开放共享嵌入式系统实验网络平台建设

徐志江， 彭 宏， 孟利民， 华惊宇

(浙江工业大学 信息工程学院， 浙江省通信网应用技术研究重点实验室, 浙江 杭州 310023)



·计算机技术应用·

开放共享嵌入式系统实验网络平台建设

徐志江， 彭 宏， 孟利民， 华惊宇

(浙江工业大学 信息工程学院， 浙江省通信网应用技术研究重点实验室, 浙江 杭州 310023)

针对嵌入式系统实验教学中存在的实验装置与智能设备不能通过互联网相互通信、设计的实验内容层次性不足、缺乏实际行业应用等问题，本文利用自主研发的嵌入式实验教学设备，提出了开放的、远程的、共享的、基于物联网思想的一种嵌入式系统实验网络平台方案、配套的实验装置及相应的层次化实验。

开放共享； 嵌入式系统平台； 物联网； 层次化实验

On the Construction of Open and Sharing Experimental Network Platform with Embedded Systems

0 引 言

继计算机、互联网和新一代移动通信技术飞速发展之后，“物联网”[1-2]成为世界信息产业的第三次浪潮。为了随时随地的实现人与人、人与物、物与物之间的交互，远程信息采集、网络大容量信息交互传输和控制、信息汇聚、智能分析和决策等成为未来信息领域发展的重点，“物联网及其应用”研究已被国家和各省市列为十二·五发展的重点领域之一。自从1999年提出物联网概念后，韩国、日本、新加坡、英国、欧盟、美国等相继提出与物联网相关的系列战略规划。2009年8月提出了“感知中国”，江苏、上海和浙江分别把物联网产业作为重点培育的战略性新兴产业来抓。

物联网的网络层[3]涵盖了现代通信前沿的RFID、3G/4G/LTE无线通信技术以及网络传输所需的信息高速公路。在网络层，必须解决物与物之间通信所需的传输、交换和处理等大容量信息交互，而这正是通信专业学生针对现代和未来通信必须掌握的核心技术。

物联网的应用层[4]涵盖了信息与通信技术在行业中的应用，例如绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通、环境监测等八大行业应用，这些应用都是构建在网络层之上，离不开现代通信技术。人们将宽带化、移动化、泛在化、安全性、可用性、可信性列入未来信息通信领域创新的重点。因此构造新的网络和分布系统用以实现信息接入的高可用性与可信性、无论何时何地将采集到的信息无缝地接入物理世界、动态和挑战环境的信息接入等将是未来通信技术的研究重点。

考虑到通信专业学生的培养与实际就业情况的需求，结合移动通信、公共安全、智能家居、智能交通等行业的应用，我们提出了一种通信专业创新实验平台的建设方案，规划了作为支撑平台的远程多媒体通信交互系统的系列软件，设计和制作了支持有线、无线网络接入的前端实验设备硬件和相应软件，使得学生可以通过实验设备进行网上远程、共享平台，通过加载不同的应用软件实现了各行业的应用性演示实验。

1 现有实验存在的问题

随着现代通信技术[5]的飞速发展，传统的点对点通信技术已经发展为多对多的、广域的网络通信技术。现代通信技术在移动通信、智能交通、智能家居、远程医疗、城市管理、公共安全等行业已成为不可或缺的关键技术，可以随时随地实现人与人、人与物、物与物之间的通信。培养通信专业创新型人才是社会人才需求、社会经济发展、大学生创业就业的需要[6]。

“嵌入式系统”课程的实践性非常强，加强实验教学、增大实验课时、编写优秀的实验教学讲义和实验项目设置，对培养学生学习兴趣和提高实际动手能力，非常重要。通常情况下，教学所用的实验设备是由科教仪器公司开发的，现开设的实验课程，大多是演示性和验证性的实验。部分学生照着详细的实验指导书按部就班做实验，不深入思考实验现象背后的理论知识，甚至缺乏基本的编程技术，缺乏自主创新意思。更重要的是，现有的这些实验设备都是一个个独立的孤岛，开设的实验至多能与实验室内网上的电脑TCP/IP通信、交互而已。实验室没有中心平台服务器及相应的支撑软件，无法实现实验设备与外界、远程的电脑、智能手机、PAD等互动，无法体现出现代通信技术带来的随时随地及时通信的便捷和乐趣。此外，所有的实验必须在上课时间内完成，因为实验所需要的仪器设备不能外借，不具有开放性、共享性，不能满足对嵌入式系统具有浓厚学习兴趣同学们的需求。

2 开放式实验平台的建设方案

2.1 平台建设的目标与思路

培养的目标：使学生具备现代通信技术、通信系统、通信网和嵌入式系统[7]等方面的知识，具有从事现代通信系统和嵌入式系统的设计、研发、调试和工程应用的基本能力，具有较好的电子线路设计、嵌入式软件编程以及通信系统的设计与开发能力，能实现数据采集、加工、转换，完成通信传输任务，能在通信领域中从事现代通信系统、通信网及信息传输和处理系统，特别是嵌入式应用的驱动开发与嵌入式软件研发。

