基于Android的遠程實驗客戶端設(shè)計

黃廣發(fā)+吳先球

摘 要： 為了讓實驗者在移動終端上完成遠程實驗的異地操作，設(shè)計一種基于Android平臺的遠程實驗客戶端。通過對開源播放器VLC進行二次開發(fā)，使用Socket通信傳輸跨平臺控制指令，利用HTML5中的canvas標簽繪畫波形圖，實現(xiàn)客戶端進行遠程實驗的視頻監(jiān)控、遠程控制實驗儀器和數(shù)據(jù)處理等功能。以單擺法測重力加速度實驗進行效果驗證，實測結(jié)果表明，客戶端具有穩(wěn)定可靠、實驗數(shù)據(jù)處理精度高、人機交互性好等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞： 遠程實驗； Android； 客戶端； HTML5

中圖分類號： TN911.2?34； TP311.52 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0089?03

0 引 言

在當今信息技術(shù)高速發(fā)展的時代，學習的自主化、智能化和終身化使得遠程教育必須要與時俱進，就是要運用信息技術(shù)改善遠程教學系統(tǒng)以滿足人們的迫切需求。遠程實驗[1]是通過互聯(lián)網(wǎng)遠程操作實驗儀器，在異地完成真實的實驗過程。遠程實驗不受時空限制，特別是隨著平板電腦、智能手機等移動終端的普及，Android系統(tǒng)占據(jù)了主流，只要連接了Internet，就可以根據(jù)實驗者的水平和需要，隨時隨地使用客戶端去選做各種實驗，這種移動學習環(huán)境下的實驗教學模式增加了教學的靈活性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

為了滿足移動學習的需求，本文結(jié)合遠程控制實驗的系統(tǒng)特點，設(shè)計了一種基于Android的客戶端，實現(xiàn)了遠程控制實驗的移動性操作。

1 系統(tǒng)硬件及其工作原理

遠程實驗系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，服務(wù)器通過串口連接控制模塊，控制模塊連接實驗儀器，通過執(zhí)行服務(wù)器傳送過來的指令控制實驗儀器，并采集實驗數(shù)據(jù)。攝像機捕獲現(xiàn)場儀器的運行情況通過USB接口反饋給服務(wù)器，服務(wù)器再通過網(wǎng)絡(luò)及時反饋給遠程的操作者。

控制模塊主要由主控單片機和相關(guān)外設(shè)組成，服務(wù)器上使用LabVIEW軟件與控制模塊進行通信，使用VLC media player進行流媒體數(shù)據(jù)的編碼和傳輸，使用Tomcat進行搭建Web應(yīng)用服務(wù)器，響應(yīng)HTML頁面的請求訪問，提供了實驗數(shù)據(jù)處理功能。

2 客戶端設(shè)計

客戶端是遠程實驗系統(tǒng)的一部分，實驗者直接在客戶端上進行遠程實驗的操作，具有實時觀察實驗現(xiàn)象、實時遠程控制實驗儀器、實驗數(shù)據(jù)接收與處理等功能。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 Android應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境

開發(fā)環(huán)境[2]由JDK（Java開發(fā)工具包）、Eclipse（開發(fā)Java程序的軟件工具）、Android SDK（Android專屬的軟件開發(fā)工具包）、ADT（開發(fā)Android應(yīng)用程序的插件）、NDK（原生開發(fā)工具包）5部分組成，通過安裝和進行相應(yīng)的配置即可完成開發(fā)環(huán)境的搭建。

2.2 功能流程

遠程實驗的實驗儀器是實際設(shè)備，遠程用戶使用客戶端通過網(wǎng)絡(luò)對其進行操作，控制實驗設(shè)備的運行?？蛻舳说恼w功能如圖2所示，其中觀察實驗現(xiàn)象部分是先要接入流媒體服務(wù)器，再把通過HTTP協(xié)議傳輸過來的H.264視頻流進行解碼[3]，最后通過控件SurfaceView播放出來；控制實驗儀器部分主要是Socket通信，在主線程下申請子線程進行處理，具體采用Handler消息傳遞機制；數(shù)據(jù)處理部分是下載服務(wù)器端采集為txt格式的數(shù)據(jù)文件，讀取后在HTML5上使用canvas繪制波形圖，這種可視化的數(shù)據(jù)分析可以讓實驗者讀取數(shù)據(jù)進行公式運算。

圖2 功能流程圖

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 JNI接口

將開源播放器VLC[4]應(yīng)用到Android上，需要通過將VLC的源代碼編譯成庫文件，再通過Android提供的JNI接口調(diào)用，因為VLC的代碼完全由C/C++編寫，在需要調(diào)用第三方C/C++庫文件時，使用JNI接口的應(yīng)用[5]可以讓開發(fā)者實現(xiàn)一些用Java語言難以實現(xiàn)的功能。

