張茂峰

（銳捷網(wǎng)絡(luò)股份有限公司 福建省福州市 350002）

1 引言

研討型環(huán)境越多普及商業(yè)樓因為環(huán)境促進思維方式開放性不同。在教育行業(yè)中多廠商、多產(chǎn)品，導致后期老師基本的接受度或者問題容忍度較低。研討型教學的移動教學，學生互動頻繁，關(guān)鍵需要解決課上資源、指導、點評方式的便利特征，解放老師操作與信息多步驟處理等打斷連續(xù)性的體驗流程。打通數(shù)據(jù)鏈路、自感應(yīng)的信息操作具有重要意義[5]。

行業(yè)很多采用服務(wù)端作為信息中心，采用C-B-C鏈路模型。校園網(wǎng)復雜性導致鏈路打點多、延遲大。采購方式的投標采購，導致眾多廠家設(shè)備不兼容。不同產(chǎn)品方案建立自鏈路和技術(shù)安全屏障等，導致無法打通方案鏈路，無法進行多端協(xié)同互動、數(shù)據(jù)共享問題。本文針對該情況，改進各個端的消息鏈路鏈接，建立公共的消息管道機制，打通教學組件的同時，提供便捷的現(xiàn)代化課堂操作，以客戶為中心的方案，是一種倡導建議，避免資源浪費。

2 方案總體特點

（1）通過數(shù)據(jù)夸線實現(xiàn)自動管理，例如批注、資源共享等多端的數(shù)據(jù)自動化同步與管理。

（2）通過本地鑒權(quán)中心在現(xiàn)代化教室視頻流模式下，可以直接進行互動簡評。

（3）利用設(shè)備部署信息與認證機制中心打通，解決手動配置繁雜的畫面與數(shù)據(jù)操作。

（4）數(shù)據(jù)安全區(qū)域劃分與內(nèi)部安全機制管理，多家廠商同時兼容特點。

（5）藍牙BLE，NFC等便捷的自認證組網(wǎng)，快速畫面切換，簡化多層網(wǎng)絡(luò)連接步驟。

3 方案場景

3.1 場景一特性

單屏幕場景主要是教室、會議室。該屏幕又可能是大屏或者班牌等較多差異化的展示區(qū)域設(shè)備。教學主要以交互智能平板為核心設(shè)備，配套教師移動授課終端、無線功放、多媒體音箱和視頻展臺，實現(xiàn)多媒體互動活動。

3.2 場景二特性

雙屏幕場景，雙屏教學解決方案的核心主要體現(xiàn)在雙屏幕的無縫組合上，雙屏鏡像顯示可獲得更大視角，另外較多廠商開發(fā)雙屏互動、雙屏互顯功能，利用左右腦認知特點，形成記憶關(guān)聯(lián)，提升教學效果。

3.3 場景三特性

多屏幕場景，包括學生分組屏幕。屬于較現(xiàn)代化教學模式的場景。輔助屏用于顯示，小組研討管理，批注等功能，如圖1所示。

圖1：多屏幕場景

以上配套錄播設(shè)備，實現(xiàn)現(xiàn)代化遠程互動、授課共享、多校聯(lián)動等功能，圖2為常規(guī)教室鏈路流程，圖3為進行本文描述方案鏈路流程。

圖2：常規(guī)教室鏈路流程

圖3：描述方案鏈路流程

常規(guī)教室鏈路存在部署階段復雜，上課前準備設(shè)備多，如研討教學、隨堂問答、多教室互動、大型多組討論教室，授課后數(shù)據(jù)問題同步等，是當前行業(yè)急需解決問題[6]。改進后，可以通過跨組網(wǎng)方式，通過中心進行交互，提升管理數(shù)據(jù)便利性，本文重點解決自動切換、活動后自動同步信息到云端[1]。

4 軟件架構(gòu)

4.1 框架結(jié)構(gòu)圖

教室特點是設(shè)備間可達，外來設(shè)備需要連接特定網(wǎng)絡(luò)，一般有中心設(shè)備交互，針對該特點考慮建立一條打通相關(guān)設(shè)備總線，本文稱為軟夸線。實現(xiàn)自發(fā)現(xiàn)、自組網(wǎng)特點。解決多屏協(xié)同、文件分享、顯示屏幕等分布式業(yè)務(wù)[7]。

