MOOC遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張昱龍,　楊民強(qiáng),　遠(yuǎn)經(jīng)潮,　吳　挺,　周慶國

(蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅 蘭州　730000)

MOOC遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張昱龍,楊民強(qiáng),遠(yuǎn)經(jīng)潮,吳挺,周慶國

(蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅 蘭州730000)

摘要:遠(yuǎn)程開發(fā)已被廣泛應(yīng)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(shí)時(shí)協(xié)同等優(yōu)點(diǎn)。文章建立了一個遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室提供一套完整的設(shè)備,實(shí)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(xué)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(shè)備初始狀態(tài)恢復(fù)等遠(yuǎn)程操作接口。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室可以提高開發(fā)效率,促進(jìn)設(shè)備共享、信息交流和遠(yuǎn)程協(xié)作,可以有效地縮短開發(fā)和學(xué)習(xí)周期。

關(guān)鍵詞:嵌入式開發(fā);遠(yuǎn)程平臺;實(shí)時(shí)控制;在線學(xué)習(xí)

0引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,人們越來越重視生產(chǎn)及設(shè)計(jì)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(shù)進(jìn)化,從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì),可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實(shí)時(shí)協(xié)同,具有重要而廣泛的應(yīng)用前景。工程學(xué)科知識技能的獲取主要依賴于實(shí)踐和實(shí)驗(yàn),注重培養(yǎng)學(xué)生對硬件及軟件的綜合應(yīng)用能力。要構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與教學(xué)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(shè)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(guān)軟件配置。有效地管理和維護(hù)這些設(shè)備是保證教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵[2]。

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室,學(xué)生可以接觸到不同架構(gòu)開發(fā)板,并直接接上板子進(jìn)行開發(fā)。但學(xué)生使用設(shè)備時(shí)會受時(shí)間、地點(diǎn)限制,在沒有課程的情況下,實(shí)驗(yàn)室設(shè)備是閑置的,并且所處環(huán)境復(fù)雜，不利于設(shè)備的管理與維護(hù)。針對這些弊端,本文建立了一個用于嵌入式學(xué)習(xí)及系統(tǒng)開發(fā)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室。

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室是用戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問物理位置位于遠(yuǎn)程的實(shí)驗(yàn)室,并通過各種控制系統(tǒng)和軟件工具來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問能力,該遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室具備實(shí)在的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,給用戶提供實(shí)時(shí)、實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文提出的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室一般指通過網(wǎng)絡(luò)訪問遠(yuǎn)程物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)方式的多樣化和高效化，克服了傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的弊端,使得學(xué)生更加方便地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室在控制學(xué)科領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用,未來會逐步應(yīng)用到其他學(xué)科教學(xué)中。

1遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室平臺設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)思路

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室通過網(wǎng)絡(luò)對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行操作,從而達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的目的[3]。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建是為了更好地利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備,使學(xué)生有更多的時(shí)間可以用于實(shí)踐學(xué)習(xí),并且遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室更有利于對設(shè)備的管理與維護(hù)。

本文對本地實(shí)驗(yàn)的情況進(jìn)行分析,其優(yōu)點(diǎn)如下:① 可以接觸到實(shí)際的開發(fā)板,并對開發(fā)板的硬件結(jié)構(gòu)有直觀的了解;② 可以通過終端,直接與開發(fā)板進(jìn)行交互,并且結(jié)果可以得到直接的反饋;③ 可以實(shí)時(shí)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(yùn)行狀態(tài)。

本地實(shí)驗(yàn)室的缺點(diǎn)如下：① 由于使用開發(fā)板的學(xué)生都為初學(xué)者,開發(fā)板易人為損壞;② 由于每次實(shí)驗(yàn)后,設(shè)備的狀態(tài)未知,從而導(dǎo)致設(shè)備管理不方便;③ 由于本地實(shí)驗(yàn)室只有上課時(shí)間才會使用,所以使用的時(shí)間、地點(diǎn)受限制，并且設(shè)備使用率較低。

針對本地實(shí)驗(yàn)室的利弊進(jìn)行分析總結(jié),本文提出遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的方案。用戶可以通過遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室方便快捷地進(jìn)行系統(tǒng)層面和通用應(yīng)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(yuǎn)程訪問,訪問不受地點(diǎn)和時(shí)間限制。

