基于5G通信技術(shù)的實(shí)時(shí)控制類實(shí)驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)初探

劉寧　姜忠正

摘 要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高等教育中有重要作用，為適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育發(fā)展需求，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)改進(jìn)教學(xué)方式方法，推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間建設(shè)和普遍應(yīng)用，本項(xiàng)目以5G通信技術(shù)為基礎(chǔ)，探索一種面向控制類實(shí)驗(yàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)解決方案。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備種類眾多，包括控制類實(shí)驗(yàn)，電路類實(shí)驗(yàn)，電機(jī)控制類實(shí)驗(yàn)，有些對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，但對(duì)于無(wú)人機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、無(wú)人駕駛汽車等實(shí)時(shí)性要求較高的控制類實(shí)驗(yàn)，如何基于5G通信技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制，是本項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容，項(xiàng)目通過(guò)構(gòu)建實(shí)時(shí)控制類實(shí)驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備本地局域網(wǎng)控制、實(shí)驗(yàn)設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)云端控制建立集遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測(cè)、管理一體的人機(jī)交互界面，最終構(gòu)建面向?qū)崟r(shí)控制類實(shí)驗(yàn)設(shè)備的集實(shí)時(shí)性、實(shí)用性、擴(kuò)展性、安全性于一體的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 互聯(lián)網(wǎng) 實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制 5G通信技術(shù)

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(shí)驗(yàn)教學(xué)在高等教育中有重要作用，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生不能在教學(xué)場(chǎng)地以外或課程時(shí)間之外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案（國(guó)發(fā)〔2019〕4號(hào)）中提出“適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育發(fā)展需求，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)改進(jìn)教學(xué)方式方法，推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間建設(shè)和普遍應(yīng)用”，特別是疫情期間，學(xué)生由線下轉(zhuǎn)為線上學(xué)習(xí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了新要求，遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)可解決上述問(wèn)題。

根據(jù)被控對(duì)象是否為實(shí)際設(shè)備，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)可以分為兩類：虛擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)方面，我國(guó)清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)等已經(jīng)建立了相關(guān)系統(tǒng)，涉及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字電路等多個(gè)學(xué)科的應(yīng)用。但在某些學(xué)科中，以虛擬方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不能反映真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，因而缺少操作的真實(shí)性。其實(shí)，早在2010年山東大學(xué)團(tuán)隊(duì)就設(shè)計(jì)了一個(gè)遠(yuǎn)程通信控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)儀器控制，東南大學(xué)在2016年結(jié)合設(shè)計(jì)并研發(fā)了一套遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

在國(guó)外，雖然早在 1992 年就提出了遠(yuǎn)程訪問(wèn)的設(shè)想，但是直到上世紀(jì)末才出現(xiàn)了很少的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。主要的有：美?guó)田納西州 Tennessee at Chattanooga 大學(xué)的 Jim Henry 設(shè)計(jì)了能夠提供溫度控制功能的虛擬實(shí)驗(yàn)室，用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);意大利的 Ancona and Lecce 大學(xué)實(shí)現(xiàn)可以控制風(fēng)扇、機(jī)器人手臂、玩具飛機(jī)等的基于互聯(lián)網(wǎng)的控制實(shí)驗(yàn)。

本項(xiàng)目研究的是遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)，即對(duì)真實(shí)被控對(duì)象，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、用適當(dāng)?shù)耐ㄐ欧绞竭M(jìn)行傳輸、處理，實(shí)現(xiàn)跨時(shí)空的儀器控制。隨著社會(huì)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)了對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性要求較高的無(wú)人機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、無(wú)人駕駛汽車等設(shè)備，目前，對(duì)于上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制還沒(méi)有相應(yīng)方案。本項(xiàng)目以5G通信技術(shù)為基礎(chǔ)，探索一種面向控制類實(shí)驗(yàn)設(shè)備的集實(shí)時(shí)性、實(shí)用性、擴(kuò)展性、安全性于一體的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的解決方案。

5G通信技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景為eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)帶寬）、URLLC（低延時(shí)高可靠）以及mMTC（海量大連接）。項(xiàng)目涉及的無(wú)人機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、無(wú)人駕駛汽車等要求控制時(shí)延低、可靠性高，為增強(qiáng)學(xué)生在遠(yuǎn)程控制時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)感，在控制的同時(shí)還需要把設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋給學(xué)生。項(xiàng)目利用5G通信技術(shù)把實(shí)驗(yàn)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，在SA （獨(dú)立組網(wǎng)）模式下通過(guò)5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高速率、高可靠性的網(wǎng)絡(luò)傳輸，并通過(guò)軟件編程使實(shí)驗(yàn)設(shè)備的上位機(jī)作為服務(wù)器對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，學(xué)生可使用在網(wǎng)絡(luò)中注冊(cè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，同時(shí)系統(tǒng)還可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理及信息管理，方便教師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)、控制各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