建设方案：使学生进一步熟悉嵌入式系统的组成原理和设计方法，掌握ARM处理器Linux操作系统的主流配置和Android智能手机，配合“嵌入式系统”课程的教学需要，研发制作符合学生实际需求的嵌入式实验装置和配套实验指导书。使用本实验装置，能够开设嵌入式Linux 操作系统的移植、设备驱动程序、网络编程和人机图形界面设计，以及在网络平台的支持下的广域网等多层次的实验。一方面能加强学生对理论知识的认知、概念的理解，以强化教学效果；另一方面，对提高学生的自主学习能力，转被动学习为主动学习，培养学生的创新能力，都具有非常重要的意义[8]。

2.2 平台建设方案

提出的建设平台方案，见图1。远程多媒体通信交互系统和系列软件为平台核心设备和软件，由服务器阵列和系列基本软件和系列应用软件组成，支持远程实验。前端实验设备和终端电脑分别为支持有线网络和无线网络接入的设备，学生可以通过该接入设备进行网上实验。前端实验设备具有音、视频和数据的采集和传输功能，可以进行40多个硬件和软件设计、调试以及综合型实验，包括GSM/GPRS/3G等移动通信应用实验；支持IP电话、远程视频监控等公共安全应用实验；支持移动侦测、字符叠加、智能对讲、485接口控制等智能家居应用实验；支持GPS定位、车辆移动轨迹回放等智能交通应用实验。这些行业应用实验与培养大纲制定的通信类课程紧密相关，分别涉及移动通信、通信原理、信号与系统、数字信号处理、嵌入式系统原理及应用、计算机网络与通信等通信主干课程。

图1 远程共享开放式实验平台

实验室可提供通信原理、数字信号处理、数字多媒体与流媒体处理、现代交换、信息传输安全处理、移动通信原理、数据通信与计算机网络、卫星通信、计算机图形学、嵌入式系统与Linux开发以及Windows网络与驱动开发等诸多领域的实验。更重要的是，实验室不仅提供传统的现场实验教学能力，还可提供虚拟课堂实验教学能力，从而可以克服场地限制为更多学生提供实验机会，而在过去虚拟课堂仅能用于计算机软件领域和远程课堂教学。另外，在课程设计阶段，通过一些大型综合实验，比如设备通过SIP协议[9]与信令服务器交互通信，或者外接的音视频/GPS经过采集、编码压缩之后，通过以太网/3G上发至媒体中转服务器，使得专业与职业技能相结合，以实现学校培养与企业需求的无缝衔接。

2.3 多媒体信息交互软件框架

多媒体信息交互软件基于C/S架构[10]进行设计，主要包括服务器和客户端两部分。服务器包括SIP服务器和流媒体[11]服务器：SIP服务器负责用户信息管理和多媒体信息的信令交互、调度与控制；流媒体服务器负责基于RTP/RTCP协议[12]的音视频数据转发。客户端通过有线/无线连接网络，登录到SIP服务器后，可以向在线好友(设备)发送即时消息、传输文件、SIP电话、视频聊天等应用。

软件整体框架如图2所示，主要分为以下几个部分：① 多媒体信息交互服务器设计；② 基于Android/Windows/Linux QT/ios客户端设计；③ 服务器与客户端连接。

图2 多媒体信息交互软件整体框架

多媒体信息交互服务器包括SIP服务器和流媒体服务器，服务器之间的交互基于ICE(Internet Communication Engine)中间件[13]实现。SIP服务器是整个软件的控制中心，通过解析SIP信令控制实现不同的功能。流媒体服务器与客户端建立RTP连接，转发接收到的媒体数据。

在Android/Windows/Linux QT/ios平台开发客户端软件，设计界面和底层功能模块。客户端底层的功能模块包括信令模块、即时消息通信、SIP语音电话和视频聊天模块。在软件设计过程中，充分利用智能手机的软硬件资源和实验装置双核CPU的硬实时视频编解码功能。为了提高客户端的视频数据编解码效率，采用了Android NDK技术，以JNI本地方法调用方式实现视频编解码功能，提高了软件运行效率[14]。

服务器与客户端之间主要是实现基于SIP协议的信令互通和基于RTP协议的媒体流互通。软件采用SIP协议作为控制信令，实现SIP服务器和手机客户端之间的命令交互，主要实现的功能有用户登录、好友列表获取、好友上线提醒、即时消息转发、音视频会话邀请和结束会话等。媒体流的互通是指音频流和视频流的互通，由流媒体服务器将交互双方(一对一或者一对多)的媒体流转发到对方。

