基于物聯網的遠程實驗系統

呂 強， 高慧敏， 吳晨曦

(杭州電子科技大學 自動化學院，浙江 杭州 310018)

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基于物聯網的遠程實驗系統

呂 強， 高慧敏， 吳晨曦

(杭州電子科技大學 自動化學院，浙江 杭州 310018)

當前實驗裝置的可利用數量少與所需訓練的學生人數多的矛盾，以及實驗裝置利用時間短與學生課余時間長的矛盾，使得實驗教學的實際效果不理想。針對上述問題，在物聯網技術的基礎上，提出了一種遠程實驗教學系統，通過遠程登錄、時間片分配、虛擬仿真、模式切換、物理實驗，實時狀態監控、數據采集等現代信息技術，使學生得到充分的動手訓練，進而解決上述問題。以“微型機器人與C51應用”課程實驗為例，闡述了遠程實驗系統的特點、系統的架構和功能，介紹了實驗系統的技術實現方式，給出了實驗系統的應用模式。

遠程實驗； 實驗教學； 虛擬仿真； 物聯網

0 引 言

現代信息技術的快速發展，已經極大地促進了傳統教學模式的轉變[1]。各個高校都已建成了數字化校園，并在此基礎上，采用各種信息技術手段提高教學效果，如：Blackboard網絡學習平臺[2]，ATutor網絡學習管理平臺等網絡教學平臺進行輔助教學[3]。實驗教學作為現代教學的重要組成部分，主要目的是讓學生能夠通過實際的動手操作來更好地理解課堂上所講的知識，從而做到理論聯系實際提高教學效果[4]。但是，由于實驗裝置的成本問題以及學生選課人數的不確定性，實驗裝置不會購置很多，造成在規定的時間內，大部分的同學沒有獲得充足的時間進行操作[5]。在另一方面，由于實驗室的封閉式管理使得實驗裝置在課余時間處于閑置狀態，盡管學生們有很多的課后學習時間，但卻不能操作實驗裝置，也就沒有得到充分的時間進行動手訓練，對于課程知識的理解仍然停留在理論階段和初淺的操作階段，使得教學效果沒有得到明顯的改善[6]。為解決實驗教學中出現的問題和矛盾，現代信息技術和各種信息化平臺的出現和發展，提供了改變實驗教學模式的機遇[7]。本文將以“微型機器人與C51應用”課程為例，對基于物聯網的遠程實驗系統進行研究。

1 傳統的實驗教學方式

實驗教學的主要目的在于通過實驗操作，讓學生更深刻地了解課堂上所講的知識[8]。而實驗學習主要是通過給定實驗任務，操作實驗裝置，觀察實驗現象，獲取實驗數據，采用圖像和表格的方式展現實驗結果，進而完成實驗任務。當前的教學方式是教師講、學生聽，學生操作，教師監督。教學模式是在一個固定的時間內，將教學班級的學生分成多個小組，根據實驗裝置的數量，通常由4或5名學生組成一個小組共用一臺實驗裝置，如果實驗裝置數量有限，則可能由10名左右學生組成一個小組[9]。

例如：在“微型機器人與C51應用”這門課上，我系共有20臺微型機器人，但在2014年所選這門課程的學生人數一個班級是47人，另一個班級是70人。結果就是對于第一個班級平均2-3人共用1臺微型機器人，而另一個班級平均4人共用1臺微型機器人。每次上課為2個課時，其中一個課時為理論知識的講解，另一個課時是給定任務動手實驗。在同樣的操作時間范圍內，對于4人1組的班級，大部分同學沒有足夠的時間進行練習。另外，由于訓練時間短，很多同學沒有能夠掌握微型機器人的操作技巧，常常帶電插拔使程序下載線損壞，隨意的調節微型機器人電機的零點，導致電機損壞等等，增加了實驗裝置的管理和維護成本[10]。

