远程实验控制平台的设计与实现

谌建飞++邓敏++王永建++刚煜++唐立军

摘 要：本文针对远程实验教学中实验仪器设备的远程控制、安全智能管理和实验对外开放等问题，采用嵌入式技术、网络通信技术、Web应用技术结合教育身份号的实名认证技术设计和开发一个远程实验控制平台。实现对远程实验室实验项目的在线预约、远程操控、智能管理以及对远程实验设备的故障检测与用户访问安全控制，为实验的远程操控和对外开放创造条件。

关键词：远程实验；实名认证；智能管理；安全控制

中图分类号：TP315 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2017）03-0080-05

引言

远程实验是远程教学发展中不可缺少的重要组成部分，对于远程实验的控制管理更是远程实验模式的重要研究方向[1-3]。远程实验控制管理的实现主要包含了嵌入式技术、物联网技术、仪器仪表控制技术、Web技术和实名制管理技术等，其目标在于打造一个统一而便捷的远程实验教学和管理平台，帮助解决实验控制平台建设、资源共享与对外开放问题[4、5]。目前世界各大高校和研究机构已经投入大量资金对远程实验模式进行相关的研究，并取得丰富的研究成果，如拉斯维亚斯中央大学设计的关于自动化控制的远程实验系统，北京邮电大学设计的基于ARM的远程实验控制系统[6-8]。

本文在远程实验操作平台设计[9]的基础上，探索基于教育身份号的实名制[10、11]远程实验控制平台，为远程实验模式在控制管理方面提供新思路。

一、总体设计

远程实验控制平台是一个对社会开放的实验服务平台，目的在于整合有限的实验资源采用有偿或无偿方式开放给高校和社会使用，提高实验资源的利用率，促进教育手段的多样化发展。为满足用户进行远程实验和管理员管理平台事务需求，并大大提升平台服务能力、对外开放能力和解决平台安全访问控制与高效率智能管理问题，远程实验控制平台需实现实验在线预约、实验远程操作、管理员平台事务管理、仪器设备安全控制和用户安全访问控制，本平台系统结构和模块设计如下。

1.系统结构

平台采用B/S+“实验仪器仪表”结构进行构建，根据设备的功能和所在位置的不同，平台分为用户层、服务处理层和实验设备控制层，用户层与服务处理层之间利用Internet进行通信，服务处理层与实验设备控制层之间通过局域网进行通信。远程实验控制平台系统结构如图1所示。

用户层主要由客户端组成，普通用户通过PC或移动设备在线访问远程实验控制平台，通过实名方式在该平台完成特定实验信息的浏览、预约、操作。管理员通过身份验证进入后台实现对平台事务的管理，該层主要为用户提供一个平台访问窗口，完成用户与平台之间的交互请求和信息交换。

服务处理层主要由Web服务、实名认证服务器、数据库服务和视屏服务器组成，该层主要响应客户端用户的命令请求，完成平台实名用户的身份认证、实验资源请求命令的转发、实现与实验设备控制层之间的通信管理和数据交换，完成对实验设备的分配与调度，同时还提供对实验实时视屏的传输和处理服务，并作为实验数据处理、存储与交换的中心。

实验设备控制层主要由实验仪器仪表、控制设备、传感器、IP摄像机和实验现场控制器组成，传感器包括温湿度、光线、电磁、压力等传感器，实验现场控制器由STM32和BCM2836芯片的树莓派二代组成。该层主要实现实验设备调度控制、执行实验操作命令、完成实验过程的监控和实验数据获取功能。实验设备控制层根据不同的实验进行软硬件配置，然后设立统一的接口配置供服务层分配与调度。

2.平台功能模块划分

根据“低耦合、高内聚”的模块划分原则将平台从前后台两方面分为九大功能模块，分别为用户实名认证模块、实验信息展示模块、实验在线预约模块、实验远程操作模块、个人管理中心模块，实验信息管理模块、设备信息管理模块、用户信息管理模块、设备故障检测管理模块，其系统功能模块划分如图2所示。

二、核心功能模块设计

平台的核心功能模块包括用户实名认证模块、实验在线预约模块、实验远程操作模块和设备故障检测模块。通过用户实名认证模块能够实现用户与设备的安全访问控制，是平台安全控制的保障。实验在线预约模块是用户对实验资源有效分配、防止资源争夺、资源合理有序使用的保证措施。实验远程操作模块提供了对实验仪器仪表的标准化访问与操控，配置统一的接入方法，方便更多实验项目的扩展。设备故障检测模块针对远程控制的复杂性和用户操作的不可控制性而发生的设备故障问题，即时发现并通知管理员进行故障处理，是对实验设备的智能管理。