項(xiàng)目雖然研究對(duì)象為實(shí)時(shí)性要求較高的控制類設(shè)備，但是對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的其他類實(shí)驗(yàn)設(shè)備，例如電路類實(shí)驗(yàn)也同樣適用，因此具有一定推廣作用。通過(guò)搭建這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程受時(shí)空的限制，推進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間建設(shè)和普遍應(yīng)用，為學(xué)校和社會(huì)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備種類眾多，包括控制類實(shí)驗(yàn)，電路類實(shí)驗(yàn)，電機(jī)控制類實(shí)驗(yàn)，有些對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，但對(duì)于無(wú)人機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、無(wú)人駕駛汽車等實(shí)時(shí)性要求較高的控制類實(shí)驗(yàn)，如何基于5G通信技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制，是研究的重要內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上再增加監(jiān)測(cè)、管理功能，最終形成一個(gè)面向控制類實(shí)驗(yàn)設(shè)備的集實(shí)時(shí)性、實(shí)用性、擴(kuò)展性、安全性于一體的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的解決方案。本項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容為：

（一）實(shí)時(shí)控制類實(shí)驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)架構(gòu)

項(xiàng)目中實(shí)時(shí)控制類實(shí)驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制采用客戶端/服務(wù)器模式的遠(yuǎn)程通信模式，按照客戶端/服務(wù)器模式進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)方案，通過(guò)TCP/IP網(wǎng)關(guān)接入5G網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)下SA架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)切片，實(shí)現(xiàn)云端控制臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的毫秒級(jí)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制，同時(shí)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)完成eMBB場(chǎng)景下實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)采集及從本地實(shí)驗(yàn)平臺(tái)到云端的傳送，最終建立可實(shí)現(xiàn)云端和本地局域網(wǎng)控制的實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)架構(gòu)。

（二）5G切片規(guī)則的選擇

實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)云端，鑒于超低時(shí)延及超大帶寬的要求，為使云端操作與本地實(shí)驗(yàn)室操作的感知無(wú)差異化，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在5G網(wǎng)絡(luò)SA模式下，網(wǎng)絡(luò)切片的時(shí)延、QOS（服務(wù)質(zhì)量）、承諾速率等最優(yōu)值設(shè)置，以選擇最佳5G網(wǎng)絡(luò)切片方式，實(shí)現(xiàn)與云端的最優(yōu)交互。

（三）實(shí)時(shí)控制類實(shí)驗(yàn)設(shè)備本地局域網(wǎng)控制的實(shí)現(xiàn)

項(xiàng)目可以根據(jù)需求選擇在局域網(wǎng)內(nèi)遠(yuǎn)程控制，基于C語(yǔ)言進(jìn)行編程。保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備局域網(wǎng)內(nèi)的通信，一方面，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)通信的基礎(chǔ)是局域網(wǎng)通信，另一方面，也可滿足在校學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的局域控制。

（四）實(shí)時(shí)控制類實(shí)驗(yàn)設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)云端控制的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)云端遠(yuǎn)程控制需要人機(jī)交互界面，交互界面基于Web網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，分為網(wǎng)頁(yè)前端設(shè)計(jì)、服務(wù)器后端設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。網(wǎng)頁(yè)前端部分，主要采用 ASP.NET、JavaScript、HTML和CSS對(duì)軟件系統(tǒng)的客戶端進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，服務(wù)器后端主要基于客戶端/服務(wù)器框架搭建，使用 ASP.NET和SQL語(yǔ)言在后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、通過(guò)界面顯示實(shí)驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制的數(shù)據(jù)，方便教師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)、控制各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄。此外還需確定遠(yuǎn)程通信數(shù)據(jù)算法，實(shí)驗(yàn)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測(cè)和管理，需要確定遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、處理和顯示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。

立項(xiàng)時(shí)間：2021年;立項(xiàng)單位：內(nèi)蒙古自治區(qū)教育廳;項(xiàng)目名稱：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“基于5G通信技術(shù)的實(shí)時(shí)控制類實(shí)驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”（NJZY21298）。

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作者簡(jiǎn)介

劉 寧：（1983.03—），女，漢族，內(nèi)蒙古呼和浩特市人，碩士學(xué)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(nèi)蒙古呼和浩特市人，碩士學(xué)位，工程師。研究方向：電子信息與通信工程。