遠程實驗控制平臺的設計與實現

諶建飛++鄧敏++王永建++剛煜++唐立軍

摘 要：本文針對遠程實驗教學中實驗儀器設備的遠程控制、安全智能管理和實驗對外開放等問題，采用嵌入式技術、網絡通信技術、Web應用技術結合教育身份號的實名認證技術設計和開發一個遠程實驗控制平臺。實現對遠程實驗室實驗項目的在線預約、遠程操控、智能管理以及對遠程實驗設備的故障檢測與用戶訪問安全控制，為實驗的遠程操控和對外開放創造條件。

關鍵詞：遠程實驗；實名認證；智能管理；安全控制

中圖分類號：TP315 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2017）03-0080-05

引言

遠程實驗是遠程教學發展中不可缺少的重要組成部分，對于遠程實驗的控制管理更是遠程實驗模式的重要研究方向[1-3]。遠程實驗控制管理的實現主要包含了嵌入式技術、物聯網技術、儀器儀表控制技術、Web技術和實名制管理技術等，其目標在于打造一個統一而便捷的遠程實驗教學和管理平臺，幫助解決實驗控制平臺建設、資源共享與對外開放問題[4、5]。目前世界各大高校和研究機構已經投入大量資金對遠程實驗模式進行相關的研究，并取得豐富的研究成果，如拉斯維亞斯中央大學設計的關于自動化控制的遠程實驗系統，北京郵電大學設計的基于ARM的遠程實驗控制系統[6-8]。

本文在遠程實驗操作平臺設計[9]的基礎上，探索基于教育身份號的實名制[10、11]遠程實驗控制平臺，為遠程實驗模式在控制管理方面提供新思路。

一、總體設計

遠程實驗控制平臺是一個對社會開放的實驗服務平臺，目的在于整合有限的實驗資源采用有償或無償方式開放給高校和社會使用，提高實驗資源的利用率，促進教育手段的多樣化發展。為滿足用戶進行遠程實驗和管理員管理平臺事務需求，并大大提升平臺服務能力、對外開放能力和解決平臺安全訪問控制與高效率智能管理問題，遠程實驗控制平臺需實現實驗在線預約、實驗遠程操作、管理員平臺事務管理、儀器設備安全控制和用戶安全訪問控制，本平臺系統結構和模塊設計如下。

1.系統結構

平臺采用B/S+“實驗儀器儀表”結構進行構建，根據設備的功能和所在位置的不同，平臺分為用戶層、服務處理層和實驗設備控制層，用戶層與服務處理層之間利用Internet進行通信，服務處理層與實驗設備控制層之間通過局域網進行通信。遠程實驗控制平臺系統結構如圖1所示。

用戶層主要由客戶端組成，普通用戶通過PC或移動設備在線訪問遠程實驗控制平臺，通過實名方式在該平臺完成特定實驗信息的瀏覽、預約、操作。管理員通過身份驗證進入后臺實現對平臺事務的管理，該層主要為用戶提供一個平臺訪問窗口，完成用戶與平臺之間的交互請求和信息交換。

服務處理層主要由Web服務、實名認證服務器、數據庫服務和視屏服務器組成，該層主要響應客戶端用戶的命令請求，完成平臺實名用戶的身份認證、實驗資源請求命令的轉發、實現與實驗設備控制層之間的通信管理和數據交換，完成對實驗設備的分配與調度，同時還提供對實驗實時視屏的傳輸和處理服務，并作為實驗數據處理、存儲與交換的中心。

實驗設備控制層主要由實驗儀器儀表、控制設備、傳感器、IP攝像機和實驗現場控制器組成，傳感器包括溫濕度、光線、電磁、壓力等傳感器，實驗現場控制器由STM32和BCM2836芯片的樹莓派二代組成。該層主要實現實驗設備調度控制、執行實驗操作命令、完成實驗過程的監控和實驗數據獲取功能。實驗設備控制層根據不同的實驗進行軟硬件配置，然后設立統一的接口配置供服務層分配與調度。

2.平臺功能模塊劃分

根據“低耦合、高內聚”的模塊劃分原則將平臺從前后臺兩方面分為九大功能模塊，分別為用戶實名認證模塊、實驗信息展示模塊、實驗在線預約模塊、實驗遠程操作模塊、個人管理中心模塊，實驗信息管理模塊、設備信息管理模塊、用戶信息管理模塊、設備故障檢測管理模塊，其系統功能模塊劃分如圖2所示。

