基于網(wǎng)絡(luò)的傳感器虛擬實(shí)訓(xùn)室設(shè)計(jì)

摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，近些年來(lái)，各高校實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)采用虛擬方式越來(lái)越多。采用這種方式的好處是形象直觀、效果逼真、資源豐富及節(jié)約成本。本文探討通過(guò)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建虛擬環(huán)境，基于Flash、ActiveX、VRML技術(shù)的傳感器虛擬實(shí)訓(xùn)室設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)；Flash；虛擬實(shí)訓(xùn)室

The Design of Web_based Virtual Laboratory Of Sensor

Wang Laizhi Wang Xiaoping（ChongQing City Management Vocational College，ChongQing 401331，China）

Abstract：At the spot of electric power supervision system， Aim at the effective demand and construction restrict of on-line examination for various parameters， design a on-line electric power supervision system based wireless sensor network （WSN）， Using various sensors to detect the various power parameters in high or very high voltage generatrix， high voltage switch node or other dangerous and execrable environment. Thus， we can watch the running status in center supervision room， really implement remote supervising from outer place.

Key words：Network；Flash；Virtual laboratory

隨著近些年來(lái)高校畢業(yè)生人數(shù)的增長(zhǎng)，就業(yè)形式的嚴(yán)峻，眾多企業(yè)對(duì)畢業(yè)生動(dòng)手能力要求的提高，高校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的短缺，新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，根據(jù)虛擬實(shí)訓(xùn)室的特點(diǎn)，虛擬教學(xué)逐漸成為理工科教學(xué)活動(dòng)中最總要的教學(xué)環(huán)節(jié)。

1 傳感器虛擬實(shí)訓(xùn)室需求分析

近些年來(lái)，隨著學(xué)生人數(shù)的增長(zhǎng)，教學(xué)資源的緊缺，國(guó)內(nèi)外許多高校及科研機(jī)構(gòu)紛紛提出了虛擬實(shí)驗(yàn)室（Virtual Laboratory，簡(jiǎn)稱VL）的概念。虛擬實(shí)訓(xùn)室是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種分布式解決問(wèn)題的環(huán)境。它利用圖形、語(yǔ)音、視頻、動(dòng)畫(huà)等多種技術(shù)，為用戶提供一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)交流、共同研究的平臺(tái)，用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)身臨其境地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

虛擬實(shí)訓(xùn)室應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有許多優(yōu)勢(shì)：它能再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，為學(xué)生提供感性學(xué)習(xí)材料，幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中的知識(shí)難點(diǎn)；它能使抽象的概念、理論直觀化、形象化，方便學(xué)生對(duì)抽象概念的理解[2]。

1.1 虛擬實(shí)訓(xùn)室的基本概念

虛擬實(shí)訓(xùn)室用來(lái)描述一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，其初衷是為了方便不同實(shí)訓(xùn)室中的科研人員共享彼此的數(shù)據(jù)、儀器，并能交流思想和進(jìn)行遠(yuǎn)程科研合作[3]。

虛擬實(shí)訓(xùn)室的定義主要有兩種：一種是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果等值于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。另一種是指一個(gè)創(chuàng)造和引導(dǎo)模擬實(shí)驗(yàn)的交互環(huán)境，即實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。它由實(shí)驗(yàn)所依賴的模擬程序、實(shí)驗(yàn)單元、工具和參考資料組成。用戶可以通過(guò)增加新的物體，建立新的實(shí)驗(yàn)并把它們轉(zhuǎn)換成超文本文件來(lái)擴(kuò)充實(shí)訓(xùn)室。

1.2 虛擬實(shí)訓(xùn)室的類型

虛擬實(shí)訓(xùn)室按其內(nèi)容可分為兩類：實(shí)物仿真和原理性驗(yàn)證。實(shí)物仿真虛擬實(shí)訓(xùn)室主要以測(cè)試儀器的操作等虛擬實(shí)驗(yàn)為主，提供測(cè)試儀器的操作接口；而原理性驗(yàn)證虛擬實(shí)訓(xùn)室則主要開(kāi)展軟件仿真，對(duì)測(cè)試儀器的操作不作具體要求。