1.用户实名认证模块设计

采用基于教育身份证号（e2ID）的实名认证服务来实现用户的安全访问和用户的实名管理[12]。教育身份证号是与单位代码、居民身份证号码等经过特定生成算法生成的唯一标识码。用户实名认证包括客户端用户信息输入、实名认证调用、实名认证服务处理和用户信息存储四个子模块，用户实名认证模块设计如图3所示。

用户在远程实验控制平台客户端进行用户注册，在客户端用户信息输入模块中输入正确的用户姓名、身份证号和在实名认证服务机构注册生成的e2ID，提交用户信息到实名认证服务处理模块，进行相关参数格式的验证，然后通过调用实名认证调用模块中的服务代理进行远程服务调用，完成实名验证，若返回验证成功则实名认证服务处理模块调用用户信息存储模块将用户信息存储到数据库中并为用户创建唯一的身份信息标识，同时返回给客户端用户注册成功，如果验证失败则直接返回给客户端用户注册失败，用户不能访问该平台。用户在通过实名认证注册成功后，便可采用此身份安全便捷的访问远程实验平台、享受相关实验服务，用户在平台上的进行的相关操作都将在数据库中记录下来同时根据用户的相关权限进行操作限制。

2.实验在线预约模块设计

实验在线预约模块包含实验设备号、日期、时段选择，资源可预约预判、资源锁定，预约扣费，账户充值和个人实验预约管理六个子模块。根据实验服务跟踪调查和统计，每天二十点到早上五点是平台访问人数最少甚至没有人访问的时间，管理员可进行设备的检测、服务更新与数据备份等事宜。该时段平台不对外开放甚至从节能的方面考虑停止远程实验设备相关工作。模块设计中将每天设备工作时间（5：00到20：00）按照30分钟一个时段划分成36个时段，用户可以选择一个或多个时段进行预约，预约流程图如图4所示。

用户结合自己需求与当前预约状况选择合适时段进行实验预约。首先选择想预约实验项目的日期、设备号和时段，然后调用资源可预约预判模块根据当前设备的设备号从数据库中查找出相关预约情况进行是否可预约判断，如不可预约则返回失败信息，成功则继续。模块还提供了资源锁定功能用户和预约扣费功能。时段锁定功能是防止多个客户同时预约同一时段造成资源争夺而出错，在用户选择了时段进行支付时第一个预约的用户锁定资源，后面的用户便不能预约，系统会提示时段已被锁定。系统会根据当前实验花费和预约用户账户余额情况进行使用扣费，如果扣费成功则在数据库中生成与用户ID绑定的实验预约记录，否则返回预约失败，释放资源。预约成功后用户可在预约的时间段里去享受平台的实验服务，此外用户还可在用户中心进行预约的查询与取消操作。

3.实验远程操作模块设计

实验远程操作模块主要包括主控模块、电源模块、视频采集模块、无线与串口通信模块与传感器模块五个子模块组成。以嵌入式ARM处理器为控制核心的树莓派作为主控模块，其主要实现远程操作命令的接收与执行、传感器数据的读取与处理以及数据与视频的稳定传输。向上通过Linux网关与服务器进行通信，向下采用串口、I/O口或无线模块（Wifi/ZigBee）与实验传感器进行数据传输，通过以上五个模块互相协调工作可以实现远程实验操作。实验设备控制硬件框图如图5所示。

实验仪器平台的主控模块采用BCM2836芯片的树莓派二代，通过基于Socket的局域网TCP编程实现服务器之间的通信。主控模块在接收来自服务器的实验操作命令后，对不同传感器数据进行读取和对THB6128步进电机等设备进行实时控制，以及调用符合UVC规范的网络摄像头（IP摄像头）对实时视频进行采集传输[13]。对于主控模块与其它协作模块（即各传感模块等）之间的通信根据设备的安装便利性和数据传输要求合理采用无线和有线的方法来自行组网。

4.设备故障检测模块设计

设备检测管理模块由故障检测中心模块、设备调配模块、主控模块、多类型故障检测模块在实验服务器的协同下共同完成对设备故障的检测与处理。多类型故障检测模块包括传感器校验、检测数据通信、数据值域比较和传感器开关状态等组成。该设备检测管理模块能时刻监测主控模块与各协作模块之间的数据通信，对传感器发送的数据进行值域比较，判断传感器有无损坏和通信是否正常，如果一旦发生异常或不能进行有效数据传输，实验设备故障检测模块会向上发送实验设备故障信息，并标识是哪一台设备发生故障，将设备状态更新到实验服务器资源当中的数据库中，此时实验服务器自动调用备用实验设备来执行该实验的下一个实验预约，管理员在实验管理后台可查看到来自故障通知模块传来的故障信息，去实验室对故障进行处理，完成故障检修后最终在实验管理后台中更改数据库中该实验设备的设备状态，完成整个故障的处理流程，设备检测管理模块功能图如图6所示。

