基于互联网的科普展品远程操作和体验系统的设计与实现

谭　杰, 韩景红, 杨　涛, 王京春

(中国科学技术馆, 北京　100012)



基于互联网的科普展品远程操作和体验系统的设计与实现

谭杰, 韩景红, 杨涛, 王京春

(中国科学技术馆, 北京100012)

为提高科普展品的使用效率和开放共享水平,提出了一种基于互联网的科普展品远程操作和体验系统。系统硬件主要包括直播设备、流媒体服务器、远程控制模块、Web服务器；软件主要包括用户操作、浏览界面和远程实验管理程序。以声驻波展品为例说明科普展品远程操作和体验的实现。此系统以互联网为媒介,几乎无限制地延伸了展品的操作、体验范围,同时提供了一个不断丰富体验内容和形式的基础平台。

科普教育； 科普展品； 远程操作； 互联网应用

科普教育是向大众传播科学知识、树立科学观点的重要途径[1]。然而我国的科普场所、科普资源多集中于大城市和优势学校,二、三线城市以及边远地区科普资源严重短缺。科普资源的开放与共享已经成为目前科普教育亟待解决的问题,在我国科普工作中是一项基础性、牵动性、突破性的工作[2]。

互联网技术与传统行业相结合形成的“互联网+”既是一种概念,也是一种技术。目前，“互联网+展览”开始在国内外兴起。例如百度已经推出了数字博物馆,通过全景摄像头可以实时展示全国218家博物馆中的展品。然而，百度数字博物馆并没有在线操作功能。对于科普展品而言,操作是科普体验最重要的环节,“延伸手臂”甚至比“打造千里眼”更重要。基于此,本文设计了一种基于互联网的科普展品远程操作和体验系统,借助远程控制技术解决当前“互联网+展览”缺乏操作体验的“最后一公里”问题[3-12]。

1　科普展品远程操作和体验系统的结构设计

1.1系统的特点和基本要求

基于互联网的科普展品远程操作和体验系统可以实现以下功能:

(1) 用户通过互联网可即时体验优质科普展品,而无需前往科普教育场所,实现科普资源的共享；

(2) 可以24小时提供服务,解决了科普场所开放时间限制问题,成为不闭馆的科普教育平台；

(3) 无人值守、多人同时观看,降低科普教育场所的运营成本,提高展品利用的效率；

(4) 操作具有开放性,可提供实验数据下载、支持一定的课题研究,提高用户的体验水平。

基于互联网的科普展品远程操作和体验系统以互联网为媒介,实时传输声、光、电信息和控制指令,实现远程听、观、感和操作。远程听、观、感实际上就是现场直播,需要实时摄像等；远程操作则需要通过网络传输控制指令,将控制指令转换为电、机械等驱动信号,并保障驱动信号的准确性。作为一个系统,还要考虑展品管理、用户管理、日志管理等多方面的内容。

1.2系统硬件结构

基于互联网的科普展品远程操作和体验系统的硬件结构如图1所示。

图1　展品硬件结构图

直播设备将展品运行状况实时、全方位地转换成网络信号,供操作体验终端接收,可以包括影像、声音以及其他信号,要能够反映展品运行的特征。如果仅仅是影像、声音信号,则需要相应的摄像机；如果需要其他信号,还要配备相应的传感器。直播设备需要相应的硬件接口。

流媒体服务器接收直播设备的信号并提供远程服务,其能力要与信号和负荷匹配。

Web服务器主要提供远程操作接口、接收远程操作指令并将信号传输给本地控制系统。此外,它还要具有浏览、过程和日志数据的存储、用户管理等功能。

远程控制转换模块接收Web服务器传输的用户指令并解析执行,然后返回执行结果。

智慧乡村是以智慧的理念、方式和手段来发展农村，注重的是绿色、生态和高效，智慧乡村不能简单复制智慧城市，通过信息基础设施复制，实现城乡一体追求相同水准；通过产业特色复制，全方位大力推广“精准农业”；通过管理服务复制，城区信息系统直接部署乡村；通过投资模式复制，让社会力量城市投资建设主体。总之，就是要用网络联通世界，用科技填平城乡差距，实现资源互补。

操作体验终端为用户提供操作和体验接口，由PC机搭载常用操作系统和浏览器即可进行操作体验。若有特殊信号,如3D信号,则需要有3D播放设备；若有其他感触觉信号,也需要相应的设备和接口。

展品包括各类适合进行网络控制的展品。

1.3系统软件结构

系统软件安装在Web服务器上,可以分成两部分:一是供用户操作、浏览的Web网页；二是远程实验管理程序。远程控制系统的软件架构如图2所示。

图2　远程控制系统的软件架构

Web网页是用于远程实验的人机接口界面。用户通过网页中的控制按钮发送控制命令,并接收流媒体提供的流媒体信息。

远程实验管理程序是实现远程控制的中枢部分,它实现远程PC与现场展品的交互、用户行为判断与管理、用户指令的解析和执行。

用户登录Web网页,进入特定展品互动操作页面。远程实验管理程序先审查用户的合法性,赋予用户相应的操作权限。例如用户选择进入队列,管理程序先将其添加入队列,随后根据排队逻辑判断是否属于队列的第一位,如果属实则赋予展品操作权限。

取得操作权限的用户对展品进行特定操作,发出操作命令。管理程序再对指令进行逻辑判断、解析,通过对应的展品控制模块执行指令并返回结果。

2　以声驻波展品为例的系统实现

声驻波展品的基本原理如下:

