面向創客教育的智能硬件快速開發云平臺系統設計與實現

趙政 張龍 徐純森 周欣欣

摘? ?要：文章設計并實現了一款面向創客教育的、簡單、快捷、實用的智能硬件在線開發系統。該系統利用虛擬化技術建立虛擬機、構建云平臺，使云平臺解決彈性伸縮和動態調配問題，設計并實現了“圖形化集成開發平臺”，降低了智能硬件開發的門檻，提高了資源管理效率。

關鍵詞：創客教育;云平臺;圖形化;硬件快速開發

創客（Maker）一詞起源于2001年美國MIT比特與原子研究中心發起的制作實驗室（Fabrication Laboratory，Fab Lab）創新項目，該項目以個人創意、個人設計、個人制造為核心理念[1-2]。《教育部教育裝備研究與發展中心2017年工作要點》（裝備中心〔2017〕7號）強調要積極探索新理念、新方式，持續關注創客對中小學教育、課程發展的影響，開展虛擬現實等技術在教育教學中的實踐應用研究，目的是讓創客在學習理論上減少時間，隨時隨地轉化想法，為后續的創意實現做準備[2]。

為了解決在傳統硬件系統開發過程中，需要經過器件選型、設計硬件原理圖、軟件編程等多個環節，開發過程復雜、周期長、門檻高，非專業人員往往無法完成硬件系統開發的問題，本文設計并實現了“圖形化集成開發平臺”，把復雜、繁瑣、費時的開發過程簡化為通過對虛擬器件選取、拖拽相應的功能模塊并設好相關參數，就可以自動生成程序，編譯后即可下載到用戶開發板中，完成硬件系統開發。“圖形化集成開發平臺”為使用者提供了一種快速、簡便、開放的硬件系統開發方式，使非專業人員也能通過簡單的學習，也能開發出屬于自己的創意智能硬件作品。通過虛擬化技術搭建“云平臺”，使系統能夠支持大規模用戶訪問，提高服務可靠性，滿足用戶隨時隨地獲得優質服務，真正實現了“硬件云端開發，編程在線燒寫”，具有先進性。

1? ? 系統架構及相關技術

1.1? 系統架構

平臺系統架構采用客戶機/服務器結構（Client/Server，C/S），通過將任務合理分配到Client端和Server端，降低了系統的通信開銷。系統主要由3部分組成，分別是用戶端程序、服務器、虛擬機，用戶以用戶端程序的形式訪問服務器，設備各個模塊都以圖形化的形式傳回用戶端程序并在程序中呈現出來，圖形化集成包括圖形化硬件設計、圖形化編程、圖形化消息機制，用戶根據需求進行模塊的點選、模塊間的連接，進而生成相應設備圖。服務器主要負責移動端自然語言處理和系統資源的彈性收縮和動態分配。智能硬件快速開發云平臺系統整體架構如圖1所示。

1.2? 系統處理過程

當用戶用手機或者PC機通過智能硬件快速開發應用發出請求，則直接通過固定IP地址訪問服務器，由相應的網關分配發送到相應的虛擬機上，虛擬機具有主動上報請求程序，可以和服務器主動建立連接，虛擬機中具有自然語言識別軟件，可以識別用戶在智能硬件快速開發應用輸入的語言請求。用戶的請求信息會通過socket端口分配給相應的虛擬機，如果虛擬機不夠，系統發出指令，后臺自動增加虛擬機數量，虛擬機與服務器主動建立連接。系統基于資源調度算法自動以CPU占用率和內存為目標執行系統資源調度，原則是每個虛擬機至少留出20%空間，空間低于20%的虛擬機，系統不會再分配任務;對于整體虛擬機，整體占用空間超出80%，則系統會自動建立新的虛擬機，當虛擬機空間冗余時，會自動釋放虛擬機。

1.3? 虛擬化技術

虛擬化技術是指把一個物理單元虛擬成多個邏輯單元，供多個應用一起使用。應用程序都可以在相互獨立的空間內運行而互不影響，從而顯著提高計算機的工作效率[3-4]。本系統采用全虛擬化，指虛擬操作系統與底層硬件完全隔離，由中間層轉化虛擬客戶操作系統對底層硬件的調用代碼，全虛擬化無需更改客戶端操作系統、兼容性好。利用虛擬化技術將本系統下的所有實體資源，如硬件連線、編譯系統、自然語言的生成、服務器、存儲、應用等，予以抽象、轉換后呈現出來，打破實體結構間的不可切割的障礙，用戶無需感知操作系統、中間件、應用等技術細節。虛擬化技術使底層差異封裝為應用的統一接接口，用戶由同一接口只需要根據自己的需求。通過云計算平臺選取相應的服務。使用戶可以比原本的組態更好的方式來應用這些資源。這些資源的虛擬部分是不受現有資源的架設方式、地域或物理組態所限制。

1.4? 彈性伸縮和動態分配問題

在云資源彈性調度的研究過程中，單一的彈性資源管理機制或動態調度算法并不能滿足系統動態分配資源的需求，需要將二者作為系統整體結構中相互協同的構件研究調度方法對系統的影響。本系統使用基于時間序列的線性預測方法和面向用戶需求的協同調度算法，提出了云資源彈性調度總體框架。

云資源彈性調度總體框架包括資源分配層、資源管理層、資源調度層3個主要層次。資源分配層系統依據上一層的分配策略完成資源結點與用戶任務的對接;資源管理層是用于完成資源結點的收集與定義，根據資源結點負載情況和系統負載情況對云資源進行管理;資源調度層是依據下一層反饋的當前系統負載情況和用戶需求統計、設計資源分配策略，供給資源管理層進行調度管理。

2? ? 智能硬件快速開發云平臺系統的實現

本系統在H3C CAS云計算管理平臺中實現，可視化統計與檢測主機與虛擬機的CPU與內存的占用率，能夠實現云資源調度，主動添加集群，主機和虛擬機。在H3C CAS云計算管理平臺中，添加虛擬機的方法主要是從虛擬機集群中直接添加虛擬機。從集群中直接添加虛擬機，可以從操作系統、版本、主機、系統配置方面自定義設置。系統運行界面如圖2所示。

3? ? 結語

“面向創客教育的智能硬件快速開發云平臺”是一款簡單、快捷、實用的智能硬件在線開發系統。該平臺利用CAS虛擬化軟件，FlexServer服務器和FlexStorage存儲器等虛擬化技術搭建云平臺，利用云平臺強大的網絡處理能力，實現了智能硬件的云端開發，設計并實現了“圖形化集成開發平臺”，極大地降低了智能硬件開發的門檻，該系統有效彌補傳統教育對學生創造能力培養不足的缺失。

[參考文獻]

[1]劉向永.實施自帶設備學習（BYOD）：策略與案例[J].中國信息技術教育，2018（19）：4.

[2]徐嘉，李健，曲鴿，等.面向中小學創客的電子產品快速開發APP設計與實現[J].中國教育技術裝備，2019（7）：43.

[3]吳冬晨.校園服務器虛擬化平臺的搭建與應用研究[J].電腦知識與技術，2019（18）：315-316.

[4]儲久良，李玲.虛擬化技術在高校數據中心的應用[J].實驗室研究與探索，2012（12）：67-71.