基于物联网技术的远程操控试验系统设计

阮晓芳

摘要：物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次技术飞跃。物联网是在互联网基础上发展而来，是在互联网基础上延伸和扩展的网络，使物品与物品之间、物品与人之间进行信息交换和通信。远程操控实验涉及的实验设备、实验数目较多，本文拟将物联网技术、远程控制技术、移动无线技术和在线教育相融合，构建基于物联网技术的远程控制实验系统，把远程控制试验设备与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，对远程控制试验设备实现智能化识别、监控和管理。

关键词：物联网 射频识别 远程实验 在线教育

中图分类号：TP872 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）07-0138-02

1 引言

物联网又称为传感网，是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息技术革命。物联网的核心和基础仍然是互联网，其用户端延伸和扩展到了任何物品，使物品与物品之间，通过网络进行信息交换和通信。因此，物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，物联网是“物与物相连的互联网”[1]。随着物联网技术的发展，使世界上所有的物体，从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过网络主动进行信息的交换。物联网技术的应用非常广泛，包括绿色农业、智能工业、智能物流、能源电力、公共安全、市政管理、节能环保、远程医疗、智能家居、智能交通、金融保险和在线教育等领域，极大的改变了我们的工作、学习和生活方式。

在线教育是对传统课堂教育的补充，是通过应用信息科技和互联网技术进行内容传播和快速学习的一种方法。借助网络课件，学员可以随时随地进行学习，真正打破了时间和空间的限制，对于工作繁忙，学习时间不固定的在职人员而言网络远程教育是最方便不过的学习方式[2]。在线教育在理论知识的学习上提供了方便，但对于理工科专业而言，实践教学有着不可替代的作用。随着MOOC大规模在线课程的推广和普及，与课程对应的远程开放实验也得到极大发展。远程实验大致分为两类，一类是基于计算机仿真的虚拟实验，一类是通过网络远程操作实验设备，从实验设备中采集真实数据进行分析的远程控制实验，本文重点讨论远程控制实验，构建基于物联网技术的远程控制实验系统，把远程控制实验设备与互联网连接起来，使设备间能信息交换和通讯，对远程控制试验设备实现智能化识别、监控和管理。

2 远程控制实验的发展

远程控制实验室提供真实的物理设备，将物理设备接入服务器，服务器与设备间通过总线或RS-232接口进行连接，客户端用户在异地通过网络远程连接到实验设备上，对设备发出指令可以进行远程操作，所有采集的实验数据通过网络返回给用户。[3]这些数据都是在实际物理环境干扰下获得的真实实验数据。远程控制实验室实现了实验设备的远程共享，避免了重复建设。远程控制的实验室发展已经推广到了美国、欧洲、澳洲、中国等全球大部分地区。

远程控制实验室在国内外已有很多成功案例，麻省理工大学MIT所建的iLab远程共享实验室，目前已开发出多个远程共享实验。通过搭建iLab站点，全球其他院校的用户就可以通过互联网访问MIT的优质实验资源，设置实验参数，通过网络远程控制实验仪器，实验完成后结果及数据会返回至用户终端。大连理工大学就从麻省理工学院引入微电子器件、电工电子等实验，学生可以在网上远程控制麻省理工学院实验仪器设备，进行真实实验；美国霜堡州立大学构建起一个能控制真实仪器的远程化学实验室供学生实验学习之用；日本法政大学研究中心建立了机器人机械手的远程控制实验室，使学生可以随时随地的进入课程进行远程操作实验和练习[4]；江南大学提供了面向MOOC教学的物联网远程实验室[5]；南京理工大学构建了集远程监控和控制为一体的PLC远程实验室[6]；浙江大学开发了虚实结合的电子网络实验室，提供了控制类、电路类、电力电子类、电机类和微处理器类等的远程控制实验[7]；东北大学建立了远程控制理论实验室，为控制理论研究者提供了一个物理实验系统，使他们不仅能完成复杂对象控制算法的仿真研究，同时也能够快速地在物理系统上进行验证；浙江广播电视大学搭建了涵盖会计、电商、电工电子、建筑、计算机等学科的综合性远程开放实验室，其中电工电子技术实验提供软硬件协同操作的远程控制实验平台。

虽然基于物理实验设备的远程控制实验已经进入国内外高校的教学领域中，但是对于实验设备的管理、使用、监控还存在着欠缺，不能很好、及时的共享实验设备。比如浙江广播电视大学提供的软硬件协同操作远程实验，每批学生要操作真实实验需提早通实验管理员预约，由管理员再安排实验操作时间，对于实验设备的管理、监控还需要本地人员参与，因此，本文拟将物联网技术、远程控制技术、移动无线技术和在线教育相融合，构建基于物联网技术的远程控制实验系统，把远程控制试验设备与互联网连接起来，对远程控制试验设备实现智能化识别、监控和管理[8]。

