張喜紅 王玉香

(亳州職業(yè)技術學院， 安徽 亳州 236800)

隨著計算機技術的發(fā)展，多媒體教室的應用逐漸普及[1]。計算機、投影機是學校多媒體教室必備的基礎性硬件設備，這類設備大多使用壽命有限、配件價格較高。如，普通投影機燈泡的使用壽命僅4 000 h左右，激光投影機燈泡的使用壽命僅20 000 h左右，且使用時若操作不當極易導致燈泡損壞[2]。在學校多媒體教室設備日常管理中，規(guī)范使用，按需開關機，有助于延長設備使用壽命。目前，大多學校采用多媒體教室外配專屬中控設備的方式來實現(xiàn)統(tǒng)一管理。亳州職業(yè)技術學院即采用此種方式在實際使用當中發(fā)現(xiàn)存在以下問題：中控設備的配置增加了建設成本；中控設備的接入增加了系統(tǒng)施工、布線的復雜程度；后期維修、維護相對困難。為了避免這些問題，我們基于Python語言重新設計了一套多媒體教室管理系統(tǒng)。Python語言具有模塊豐富、語法簡潔、跨平臺性能較好等優(yōu)勢[3]，因此基于Python的系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，使用成本不高。

1 系統(tǒng)硬件及工作流程

1.1 系統(tǒng)硬件組成

多媒體教室管理系統(tǒng)的硬件由總控計算機、路由器、各教室計算機、投影機等組成(見圖1) 。教室的多媒體設備包括教室計算機和投影機，各教室計算機支持網卡喚醒啟動，教室計算機與投影機之間通過RS232串行總線連接，教室計算機可通過串行總線向投影機發(fā)送控制指令，最終實現(xiàn)投影機的開啟與關閉。每臺教室計算機和總控計算機通過路由器連接，形成局域網。

圖1 多媒體教室管理系統(tǒng)硬件組成結構

1.2 系統(tǒng)工作流程設計

開始管理系統(tǒng)設計之前，首先需確定以下問題：(1) 采用什么方式控制各教室計算機的自動開啟和關閉；(2) 確定課表分析功能是由教室計算機實現(xiàn)，還是由總控計算機實現(xiàn)；(3) 如何控制投影機按需、按時完成開啟和關閉等操作。

現(xiàn)有管理方式是通過外配中控硬件來實現(xiàn)教室計算機的自動開啟和關閉等操作。對于教室計算機，是通過斷電器聯(lián)接計算機電源開機觸發(fā)線實現(xiàn)計算機的開關機控制，長期使用對硬件的損傷較大。對于投影機，是通過單片機模塊的串口通信實現(xiàn)控制，且大多采用無應答檢查控制方式，可靠性低。因此，省去中控設備，并實現(xiàn)自動控制是系統(tǒng)改造的重點工作。

當前各教室計算機支持網卡喚醒功能，因此，在不額外增加設備的情況下，各教室計算機的開機操作可通過網卡遠程喚醒來實現(xiàn)。如果由總控計算機完成所有課表的分析，并有針對性地實時喚醒各教室計算機，將導致總控計算機的運算分析工作量過大。為了保證實時性，總控計算機應滿足較高的硬件配置要求。為了控制改造成本，課表分析任務、投影機的開關機控制都由當前各教室計算機來完成。

基于以上考慮，確定系統(tǒng)工作流程：

(1) 總控計算機依據(jù)當前季度的作息時間，在每節(jié)課上課前5 min內向全校多媒體教室發(fā)送網絡喚醒開機指令，開啟各多媒體教室計算機。

(2) 各多媒體教室計算機開機后，運行程序，讀取并分析本地存放的本教室課表文件。若當前未安排課程，則執(zhí)行計算機的關機指令，立即關閉本教室計算機。

(3) 若當前時段安排有課程，則通過串口開啟投影機，并以一定的時間間隔周期性檢查是否已到下課時間。若下課時間到，就先通過串口向投影機發(fā)送關機指令，關閉投影機，然后執(zhí)行計算機關機指令，立即關閉本教室計算機。

2 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

2.1 總控計算機程序

總控計算機的主要任務是依據(jù)當前季度的作息時間，在每節(jié)課前通過網絡喚醒技術提前啟動多媒體教室計算機。實現(xiàn)這一功能，應首先確定開機時間節(jié)點的獲取方式，然后完成網絡喚醒功能的程序設計。開機時間節(jié)點通過讀取Excel文件得到，以適應上課時間的變化。首先，將各節(jié)次上課時間與提前開機時間設置值按圖2所示格式存放于Excel文件中，待總控端程序啟動后，通過Python語言中xlrd模塊的相應函數(shù)將Excel 文件中的開機時間列表文件讀入；接著，程序駐留于后臺保持運行，其間按照一定的時間間隔，通過Python語言中time模塊的time.localtime()方法，周期性提取系統(tǒng)時間，并與從Excel文件中讀入的時間安排進行比對，若相符即可通過網絡喚醒技術遠程啟動多媒體教室計算機。通過Python語言中xlrd模塊讀取圖2所示Excel文件，以獲取上課時間節(jié)點。

