基于5G通信技術的實時控制類實驗設備遠程控制系統(tǒng)設計初探

劉寧　姜忠正

摘 要：實驗教學在高等教育中有重要作用，為適應互聯(lián)網+職業(yè)教育發(fā)展需求，運用現(xiàn)代信息技術改進教學方式方法，推進網絡學習空間建設和普遍應用，本項目以5G通信技術為基礎，探索一種面向控制類實驗設備的遠程控制實驗系統(tǒng)解決方案。實驗室實驗設備種類眾多，包括控制類實驗，電路類實驗，電機控制類實驗，有些對實時性要求不高，但對于無人機、工業(yè)機器人、無人駕駛汽車等實時性要求較高的控制類實驗，如何基于5G通信技術進行實時遠程控制，是本項目研究的主要內容，項目通過構建實時控制類實驗設備遠程控制系統(tǒng)架構、實現(xiàn)實驗設備本地局域網控制、實驗設備互聯(lián)網云端控制建立集遠程控制、監(jiān)測、管理一體的人機交互界面，最終構建面向實時控制類實驗設備的集實時性、實用性、擴展性、安全性于一體的遠程控制系統(tǒng)。

關鍵詞：實驗教學 實驗設備 互聯(lián)網 實時遠程控制 5G通信技術

Design of Remote Control System for Real Time Control Experimental Equipment based on 5G Communication Technology

Liu Ning Jiang Zhongzheng

Abstract：Experimental teaching plays an important role in higher education. To meet the needs of the development of the Internet Vocational Education， using modern information technology to improve teaching methods and promoting the construction and universal application of online learning space， based on 5G communication technology， this project explores a solution of remote-control experiment system for control experiment equipment. There are many types of laboratory equipment， including control experiments， circuit experiments， motor control experiments， some of which do not require high real-time performance. But for control experiments that require high real-time performance， such as unmanned aerial vehicles， industrial robots and driverless cars， how to carry out real-time remote control based on 5G communication technology is the main content of this project， and the project establishes the human-computer interaction interface which integrates remote control， monitoring and management through the construction of the remote control system architecture of the real-time control laboratory equipment， the realization of the local area network control of the laboratory equipment， and the Internet cloud control of the laboratory equipment. Finally， a real-time， control-oriented， remote-control system is built， which is practical， expandable and secure.

Key words：experimental teaching， experimental equipment， internet， real time remote control， 5G communication technology

實驗教學在高等教育中有重要作用，傳統(tǒng)實驗教學中學生不能在教學場地以外或課程時間之外進行實驗，國家職業(yè)教育改革實施方案（國發(fā)〔2019〕4號）中提出“適應互聯(lián)網+職業(yè)教育發(fā)展需求，運用現(xiàn)代信息技術改進教學方式方法，推進網絡學習空間建設和普遍應用”，特別是疫情期間，學生由線下轉為線上學習，對實驗教學提出了新要求，遠程控制實驗可解決上述問題。

根據(jù)被控對象是否為實際設備，遠程實驗可以分為兩類：虛擬實驗和遠程控制實驗。虛擬實驗方面，我國清華大學、北京郵電大學等已經建立了相關系統(tǒng)，涉及計算機網絡、數(shù)字電路等多個學科的應用。但在某些學科中，以虛擬方式進行實驗，不能反映真實的實驗環(huán)境，因而缺少操作的真實性。其實，早在2010年山東大學團隊就設計了一個遠程通信控制系統(tǒng)實現(xiàn)了真實實驗設備遠距離數(shù)據(jù)采集和實驗儀器控制，東南大學在2016年結合設計并研發(fā)了一套遠程實驗系統(tǒng)。

在國外，雖然早在 1992 年就提出了遠程訪問的設想，但是直到上世紀末才出現(xiàn)了很少的遠程控制實驗模型。主要的有：美國田納西州 Tennessee at Chattanooga 大學的 Jim Henry 設計了能夠提供溫度控制功能的虛擬實驗室，用戶可以通過網絡獲得實驗數(shù)據(jù);意大利的 Ancona and Lecce 大學實現(xiàn)可以控制風扇、機器人手臂、玩具飛機等的基于互聯(lián)網的控制實驗。

本項目研究的是遠程控制實驗，即對真實被控對象，進行實驗設備數(shù)據(jù)采集、用適當?shù)耐ㄐ欧绞竭M行傳輸、處理，實現(xiàn)跨時空的儀器控制。隨著社會的發(fā)展，實驗室出現(xiàn)了對實時性、可靠性要求較高的無人機、工業(yè)機器人、無人駕駛汽車等設備，目前，對于上述實驗設備進行遠程控制還沒有相應方案。本項目以5G通信技術為基礎，探索一種面向控制類實驗設備的集實時性、實用性、擴展性、安全性于一體的遠程控制實驗系統(tǒng)的解決方案。