二、核心功能模塊設計

平臺的核心功能模塊包括用戶實名認證模塊、實驗在線預約模塊、實驗遠程操作模塊和設備故障檢測模塊。通過用戶實名認證模塊能夠實現用戶與設備的安全訪問控制，是平臺安全控制的保障。實驗在線預約模塊是用戶對實驗資源有效分配、防止資源爭奪、資源合理有序使用的保證措施。實驗遠程操作模塊提供了對實驗儀器儀表的標準化訪問與操控，配置統一的接入方法，方便更多實驗項目的擴展。設備故障檢測模塊針對遠程控制的復雜性和用戶操作的不可控制性而發生的設備故障問題，即時發現并通知管理員進行故障處理，是對實驗設備的智能管理。

1.用戶實名認證模塊設計

采用基于教育身份證號（e2ID）的實名認證服務來實現用戶的安全訪問和用戶的實名管理[12]。教育身份證號是與單位代碼、居民身份證號碼等經過特定生成算法生成的唯一標識碼。用戶實名認證包括客戶端用戶信息輸入、實名認證調用、實名認證服務處理和用戶信息存儲四個子模塊，用戶實名認證模塊設計如圖3所示。

用戶在遠程實驗控制平臺客戶端進行用戶注冊，在客戶端用戶信息輸入模塊中輸入正確的用戶姓名、身份證號和在實名認證服務機構注冊生成的e2ID，提交用戶信息到實名認證服務處理模塊，進行相關參數格式的驗證，然后通過調用實名認證調用模塊中的服務代理進行遠程服務調用，完成實名驗證，若返回驗證成功則實名認證服務處理模塊調用用戶信息存儲模塊將用戶信息存儲到數據庫中并為用戶創建唯一的身份信息標識，同時返回給客戶端用戶注冊成功，如果驗證失敗則直接返回給客戶端用戶注冊失敗，用戶不能訪問該平臺。用戶在通過實名認證注冊成功后，便可采用此身份安全便捷的訪問遠程實驗平臺、享受相關實驗服務，用戶在平臺上的進行的相關操作都將在數據庫中記錄下來同時根據用戶的相關權限進行操作限制。

2.實驗在線預約模塊設計

實驗在線預約模塊包含實驗設備號、日期、時段選擇，資源可預約預判、資源鎖定，預約扣費，賬戶充值和個人實驗預約管理六個子模塊。根據實驗服務跟蹤調查和統計，每天二十點到早上五點是平臺訪問人數最少甚至沒有人訪問的時間，管理員可進行設備的檢測、服務更新與數據備份等事宜。該時段平臺不對外開放甚至從節能的方面考慮停止遠程實驗設備相關工作。模塊設計中將每天設備工作時間（5：00到20：00）按照30分鐘一個時段劃分成36個時段，用戶可以選擇一個或多個時段進行預約，預約流程圖如圖4所示。

用戶結合自己需求與當前預約狀況選擇合適時段進行實驗預約。首先選擇想預約實驗項目的日期、設備號和時段，然后調用資源可預約預判模塊根據當前設備的設備號從數據庫中查找出相關預約情況進行是否可預約判斷，如不可預約則返回失敗信息，成功則繼續。模塊還提供了資源鎖定功能用戶和預約扣費功能。時段鎖定功能是防止多個客戶同時預約同一時段造成資源爭奪而出錯，在用戶選擇了時段進行支付時第一個預約的用戶鎖定資源，后面的用戶便不能預約，系統會提示時段已被鎖定。系統會根據當前實驗花費和預約用戶賬戶余額情況進行使用扣費，如果扣費成功則在數據庫中生成與用戶ID綁定的實驗預約記錄，否則返回預約失敗，釋放資源。預約成功后用戶可在預約的時間段里去享受平臺的實驗服務，此外用戶還可在用戶中心進行預約的查詢與取消操作。

3.實驗遠程操作模塊設計

實驗遠程操作模塊主要包括主控模塊、電源模塊、視頻采集模塊、無線與串口通信模塊與傳感器模塊五個子模塊組成。以嵌入式ARM處理器為控制核心的樹莓派作為主控模塊，其主要實現遠程操作命令的接收與執行、傳感器數據的讀取與處理以及數據與視頻的穩定傳輸。向上通過Linux網關與服務器進行通信，向下采用串口、I/O口或無線模塊（Wifi/ZigBee）與實驗傳感器進行數據傳輸，通過以上五個模塊互相協調工作可以實現遠程實驗操作。實驗設備控制硬件框圖如圖5所示。