虛擬實(shí)訓(xùn)室按其功能可以分為下述三類[4]：

⑴教學(xué)虛擬實(shí)訓(xùn)室。教學(xué)虛擬實(shí)訓(xùn)室讓學(xué)生通過(guò)使用虛擬或真實(shí)儀器、裝置或系統(tǒng)的模擬裝置來(lái)熟悉實(shí)驗(yàn)過(guò)程，掌握相關(guān)技術(shù)；能滿足不同知識(shí)背景學(xué)生的要求，根據(jù)學(xué)生的能力、實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)等調(diào)整資源模塊（如設(shè)備、組件、儀器、生成器、數(shù)據(jù)采集板等），保證學(xué)生在單獨(dú)使用模擬環(huán)境時(shí)能進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)操作。

⑵輔助設(shè)計(jì)虛擬實(shí)訓(xùn)室。例如現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析，是運(yùn)用EDA（Electronic Design Automation），在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，在EDA平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)、下載、綜合、仿真，然后在實(shí)際條件下進(jìn)行測(cè)試。EDA 模擬軟件將儀器、儀表、模擬器件、數(shù)字器件等直觀地反映在計(jì)算機(jī)屏幕上，可靈活地改變電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，反復(fù)觀察實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，并動(dòng)態(tài)顯示電路的波形。

⑶協(xié)同虛擬實(shí)訓(xùn)室。協(xié)同虛擬實(shí)訓(xùn)室利用當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和設(shè)施，使參與試驗(yàn)的人員在遠(yuǎn)程相互合作，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。為分布在世界各地的研究人員提供共同從事一個(gè)項(xiàng)目的分布式問(wèn)題解決環(huán)境。虛擬實(shí)訓(xùn)室的研究可以用于許多方面，例如世界范圍的科學(xué)研究課題（如宇宙起源、和平利用核能等），大型和復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造，結(jié)合衛(wèi)星數(shù)據(jù)、大量傳感器輸入和模擬短期和長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)的天氣預(yù)測(cè)系統(tǒng)等，這些都需要借助于虛擬實(shí)訓(xùn)室。

1.3 基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)訓(xùn)室的特點(diǎn)

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)訓(xùn)室是以網(wǎng)絡(luò)為橋梁，計(jì)算機(jī)仿真為核心。在教學(xué)中與傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室相比具有以下優(yōu)點(diǎn)[3][5]：

⑴經(jīng)濟(jì)性。首先，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)需要用到實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備，而這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往價(jià)格比較昂貴，在操作過(guò)程中，往往由于操作不當(dāng)或其他原因而損壞，實(shí)驗(yàn)原材料也不能再次使用，損耗大，成本高。而虛擬實(shí)訓(xùn)室不存在損耗，可以反復(fù)多次使用。其次，維護(hù)方面，傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室維護(hù)成本高，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。而虛擬實(shí)訓(xùn)室只要網(wǎng)絡(luò)保持暢通，通過(guò)修復(fù)或重裝就可完成維護(hù)，更新也很方便，只需在線升級(jí)或安裝新版本軟件即可。

⑵開(kāi)放性。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的模式，實(shí)驗(yàn)者不再受到時(shí)間、空間上的制約，可隨時(shí)隨地進(jìn)入虛擬實(shí)訓(xùn)室，選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作。虛擬實(shí)訓(xùn)室不需要專門(mén)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)原料。只需要計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的虛擬實(shí)訓(xùn)室的軟件。

⑶共享性。虛擬實(shí)訓(xùn)室不受時(shí)間、實(shí)訓(xùn)室的空間、實(shí)驗(yàn)儀器的數(shù)量、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的人數(shù)等的限制，實(shí)驗(yàn)不用分組。同時(shí)，由于在虛擬實(shí)訓(xùn)室中通過(guò)軟件模擬，虛擬儀器在網(wǎng)絡(luò)上可以實(shí)現(xiàn)最大限度地共享。

⑷交互性和自主性。虛擬實(shí)訓(xùn)室綜合仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等技術(shù)，使得實(shí)驗(yàn)圖文并茂、形象直觀，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察細(xì)致入微，畫(huà)面還可以放大縮小，方便實(shí)驗(yàn)者更好的觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。具有良好的交互性和自主性。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)相關(guān)技術(shù)

