基于嵌入式Android的光學實驗實操評測系統

張丙旭 ，徐文濤 ，連 鵬 ，張廣斌

（1.南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京211106；2.南京航空航天大學理學院，江蘇南京211106；3.南京航空航天大學計算機科學與技術學院，江蘇南京211106）

在工科高校教學中，大學物理實驗作為基礎學科，其創新教育功能和載體作用早已為人們所共識，在培養學生各方面能力的作用和地位是顯而易見的。光學實驗作為其中不可或缺的一個環節，仍舊具有諸多缺點。目前光學實驗主要依靠顯微鏡和分光計來觀察實驗現象，由于目鏡觀察視野小，在實驗過程中老師難以對學生進行實時指導。隨著嵌入式技術和互聯網的發展，嵌入式處理器的成本逐漸降低，我們采用開源操作系統Android技術[1-5]和嵌入式處理器[6-9]，針對大學物理光學實驗實現了軟硬件的高級定制，設計并開發了光學實驗操作評測系統，該系統可以將光學儀器觀察到的實驗圖像實時上傳到教師端，實現老師對學生的實時監控和糾正指導，依靠云服務器對學生的實驗數據和觀察結果進行成績評定。

1 系統架構設計

本文所設計的光學實驗實操評測系統總體設計結構如圖1所示，系統由教師監控平臺、學生實操平臺和服務器構成。教師監控平臺由web網頁實現，可監控學生的實時操作狀態、獲取學生的實驗結果和測量數據。學生實操平臺由嵌入式設備實現，可通過攝像頭獲取目鏡中的實時圖像并向服務器提交實驗數據和觀察結果。服務器作為教師監控平臺和學生實操平臺鏈接的橋梁，集成了實驗數據結果自動評判算法，用于實驗數據的存儲和學生成績評定。

圖1 系統總體架構

2 硬件設計

學生實操平臺為經過軟硬件定制的嵌入式設備，其硬件結構如圖2所示，其由觸摸顯示屏、電源輔助電路、ARM核心板、USB接口和UVC協議攝像頭[10-12]組成。

圖2 學生實操平臺硬件結構

實操平臺以ARM處理器為核心，硬件電路主要針對外圍拓展模塊的接口電路設計。為了完成系統特定功能，在以ARM為核心的嵌入式平臺上擴展了存儲模塊、WiFi模塊、常用工業接口通信模塊、觸摸屏模塊等[13-16]。

對于嵌入式ARM處理器[17]，我們選用cortex-A53八核S5P6818芯片，它是三星公司生產的一種RISC結構微處理器芯片，具有先進的內核，可提供一套通用的外設接口，無需再額外擴充外圍器件，其功耗低，簡單，方便，且全靜態設計，特別適合于要求穩定性高、功耗低的嵌入式工業控制系統。S5P6818還提供豐富的片上資源，集成LCD專用DMA的LCD 控制器，3路UART，2路SPI，IIC總線接口，4 路擁有外部請求引腳的DMA控制器。依靠核心芯片可以方便地在外圍添加人機接口模塊，USB通信模塊，完全可以滿足本系統的需求。

我們采用7寸高清屏作為與學生進行交互的人機界面載體，并通過WiFi模塊將數據上傳至系統Web服務器的相關數據庫中。

目前物理實驗常用的光學觀察工具主要為光學顯微鏡和分光計，為了將觀察圖像上傳給教師監控平臺，本系統采用基于CMOS傳感器的數字攝像頭作為圖像獲取設備，選取USB接口作為傳感器和ARM嵌入式系統通訊方式，提高了系統的通用性、擴展性和可維護性。

3 軟件設計

3.1 評測系統服務器設計

評測系統云端服務器基于WEB服務器技術開發，其主要功能有響應來自學生端實驗數據上傳和圖像上傳請求，存儲學生實驗數據，評判學生實驗結果，響應教師端查詢學生實驗數據請求等功能。系統采用開源數據庫MySQL開發，數據庫中主要建立了學生信息，實驗數據，實驗成績等信息表，實現對學生實驗信息的統一管理，數據庫概念設計ER模型如圖3所示。

圖3 數據庫概念設計ER模型

在服務器層，我們采用PHP語言開發程序響應來自教師監控平臺和學生實操平臺的數據請求，并實現成績評定等相應功能。

3.2 學生實操平臺軟件設計

3.2.1 嵌入式操作系統定制

本系統擬基于嵌入式Android系統完成學生實操平臺的軟件實現。軟件開發主要分為操作系統定制和應用軟件開發。由于本系統需要使用USB攝像頭作為圖像獲取設備，因此在操作系統層需要集成可支持UVC協議的USB攝像頭的驅動程序。原生Android系統中并未集成該驅動程序的調用接口，因而需要使用NDK工具鏈將linux內核中UVC驅動通過封裝，生成JNI層接口以供Android應用層調用。

Android是一個開源的嵌入式平臺操作系統，該系統向所有開發者開放原始代碼，開發者可以根據谷歌公司提供的軟件開發工具包開發各種應用軟件。Android系統是基于Linux內核的操作系統，由內核、運行庫、用來運行代碼的類似虛擬機組成。和標準的Linux嵌入式系統開發流程幾乎一樣，Android嵌入式軟件系統的開發包括Bootloader引導程序設計，Linux操作系統移植，根文件系統創建以及應用程序開發等環節。具體開發流程如下：