展品主体由一粗一细两个透明圆管组成,粗圆管内置一个扬声器,细圆管内盛放约1/4体积的彩色圆形塑料颗粒。展品前端设有开关和频率调节旋钮及显示频率的LED屏(见图3)。

图3　声驻波展品

操作时,观众按下展品开关,扬声器发声,声音在透明圆管内向另一端传播,后被封闭的管端反射，沿原路返回,形成声驻波。圆管中彩色塑料颗粒随着声波跳动,并且在声驻波波峰位置塑料颗粒跳得很高,而在波谷位置塑料颗粒则跳得很低,由此直观显示了声驻波现象。通过旋钮调节扬声器发声频率,彩色塑料颗粒形成的波峰波谷位置会随之改变,LED屏则即时显示当前频率数。

2.2基于互联网的声驻波展品远程操作体验系统

声驻波展品的体验主要是通过小球的跳动了解声驻波现象,可以通过摄像机进行直播；而对其控制则需要远程操控开关和频率调节旋钮。远程操作体验系统需要在一般结构的基础上实现控制和展示的电子化。

(1) 在线控制开关的实现。在线控制开关是利用有以太网接口的继电器输出控制板实现的。计算机通过以太网与继电器输出控制板连接,通信协议为Modbus-TCP控制协议,继电器输出控制板与声驻波展品的开关连接。计算机根据Modbus-TCP控制协议向继电器输出控制板发送开关指令,从而达到远程控制声驻波展品的开与关(见图4左)。

(2) 在线控制频率的实现。实体展品是通过调节电路中的可变电阻实现声源频率控制的。计算机通过以太网与模拟量输出控制板连接(见图4右),通信协议为Modbus-TCP控制协议。

图4　展品控制模块原理示意图

2.3用户操作体验方式

远程用户操作体验声驻波展品的步骤如下：

(1) 连接网络，访问展品控制系统页面。

(2) 选择“声驻波”展品,进入该展品的体验网页。该页面设置有开始、排队、取消排队、放大、缩小、看一看、玩一玩、重播等几个按钮。在该页面,用户可以即时看到声驻波的现象,但如果想动手体验,则须点击排队按钮,进入排队序列。点击排队按钮后,按钮变成“取消排队”,用户可以点击该按钮退出排队。

(3) 当用户排到队列的第一位时,获得操作展品资格，可点击体验界面的“开始”按钮,同时出现控制频率的滑块。拉动滑块,将可以从视频中观察到声音频率变化的效果(见图5)。

图5　声驻波的用户操作界面

(4) 每轮体验时间约为1 min。用户获操作资格后超过20 s不操作展品,将自动退出体验序列。

3　结语

将基于互联网的远程控制技术与传统科普展品相结合,实现了传统科普展品的“互联网+”,很好地解决了科普资源空间和时间限制问题,达到了很好的科普体验效果。本展品的设计思路和技术实现,为今后优质科普资源的开发、科普资源均等化、“互联网+展览”以及科普工作OTO提供了一种解决方案。

References)

[1] 路景菊,张乐平.科普教育的反思与对策[J].社会科学论坛:学术研究卷,2005(9):127-128.

[2] 莫扬.我国科普资源共享实践中的难点、误区及问题分析[J].科学对社会的影响,2009(4):15-18.

[3] 吴小红.基于B/S的倒立摆远程控制实验系统的设计[J].控制工程,2005,12(1):87-89.

[4] 唐鸿儒,宋爱国,张丽红,等.建设Internet实验室,共享贵重实验设备[J]. 实验技术与管理,2009,26(8):158-162.

[5] 汪胡青,林建中.实验室管理系统中远程控制模块的实现[J].实验科学与技术,2012,10(1):64-66.

[6] 董有尔,陈宝明.远程监测控制系统实验装置的设计与实现[J].实验技术与管理,2006,23(7):75-78.

[7] 何祥,吴庆宪.基于C/S与B/S模式的远程控制实验系统[J].电光与控制,2005,12(5):86-89.

[8] 王玉峰,王常虹,滕飞,等.基于Internet的远程控制实验系统[J].测控技术,2004,23(2):44-45.

[9] 张丽红,唐鸿儒.基于Internet远程过程控制实验系统的设计与实现[J].工业控制计算机,2010,23(10):49-50.

[10] 何超,俞立,张丹.远程控制实验Web系统设计和开发[J].浙江工业大学学报,2009,37(5):473-476.

[11] 哀微,黄道平.基于Internet的控制系统远程实验体系研究[J].实验室研究与探索,2005(增刊1):50-52.

[12] 茹煜,贾志成,范庆妮,等.无人直升机远程控制喷雾系统[J].农业机械学报,2012,43(6):47-52.

Design and realization of a popular science exhibits experiencing and operating system based on Internet

Tan Jie, Han Jinghong, Yang Tao, Wang Jingchun

(China Science and Technology Museum,Beijing 100012,China)

A popular science exhibits experiencing and operating system based on Internet is presented to overcome the physical limit,thus to improve the exhibition efficiency,which provides remote experience and operation of the exhibition items. The structure and design,realization are discussed,and an instance of standing sound wave is realized. The system can almost expand the experiencing and operating range without limit,and provide a platform to enrich the items and their exhibition mode.

popular science education; popular science exhibits; remote operation; Internet application

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.034

2016-02-25

谭杰(1985—),男,湖南衡阳,硕士,助理工程师,主要研究方向为IT运维.

E-mail：tanjie@cstm.org.cn

TP393；G315

A

1002-4956(2016)9-0134-03