2 基于物聯網的遠程實驗教學

在“微型機器人與C51應用”這門課程上實現遠程實驗教學，主要是指在校園網環境下，學生可以利用課余的時間，在沒有教師的監督下，而僅僅通過信息系統的自動管理功能，根據學號和姓名登錄，完成微型機器人的遠程控制實驗。例如：在規定的時間片內，學生首先根據課程所講的知識，自己設定任務，完成程序的編寫，然后將所寫的任務程序與服務器端的系統服務通信，系統首先在虛擬的實驗環境下進行測試，從而讓學生了解程序運行的結果，查看虛擬實驗返回的數據和圖像，驗證虛擬實驗是否成功。如果測試成功，得到系統的認可和學生的認可后，則系統能根據學生的要求切換到物理實驗模式，簡單地修改程序配置文件的地址，即可平滑地將所寫程序與物理實驗系統中的服務通信，進而控制微型機器人，實時觀測實驗測試的結果，接受實驗數據，并能動態地改變參數的設置，從而可以更深刻地了解機器人的各種控制功能，也對課堂所講的機器人控制方法有了更深的理解。因此，可以看出，基于物聯網的遠程實驗系統并不是取代傳統的實驗教學模式，而是利用信息化手段對傳統實驗教學模式的有益補充，并具有以下特點：

(1)采用課內時間與課余時間相結合的方式，使學生得到充分的訓練。在“微型機器人與C51應用”這門課的正常教學計劃中，每次上課2個學時，第一個學時講解所需掌握的基本知識，第二個學時由學生分組進行實驗操作，完成教師指定的任務，如：軌跡跟蹤，避障，模擬交通系統等等。由于訓練時間短，正常的實驗教學時間不能夠滿足學生的基本要求。因此，學生可以利用自己的課余時間，采用遠程實驗系統，通過物聯網，控制微型機器人，完成課堂上的任務要求，也可以自己設定任務，觀測和記錄實驗的結果。

(2)靈活的時間安排，適應不同選課情況下的學生。每個學生的選課安排是不同的，這也就造成了每個學生的課余時間不同。缺點就是不能夠統一安排，增加實驗時間。但好處是，不會出現同一時間段，學生們大量進行遠程實驗操作，學生的時間安排也更加靈活。因此，也就適應不同選課情況的學生。另外，每次學生登錄進行實驗時，僅給出45 min時間片供學生使用(在沒有后續學生等待的情況，系統可以自動增加實驗時間安排)。這就促使學生需要抓緊時間，強化自己的訓練，完成自己的程序操作。

(3)虛擬實驗操作可降低實驗裝置的維護成本。在遠程實驗過程中，一個重要的環節是，學生編寫的程序需要在虛擬仿真環境中運行，即在虛擬環境中控制微型機器人操作，驗證程序的正確性。正確性主要包含2個含義：一是程序能夠正常地運行，而不會對微型機器人產生損壞作用；另一個是程序能夠實現學生自己設定的任務。遠程實驗系統主要對程序是否會對微型機器人產生損壞作用進行判斷，如：機器人是否會運動到邊界外，加載程序是否符合機器人的正常邏輯操作等等。如果程序正確性得到驗證，則可以直接加載到真實的微型機器人上，完成給定的任務操作。因此，虛擬實驗的方式有效地降低了實驗裝置的維護成本。

(4)在學習中發現問題，尋找解決問題的方案。遠程實驗系統的工作環境是在物聯網中，學生在實驗過程中會遇見一些控制問題，從而沒有完成設定的任務，這就促使學生思考問題產生的來源，通過查詢書籍或通過網絡尋找解決問題的方案。然后，更改自己的任務解決方案，重新開始實驗。同時通過反復的實驗操作，觀察實驗獲得數據和實驗結果，非常利于對課堂所講知識的理解和掌握，也能夠提高學生的學習興趣，調動學生學習的積極性，便于參加其他科研活動，提高學生視野和對問題解決方式的見解等等。

3 遠程實驗系統框架設計和技術實現

遠程實驗系統依托校園網絡，將客戶端、管理端以及實驗系統服務連接起來。在客戶端，學生可以登錄實驗系統服務器，并建立自己的服務程序。在管理端，管理人員可以設定學生的權限、設定系統工作的時間段以及分配學生使用的時間。實驗系統服務器是遠程實驗系統的核心，主要完成虛擬仿真及微型機器人的實際控制。數據中心主要用來存儲學生的登錄信息和實驗系統的工作狀態。

圖1顯示的是實驗系統的設備連接圖，這是遠程實驗系統工作的核心部分，主要包括：控制節點和無線節點、實驗場地和微型機器人以及攝像機?？刂乒濣c通過無線節點發出運動指令，微型機器人接受并執行指令，由攝像機采集微型機器人運動圖像，并傳回控制節點。具體來說：

