基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程操控試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

阮曉芳

摘要：物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一次技術(shù)飛躍。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，使物品與物品之間、物品與人之間進(jìn)行信息交換和通信。遠(yuǎn)程操控實(shí)驗(yàn)涉及的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)數(shù)目較多，本文擬將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、移動(dòng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)和在線(xiàn)教育相融合，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，把遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，對(duì)遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、監(jiān)控和管理。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 射頻識(shí)別 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn) 在線(xiàn)教育

中圖分類(lèi)號(hào)：TP872 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）07-0138-02

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)又稱(chēng)為傳感網(wǎng)，是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一次信息技術(shù)革命。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，其用戶(hù)端延伸和擴(kuò)展到了任何物品，使物品與物品之間，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換和通信。因此，物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)是“物與物相連的互聯(lián)網(wǎng)”[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使世界上所有的物體，從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)進(jìn)行信息的交換。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，包括綠色農(nóng)業(yè)、智能工業(yè)、智能物流、能源電力、公共安全、市政管理、節(jié)能環(huán)保、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居、智能交通、金融保險(xiǎn)和在線(xiàn)教育等領(lǐng)域，極大的改變了我們的工作、學(xué)習(xí)和生活方式。

在線(xiàn)教育是對(duì)傳統(tǒng)課堂教育的補(bǔ)充，是通過(guò)應(yīng)用信息科技和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行內(nèi)容傳播和快速學(xué)習(xí)的一種方法。借助網(wǎng)絡(luò)課件，學(xué)員可以隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)，真正打破了時(shí)間和空間的限制，對(duì)于工作繁忙，學(xué)習(xí)時(shí)間不固定的在職人員而言網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教育是最方便不過(guò)的學(xué)習(xí)方式[2]。在線(xiàn)教育在理論知識(shí)的學(xué)習(xí)上提供了方便，但對(duì)于理工科專(zhuān)業(yè)而言，實(shí)踐教學(xué)有著不可替代的作用。隨著MOOC大規(guī)模在線(xiàn)課程的推廣和普及，與課程對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)程開(kāi)放實(shí)驗(yàn)也得到極大發(fā)展。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)大致分為兩類(lèi)，一類(lèi)是基于計(jì)算機(jī)仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)，一類(lèi)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，從實(shí)驗(yàn)設(shè)備中采集真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)，本文重點(diǎn)討論遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，把遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，使設(shè)備間能信息交換和通訊，對(duì)遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、監(jiān)控和管理。

2 遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)的發(fā)展

遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室提供真實(shí)的物理設(shè)備，將物理設(shè)備接入服務(wù)器，服務(wù)器與設(shè)備間通過(guò)總線(xiàn)或RS-232接口進(jìn)行連接，客戶(hù)端用戶(hù)在異地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程連接到實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，對(duì)設(shè)備發(fā)出指令可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，所有采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)返回給用戶(hù)。[3]這些數(shù)據(jù)都是在實(shí)際物理環(huán)境干擾下獲得的真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程共享，避免了重復(fù)建設(shè)。遠(yuǎn)程控制的實(shí)驗(yàn)室發(fā)展已經(jīng)推廣到了美國(guó)、歐洲、澳洲、中國(guó)等全球大部分地區(qū)。

遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室在國(guó)內(nèi)外已有很多成功案例，麻省理工大學(xué)MIT所建的iLab遠(yuǎn)程共享實(shí)驗(yàn)室，目前已開(kāi)發(fā)出多個(gè)遠(yuǎn)程共享實(shí)驗(yàn)。通過(guò)搭建iLab站點(diǎn)，全球其他院校的用戶(hù)就可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)MIT的優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)資源，設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)完成后結(jié)果及數(shù)據(jù)會(huì)返回至用戶(hù)終端。大連理工大學(xué)就從麻省理工學(xué)院引入微電子器件、電工電子等實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在網(wǎng)上遠(yuǎn)程控制麻省理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)；美國(guó)霜堡州立大學(xué)構(gòu)建起一個(gè)能控制真實(shí)儀器的遠(yuǎn)程化學(xué)實(shí)驗(yàn)室供學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)之用；日本法政大學(xué)研究中心建立了機(jī)器人機(jī)械手的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室，使學(xué)生可以隨時(shí)隨地的進(jìn)入課程進(jìn)行遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)和練習(xí)[4]；江南大學(xué)提供了面向MOOC教學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室[5]；南京理工大學(xué)構(gòu)建了集遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制為一體的PLC遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室[6]；浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)了虛實(shí)結(jié)合的電子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，提供了控制類(lèi)、電路類(lèi)、電力電子類(lèi)、電機(jī)類(lèi)和微處理器類(lèi)等的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)[7]；東北大學(xué)建立了遠(yuǎn)程控制理論實(shí)驗(yàn)室，為控制理論研究者提供了一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使他們不僅能完成復(fù)雜對(duì)象控制算法的仿真研究，同時(shí)也能夠快速地在物理系統(tǒng)上進(jìn)行驗(yàn)證；浙江廣播電視大學(xué)搭建了涵蓋會(huì)計(jì)、電商、電工電子、建筑、計(jì)算機(jī)等學(xué)科的綜合性遠(yuǎn)程開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，其中電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)提供軟硬件協(xié)同操作的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