圖2 上課時間安排

函數(shù)代碼如下：

def Read_Class_time(class_path)：#讀取本季度各節(jié)的上課時間

# class_path為表格文件的存放路徑

data=xlrd.open_workbook(class_path)

table=data.sheets()[0]#讀取表格文件的Sheet1表

# 獲取Sheet1表的第2列數(shù)據(jù)，得到開機時間節(jié)點數(shù)據(jù)

Class_time=table.col_values(1)

# 獲取Sheet1表的第3列的第1個數(shù)據(jù)，得到提前開機時間值

Difference_time =table.col(2)[0].value

# 計算開機時間，并把開機時間轉化為以“時”為單位的時間列表

value_list = []

for t in range(0，10)：

h=int(24*3600*Class_time[t]/3600)#時

m=int(24*3600*Class_time[t]%3600/60)#分

#以“時”為單位整合時間列表，便于與系統(tǒng)時間比較

value=h+m/60.0-Difference_time/60.0

value_list.append(value)

return value_list #返回開機時間列表

通過Python語言time模塊獲取總控計算機系統(tǒng)時間，其函數(shù)代碼如下：

def get_current_time()：#獲取當前電腦時間

current_time=list(time.localtime())#獲取總控計算機系統(tǒng)時間

hour=current_time[3]#提取“時”

minute=current_time[4]#提取“分”

value=hour+minute/60.0#統(tǒng)一變換為以“時”為單位的數(shù)據(jù)，以便后續(xù)比較

return value

網絡喚醒啟動，是由總機通過網絡對各分機傳送規(guī)定內容的編碼包來實現(xiàn)，編碼包用16進制格式表示為：“FF FF FF FF FF FF +16次目標機MAC地址”。同時，網絡喚醒具有明顯的廣播特征，通常采用UDP協(xié)議來實現(xiàn)[4-5]。通過Python提供的socket模塊，簡單配置參數(shù)后便可實現(xiàn)UDP網絡通信[6]。采用Python設計網絡喚醒功能，其函數(shù)代碼如下：

import socket#導入模塊

import binascii

#ip參數(shù)為主機IP地址，PORT為通信端口號，MAC_List為各目標機MAC地址列表

def UDP_Broadcast_Tx(IP，POTR，MAC_List)：

#初始化“套接字”為UDP連接

my_socket = socket.socket(socket.AF_INET，socket.SOCK_DGRAM)

my_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET，socket.SO_BROADCAST，1)

#廣播各目標機喚醒數(shù)據(jù)包

for i in mac：

#構造各目標機的開機魔術數(shù)據(jù)包

data=binascii.unhexlify(′FF′ * 6 + i * 16)

#發(fā)送數(shù)據(jù)包

my_socket.sendto(data，(ip，port))

my_socket.close()#關閉網絡連接

2.2 教室計算機程序

教室計算機程序的功能是，依據(jù)本教室的課表按時開關投影機。具體的實現(xiàn)過程如下：

(1) 將本教室的課表按圖3所示模板來設計，存放于教室計算機本地磁盤中。

辛迪·舍曼（Cindy Sherman）、杰夫·昆斯(Jeff Koons)和托恩·霍克斯(Teun Hocks)親自步入鏡頭前；霍埃爾-彼得·威特金(Joel-Peter Witkin)和喬·甘茨(Joe Gantz)則創(chuàng)造出不時使人震驚的敘述體場景。阿瑟·特雷斯(Arthur Tress)和戴維·萊維索爾(David Levinthal)長于縮微場景；卡魯姆·科爾萬(Calum Colvin)和維克托·施勒格(Victor Schrager)則擅長靜物攝影。

(2) 教室計算機被喚醒啟動后，自動啟動教室計算機端的程序，通過Python的datetime模塊，首先獲取系統(tǒng)的當前日期與時間，并提取分解出當前周次與時間。

(3) 通過xlrd模塊的相關函數(shù)，讀取課表文件中的節(jié)次時間安排，并與當前時間作比對，得到當前時間對應節(jié)次。

(4) 以周次與節(jié)次為行、列索引讀取課表信息。若當前單元格為空，則將課程標記變量置為‘0’，代表無課，于是執(zhí)行關閉計算機指令；若當前單元格不為空，則將課程標記置為‘1’，代表有課，于是執(zhí)行開啟投影機指令。