(1)身份驗證和服務提供。實驗系統服務器首先提供遠程登錄學生的身份認證，主要采用課程學習的學生姓名和學號，如果認證通過，則提供控制節點運行地址及在該節點中運行的系統服務，包括仿真系統服務地址和物理系統服務地址，并分配用戶服務鏈接時間[11]。

圖1 實驗系統設備連接圖

(2)虛擬仿真和物理控制。在控制節點中，不但要運行虛擬仿真服務，也要運行實際微型機器人控制服務，由于所有服務采用的統一定義模型，使得用戶可以在客戶端自己編寫任務程序(服務)，并用任務服務根據實驗服務器給出的控制節點地址，和在該節點中運行的系統服務通信，從而實現客戶程序的加載。在虛擬仿真環境中，學生編寫的服務在實現自己的功能任務時，還需要調用控制節點中的圖像服務，該服務可以把仿真環境的圖像返回到客戶端，便于學生動態觀察微型機器人的仿真運行情況，如果在仿真運行中，故障服務沒有返回錯誤值的話，則將在控制節點中運行的物理系統服務地址告訴學生。在物理實現環境中，學生編寫的服務無需更改代碼，僅在XML文件中把給出的物理系統服務地址替換仿真系統服務運行的地址，然后就可以動態觀察實際的微型機器人的運行情況。

(3)微型機器人的執行和運動監控。微型機器人的主要控制器不具有很強的運算能力，所以對于微型機器人主要接收簡單的控制指令，如：兩個輪子的電機控制信號。并且反饋當前的狀態信息，如：紅外檢測距離。微型機器人的運動速度和位置主要通過場地的監視器獲取的運動圖像由服務器進行評估，此外，監視器也將微型機器人的運行情況報告給控制節點中的圖像服務，這樣就可以通過訪問圖像服務獲取微型機器人的實時運動信息。

為了實現上述功能，遠程實驗系統的管控軟件由：仿真系統服務模塊、物理系統服務模塊、數據管理模塊、登錄管理模塊、以及系統管理模塊等5個模塊組成，如圖2所示。

圖2 管控軟件功能模塊

(1)仿真系統服務模塊和物理系統服務模塊。這兩個服務模塊都是基于Microsoft Robotics Studio 中的DSS服務體系建立的。隸屬于這兩個模塊的服務，無論是系統服務還是自定義的服務，都要準守相同的服務結構定義，如圖3所示。其中Service Identifier 是服務標識符而Contract Identifier 是該服務類型具體事例的標示符，State是服務的狀態，Main Port是服務接收事件的端口，Service Handlers是事件處理接口，Partners是能夠和該服務通信的其它服務標識符，Notifications是該服務返回信息的端口。在仿真系統服務模塊和物理系統服務模塊都運行在控制節點中，但具體的通信端口不同，因此，每個模塊運行的具體地址也就不同，根據地址就可以確定是訪問仿真系統服務模塊中的服務還是物理系統服務模塊的服務。根據服務的定義，在客戶端可以開發的服務例子如圖4所示。在圖4左半部分，輸入系統給出的地址和端口，可以列出當前系統中的活動服務，建立和服務活動的通信關系，就可以控制微型機器人運動，圖4的右半部分顯示機器人的運動軌跡。

圖3 系統服務結構

圖4 具體的服務實例

(2)數據管理模塊。數據管理模塊的主要功能是維護數據庫的操作。如：上課學生的基本信息，登錄信息，實驗時間和權限設定等等。通過數據管理模塊，管理人員可以獲得統計數據，從而了解系統的使用情況，對于制定新的管理計劃及完善遠程實驗系統提供數據支撐[12]。

(3)登錄管理模塊。登錄管理模塊的主要功能是就是根據學生登錄的信息調用數據管理模塊獲得相應學生的數據，在匹配成功后，根據當前控制節點的分配情況，給出該學生可以調用的仿真系統服務地址，這樣學生就可以在其自定義服務的配置文件XML中，放入仿真系統服務地址，然后編譯自己的服務就可以建立仿真系統服務模塊的通信鏈接，通過調用仿真系統中的服務，實現自己設定的任務。相似的，如果自己的服務安全性得到保證，也可以同樣地調用物理系統中的服務，完成物理實驗。