除支持二層自動廣播發(fā)現(xiàn)，設(shè)備間組網(wǎng)，自動協(xié)商協(xié)議、加密等信息。同時支持三層網(wǎng)絡(luò)NFC、藍牙自動判斷現(xiàn)對距離位置，自動登錄管理，自動切換到最優(yōu)屏幕數(shù)據(jù)傳輸鏈路，如圖4，支持手動選擇設(shè)備功能[8]。

圖4：框架結(jié)構(gòu)圖

（1）軟夸線，需要劃分為數(shù)據(jù)總線、控制線、廣播等鏈路，保證數(shù)據(jù)與執(zhí)行效率具有低延時特性。另外，附加總線進入、輸出的安全機制，較好可靠性。

（2）加密后的UDP數(shù)據(jù)傳輸、MQTT等協(xié)議加持補充，底層SOCKET封裝。加密支持RSA加密算法對UDP非對稱加密，自動MQTT消息包需要二進制封裝。

（3）網(wǎng)絡(luò)變動頻繁，設(shè)備端支持自動判斷連接類型（局域、廣域）。自動協(xié)商顯示圖片效果，提前判定網(wǎng)絡(luò)特征，選擇中間件進行交互。

公共事件，需要采用握手協(xié)商機制，由設(shè)備管理模塊、安全管道中心提供，兼容第三方注冊。云端數(shù)據(jù)采用https與內(nèi)部加密（對稱、非對稱、AUTH權(quán)限、簽名TOKEN等機制）。支持數(shù)據(jù)在認證的設(shè)備、賬號加密網(wǎng)絡(luò)存放，兼容局域特點。數(shù)據(jù)管理負責多端設(shè)備相互同步。數(shù)據(jù)存放支持加密，非對稱采用RSA升級算法ECC，對稱加密采用DES對應(yīng)AES，AES采用128位密鑰長度，ECC密鑰長度為132，兼顧速度與安全性。

ECC算法中Q=KP(代表k個相同的線上點P)使用離散對數(shù)難點，采用Ep(a,b)并取曲線點作為基點P，選取k作為私鑰，生成公鑰Q=kP給用戶，這時候用戶數(shù)據(jù)i，編碼后變成曲線點M與R隨機數(shù)，服務(wù)端利用私鑰解密：

M+RQ-k(rP)=M+r(KP)-k(rP)=M

分布式文件模塊為用戶設(shè)備中的應(yīng)用提供多設(shè)備間的文件共享，支持設(shè)備類型、局域的教室UUID跨設(shè)備訪問，最終中心的數(shù)據(jù)管理模塊統(tǒng)一管理同步云端[2]。如圖5所示。

圖5：數(shù)據(jù)管理模塊

4.2 設(shè)備存儲區(qū)域

設(shè)備設(shè)置三個存儲區(qū)，共享存儲、簽名存儲、沙盒存儲。分別對應(yīng)公開訪問、簽名驗證訪問、私有訪問，私有區(qū)域包括APP的DATA目錄等。其中，共享區(qū)域支持第三方擴展后約定規(guī)則表查詢存儲文件、信息配置、無記名DB文件，以文件形式存儲，支持音視頻、數(shù)據(jù)流文件信息，如圖6所示[9]。

圖6：設(shè)備存儲區(qū)域

主設(shè)備需要較強的數(shù)據(jù)處理能力，并且支持擴展能力。所有公共區(qū)域的設(shè)定，需要對應(yīng)告知主設(shè)備相關(guān)信息，具有可查閱功能，可增加、刪除、修改權(quán)限等信息。

簽名共享區(qū)域支持SQLITE、DB數(shù)據(jù)庫文件、自定義加密文件。第三方訪問需要經(jīng)過GROUP團體證書或者團體TOKEN進行驗證后，告知第三方位置信息、加密方式、臨時用戶名密碼等信息。

沙盒存儲，需要主APP認證的簽名，一般不進行外部訪問，所有數(shù)據(jù)需要主應(yīng)用負責處理相關(guān)流程轉(zhuǎn)發(fā)機制，主要包括內(nèi)部服務(wù)、通知、狀態(tài)等。支持高速緩存、臨時讀取等針對不同場景文件使用[3]。