(5) 程序在后臺駐留，并以一定的時間間隔周期性地比較系統(tǒng)時間與課表文件中的下課時間。若下課時間到，則依次執(zhí)行關閉投影機和關閉計算機的指令。其中，計算機的關機操作通過os模塊的os.system(“shutdown -s -t 0”)方法實現(xiàn)。

圖3 教室課表模板

2.3 開關投影機程序

鑒于原有教室計算機與投影機已布設有串行連接線，本次設計中教室計算機對投影機的控制將通過RS232串行總線來實現(xiàn)。通常，投影機在出廠時標配RS232串口，并提供串口控制指令碼及參數(shù)表。如日電NP-CR3125X投影機的通信波特率為38 400，串行口開、關機指令碼分別是02-00-00-00-00-02、02-01-00-00-00-03，且控制成功后會返回應答碼，開、關機的應答碼分別是22-00-01-20-00-43、22-01-01-20-00-44。

Python語言中實現(xiàn)串口控制的模塊是serial模塊。應用serial模塊設計串口控制程序，主要內容包括串口的初始化和串口的發(fā)送與接收。

(1) 串口的初始化。串口的初始化內容主要包括端口號及波特率、位長、停止位等參數(shù)的設置。

初始化與指令發(fā)送函數(shù)代碼如下：

#串口初始化函數(shù)

def serial_init(COM，Baudrate，ByteSize，Stopbits，Timeout)：

serial_COM = serial.Serial(COM)#設置端口號，如：COM=′COM1′

serial_COM.setBaudrate(Baudrate)#設置波特率，如：Baudrate=38 400

serial_COM.setByteSize(ByteSize)#設置位數(shù)，如：ByteSize=8

serial_COM.setStopbits(Stopbits)#設置停止位，如：Stopbits=1

serial_COM.setTimeout(Timeout)#設置接收超時，如：Timeout=0.5 s

print serial_COM.portstr

time.sleep(1)#等1 s穩(wěn)定

returnserial_COM

#串口開、關機指令發(fā)送函數(shù)

def serial_Tx(serial_COM，Command)：

for i in range(1，3)：#最多發(fā)3次，未收到應答提示控制失敗

# 通過串口發(fā)送控制命令

serial_COM.write(Command)#開機指令：Command=″x02x00x00x00x00x02″.encode(′utf-8′)

#關機指令：Command=″x02x01x00x00x00x03″.encode(′utf-8′)

if(serial_COM.read(6)!=″ ″)：#接收投影機返回的6字節(jié)應答信號

print(″投影機控制成功！″)

return 1

print(″投影機控制成功！″)

showinfo(title=′提示′，message=′程序控制可能出錯，請您用遙控器操控投影機′)

return 0

3 系統(tǒng)程序測試

在Pycharm 2016.3.3開發(fā)環(huán)境下，采用python 2.7版本設計、調試總控計算機與教室計算機程序；然后，再借助py2exe將所設計程序編譯打包成exe可執(zhí)行文件[7]，安裝對應的總控計算機與106臺教室計算機。總控計算機與教室計算機的CPU型號為Intel(R) Core(TM) i3-4160 3.6GHz，內存大小為4 GiB，操作系統(tǒng)為Win7-64位。通過Windows系統(tǒng)自帶任務計劃程序安排功能，將總控計算機與教室計算機的exe程序設為開機自啟動模式。最后，進入教室計算機的BIOS系統(tǒng)，開啟允許網絡喚醒功能。在為期1周的運行測試過程中，總控計算機能夠實時喚醒106臺教室計算機。其中，有105臺計算機能夠按照課表實時開啟和關閉投影機；有1臺計算機，因其系統(tǒng)時間設置有誤，未能按課表安排的上課時間正常開機。

4 結 語

我們以亳州職業(yè)技術學院現(xiàn)有多媒體教室布設結構為基礎，針對外配中控管理方式維護不便的問題，設計了基于Python的多媒體教室管理系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中應用了Python的datetime 、xlrd 、socket等模塊，使總控計算機可以依照Excel文件中預設的時間節(jié)點喚醒各教室計算機；同時，應用了Python的serial等模塊，使教室計算機可以通過串口按照Excel課表安排完成按時開關機的工作。在實際測試中，系統(tǒng)運行良好，在一定程度上減少了教室管理員的工作量。所設計的軟件是以本地計算機系統(tǒng)時間為操控設備的基準時間，因此在實際應用中需注意主板電池、系統(tǒng)時間設置的匹配性。