實驗儀器平臺的主控模塊采用BCM2836芯片的樹莓派二代，通過基于Socket的局域網TCP編程實現服務器之間的通信。主控模塊在接收來自服務器的實驗操作命令后，對不同傳感器數據進行讀取和對THB6128步進電機等設備進行實時控制，以及調用符合UVC規范的網絡攝像頭（IP攝像頭）對實時視頻進行采集傳輸[13]。對于主控模塊與其它協作模塊（即各傳感模塊等）之間的通信根據設備的安裝便利性和數據傳輸要求合理采用無線和有線的方法來自行組網。

4.設備故障檢測模塊設計

設備檢測管理模塊由故障檢測中心模塊、設備調配模塊、主控模塊、多類型故障檢測模塊在實驗服務器的協同下共同完成對設備故障的檢測與處理。多類型故障檢測模塊包括傳感器校驗、檢測數據通信、數據值域比較和傳感器開關狀態等組成。該設備檢測管理模塊能時刻監測主控模塊與各協作模塊之間的數據通信，對傳感器發送的數據進行值域比較，判斷傳感器有無損壞和通信是否正常，如果一旦發生異?；虿荒苓M行有效數據傳輸，實驗設備故障檢測模塊會向上發送實驗設備故障信息，并標識是哪一臺設備發生故障，將設備狀態更新到實驗服務器資源當中的數據庫中，此時實驗服務器自動調用備用實驗設備來執行該實驗的下一個實驗預約，管理員在實驗管理后臺可查看到來自故障通知模塊傳來的故障信息，去實驗室對故障進行處理，完成故障檢修后最終在實驗管理后臺中更改數據庫中該實驗設備的設備狀態，完成整個故障的處理流程，設備檢測管理模塊功能圖如圖6所示。

三、平臺實現與應用展示

遠程實驗控制平臺在接入邁克爾遜干涉實驗的基礎上針對大學基礎實驗進行了相應擴展，目前平臺已經包含了力學測量類、熱學測量類、電磁測量類、光學測量類和示波器信號發生器等儀器教學類共19個實驗。平臺提供了對這些實驗的相關負責教師信息、實驗原理、遠程操控介紹等信息，并實現實驗預約、收藏和評論功能。圖7為遠程實驗控制平臺首頁實現效果圖。

遠程實驗控制平臺采用基于教育身份證號的實名制方式來有效控制平臺用戶訪問安全，通過采用正確的與不正確的用戶身份信息來進行安全驗證，只有提供正確用戶信息的用戶才能注冊成功，有效防止非合法用戶對平臺的訪問。合法用戶注冊成功后管理員可在后臺了解到用戶的真實身份，并對用戶的相關操作進行記錄保存，用戶在對平臺實施破壞性操作時，可以找到實施的用戶，并對其進行責任處置。平臺對用戶信息是安全保密的不會對用戶信息進行泄漏。圖8是實名制下的用戶注冊界面。

遠程實驗控制平臺實驗在線預約功能實現效果如圖9所示，平臺經過投入到學校模擬使用，對實驗進行多人多實驗同時預約測試，測試效果良好，無系統故障發生并能有效完成對實驗資源的預約分配，保證系統的穩定有效的運營。

遠程實驗控制平臺實驗遠程操控界面如圖10所示，IP攝像頭抓拍的實驗現場環境監測視頻和實驗反饋參數視頻分辨率和實時性都能達到實驗要求。實驗遠程操作簡單，易于掌握，實驗測量結果在結合實驗數據保存功能和圖表的可視化展示下，便于用戶理解和分析。在用戶合理操作實驗的基礎上得到的實驗結果在有效的誤差范圍內，能確保實驗的有效性。

四、結束語

筆者采用遠程實驗模式中實驗管理和對外開放的相關技術設計實現了遠程實驗控制平臺，該平臺具有安全訪問控制和開放式管理的特點，已在學校內部測試運營當中，并不斷進行擴展和完善，目前測試運營表明，平臺運行穩定、能夠有效的滿足遠程實驗管理、操作和對用戶訪問安全控制的需要，進一步完善后，可用于開放式遠程實驗。

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（編輯：王曉明）