面向创客教育的智能硬件快速开发云平台系统设计与实现

赵政 张龙 徐纯森 周欣欣

摘   要：文章设计并实现了一款面向创客教育的、简单、快捷、实用的智能硬件在线开发系统。该系统利用虚拟化技术建立虚拟机、构建云平台，使云平台解决弹性伸缩和动态调配问题，设计并实现了“图形化集成开发平台”，降低了智能硬件开发的门槛，提高了资源管理效率。

关键词：创客教育;云平台;图形化;硬件快速开发

创客（Maker）一词起源于2001年美国MIT比特与原子研究中心发起的制作实验室（Fabrication Laboratory，Fab Lab）创新项目，该项目以个人创意、个人设计、个人制造为核心理念[1-2]。《教育部教育装备研究与发展中心2017年工作要点》（装备中心〔2017〕7号）强调要积极探索新理念、新方式，持续关注创客对中小学教育、课程发展的影响，开展虚拟现实等技术在教育教学中的实践应用研究，目的是让创客在学习理论上减少时间，随时随地转化想法，为后续的创意实现做准备[2]。

为了解决在传统硬件系统开发过程中，需要经过器件选型、设计硬件原理图、软件编程等多个环节，开发过程复杂、周期长、门槛高，非专业人员往往无法完成硬件系统开发的问题，本文设计并实现了“图形化集成开发平台”，把复杂、繁琐、费时的开发过程简化为通过对虚拟器件选取、拖拽相应的功能模块并设好相关参数，就可以自动生成程序，编译后即可下载到用户开发板中，完成硬件系统开发。“图形化集成开发平台”为使用者提供了一种快速、简便、开放的硬件系统开发方式，使非专业人员也能通过简单的学习，也能开发出属于自己的创意智能硬件作品。通过虚拟化技术搭建“云平台”，使系统能够支持大规模用户访问，提高服务可靠性，满足用户随时随地获得优质服务，真正实现了“硬件云端开发，编程在线烧写”，具有先进性。

1    系统架构及相关技术

1.1  系统架构

平台系统架构采用客户机/服务器结构（Client/Server，C/S），通过将任务合理分配到Client端和Server端，降低了系统的通信开销。系统主要由3部分组成，分别是用户端程序、服务器、虚拟机，用户以用户端程序的形式访问服务器，设备各个模块都以图形化的形式传回用户端程序并在程序中呈现出来，图形化集成包括图形化硬件设计、图形化编程、图形化消息机制，用户根据需求进行模块的点选、模块间的连接，进而生成相应设备图。服务器主要负责移动端自然语言处理和系统资源的弹性收缩和动态分配。智能硬件快速开发云平台系统整体架构如图1所示。

1.2  系统处理过程

当用户用手机或者PC机通过智能硬件快速开发应用发出请求，则直接通过固定IP地址访问服务器，由相应的网关分配发送到相应的虚拟机上，虚拟机具有主动上报请求程序，可以和服务器主动建立连接，虚拟机中具有自然语言识别软件，可以识别用户在智能硬件快速开发应用输入的语言请求。用户的请求信息会通过socket端口分配给相应的虚拟机，如果虚拟机不够，系统发出指令，后台自动增加虚拟机数量，虚拟机与服务器主动建立连接。系统基于资源调度算法自动以CPU占用率和内存为目标执行系统资源调度，原则是每个虚拟机至少留出20%空间，空间低于20%的虚拟机，系统不会再分配任务;对于整体虚拟机，整体占用空间超出80%，则系统会自动建立新的虚拟机，当虚拟机空间冗余时，会自动释放虚拟机。

1.3  虚拟化技术

虚拟化技术是指把一个物理单元虚拟成多个逻辑单元，供多个应用一起使用。应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率[3-4]。本系统采用全虚拟化，指虚拟操作系统与底层硬件完全隔离，由中间层转化虚拟客户操作系统对底层硬件的调用代码，全虚拟化无需更改客户端操作系统、兼容性好。利用虚拟化技术将本系统下的所有实体资源，如硬件连线、编译系统、自然语言的生成、服务器、存储、应用等，予以抽象、转换后呈现出来，打破实体结构间的不可切割的障碍，用户无需感知操作系统、中间件、应用等技术细节。虚拟化技术使底层差异封装为应用的统一接接口，用戶由同一接口只需要根据自己的需求。通过云计算平台选取相应的服务。使用户可以比原本的组态更好的方式来应用这些资源。这些资源的虚拟部分是不受现有资源的架设方式、地域或物理组态所限制。

1.4  弹性伸缩和动态分配问题

在云资源弹性调度的研究过程中，单一的弹性资源管理机制或动态调度算法并不能满足系统动态分配资源的需求，需要将二者作为系统整体结构中相互协同的构件研究调度方法对系统的影响。本系统使用基于时间序列的线性预测方法和面向用户需求的协同调度算法，提出了云资源弹性调度总体框架。

云资源弹性调度总体框架包括资源分配层、资源管理层、资源调度层3个主要层次。资源分配层系统依据上一层的分配策略完成资源结点与用户任务的对接;资源管理层是用于完成资源结点的收集与定义，根据资源结点负载情况和系统负载情况对云资源进行管理;资源调度层是依据下一层反馈的当前系统负载情况和用户需求统计、设计资源分配策略，供给资源管理层进行调度管理。

2    智能硬件快速开发云平台系统的实现

本系统在H3C CAS云计算管理平台中实现，可视化统计与检测主机与虚拟机的CPU与内存的占用率，能够实现云资源调度，主动添加集群，主机和虚拟机。在H3C CAS云计算管理平台中，添加虚拟机的方法主要是从虚拟机集群中直接添加虚拟机。从集群中直接添加虚拟机，可以从操作系统、版本、主机、系统配置方面自定义设置。系统运行界面如图2所示。

3    结语

“面向创客教育的智能硬件快速开发云平台”是一款简单、快捷、实用的智能硬件在线开发系统。该平台利用CAS虚拟化软件，FlexServer服务器和FlexStorage存储器等虚拟化技术搭建云平台，利用云平台强大的网络处理能力，实现了智能硬件的云端开发，设计并实现了“图形化集成开发平台”，极大地降低了智能硬件开发的门槛，该系统有效弥补传统教育对学生创造能力培养不足的缺失。

[参考文献]

[1]刘向永.实施自带设备学习（BYOD）：策略与案例[J].中国信息技术教育，2018（19）：4.

[2]徐嘉，李健，曲鸽，等.面向中小学创客的电子产品快速开发APP设计与实现[J].中国教育技术装备，2019（7）：43.

[3]吴冬晨.校园服务器虚拟化平台的搭建与应用研究[J].电脑知识与技术，2019（18）：315-316.

[4]储久良，李玲.虚拟化技术在高校数据中心的应用[J].实验室研究与探索，2012（12）：67-71.