本文介紹了一種基於IP網路的遠程設備控制系統。該系統基於計算機網路（IP網路），以Moxa公司的多串口伺服器為核心，將多媒體教學中的各種設備如，錄像機、VCD、功放音響系統、彩色攝像系統、電源系統、視音頻矩陣等非網路設備納入到計算機網路中，實現了基於IP網路的多媒體教學控制系統。
關鍵詞 IP網路 非網路設備 串口伺服器 虛擬設備 串口對象
傳統的多媒體教學控制系統多採用專用網路，如RS485、CAN等來實現設備的遠程控制，同時在控制中心採用集中控制器，教學現場採用專用單片機鍵盤進行教學節目的播放等操作。然而對於大型的多媒體教學系統，一方面有著更多的媒體設備，另一方面由於目前計算機在教學應用中的普及以及結構化布線系統的深入，幾乎在每個教學現場都有計算機的使用或者至少具備計算機接入的網路介面，傳統的集中控制器和專用網路存在顯著的缺點，為了充分發揮計算機網路的優勢和無縫整合各種媒體設備及資源，我們研發了基於計算機IP網路的多媒體教學控制系統實現大容量遠程媒體設備的網路化實時控制和共享。
本系統通過教學現場的計算機觸摸屏，將各種控制指令以TCP/IP協議包的形式發到教學控制中心，對控制中心的各種模擬制的媒體設備如錄像機、VCD、錄音卡座、等進行操控，或者直接通過網路申請伺服器上的各種數字媒體資源播放到教學現場，同時在教學中也可以操作教學現場的攝像系統進行教學節目的錄製或實況轉播。
1、 系統組成
系統不採用傳統媒體設備控制中的集中控制器的思路，而是採用各種獨立的專業設備進行整合。比如對於錄像機、VCD、錄音卡座、功放等模擬制的媒體設備，我們研發了通用的紅外遙控系統，該系統是一個獨立設備，具備一個RS232介面和32條在系統（ISP）可編程紅外遙控通道，可以同時對32種設備進行紅外操控。對於視音頻信號的分配我們採用了帶RS232口32X32的專業視音頻矩陣。考慮到系統的工作穩定和可靠，系統採用智能配電方式，由帶RS485介面的8通道8X3KVA的固體繼電單元取代傳統的手動電源開關。對於彩色攝像系統，我們專門設計了複合了OSD、PTZ控制和雲台解碼的專業解碼器。所有這些設備都通過一台Moxa的8串口伺服器NPort Server，接入到計算機網路中。其系統組成圖如圖1所示：
在實際的系統中，共接入了8台錄像機、8台VCD、4台錄音卡座、4台功放、16台教室用電視機、9台控制中心的監控電視機、16部彩色攝像頭、1台投影儀，16台計算機及若干遠程鍵盤單元。所有的媒體設備在教學控制中心集中安裝管理，並可以從每間教室共享和遠程控制，由於設備的集中管理和統籌使用，設備的使用效率和壽命得到很大提高。
2、 主要技術
可以看到我們在系統中納入了大量的非網路化設備，所有這些設備要通過IP網路進行遠程控制和共享，需要從技術上進行一些處理，這些處理包括硬體層面的，也包括軟體層面的。在硬體層面，第一步我們主要解決了非網路可控設備的智能介面，使一些如電視機、錄像機等不能通過計算機直接控制的設備可以通過RS232/RS485進行控制，第二步將這些眾多的RS232/RS485設備通過多串口設備接入計算機中；在軟體層面，需要建立通用控制協議和虛擬設備模型來實現非網路設備的真正網路化。其中的主要技術將從以下幾個方面進行闡述。
2.1 非網路設備的網路化
在多媒體教學應用中，甚至在許多會議、指揮調度的應用中都存在大量的傳統視音頻設備，這些設備比如錄像機、VCD、電視機、投影儀、功放等，這些設備通常都不具備網路功能，也就是所謂的非網路設備；還有很多，如配電系統、燈光系統、電動屏幕等也屬於非網路設備；對於帶雲台解碼器攝像系統屬於非IP網路的網路設備；一些專業視音頻矩陣帶有智能介面，屬於智能設備，但主要還是基於鍵盤應用的多。所有這些設備都需要經過一定形式的轉化才能納入IP網路。一旦這些設備網路化后，就可以從網路的任何一個授權點進行有效的控制甚至共享。對不同的非網路設備在進行網路化時有不同的方式，在實際的整合應用中，我們可以對這些非網路設備進行分類，主要有兩大類，網路可控和非網路可控設備。
對於網路可控設備，只要接入計算機的串口，就可以通過計算機進行控制，而要實現基於IP網路的遠程控制，還需要有一層應用網關，這個網關實際上是運行在一台計算機上的後台服務進程。
對於非網路可控設備的接入，需要從硬體上作一些處理，在實際的應用中，我們對於紅外可控的AV設備，設計了通用的多通道紅外控制器，和傳統的集中控制器不同，我們的紅外控制器是一個獨立的設備，帶有RS232口，每台設備支持8條可編程紅外控制通道，通過內部級聯，每一個RS232口最大支持32條紅外通道。如圖2所示：
對於其它如電源配電、現場燈光等，納入IP網路進行控制，是系統整合能力的體現，這一類的設備的控制，通常都是一些繼電器開關型的控制，可以設計通用的智能開關單元來實現，在實際應用中，我們設計了8X3KVA的智能開關單元，通過RS485匯流排可以控制每一路固體繼電器的開閉，還可以返回每一路開關的狀態。如圖3所示：