(2) 提供設(shè)備遠(yuǎn)程訪問功能,可使用戶在遠(yuǎn)端直接訪問實(shí)際的開發(fā)板。

(3) 提供設(shè)備遠(yuǎn)程控制功能,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開發(fā)過程中的遠(yuǎn)程操作,例如斷電重啟、固件恢復(fù)等。

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

1.2設(shè)計(jì)架構(gòu)

遠(yuǎn)程開發(fā)平臺的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。其結(jié)構(gòu)主要包括客戶端、服務(wù)器、設(shè)備3個方面?？蛻舳酥饕怯脩羰褂媒缑?用戶通過該界面進(jìn)行遠(yuǎn)程操作,界面的主要功能有建立用戶信息、新建開發(fā)項(xiàng)目、訪問開發(fā)板、電源控制、重置開發(fā)板及實(shí)時(shí)監(jiān)控等。服務(wù)器主要是進(jìn)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(shè)備主要是不同架構(gòu)的開發(fā)板、電源控制模塊及攝像頭等硬件設(shè)備。

圖1　嵌入式系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)架構(gòu)

根據(jù)平臺架構(gòu)總體設(shè)計(jì),用戶訪問的具體步驟如下:

(1) 客戶端新建一個用戶,服務(wù)器根據(jù)用戶所進(jìn)行的操作,對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修改。創(chuàng)建完用戶后,可以在客戶端新建項(xiàng)目,這個過程需要選擇開發(fā)板的架構(gòu)(ARM、X86、MIPS等),并且需要確認(rèn)開發(fā)板未被其他項(xiàng)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(jìn)行操作,在嵌入式開發(fā)過程中,通過串口調(diào)試是必不可少的。遠(yuǎn)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(jìn)行操作。用戶通過客戶端還可以恢復(fù)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(shí)時(shí)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(diǎn)擊這些按鍵就可以完成操作。

2遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室平臺實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室需要集成各種設(shè)備以提供豐富的遠(yuǎn)程訪問能力,這些設(shè)備的集成是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的難點(diǎn)之一。這些設(shè)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(shè)備,例如函數(shù)發(fā)生器、邏輯分析儀及示波器等,這些設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問接口標(biāo)準(zhǔn)不同,從而導(dǎo)致遠(yuǎn)程訪問能力受限且整合困難[4]。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制最基本的設(shè)備包括電源控制和攝像頭。

2.1軟件環(huán)境

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室平臺,軟件環(huán)境需要支持遠(yuǎn)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(yuǎn)程訪問需要實(shí)現(xiàn)Web終端模擬,使用戶可以在Web界面上直接對虛擬機(jī)及開發(fā)板進(jìn)行操作。Web終端模擬器的實(shí)現(xiàn)是要搭建Web服務(wù)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(yùn)行,這樣就可以遠(yuǎn)程訪問和控制Linux服務(wù)器及虛擬機(jī)[5]。

圖2　軟件環(huán)境結(jié)構(gòu)圖

教學(xué)環(huán)境是一個開放式的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。學(xué)生可以管理自己的學(xué)習(xí)進(jìn)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(xué)進(jìn)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(yuǎn)程操作時(shí),要實(shí)現(xiàn)對開發(fā)板的電源控制,需要設(shè)計(jì)一個電源控制電路,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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

2.3視頻監(jiān)控

遠(yuǎn)程操作不能實(shí)時(shí)監(jiān)控到開發(fā)板狀態(tài),所以需要提供實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面及操作系統(tǒng)如圖4所示。

圖4　實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面及操作系統(tǒng)

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

編碼技術(shù)來保證監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,可實(shí)現(xiàn)視頻圖像的遠(yuǎn)程傳輸。視頻監(jiān)控功能有效地保證了操作人員及時(shí)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(jìn)行調(diào)整。

3結(jié)束語

本文介紹了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室平臺的設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)方法[8]。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制實(shí)際的開發(fā)板,使遠(yuǎn)程操作比直接操作更為便捷,并且提供了開放式教學(xué)平臺，可為從事嵌入式系統(tǒng)研究的工作人員以及學(xué)生提供更加方便的實(shí)驗(yàn)平臺,讓使用者可以自由地安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間,提高了工作學(xué)習(xí)效率。該系統(tǒng)目前已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)之中。

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(責(zé)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(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60973137)；新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-12-0250)

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

Doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.05.010

中圖分類號:TP302.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)05-0622-04