(4)系統管理模塊。系統管理模塊的主要功能是統一協調其它模塊，包括開啟仿真系統服務，物理系統服務，設定相應工作地址，并且存入到數據庫中。調用數據管理模塊完成數據的操作，控制登錄管理模塊完成系統開放時間的設定等等。

4 遠程實驗系統的應用模式

遠程實驗系統采用本地管理和遠程登錄管理相結合的管理模式[13]。本地管理主要在于實驗場地的維護，微型機器人系統的維護，服務器及數據庫的維護，包括日常的系統初始化，設備調試、突發情況處理等等[14]。遠程登錄管理主要是實驗管理人員通過網絡管理終端設定學生的權限，統計學生使用系統的次數和頻率，了解系統的負荷并合理的設置時間片，以及根據課程的時間安排設定系統使用的時間段[15]。因此，實驗室管理人員1名負責遠程實驗系統的本地管理，而任課教師負責遠程登錄管理[16]。應用模式主要包括：①通過校園網，使用姓名和學號的方式登錄遠程實驗系統，這樣就可以建立服務器和客戶端的安全鏈接，容許學生編寫的程序加載到服務器中。②遠程實驗系統采用的是Windows的CCR/DSS技術，在安全鏈接的情況下，允許學生在客戶端建立的服務(即實現操作的功能命令集合)，并調用系統服務，通過消息/事件方式，給服務器中虛擬實驗環境中的微型機器人發布控制事件。③虛擬環境中的微型機器人將根據接收到的事件，執行任務操作，并返回消息到客戶端服務程序，告訴客戶端事件是否得到正確的執行，同時可視化界面，也使學生能夠實時查看自己建立的服務使用情況。④如果服務正常使用而不會使虛擬環境下的微型機器人產生危險動作，則系統授權該服務可以控制實際場地的微型機器人，虛擬模式可以切換到物理模式。⑤系統可以將學生建立的服務程序鏈接到真實微型機器人的控制服務節點中，這樣該服務就可以控制實際微型機器人運動，客戶端也可以實時查看運動情況，收集數據并理解課程上所講述的基本知識。⑥定期維護，由于使用量大和網絡的不可確定因素，遠程實驗系統需要在每個月末，維護一次，用來維修和處理系統的錯誤，統計學生的使用情況。

5 結 語

基于物聯網的遠程實驗系統是在“微型機器人與C51應用”多年教學的基礎上，不斷總結經驗和學生反饋，以及日益增加維護成本的壓力下研發的。該系統能夠利用現代的信息化技術，在學校已有的網絡和教學平臺的基礎上，實現學生的遠程實驗，解決了當前教學實驗中面臨的問題。不但可使學生能夠更好地理解課堂上講授的知識，增強了動手能力，而且也調動了學生的積極性，對其他課程的學習也起到了重要的幫助作用，促使學生學習新的知識，同時降低了實驗裝置的維護成本。

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On Remote Experiment Systems Based on Cyber-Physical Networks

LüQiang,GAOHui-min,WUChen-xi

(School of Automation, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

As a format linking the theory with practice, experiment teaching is an important part of the modern teaching in the colleges and universities. Enough practice time is a precondition of the successful experiment teaching. However, on one hand, the number of experimental apparatus is smaller, but the number of students is higher. On the other hand, the time of using the experimental apparatus is limited, but the spare time of students is enough. The real effect of experiment teaching is not perfect. In order to deal with the aforementioned issues, based on the cyber-physical networks, a remote experiment system is proposed, where the modern information technologies, such as remote access, time allocation, virtual simulation, model switching, physical experiment, state monitoring, and data sampling are employed. According to the course Micro-robot and C51 application, the characteristics, structure, and functions of the proposed system are illustrated. Moreover, the main technologies in the proposed systems are described and the application format is also given.

remote experiment; experiment teaching; virtual simulation; cyber-physical networks

2015-04-05

國家自然科學基金項目(61375104)；杭州電子科技大學高教研究課題(XXYB1310)

呂 強(1977-)，男，遼寧撫順人，博士，副教授、研究方向為信息化教學資源開發與應用，多機器人合作控制。

Tel.：13819139153; E-mail：lvqiang@hdu.edu.cn

G 40-057

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1006-7167(2016)05-0114-04