張昱龍,　楊民強,　遠經(jīng)潮,　吳　挺,　周慶國

(蘭州大學 信息科學與工程學院,甘肅 蘭州　730000)

MOOC遠程實驗平臺的設計與實現(xiàn)

張昱龍,楊民強,遠經(jīng)潮,吳挺,周慶國

(蘭州大學 信息科學與工程學院,甘肅 蘭州730000)

摘要:遠程開發(fā)已被廣泛應用于電子系統(tǒng)開發(fā)和互動產(chǎn)品開發(fā),并且具有高效、實時協(xié)同等優(yōu)點。文章建立了一個遠程實驗室，該實驗室提供一套完整的設備,實現(xiàn)了一體化、個性化、開放的、操作便捷的在線開發(fā)和教學平臺。平臺集成開發(fā)環(huán)境包含了軟件開發(fā)所需的所有工具,提供控制臺接入、電源管理、代碼下載、視頻監(jiān)控和設備初始狀態(tài)恢復等遠程操作接口。遠程實驗室可以提高開發(fā)效率,促進設備共享、信息交流和遠程協(xié)作,可以有效地縮短開發(fā)和學習周期。

關鍵詞:嵌入式開發(fā);遠程平臺;實時控制;在線學習

0引言

隨著信息技術的發(fā)展,人們越來越重視生產(chǎn)及設計中的靈活性以及數(shù)字化的工作模式。智能開發(fā)是從嵌入式系統(tǒng)向信息物理系統(tǒng)發(fā)展的技術進化,從而實現(xiàn)計算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設計,可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實時協(xié)同,具有重要而廣泛的應用前景。工程學科知識技能的獲取主要依賴于實踐和實驗,注重培養(yǎng)學生對硬件及軟件的綜合應用能力。要構建嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與教學環(huán)境,硬件和軟件都是必不可少的[1]。環(huán)境包括典型的嵌入式開發(fā)板(ARM、X86、MIPS等)、各種其他設備(個人電腦、攝像頭、繼電器、示波器和信號發(fā)生器等)以及必要的相關軟件配置。有效地管理和維護這些設備是保證教學質量的關鍵[2]。

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)教學實驗室,學生可以接觸到不同架構開發(fā)板,并直接接上板子進行開發(fā)。但學生使用設備時會受時間、地點限制,在沒有課程的情況下,實驗室設備是閑置的,并且所處環(huán)境復雜，不利于設備的管理與維護。針對這些弊端,本文建立了一個用于嵌入式學習及系統(tǒng)開發(fā)的遠程實驗室。

遠程實驗室是用戶通過網(wǎng)絡訪問物理位置位于遠程的實驗室,并通過各種控制系統(tǒng)和軟件工具來實現(xiàn)設備的遠程訪問能力,該遠程實驗室具備實在的實驗設備,給用戶提供實時、實際的實驗過程和實驗數(shù)據(jù)。本文提出的遠程實驗室一般指通過網(wǎng)絡訪問遠程物理實驗設備。遠程實驗實現(xiàn)了教學方式的多樣化和高效化，克服了傳統(tǒng)教學實驗室的弊端,使得學生更加方便地進行實驗。遠程實驗室在控制學科領域有較為廣泛的應用,未來會逐步應用到其他學科教學中。

1遠程實驗室平臺設計

1.1設計思路

遠程實驗室通過網(wǎng)絡對實驗室內(nèi)的設備進行操作,從而達到遠程實驗的目的[3]。遠程實驗室的構建是為了更好地利用實驗室設備,使學生有更多的時間可以用于實踐學習,并且遠程實驗室更有利于對設備的管理與維護。

本文對本地實驗的情況進行分析,其優(yōu)點如下:① 可以接觸到實際的開發(fā)板,并對開發(fā)板的硬件結構有直觀的了解;② 可以通過終端,直接與開發(fā)板進行交互,并且結果可以得到直接的反饋;③ 可以實時觀察到開發(fā)板狀態(tài)燈的變化,有利于了解開發(fā)板的運行狀態(tài)。

