎng)絡(luò)(IPv4/IPv6)以太網(wǎng)(Ethernet)/無(wú)線網(wǎng)(WiFi)生 安理 管量 質(zhì) 務(wù) 服

圖3 網(wǎng)絡(luò)中控投影燈泡運(yùn)行的硬件和軟件架構(gòu)

投影燈泡運(yùn)行的硬件和軟件架構(gòu)。由圖可知，控制投影燈泡主動(dòng)更新的網(wǎng)絡(luò)中控由兩大部分組成：投影燈泡的控制及計(jì)時(shí)和投影燈泡的消息事件網(wǎng)絡(luò)傳輸。

投影燈泡的控制及時(shí)間計(jì)時(shí)部分，選用意法半導(dǎo)體(ST)公司出品的STM32F103RET增強(qiáng)型系列微控制器[12]為核心，其內(nèi)核是Cortex-M3，有大容量的Flash(512 k)，可以?xún)?chǔ)存常用的漢字字體，保證了足夠大的存儲(chǔ)空間。由STM32F103RET芯片完成投影燈泡的運(yùn)行時(shí)間數(shù)據(jù)定義、運(yùn)行時(shí)間累計(jì)計(jì)時(shí)、設(shè)限觸發(fā)、OLED屏顯示及數(shù)據(jù)發(fā)送。因是由程序員主控設(shè)計(jì)，可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)部分的安全、管理及服務(wù)質(zhì)量等。

另外網(wǎng)絡(luò)中控的網(wǎng)絡(luò)部分，選用聯(lián)發(fā)科MT7620A智能路由器SOC主控芯片[13]實(shí)現(xiàn)，由嵌入式Linux[14]的OpenWrt軟件架構(gòu)組成[15]。實(shí)現(xiàn)對(duì)云服務(wù)DNS域名尋找、嵌入式Web Server網(wǎng)頁(yè)的設(shè)置，為了保持與云服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)鏈接，對(duì)云服務(wù)主動(dòng)發(fā)送定時(shí)心跳包數(shù)據(jù)，通過(guò)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧完成網(wǎng)絡(luò)底層的數(shù)據(jù)信息傳送，并以WebSocket協(xié)議引擎分發(fā)接收不同服務(wù)類(lèi)別的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中控獨(dú)特的心跳包及數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)特性。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)中控的監(jiān)控投影燈泡運(yùn)行主程序流程

網(wǎng)絡(luò)中控要控制的設(shè)備很多，現(xiàn)在只敘述投影燈泡部分。網(wǎng)絡(luò)中控的投影燈泡主動(dòng)更新的主程序流程如圖4所示。首先，網(wǎng)絡(luò)中控上電后，需獲取內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的IP地址，并獲取權(quán)限訪問(wèn)云服務(wù)。如果是第一次與云服務(wù)鏈接，就需要激活本地網(wǎng)絡(luò)中控在云服務(wù)的注冊(cè)權(quán)限，然后登錄云服務(wù)記錄登錄在線，并啟動(dòng)心跳包機(jī)制與云服務(wù)保持網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)鏈接。網(wǎng)絡(luò)中控就此開(kāi)始累計(jì)投影燈泡運(yùn)行時(shí)間，并與設(shè)限時(shí)間數(shù)據(jù)比較。當(dāng)超過(guò)設(shè)限時(shí)間，就生成投影燈泡到限的消息事件，發(fā)送到云服務(wù)，由云服務(wù)處理并轉(zhuǎn)發(fā)?；蛘弋?dāng)網(wǎng)絡(luò)中控收到云服務(wù)發(fā)來(lái)的查詢(xún)?nèi)蝿?wù)時(shí)，就返回投影燈泡當(dāng)時(shí)運(yùn)行時(shí)間數(shù)據(jù)。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中控?fù)碛姓故緮?shù)據(jù)格式的表征，比如智能手機(jī)中可以加載該HTML5嵌入式頁(yè)面，并根據(jù)頁(yè)面功能支持用戶(hù)控制設(shè)備或?yàn)g覽設(shè)備狀態(tài)。另外網(wǎng)絡(luò)中控也設(shè)置設(shè)備采購(gòu)管理的字段，告知云服務(wù)也要轉(zhuǎn)發(fā)到設(shè)備采購(gòu)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)某個(gè)多媒體教室投影燈泡的采購(gòu)報(bào)送[16]。

圖4 網(wǎng)絡(luò)中控投影燈泡運(yùn)行時(shí)間主程序流程

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中控要求離線時(shí)，發(fā)送最后要求離線的心跳包數(shù)據(jù)，通知云服務(wù)清除網(wǎng)絡(luò)中控在線記錄，并穩(wěn)定下線。

3 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用面向云服務(wù)編程思想的Workerman框架，使用WebSocket協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)中控使用了STM32F103RET主控，以及MT7620網(wǎng)絡(luò)主控的嵌入式Liunx系統(tǒng)OpenWrt框架，定義、封裝不同用戶(hù)智能手機(jī)以及采購(gòu)管理系統(tǒng)的權(quán)限及字段，解決投影機(jī)燈泡運(yùn)行時(shí)間累計(jì)計(jì)時(shí)、設(shè)限觸發(fā)、消息推送、采購(gòu)報(bào)送，實(shí)現(xiàn)投影機(jī)燈泡的主動(dòng)更新，為多媒體教室設(shè)備管理和維護(hù)提供了新方法。

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An Active Updating System for Projector Lamps Through Cloud-services and Network Control

PEIHong，YERen-chun，LUYun-long

(Modern educational technology Center, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Projector lamp is the kind of frequently used and replaced consumable in multimedia classrooms, hence, measures are needed to monitor the running time of lamps which are rested on projector. Through the use of cloud-services oriented programming ideas, this study successfully achieved a series of active updating processes, including actively time accumulation, condition-limited trigger, message push and purchase orders delivery, by the chance of network control system upgrading. The practical trials show that this paper provided a novel method for the management and maintenance of multimedia classroom equipment.

cloud-service; network control; projector lamps; actively updating; message push; purchase orders delivery

2016-03-15

裴 虹(1957-),男,黑龍江,工程師,研究方向：多媒體教室網(wǎng)絡(luò)中控遠(yuǎn)程控制及云服務(wù)數(shù)據(jù)安全。

TP 393.05; TN 915.05

A

1006-7167(2016)09-0303-04

Tel.：027-87556846(辦)，18971649889；

E-mail：peihong@mail.hust.edu.cn