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要包括以下三個(gè)方面：

2.1 虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，就是充分利用高性能的計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源及各類先進(jìn)的傳感器和顯示器，讓觀眾產(chǎn)生一種與真實(shí)環(huán)境相仿的人工虛擬環(huán)境的一種集成技術(shù)，其主要技術(shù)構(gòu)成為：實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、傳感交互技術(shù)、軟硬件接口技術(shù)以及高分辨率顯示技術(shù)等。

2.2 虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器技術(shù)就是將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于測(cè)試儀器之中，利用良好的虛擬儀器軟件平臺(tái)，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和豐富的圖形顯示功能，在屏幕上虛擬出與傳統(tǒng)儀器相似的顯示面板，用戶通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)操縱面板上的虛擬開(kāi)關(guān)、旋鈕、按鍵等，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制儀器運(yùn)行、了解儀器狀態(tài)、讀取并打印測(cè)試結(jié)果等功能。

2.3 多媒體技術(shù)

多媒體技術(shù)是計(jì)算機(jī)綜合處理圖像、文字、聲音、視頻等多種媒體數(shù)據(jù)，使它們集成為一個(gè)系統(tǒng)并具有交互性的信息處理技術(shù)。它讓使用者通過(guò)多個(gè)感官來(lái)獲取相關(guān)信息，是具有集成性、交互性、控制性的信息傳播手段。

3 傳感器虛擬實(shí)訓(xùn)室設(shè)計(jì)思路

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室就是為學(xué)生創(chuàng)建一個(gè)可視化的虛擬環(huán)境，其中每一個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象用可視化的二維或三維物體來(lái)表示表。學(xué)生身臨其境，如同在真實(shí)的環(huán)境中一樣，通過(guò)鼠標(biāo)的點(diǎn)擊以及拖曳等對(duì)物體進(jìn)行操作，開(kāi)展各種實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的工作過(guò)程：首先，用戶在客戶端通過(guò)Internet登錄虛擬實(shí)驗(yàn)室首頁(yè)，進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室。為了便于虛擬實(shí)驗(yàn)室管理，用戶需登錄成功后，方可進(jìn)行相關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)操作。進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室后，用戶可根據(jù)需要選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開(kāi)始虛擬實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)室中大部分交互在客戶端進(jìn)行，客戶端下載相應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)及其中包含的相關(guān)插件，即可通過(guò)軟件技術(shù)對(duì)各種實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行仿真，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，完成對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的仿真顯示。其他數(shù)據(jù)如登錄認(rèn)證等信息，通過(guò)Internet向Web服務(wù)器提交。

傳感器虛擬實(shí)驗(yàn)室在網(wǎng)站界面布局的設(shè)置上采用了傳統(tǒng)課本中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)構(gòu)，包含：實(shí)驗(yàn)原理，結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)結(jié)果等幾個(gè)常見(jiàn)的部分?？傮w設(shè)計(jì)如圖1所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于網(wǎng)絡(luò)的傳感器虛擬實(shí)驗(yàn)室，節(jié)約人力，節(jié)約成本，資源共享，維護(hù)更新方便快捷，具有廣闊的發(fā)展前景，是目前國(guó)內(nèi)外各高校實(shí)訓(xùn)室建設(shè)的一個(gè)發(fā)展方向。設(shè)計(jì)復(fù)雜，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等諸多技術(shù)的應(yīng)用。筆者對(duì)于傳感器虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)只是進(jìn)行了一些初步的探索和研究，能否實(shí)現(xiàn)理想要求的虛擬環(huán)境還需各位同仁的共同努力。

[參考文獻(xiàn)]

[1]周琪鋒.虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與應(yīng)用探討.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2006，（8）：88-89.

[2]黃元南.虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用探析.中國(guó)科技信息，2005，（14）：90-91.

[3]李亞琭，郝應(yīng)光.遠(yuǎn)程教育與虛擬實(shí)驗(yàn)室.自然雜志，2001，23（3）： 157-160.

[4]潛立標(biāo).網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與開(kāi)發(fā).浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，4（2）：52-54.

[5]張燕霞.基于虛擬儀器的傳感器虛擬實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)室[碩士學(xué)位論文].南京：南京航空航天大學(xué)，2005.