數(shù)據(jù)處理根據(jù)終端特點，設(shè)立強一致性、弱一致性、最終一致性數(shù)據(jù)，需要在架構(gòu)設(shè)計時候考慮不同場景數(shù)據(jù)，物連數(shù)據(jù)。主設(shè)備會針對該等級特點進行相關(guān)處理，如圖7所示。

圖7：數(shù)據(jù)處理

服務(wù)提供模塊，主要支持事務(wù)工作，數(shù)據(jù)訂閱通知總線進行傳遞，支持關(guān)系、K-V、常規(guī)等數(shù)據(jù)等三種關(guān)系。

管理組件針對操作、權(quán)限、協(xié)商管理、數(shù)據(jù)同步等工作。第三方的訪問、縮減、事務(wù)、快照、加密，以及數(shù)據(jù)合并和沖突遞歸解決等。

同步模塊是存儲與通信的服務(wù)，其目標是保持設(shè)備間的數(shù)據(jù)一致性，留存、提交等工作，支持強一致、弱一致、最后一致的原則。

通信適配層是核心功能區(qū)域，具有嚴格的維護數(shù)據(jù)表，維護機制。具有管道的創(chuàng)建、連接、關(guān)閉等權(quán)限[10]。

4.3 藍牙、NFC輔助定位

支持藍牙、NFC等方式進行信息交換，解決無法獲取設(shè)備信息。

模擬Beacon協(xié)議，采用BLE藍牙，支持頻繁通斷和快速連接，基于室內(nèi)定位算法，計算距離。建立鏈接，通過藍牙、NFC接觸可以直接介入小組討論數(shù)據(jù)，不干擾顯示屏顯示又能訪問對應(yīng)數(shù)據(jù)，如圖5所示。該方案需要部署期間唯一碼進入教室設(shè)備認證，避免隔壁會議室或者教室互相串臺[4]。

利用發(fā)射信號頻段2.4G，支持硬件設(shè)備、手機之間、手機與大屏之間等對應(yīng)方式，主、從設(shè)備模式進行信號發(fā)送接收。依靠自身攜帶SSID信號，本文新增UUID與IDENTIFIER標識進行信息干擾區(qū)分外，計算方式如下：

d=10^((abs(RSSI) - A)/(10*n))

增加兼容2種模式：進入/退出地理區(qū)域Monitoring模式，檢測區(qū)域Ranging所有iBeacons設(shè)備模式相對位置。解決了SSID對于水波原理干擾衍射缺陷外，增加多波峰波谷與Monitoring、Ranging模式共生算法，從進入?yún)^(qū)域判斷后，根據(jù)不通設(shè)備進入的時間Timer權(quán)重、相對位置Distance離散特點權(quán)重進行預判。

另外針對人員走動，設(shè)備移動采用記憶模式記錄穩(wěn)定狀態(tài)，在存在干擾前提下能進行按登記位置的設(shè)備信息，利用廣播通訊進行信息同步，差幀算法與Kerman濾波判斷干擾源的影響，我們稱為MSSD間隔干擾，

p(k|k)=(I-Kg(k)*H)*P(k|k-1)

V=p(k|k)/dis(i)

k點的系統(tǒng)的最優(yōu)值x(k|k)，不斷根據(jù)心跳循環(huán)，更新x(k|k)對應(yīng)的p(k|k)，從而最優(yōu)解的過濾值，dis(i)為存儲前值判斷。解決了多設(shè)備信號無法優(yōu)先判斷導致的自動登錄、數(shù)據(jù)互動場景靈敏度低特點，該方案目前已在產(chǎn)品方案CDCP前完成效果驗證。

本文主要研究可行的教學場景解決方案，通過場景梳理出打通鏈路，公共的數(shù)據(jù)訪管理，打通各個應(yīng)用內(nèi)部與外部的不通問題。

5 結(jié)論

從普通研討環(huán)境痛點入手，進入整個設(shè)備間結(jié)構(gòu)化特點分析，再從場景進行升級打造合適的數(shù)據(jù)傳輸，場景使用價值，建立核心的技術(shù)高度兼容多廠商，增加算法解決信號干擾情況下穩(wěn)定判斷場景，便捷的設(shè)備部署、管理模塊，對于院校、高級會議廳等具有較高的方案參考價值以及設(shè)備升級方案借鑒意義。