5G通信技術的應用場景為eMBB（增強移動帶寬）、URLLC（低延時高可靠）以及mMTC（海量大連接）。項目涉及的無人機、工業(yè)機器人、無人駕駛汽車等要求控制時延低、可靠性高，為增強學生在遠程控制時的現(xiàn)場體驗感，在控制的同時還需要把設備的運動狀態(tài)實時反饋給學生。項目利用5G通信技術把實驗設備接入網絡，在SA （獨立組網）模式下通過5G端到端網絡切片實現(xiàn)低時延、高速率、高可靠性的網絡傳輸，并通過軟件編程使實驗設備的上位機作為服務器對實驗設備進行數(shù)據(jù)采集和控制，學生可使用在網絡中注冊的實驗設備，同時系統(tǒng)還可進行實驗設備監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理及信息管理，方便教師在實驗過程中監(jiān)測、控制各個設備的運行狀態(tài)并實時記錄實驗數(shù)據(jù)。

項目雖然研究對象為實時性要求較高的控制類設備，但是對于實時性要求不高的其他類實驗設備，例如電路類實驗也同樣適用，因此具有一定推廣作用。通過搭建這樣一個實驗系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)實驗教學過程受時空的限制，推進了網絡學習空間建設和普遍應用，為學校和社會構建實驗教學資源。

實驗室實驗設備種類眾多，包括控制類實驗，電路類實驗，電機控制類實驗，有些對實時性要求不高，但對于無人機、工業(yè)機器人、無人駕駛汽車等實時性要求較高的控制類實驗，如何基于5G通信技術進行實時遠程控制，是研究的重要內容，在此基礎上再增加監(jiān)測、管理功能，最終形成一個面向控制類實驗設備的集實時性、實用性、擴展性、安全性于一體的遠程控制實驗系統(tǒng)的解決方案。本項目研究內容為：

（一）實時控制類實驗設備遠程控制系統(tǒng)架構

項目中實時控制類實驗設備遠程控制采用客戶端/服務器模式的遠程通信模式，按照客戶端/服務器模式進一步設計實驗設備接入網絡方案，通過TCP/IP網關接入5G網絡，通過5G網絡下SA架構的網絡切片，實現(xiàn)云端控制臺對實驗設備的毫秒級實時遠程控制，同時通過5G網絡完成eMBB場景下實驗設備運動狀態(tài)采集及從本地實驗平臺到云端的傳送，最終建立可實現(xiàn)云端和本地局域網控制的實驗控制系統(tǒng)架構。

（二）5G切片規(guī)則的選擇

實時控制實驗設備接入互聯(lián)網云端，鑒于超低時延及超大帶寬的要求，為使云端操作與本地實驗室操作的感知無差異化，需要通過實驗驗證在5G網絡SA模式下，網絡切片的時延、QOS（服務質量）、承諾速率等最優(yōu)值設置，以選擇最佳5G網絡切片方式，實現(xiàn)與云端的最優(yōu)交互。

（三）實時控制類實驗設備本地局域網控制的實現(xiàn)

項目可以根據(jù)需求選擇在局域網內遠程控制，基于C語言進行編程。保證實驗設備局域網內的通信，一方面，實現(xiàn)互聯(lián)網通信的基礎是局域網通信，另一方面，也可滿足在校學生在實驗室內實現(xiàn)實驗設備的局域控制。

（四）實時控制類實驗設備互聯(lián)網云端控制的實現(xiàn)

實現(xiàn)互聯(lián)網云端遠程控制需要人機交互界面，交互界面基于Web網頁進行設計和開發(fā)，分為網頁前端設計、服務器后端設計和數(shù)據(jù)庫設計。網頁前端部分，主要采用 ASP.NET、JavaScript、HTML和CSS對軟件系統(tǒng)的客戶端進行設計和實現(xiàn)，服務器后端主要基于客戶端/服務器框架搭建，使用 ASP.NET和SQL語言在后臺進行數(shù)據(jù)處理、通過界面顯示實驗設備遠程控制的數(shù)據(jù)，方便教師在實驗過程中監(jiān)測、控制各個設備的運行狀態(tài)并實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的記錄。此外還需確定遠程通信數(shù)據(jù)算法，實驗設備接入互聯(lián)網，為實現(xiàn)遠程控制、監(jiān)測和管理，需要確定遠程數(shù)據(jù)采集、處理和顯示的數(shù)據(jù)結構和算法。

立項時間：2021年;立項單位：內蒙古自治區(qū)教育廳;項目名稱：內蒙古自治區(qū)高等學校科學技術研究項目“基于5G通信技術的實時控制類實驗設備遠程控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)”（NJZY21298）。

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作者簡介

劉 寧：（1983.03—），女，漢族，內蒙古呼和浩特市人，碩士學位，講師。研究方向：電子信息與通信工程。

姜忠正：（1981.09—），男，漢族，內蒙古呼和浩特市人，碩士學位，工程師。研究方向：電子信息與通信工程。