2.4 嵌入式实验装置与实验设计

实验箱采用ARM9+DSP双核架构的CPU，外接音视频、以太网、GPS、GSM/GPRS/CDMA、3G、SD、RTC等模块，能够完成音视频、定位、通信等基本模块。在此基础上，结合远程多媒体网络通信系统(包含前端实验设备、网络通信系统以及应用模块)，能实现多对多的广域的网络通信。

结合理论课程的内容，充分考虑嵌入式软件系统结构及开发内容、开发方式的特殊性，配合基础型、选做型和创新型多层次实验教学的需要，符合学生在知识学习过程中由浅入深，由易到难、由硬件到软件、由基础到综合、由验证到创新的规律。这样一个系统培训过程对于我们在教育中指导学生完成创造性活动，具有规律性的启发和指导作用，符合由兴趣到应用的全脑创新历程[15]。设计的实验项目，既能做常规的驱动、GUI人机交互、TCP客户/服务器交互等实验，也能做与平台交互的基于SIP信令的音视频实时监控等体现了基于物联网思想、具有通信专业特色的实验。

通过多层次实验，加强学生对课本理论知识的理解，激发学生学习兴趣和创造欲望，促进学生的自主性学习和研究性学习。提高C、Java的编程能力，熟悉Linux操作系统，掌握一定的汇编、驱动、网络及应用程序等的编程和调试能力。通过完成综合性实验项目，充分调动学生的积极性，锻炼自学能力、解决问题能力和团队合作能力。

远程、开放、共享式平台，鼓励学生们根据自己的兴趣和特长，参与国家级、省级和校级的电子设计大赛以及其他各类嵌入式应用型竞赛，让学有余力、感兴趣、有创新精神的学生得到更好的实践和锻炼的机会，大大提高了其就业竞争力。

2.5 实验平台的特色

该方案的教学方法具有独特性，强调实验内容的共享性和创新性，具有鲜明的特色。学生除了可以在规定的实验室做硬件和软件实验外，还允许学生租用设备在任何一个能够上网的场所(比如学生宿舍)进行硬件和软件实验，可以同时容纳几百学生一起进行远程多媒体通信实验，不久可以与本校学生一起做实验，而且还可以与外校通信学生一起做实验，真正达到实验的共享。另外，通过远程多媒体通信交互系统和系列软件，可以管理学生是否在做实验，实验时间多长，做了哪几个实验，实验是否成功等，做到实验的可运行、可管理，可持续发展。同时，通过开放的软件接口，允许学生设计符合自己要求的创新性实验，培养学生的自主创新实践能力。

通信专业创新实验平台除满足本校的教学实验需求，还可以基于远程接入手段引入社会化培训和为其他高校学生提供实验和毕业设计等。例如，通过网络接入管理平台的权限设定，来自各高校的学生、企事业单位的技术人员或者其他人员可以接入异地实验中心相应的软硬件系统完成自己的实验、培训或者研发任务。服务过程中本实验室将收取一定的费用，从而为整个实验室的完善提供长期的资金保障，达到“造血、服务两不误”的效果。总之，这种大区域异地软硬件系统的共享不仅有效节省了国家在设备上的投资，同时便于大范围的技术交流进而提高企事业单位研发人员的工作效率以及高校学生的学习效率。

3 结 语

通信技术正朝着随时随地的实现人与人、人与物、物与物之间的网络化智能通信技术方向发展，培养本科生具有较好的应用理念，设计、开发、创新实践的能力，网络通信带来的开放性和共享性以及可持续发展在通信实验中得到充分体现和发挥。通过开放共享平台的建设，使实验设备规模、实验环境、运行机制等方面都得到综合发展，为不同层次的学生提供更加完善的认知环境、测试环境、综合调试、研发和个性化的实验环境，培养学生对实际工程设计、调试、维护和管理能力，以及对新技术的研究开发能力，具有重要意义。

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XUZhi-jiang,PENGHong,MENGLi-min,HUAJing-yu

(Zhejiang Provincial Key Laboratory of Communication Networks and Applications,

College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

There are some problems of embedded systems experimental teaching. For example, the experimental devices cannot interexchange information with other smart devices through the Internet, and the designed experiments are lack of practical industrial applications, etc. In this paper, using the experimental teaching device developed by the authors, we propose an open experimental network platform to solve the problem of embedded system experiments based on the idea of the Internet of Things. A set of the supporting experimental devices, series software suites and corresponding hierarchical experiments are also presented.

open and sharing; embedded system platform; the Internet of Things; hierarchical experiments

2014-11-06

国家自然科学基金项目(61471322)、浙江工业大学校教改项目(JG1313)

徐志江(1973-)，男，浙江绍兴人，博士，副教授，主要研究方向为嵌入式系统、无线通信与网络多媒体数字通信。

E-mail:zyfxzj@zjut.edu.cn

N 33

A

1006-7167(2015)05-0086-04