本地實驗室的缺點如下：① 由于使用開發(fā)板的學生都為初學者,開發(fā)板易人為損壞;② 由于每次實驗后,設備的狀態(tài)未知,從而導致設備管理不方便;③ 由于本地實驗室只有上課時間才會使用,所以使用的時間、地點受限制，并且設備使用率較低。

針對本地實驗室的利弊進行分析總結,本文提出遠程實驗室的方案。用戶可以通過遠程實驗室方便快捷地進行系統(tǒng)層面和通用應用嵌入式軟件開發(fā),具體功能包括:

(1) 提供Web界面,允許用戶遠程訪問,訪問不受地點和時間限制。

(2) 提供設備遠程訪問功能,可使用戶在遠端直接訪問實際的開發(fā)板。

(3) 提供設備遠程控制功能,實現(xiàn)遠程開發(fā)過程中的遠程操作,例如斷電重啟、固件恢復等。

(4) 提供完備的設備管理功能,可隨時獲得開發(fā)板狀態(tài)信息。

1.2設計架構

遠程開發(fā)平臺的框架結構如圖1所示。其結構主要包括客戶端、服務器、設備3個方面?？蛻舳酥饕怯脩羰褂媒缑?用戶通過該界面進行遠程操作,界面的主要功能有建立用戶信息、新建開發(fā)項目、訪問開發(fā)板、電源控制、重置開發(fā)板及實時監(jiān)控等。服務器主要是進行數(shù)據(jù)庫操作,把用戶信息、開發(fā)板信息、開發(fā)板狀態(tài)等內(nèi)容存放到數(shù)據(jù)庫,并且有一些對電源控制模塊、攝像頭操作的腳本。設備主要是不同架構的開發(fā)板、電源控制模塊及攝像頭等硬件設備。

圖1　嵌入式系統(tǒng)遠程實驗室設計架構

根據(jù)平臺架構總體設計,用戶訪問的具體步驟如下:

(1) 客戶端新建一個用戶,服務器根據(jù)用戶所進行的操作,對數(shù)據(jù)庫進行修改。創(chuàng)建完用戶后,可以在客戶端新建項目,這個過程需要選擇開發(fā)板的架構(ARM、X86、MIPS等),并且需要確認開發(fā)板未被其他項目占用。創(chuàng)建信息會保存到數(shù)據(jù)庫,以便下次用戶的使用。

(2) 客戶端對開發(fā)板進行操作,在嵌入式開發(fā)過程中,通過串口調試是必不可少的。遠程操作需要把開發(fā)板輸出信息顯示到客戶端,并且用戶能通過客戶端對開發(fā)板進行操作。用戶通過客戶端還可以恢復開發(fā)板上的系統(tǒng),可以把uboot、kernel、rootfs燒錄到開發(fā)板中。

(3) 客戶端對開發(fā)板的控制主要包括攝像頭的實時監(jiān)控、電源的斷電、上電等操作。在客戶端的界面上提供了這些功能的按鍵,只需要點擊這些按鍵就可以完成操作。

2遠程實驗室平臺實現(xiàn)

遠程實驗室需要集成各種設備以提供豐富的遠程訪問能力,這些設備的集成是系統(tǒng)設計和開發(fā)的難點之一。這些設備主要包括電源控制器、攝像頭,還有一些嵌入式開發(fā)需要的設備,例如函數(shù)發(fā)生器、邏輯分析儀及示波器等,這些設備的遠程訪問接口標準不同,從而導致遠程訪問能力受限且整合困難[4]。實現(xiàn)遠程控制最基本的設備包括電源控制和攝像頭。