1）建立嵌入式Linux系統的交叉開發環境

交叉編譯就是在計算機主機上編譯源程序，在目標板上運行可執行程序。通常通過串口或者以太網接口傳輸Linux內核文件到目標板，這樣的交叉開發環境可以非常方便地進行嵌入式Linux開發、調試。

2）移植引導程序Bootloader

嵌入式Linux內核通常需要目標板上的固件引導。這些引導程序就是Bootloader，在目標板上電的時候，完成板級初始化和內核引導的任務。本系統通過u-boot來引導。

3）移植Linux內核

移植Linux系統內核是嵌入式Linux移植的關鍵部分，需根據具體的硬件平臺添加或修改系統的選項，對Linux系統進行裁剪以適合特定的應用場合。

4）開發Linux文件系統

把Linux內核文件和文件系統燒寫到存儲設備中，使開發板上Linux系統能夠獨立啟動并運行，本系統選擇nfs格式的文件系統。

5）編譯android源碼，定制系統

本項目不希望用戶刪除我們的應用，所以需要將應用程序編譯進入系統作為不可刪除的系統應用。我們在Ubuntu 14.04系統下進行源碼的編譯工作，使用OpenJDK 8作為我們的編譯工具，編譯過程如下：1）初始化編譯環境，谷歌已經為編譯工作做好了初始化環境變量工具，命令為source build/envsetup.sh。2）選擇目標平臺，這一步可以將Android編譯成適合某具體運行硬件平臺，命令為lunch。3）編譯，命令為make–j8，參數j8表示用戶希望系統設置8個線程進行編譯工作，這樣可以提高編譯速度。

6）Android系統移植和應用程序開發

基于谷歌提供的Android studio開發工具創建項目，設計軟件界面，并進行調試和運行程序。

3.2.2 應用軟件設計

由于本項目需要使用USB攝像頭，而原生Android系統并沒有集成對此設備的驅動支持，我們在應用軟件的開發過程中需要考慮對攝像頭的驅動設計，USB攝像頭是遵循UVC協議的圖像捕捉設備，我們僅需要在Linux內核中移植UVC設備的驅動程序，并通過谷歌官方提供的Android NDK工具包在HAL層將驅動功能封裝成應用層接口，通過Java在應用層調用上述接口，實現對USB攝像頭的使用。

學生實操平臺的應用軟件需要實現以下功能：

1）對攝像頭進行光學參數設定。主要設置采集圖像的分辨率和攝像頭幀頻等參數。

2）獲取視頻流并在學生實操平臺的觸摸屏上進行顯示。

3）對采集到的圖像進行格式轉換及保存。

4）通過http協議將實驗數據和采集到的圖像上傳至服務器。

5）為用戶提供人機交互界面，實現一定的用戶操作邏輯。

以上開發過程主要使用的類方法如下：

1）打開攝像頭

2）開始預覽

3）調節亮度

4）切換分辨率

5）捕捉圖像

6）關閉攝像頭

應用軟件算法流程如圖4所示。

圖4 應用軟件算法流程圖

軟件運行后，首先對攝像頭進行參數設定，用戶可自行選擇合適的分辨率，調整亮度和對比度。其次從內存中讀取視頻流信息，并對其進行顯示，此時用戶便可以在交互界面上預覽實時的圖像。當用戶發出上傳圖片指令時，軟件對此時的圖像進行格式轉換和保存操作，然后通過http協議發送到服務器。

3.3 教師監控平臺設計

教師監控平臺主要實現的功能有查詢學生實驗數據和查詢學生采集的實驗現象圖片。其采用BS架構設計，用戶界面基于html+css+JavaScript技術進行實現，采用JavaScript腳本設定一定頻率通過http協議向web服務器進行數據請求，以實現用戶端數據實時更新的目的。

4 系統測試

我們使用大學物理實驗中的必修光學實驗-牛頓環的觀察對本系統進行功能測試，本系統在開發完成之后經過一系列的精確測試，測試效果圖如圖5、圖6所示。

在測試中，攝像頭獲取的視頻流在640*480的分辨率下，平均幀率達到35幀以上。學生實操平臺提交數據后3～5秒內即可在教師監控平臺上收到數據信息，學生實操平臺亦可在3秒內接收到老師的反饋信息。且整套系統具有良好的穩定性，攝像頭無故障工作時間超40小時，可以滿足系統的教學要求。測試過程截圖如圖5，圖6所示。

圖5 學生實操平臺運行截圖

圖6 教師監控平臺運行截圖

5 結論

系統基于Android嵌入式技術和互聯網技術進行設計并開發，經過實驗測試，系統運行流暢，用戶可以自定義需要采集的光學圖像，學生實操平臺可以實現圖像觀察和數據上傳功能，教師監控平臺實現監控和成績評定功能，圖像觀察清晰，視頻預覽流暢，數據傳輸高效，工作性能可靠，系統穩定性好，可靠性高，具有較好的易用性和可移植性。