3 基于物联网技术的远程操控实验系统原理

基于物联网技术的远程实验系统，是将物联网技术引入分体式的实验系统中，通过物联网将实验设备间、实验设备与服务器间、实验设备与学生PC机间进行数据交互，以此监控系统硬件的占用情况、学生完成实验情况等等。

物联网是由感知层、网络层和应用层三个层面构成，感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括二维码标签、射频识别RFID标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端，感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它主要功能是识别物体，采集信息；网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息；应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。

基于物联网技术的远程操控实验系统，从技术架构上来看，也分为三层：感知层、网络层和应用层，感知层采用二维码、RFID标签、读写器和摄像头等，每台实验设备和器材都标有二维码和RFID标签，实验管理员扫描设备上的标签，就能将实验设备的状态输入到系统平台中，并采集实验系统的信息；网络层是学生借助各种网络、互联网、有线和无线通信网进行信息交互；应用层是学员与物联网的接口，学员可以通过手机、移动终端、计算机、笔记本等各种终端设备访问实验系统。

4 实验系统的关键技术

实验系统采用C/S结构，即客户端/服务器结构，采集到的客户端数据和远程实验数据等通过网络传送给服务器进行处理和分析，并将结果输出给客户端。实验平台的组成包含三层：应用层、网络层和感知层。

物联网应用层方面，需要将用户端的所有需要的信息互通互联，实现全方位的远程识别、读取、操控和互动。只要学员通过计算机、笔记本、手机、PAD、移动终端等访问了远程操控实验系统，用户端的信息就会被采集，根据采集的信息可以对学员学习的时间、学习的地点、学习的方式进行分析，以此来改进实验系统或者给学习有困难的学员提供帮助。

物联网的网络层，依赖于已经建立好的浙江广播电视大学远程开放实验平台，通过有线、无线、3G甚至是4G网络将物联网的用户端与远程控制实验系统相连接。将用户端、实验设备等采集到的数据通过网络层被传输到浙江广播电视大学远程开放实验平台的服务器上进行数据处理并输出结果。

物联网的感知层，是学员借助网络远程控制物理实验系统，通过摄像头观察实验的现象，进而与仿真实验现象进行比较，对实验获得的真实数据进行分析；数字电路、模拟电路、电路分析中涉及的实验比较多，各个专业根据教学需要进行自由选择。由于实验种类繁多，实验模块的数量多，需要对这些实验模块进行有效管理。物理实验设备采用RFID射频技术、实验内容素材采用二维码的形式，学生扫描每个实验的二维码可以随时随地获知实验相关知识，基于物联网技术的远程控制实验系统如图1所示。

远程操控实验系统由软件和物理实验硬件两部分组成，软件平台借助浙江广播电视大学远程开放实验平台。物理实验硬件部分由带RFID标签的实验电路模块、实验平台、现场监控计算机和摄像头组成，这些实验设备和服务器放置在浙江广播电视大学本地实验室。

学生在异地启动实验平台客户端程序，通过实验二维码预习实验目的、实验内容、实验步骤、实验器材等，然后进入实验。根据RFID标签可获知实验设备当前使用状况，如当前无人使用实验设备即可进行实验，如有其他学生正在此设备上做实验，则进入排队等候状态，待其完成实验后，才能对远程物理实验系统进行操作，进而通过摄像头观察本地设备的实验现象。数据采集卡采集到的实验数据传送给服务器，学生对实验数据进行分析，最后填写实验报告。

5 结语

基于物联网技术的远程操控实验系统能够更有效的提高实验效率和设备的利用率，大大提高了远程操控实验的自动化程度，有效减少了资源的浪费，使设备使用率最大化，并将实验管理人员从繁重的设备管理工作中解脱出来，降低实验成本，提高了实验的灵活性，可使学生随时随地的操控远程实验，将物联网技术应用于远程操控实验是未来远程实验室必备的技术之一。

参考文献

[1]2014年物联网产业链现状分析[D].中国产业洞察网，2014.

[2]在线教育定义[J].实验技术与管理.2005，（22）：90-93.

[3]A.Yonekawa，H.Hirano；D. Yoshizawa；M. Iwatsuki. A remote experiment system on robot vehicle control for engineering educations based on World Wide Web[J].IEEE Frontiers in Education，2005（10）.

[4]任小媛，柴志雷.面向MOOC教学的物联网远程实验室[J].单片机与嵌入式系统应用，2015（8）：3-6.

[5]姜建芳，杨秀爽 等.基于WinCCWebNavgator 的PLC 远程实验室设计[J].实验室研究与探索，2008，（12）：58-64.

[6]杨凯.基于虚实结合实验室的电路原理实验[D].浙江大学，2013.

[7]兰水华，丁丽丽，张宝军，胡进.“虚实结合”实验教学模式的研究与实践[J].实验室科学，2006，（6）：14-16.

[8]于翔，吴梦轩，张劲中，邢益轩，赵海滨.基于物联网的远程实验室系统架构设计[J].物联网技术，2014，（8）：80-82.