2.1軟件環(huán)境

實現(xiàn)遠程實驗室平臺,軟件環(huán)境需要支持遠程訪問、嵌入式在線開發(fā)、在線課程等功能，具體如圖2所示。

遠程訪問需要實現(xiàn)Web終端模擬,使用戶可以在Web界面上直接對虛擬機及開發(fā)板進行操作。Web終端模擬器的實現(xiàn)是要搭建Web服務器,并在指定的端口上作為一個基于Web的安全外殼協(xié)議(secure shell,SSH)客戶端運行,這樣就可以遠程訪問和控制Linux服務器及虛擬機[5]。

圖2　軟件環(huán)境結構圖

教學環(huán)境是一個開放式的網(wǎng)絡教學平臺。學生可以管理自己的學習進度、下載視頻和課件并且可以在線交流。教師可以上傳課程資料,并安排教學進度。

2.2電源控制

在整個控制過程中,對電源的控制操作是必不可少的,這些操作包括斷電、上電、重啟操作及電源狀態(tài)查詢[6]。在遠程操作時,要實現(xiàn)對開發(fā)板的電源控制,需要設計一個電源控制電路,其結構如圖3所示。

圖3　電源控制系統(tǒng)結構圖

本文利用單片機實現(xiàn)控制功能[7],主要原理是MCU通過RS232與主服務器進行通信,服務器發(fā)送指令,MCU接收指令后控制繼電器,實現(xiàn)電源控制。

2.3視頻監(jiān)控

遠程操作不能實時監(jiān)控到開發(fā)板狀態(tài),所以需要提供實時監(jiān)控功能。實時監(jiān)控畫面及操作系統(tǒng)如圖4所示。

圖4　實時監(jiān)控畫面及操作系統(tǒng)

視頻監(jiān)控采用網(wǎng)絡傳輸協(xié)議和數(shù)字視頻壓縮

編碼技術來保證監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,可實現(xiàn)視頻圖像的遠程傳輸。視頻監(jiān)控功能有效地保證了操作人員及時地掌握開發(fā)板狀態(tài),從客戶端Web界面的開發(fā)板監(jiān)控畫面窗口,使用者可以看到開發(fā)板上指示燈的變化。視頻監(jiān)控的幀率可以根據(jù)監(jiān)控場景進行調整。

3結束語

本文介紹了遠程實驗室平臺的設計思路及實現(xiàn)方法[8]。該設計實現(xiàn)了遠程控制實際的開發(fā)板,使遠程操作比直接操作更為便捷,并且提供了開放式教學平臺，可為從事嵌入式系統(tǒng)研究的工作人員以及學生提供更加方便的實驗平臺,讓使用者可以自由地安排實驗時間,提高了工作學習效率。該系統(tǒng)目前已經(jīng)應用于實際教學之中。

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(責任編輯閆杏麗)

Design and implementation of MOOC distance teaching platform

ZHANG Yu-long,YANG Min-qiang,YUAN Jing-chao,WU Ting,ZHOU Qing-guo

(School of Information Science and Engineering, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

Abstract:Remote development has now been widely applied to the electronic systems development and interactive product development, and it has the advantages of high efficiency and real-time collaboration.In this paper,a remote laboratory is established,which provides a complete set of equipment to achieve and develop an integrated, personalized, open and easily-operated online teaching platform. The platform integrated development environment includes all the tools for software development, as well as the remote operation interface such as console access, power management, code downloading, video monitoring and system restoration. Remote laboratory can improve the development efficiency, which promote the equipment sharing, information exchange and remote collaboration, and effectively reduce the development and learning cycle.

Key words:embedded development; remote platform; real-time control; online learning

收稿日期：2015-07-01

基金項目：國家自然科學基金資助項目(60973137)；新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目(NCET-12-0250)

作者簡介：張昱龍(1988-),男,北京市人,蘭州大學碩士生; 周慶國(1973-),男,福建大田人,博士,蘭州大學教授,博士生導師.

Doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.05.010

中圖分類號:TP302.1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)05-0622-04