圖3 電源配電系統的入網處理方式
2.2 串口伺服器NPort Server
在將各種RS232/RS485設備納入IP網路的設計中，可以有多種方式，一是採用多串口卡，這是一種基於計算機插槽的擴展卡，可以擴充計算機的串口數量，另外一種是獨立的多串口設備，如Moxa的NPort Server Pro系列，這是一種工業型專用的設備聯網伺服器，可連接 8/16 台各種RS-232 設備到TCP/IP 乙太網絡，它採用Intel i960CA RISC 作為核心處理器，提供8/16條50 bps ~ 230.4 Kbps的RS232通道，同時具有10/100M自適應的乙太網介面。在實際的應用中我們從以下1、系統彈性；2、安裝方便；3主機容錯等方面考慮選用了獨立的8口NPort Server，作為RS232/RS485的接入設備。同時標準的19“機架型NPort Server和系統中的其它設備，如伺服器、網路交換機、視音頻矩陣、紅外控制器等安裝在一個獨立的機櫃中可以形成一個良好的局部運行環境，保證了設備的長期使用的穩定性。
由於部分設備是RS485介面，需要安裝RS232/RS485轉換器，對於一些遠距離的RS232設備，如我們實際系統中的投影儀帶RS232介面，但設備距離控制中心較遠，為了保證通信的可靠性，我們採用一對RS232/RS485轉換器來接入NPort Server。
2.3 軟體方面的設計
設備接入計算機網路后，還沒有真正實現網路化的概念，必須通過一個應用網關來實現設備的網路化，這個主要有幾個方面的內容，一是虛擬設備模型、二是虛擬設備原語、三是設備控制協議。
虛擬設備模型，是應用網關實現的一組內存對象，該模型把具體設備、設備連接關係、通道屬性、控制協議等封裝成一個虛擬設備對象，不同的虛擬設備對象繼承和實現不同的原語介面就形成各種類型的虛擬設備，如電視機、錄像機等。遠程客戶端，通過虛擬設備原語操控虛擬設備對象，而完成對具體設備的操控，由於虛擬設備是動態可分配的，所以網路用戶可以通過虛擬設備映像到控制中心所有的設備上，這一點和傳統的多媒體教學控制系統有著本質的區別，也就是說在任何一間教室都可以通過該系統使用所有的媒體設備資源。虛擬設備模型如圖4所示
虛擬設備是一個具有獨立工作線程的對象，獨立線程有助於提高系統對併發性控制的響應。虛擬設備原語，是一組採用C++定義的虛基類，每一種虛擬設備可以根據實際設備的功能和操作方法繼承和實現相應的介面。
在具體的實現中，因為不是每一台虛擬設備都擁有一個實質的串口設備，比如在我們的系統中有很多的虛擬錄像機、電視機等，它們都只能通過一個紅外遙控設備進行控制，也就是說這些虛擬設備必須具有共享NPort Server串口通道的能力。在實際程序設計中串口對象是單獨封裝和管理的，虛擬設備將控制數據發到數據匯流排上，由數據匯流排根據標籤轉發給相應的串口對象，串口對象只負責轉發數據。應用網關的軟體結構大致如下圖5所示：
3、 串口對象的實現
串口對象，是系統開發中比較複雜和難以調試的一個部分，由於各種RS232接入設備對數據格式、波特率、校驗有不同的需求，
實現串口對象時，可以採用平台提供的串口編程API，在我們的系統實現中採用的是Moxa公司提供的串口通信SDK包，它提供了一組非常明了的編程介面，可以迅速封裝自己的串口對象。但在實現有幾個需要注意的方面。首先，串口對象必須實現為線程安全的，這可以通過互斥（ Mutex ）或臨界（ CriticalSection ）等手段來實現線程的同步。其次，收發線程是事件驅動的，無數據時線程處於掛起等待狀態。第三，在數據包的處理上，應盡量避免大量的數據包拷貝工作。實際的系統中，我們的數據包實現為一個能自我銷毀的對象。下面用形式語言給出一段發送線程的片斷：
PACK dp;
loop:
WaitEvent (INFINITE); // 線程在此阻塞，等待數據隊列產生的非空事件
DQ->lock(); // 隊列加鎖
DQ->pop( &dp ); // 數據出隊列
DQ->unlock(); // 隊列解鎖
sio_write( port, &db.data),db.size); // Moxa SDK的寫串口函數
goto loop;
4、 結束語
採用多串口設備，尤其是Moxa公司的串口伺服器為我們的系統設計和實現提供了一個“所有設備聯網”的可能性，使得我們的方案在眾多的傳統方案面前別具一格，一舉中標。而且僅依靠一台8串口伺服器我們納入了大量常見的非網路設備，也實現不同數據格式、波特率、通信協議的串口設備向IP網路的無縫整合。
在大量設備需要網路化管理和應用的未來，我們相信多串口伺服器一定是一種性價比最優的聯網解決方案。
文章中的系統，是我們在雲南省昆明市盤龍區教師進修學校的多媒體微格教學系統中的中標后實現的，目前已運行一年多，在教師的培訓工作中發揮了很大的作用。