三、平台实现与应用展示

远程实验控制平台在接入迈克尔逊干涉实验的基础上针对大学基础实验进行了相应扩展，目前平台已经包含了力学测量类、热学测量类、電磁测量类、光学测量类和示波器信号发生器等仪器教学类共19个实验。平台提供了对这些实验的相关负责教师信息、实验原理、远程操控介绍等信息，并实现实验预约、收藏和评论功能。图7为远程实验控制平台首页实现效果图。

远程实验控制平台采用基于教育身份证号的实名制方式来有效控制平台用户访问安全，通过采用正确的与不正确的用户身份信息来进行安全验证，只有提供正确用户信息的用户才能注册成功，有效防止非合法用户对平台的访问。合法用户注册成功后管理员可在后台了解到用户的真实身份，并对用户的相关操作进行记录保存，用户在对平台实施破坏性操作时，可以找到实施的用户，并对其进行责任处置。平台对用户信息是安全保密的不会对用户信息进行泄漏。图8是实名制下的用户注册界面。

远程实验控制平台实验在线预约功能实现效果如图9所示，平台经过投入到学校模拟使用，对实验进行多人多实验同时预约测试，测试效果良好，无系统故障发生并能有效完成对实验资源的预约分配，保证系统的稳定有效的运营。

远程实验控制平台实验远程操控界面如图10所示，IP摄像头抓拍的实验现场环境监测视频和实验反馈参数视频分辨率和实时性都能达到实验要求。实验远程操作简单，易于掌握，实验测量结果在结合实验数据保存功能和图表的可视化展示下，便于用户理解和分析。在用户合理操作实验的基础上得到的实验结果在有效的误差范围内，能确保实验的有效性。

四、结束语

笔者采用远程实验模式中实验管理和对外开放的相关技术设计实现了远程实验控制平台，该平台具有安全访问控制和开放式管理的特点，已在学校内部测试运营当中，并不断进行扩展和完善，目前测试运营表明，平台运行稳定、能够有效的满足远程实验管理、操作和对用户访问安全控制的需要，进一步完善后，可用于开放式远程实验。

参考文献：

[1]蒋帅.远程网络实验管理平台的研究与设计[D].东华大学，2014.

[2]吴蓬勃，李学海，杨斐等.基于物联网的智能实验室研究与实践[J].实验室研究与探索，2015（3）：78-85.

[3]王华忠，姚俊，程华等.基于云计算的过程控制远程实验系统[J].实验室研究与探索，2015（4）：103-106.

[4]吴先球，刘朝辉，叶穗红，张诚，孙番典，陈俊芳.网络环境下远程实验的技术探讨[J].实验技术与管理，2008（6）：30-33.

[5]吴文婷，黄凤良，蒋翰诚.远程实验系统管理机制的研究与实现[J].实验技术与管理，2011（6）：97-99.

[6]Santana， I.，Ferre， M.，Izaguirre， E.，Aracil， R.，Hernandez， L.Remote Laboratories for Education and Research Purposes in Automatic Control Systems. Industrial Informatics， IEEE Transactions on .2013.

[7]Koike， N.， "Cyber Laboratory for Hardware Logic Experiments： Realizing Real Life Experiences for Many Students at Remote Sites，" Cyberworlds （CW）， 2012 International Conference on， vol.， no.， pp.236，240， 25-27 Sept. 2012.

[8]腾李强.基于ARM的远程实验控制系统研究[D].北京邮电大学，2014.

[9]唐立军，宾峰.远程实验操作平台设计与实现[J].实验室研究与探索，2015（12）：49-52.

[10]周文红. 基于ASP.NET MVC框架的Web应用开发[J].计算机与现代化，2013（10）：197-199.

[11]马丁，李丹. 网络“实名认证，网名上网”技术研究[J].通信技术，2014（1）：91-96.

[12]文勇军，刘磊，周庆华，王键，唐立军.实名制教育阳光服务平台研究[J].中国教育信息化，2015（5）：73-75.

[13]殷开亮.基于UVC协议的USB3.0图像采集系统设计[D].苏州大学，2014.

（编辑：王晓明）