在上層通過以下代碼載入已經(jīng)編譯好的libvlcjni.so庫文件：

{

System.loadLibrary（“vlcjni”）；

}

LibVLC類通過聲明庫中的本地函數(shù)就可以在上層應(yīng)用程序調(diào)用。

在主類MainActivity中，調(diào)用VLC接收服務(wù)器端發(fā)送的視頻流，經(jīng)過程序處理后進行播放，關(guān)鍵代碼如下：

private LibVLC mLibVLC = null；

mLibVLC = Util.getLibVlcInstance（）；

if （mLibVLC ！ = null）

{

String pathUri = "http：//222.200.152.122：8080/x"；

mLibVLC.playMyMRL（pathUri）；

}

2.3.2 多線程應(yīng)用

采用多線程技術(shù)可以避免UI線程的阻塞，其中Handler Message[6]方法最為常用。具體操作是在新啟動的線程中發(fā)送消息，在主線程中獲取、處理消息，通過回調(diào)的方式，主線程能夠處理先啟動線程所發(fā)送的消息。

在觀察實驗現(xiàn)象的同時，要對實驗儀器進行控制，這就需要使用多線程來實現(xiàn)，主線程是視頻播放，實驗儀器控制就會開啟新的子線程來執(zhí)行，簡單的代碼實現(xiàn)如下：

在主線程中定義handler：

private Handler handler = new Handler（）

{

@Override

public void handleMessage（Message msg） {

super.handleMessage（msg）；

switch（msg.what）{

case 1：

……

break；

} } }

在另一線程中執(zhí)行任務(wù)：

Message message = new Message（）；

message.what = 1；

handler.sendMessage（message）；

控制實驗儀器通過Socket通信[7]實現(xiàn)，包括3個步驟：建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)、關(guān)閉套接字。核心代碼如下：

private Socket client = null；

client = new Socket（"222.200.152.122"，8888）；

PrintWriter out = new

PrintWriter（client.getOutputStream（））；

out.println（"#"）；

out.flush（）；

client.close（）；

整個Socket通信過程需要采用try…catch機制。

2.3.3 HTML5 標簽

標簽是HTML5中的新標簽[8?9]，只是一種圖形容器，必須使用腳本來繪制圖形，有一個基于JavaScript的繪圖API，所以在繪圖方面非常方便。其基本的使用步驟如下：

在Android WebView控件中使用JavaScript，必須在WebView中使能JavaScript，還要解決亂碼問題，代碼如下：

webView.getSettings（）.setDefaultTextEncodingName（"gbk"）；

webView.getSettings（）.setJavaScriptEnabled（true）；

3 應(yīng)用實例

使用該客戶端進行操作遠程控制實驗，選用單擺法測重力加速度實驗[10]，因為此實驗需要實時觀察實驗現(xiàn)象、遠程控制電機的開關(guān)、采集傳感器數(shù)據(jù)進行運算等內(nèi)容，最后通過實驗的完成進而算出重力加速度。通過讀圖，輸入t1=2.79 s，t2=0.83 s，然后客戶端會自動計算出重力加速度，計算原理是由周期T=t2-t1，T=2π[Lg]，得到重力加速度g=[4π2LT2]，客戶端的數(shù)據(jù)處理界面如圖3所示。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的客戶端，結(jié)合基于C/S模式的遠程控制實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了在客戶端上通過互聯(lián)網(wǎng)完成遠程實驗的操作過程。實時觀察實驗現(xiàn)象、低延時控制實驗設(shè)備、準確處理實驗數(shù)據(jù)等功能增強了遠程實驗的真實感，有助于更好地掌握實驗原理。本客戶端除了應(yīng)用到以上實驗外，還可以應(yīng)用到其他物理實驗的教學當中。基于Android平臺的遠程實驗客戶端突破了傳統(tǒng)實驗的時空限制，提高了實驗設(shè)備的利用率，最大限度地共享實驗教學資源。

圖3 數(shù)據(jù)處理界面圖

參考文獻

[1] 吳先球，劉朝輝，葉穗紅，等.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下遠程實驗的技術(shù)探討[J].實驗技術(shù)與管理，2008，25（6）：30?33.

[2] 公磊，周聰.基于Android的移動終端應(yīng)用程序開發(fā)與研究[J].計算機與現(xiàn)代化，2008（8）：85?89.

[3] 劉龍飛，章堅武.基于H.264的Web視頻監(jiān)控客戶端設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（19）：27?30.

[4] 李宗辰，朱秀昌.基于VLC的Android多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（24）：63?66.

[5] 楊豐盛.Android應(yīng)用開發(fā)揭秘[M].北京：機械出版社，2010.

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[7] 孫劍，董超，夏繼媛，等.基于Android的Socket（TCP/IP）在LED燈光控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].深圳職業(yè)技術(shù)學院學報，2012（5）：19?23.

[8] 龐程，崔宣，粟潘，等.基于Android平臺HTML5的研究與實現(xiàn)[J].機械管理開發(fā)，2012（6）：136?137.

[9] 佚名.HTML 標簽的具體使用方法[EB/OL]. [2013?05?07]. http：//www.w3school.com.cn/tags/tag_canvas.asp.

[10] 張冠芬.單擺智能化測量重力加速度實驗的研究[J].菏澤學院學報，2012，34（2）：50?55.