雖然基于物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)入國(guó)內(nèi)外高校的教學(xué)領(lǐng)域中，但是對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理、使用、監(jiān)控還存在著欠缺，不能很好、及時(shí)的共享實(shí)驗(yàn)設(shè)備。比如浙江廣播電視大學(xué)提供的軟硬件協(xié)同操作遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，每批學(xué)生要操作真實(shí)實(shí)驗(yàn)需提早通實(shí)驗(yàn)管理員預(yù)約，由管理員再安排實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間，對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理、監(jiān)控還需要本地人員參與，因此，本文擬將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、移動(dòng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)和在線(xiàn)教育相融合，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，把遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，對(duì)遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、監(jiān)控和管理[8]。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程操控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入分體式的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將實(shí)驗(yàn)設(shè)備間、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與服務(wù)器間、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與學(xué)生PC機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以此監(jiān)控系統(tǒng)硬件的占用情況、學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)情況等等。

物聯(lián)網(wǎng)是由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個(gè)層面構(gòu)成，感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，包括二維碼標(biāo)簽、射頻識(shí)別RFID標(biāo)簽和讀寫(xiě)器、攝像頭、GPS等感知終端，感知層的作用相當(dāng)于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經(jīng)末梢，它主要功能是識(shí)別物體，采集信息；網(wǎng)絡(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)等組成，相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞和大腦，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息；應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶(hù)（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程操控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從技術(shù)架構(gòu)上來(lái)看，也分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，感知層采用二維碼、RFID標(biāo)簽、讀寫(xiě)器和攝像頭等，每臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和器材都標(biāo)有二維碼和RFID標(biāo)簽，實(shí)驗(yàn)管理員掃描設(shè)備上的標(biāo)簽，就能將實(shí)驗(yàn)設(shè)備的狀態(tài)輸入到系統(tǒng)平臺(tái)中，并采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的信息；網(wǎng)絡(luò)層是學(xué)生借助各種網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)進(jìn)行信息交互；應(yīng)用層是學(xué)員與物聯(lián)網(wǎng)的接口，學(xué)員可以通過(guò)手機(jī)、移動(dòng)終端、計(jì)算機(jī)、筆記本等各種終端設(shè)備訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，即客戶(hù)端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，采集到的客戶(hù)端數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給服務(wù)器進(jìn)行處理和分析，并將結(jié)果輸出給客戶(hù)端。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成包含三層：應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層方面，需要將用戶(hù)端的所有需要的信息互通互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)全方位的遠(yuǎn)程識(shí)別、讀取、操控和互動(dòng)。只要學(xué)員通過(guò)計(jì)算機(jī)、筆記本、手機(jī)、PAD、移動(dòng)終端等訪問(wèn)了遠(yuǎn)程操控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用戶(hù)端的信息就會(huì)被采集，根據(jù)采集的信息可以對(duì)學(xué)員學(xué)習(xí)的時(shí)間、學(xué)習(xí)的地點(diǎn)、學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行分析，以此來(lái)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)或者給學(xué)習(xí)有困難的學(xué)員提供幫助。

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層，依賴(lài)于已經(jīng)建立好的浙江廣播電視大學(xué)遠(yuǎn)程開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)、3G甚至是4G網(wǎng)絡(luò)將物聯(lián)網(wǎng)的用戶(hù)端與遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相連接。將用戶(hù)端、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層被傳輸?shù)秸憬瓘V播電視大學(xué)遠(yuǎn)程開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并輸出結(jié)果。

物聯(lián)網(wǎng)的感知層，是學(xué)員借助網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)攝像頭觀察實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，進(jìn)而與仿真實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行比較，對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；數(shù)字電路、模擬電路、電路分析中涉及的實(shí)驗(yàn)比較多，各個(gè)專(zhuān)業(yè)根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行自由選擇。由于實(shí)驗(yàn)種類(lèi)繁多，實(shí)驗(yàn)?zāi)K的數(shù)量多，需要對(duì)這些實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行有效管理。物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用RFID射頻技術(shù)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容素材采用二維碼的形式，學(xué)生掃描每個(gè)實(shí)驗(yàn)的二維碼可以隨時(shí)隨地獲知實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

遠(yuǎn)程操控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由軟件和物理實(shí)驗(yàn)硬件兩部分組成，軟件平臺(tái)借助浙江廣播電視大學(xué)遠(yuǎn)程開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。物理實(shí)驗(yàn)硬件部分由帶RFID標(biāo)簽的實(shí)驗(yàn)電路模塊、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)和攝像頭組成，這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備和服務(wù)器放置在浙江廣播電視大學(xué)本地實(shí)驗(yàn)室。

學(xué)生在異地啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)客戶(hù)端程序，通過(guò)實(shí)驗(yàn)二維碼預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)器材等，然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)。根據(jù)RFID標(biāo)簽可獲知實(shí)驗(yàn)設(shè)備當(dāng)前使用狀況，如當(dāng)前無(wú)人使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如有其他學(xué)生正在此設(shè)備上做實(shí)驗(yàn)，則進(jìn)入排隊(duì)等候狀態(tài)，待其完成實(shí)驗(yàn)后，才能對(duì)遠(yuǎn)程物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行操作，進(jìn)而通過(guò)攝像頭觀察本地設(shè)備的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。數(shù)據(jù)采集卡采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

5 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程操控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠更有效的提高實(shí)驗(yàn)效率和設(shè)備的利用率，大大提高了遠(yuǎn)程操控實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化程度，有效減少了資源的浪費(fèi)，使設(shè)備使用率最大化，并將實(shí)驗(yàn)管理人員從繁重的設(shè)備管理工作中解脫出來(lái)，降低實(shí)驗(yàn)成本，提高了實(shí)驗(yàn)的靈活性，可使學(xué)生隨時(shí)隨地的操控遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程操控實(shí)驗(yàn)是未來(lái)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室必備的技術(shù)之一。

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