MOOC远程实验平台的设计与实现

张昱龙,　杨民强,　远经潮,　吴　挺,　周庆国

(兰州大学 信息科学与工程学院,甘肃 兰州　730000)

MOOC远程实验平台的设计与实现

张昱龙,杨民强,远经潮,吴挺,周庆国

(兰州大学 信息科学与工程学院,甘肃 兰州730000)

摘要:远程开发已被广泛应用于电子系统开发和互动产品开发,并且具有高效、实时协同等优点。文章建立了一个远程实验室，该实验室提供一套完整的设备,实现了一体化、个性化、开放的、操作便捷的在线开发和教学平台。平台集成开发环境包含了软件开发所需的所有工具,提供控制台接入、电源管理、代码下载、视频监控和设备初始状态恢复等远程操作接口。远程实验室可以提高开发效率,促进设备共享、信息交流和远程协作,可以有效地缩短开发和学习周期。

关键词:嵌入式开发;远程平台;实时控制;在线学习

0引言

随着信息技术的发展,人们越来越重视生产及设计中的灵活性以及数字化的工作模式。智能开发是从嵌入式系统向信息物理系统发展的技术进化,从而实现计算、通信与物理系统的一体化设计,可使系统更加可靠、高效、实时协同,具有重要而广泛的应用前景。工程学科知识技能的获取主要依赖于实践和实验,注重培养学生对硬件及软件的综合应用能力。要构建嵌入式系统的开发与教学环境,硬件和软件都是必不可少的[1]。环境包括典型的嵌入式开发板(ARM、X86、MIPS等)、各种其他设备(个人电脑、摄像头、继电器、示波器和信号发生器等)以及必要的相关软件配置。有效地管理和维护这些设备是保证教学质量的关键[2]。

传统的嵌入式系统教学实验室,学生可以接触到不同架构开发板,并直接接上板子进行开发。但学生使用设备时会受时间、地点限制,在没有课程的情况下,实验室设备是闲置的,并且所处环境复杂，不利于设备的管理与维护。针对这些弊端,本文建立了一个用于嵌入式学习及系统开发的远程实验室。

远程实验室是用户通过网络访问物理位置位于远程的实验室,并通过各种控制系统和软件工具来实现设备的远程访问能力,该远程实验室具备实在的实验设备,给用户提供实时、实际的实验过程和实验数据。本文提出的远程实验室一般指通过网络访问远程物理实验设备。远程实验实现了教学方式的多样化和高效化，克服了传统教学实验室的弊端,使得学生更加方便地进行实验。远程实验室在控制学科领域有较为广泛的应用,未来会逐步应用到其他学科教学中。

1远程实验室平台设计

1.1设计思路

远程实验室通过网络对实验室内的设备进行操作,从而达到远程实验的目的[3]。远程实验室的构建是为了更好地利用实验室设备,使学生有更多的时间可以用于实践学习,并且远程实验室更有利于对设备的管理与维护。

本文对本地实验的情况进行分析,其优点如下:① 可以接触到实际的开发板,并对开发板的硬件结构有直观的了解;② 可以通过终端,直接与开发板进行交互,并且结果可以得到直接的反馈;③ 可以实时观察到开发板状态灯的变化,有利于了解开发板的运行状态。

本地实验室的缺点如下：① 由于使用开发板的学生都为初学者,开发板易人为损坏;② 由于每次实验后,设备的状态未知,从而导致设备管理不方便;③ 由于本地实验室只有上课时间才会使用,所以使用的时间、地点受限制，并且设备使用率较低。

针对本地实验室的利弊进行分析总结,本文提出远程实验室的方案。用户可以通过远程实验室方便快捷地进行系统层面和通用应用嵌入式软件开发,具体功能包括:

(1) 提供Web界面,允许用户远程访问,访问不受地点和时间限制。

(2) 提供设备远程访问功能,可使用户在远端直接访问实际的开发板。

(3) 提供设备远程控制功能,实现远程开发过程中的远程操作,例如断电重启、固件恢复等。

(4) 提供完备的设备管理功能,可随时获得开发板状态信息。

1.2设计架构

远程开发平台的框架结构如图1所示。其结构主要包括客户端、服务器、设备3个方面。客户端主要是用户使用界面,用户通过该界面进行远程操作,界面的主要功能有建立用户信息、新建开发项目、访问开发板、电源控制、重置开发板及实时监控等。服务器主要是进行数据库操作,把用户信息、开发板信息、开发板状态等内容存放到数据库,并且有一些对电源控制模块、摄像头操作的脚本。设备主要是不同架构的开发板、电源控制模块及摄像头等硬件设备。

图1　嵌入式系统远程实验室设计架构

根据平台架构总体设计,用户访问的具体步骤如下:

(1) 客户端新建一个用户,服务器根据用户所进行的操作,对数据库进行修改。创建完用户后,可以在客户端新建项目,这个过程需要选择开发板的架构(ARM、X86、MIPS等),并且需要确认开发板未被其他项目占用。创建信息会保存到数据库,以便下次用户的使用。

(2) 客户端对开发板进行操作,在嵌入式开发过程中,通过串口调试是必不可少的。远程操作需要把开发板输出信息显示到客户端,并且用户能通过客户端对开发板进行操作。用户通过客户端还可以恢复开发板上的系统,可以把uboot、kernel、rootfs烧录到开发板中。

(3) 客户端对开发板的控制主要包括摄像头的实时监控、电源的断电、上电等操作。在客户端的界面上提供了这些功能的按键,只需要点击这些按键就可以完成操作。

2远程实验室平台实现

远程实验室需要集成各种设备以提供丰富的远程访问能力,这些设备的集成是系统设计和开发的难点之一。这些设备主要包括电源控制器、摄像头,还有一些嵌入式开发需要的设备,例如函数发生器、逻辑分析仪及示波器等,这些设备的远程访问接口标准不同,从而导致远程访问能力受限且整合困难[4]。实现远程控制最基本的设备包括电源控制和摄像头。

2.1软件环境

实现远程实验室平台,软件环境需要支持远程访问、嵌入式在线开发、在线课程等功能，具体如图2所示。

远程访问需要实现Web终端模拟,使用户可以在Web界面上直接对虚拟机及开发板进行操作。Web终端模拟器的实现是要搭建Web服务器,并在指定的端口上作为一个基于Web的安全外壳协议(secure shell,SSH)客户端运行,这样就可以远程访问和控制Linux服务器及虚拟机[5]。

图2　软件环境结构图

教学环境是一个开放式的网络教学平台。学生可以管理自己的学习进度、下载视频和课件并且可以在线交流。教师可以上传课程资料,并安排教学进度。

2.2电源控制

在整个控制过程中,对电源的控制操作是必不可少的,这些操作包括断电、上电、重启操作及电源状态查询[6]。在远程操作时,要实现对开发板的电源控制,需要设计一个电源控制电路,其结构如图3所示。

图3　电源控制系统结构图

本文利用单片机实现控制功能[7],主要原理是MCU通过RS232与主服务器进行通信,服务器发送指令,MCU接收指令后控制继电器,实现电源控制。

2.3视频监控

远程操作不能实时监控到开发板状态,所以需要提供实时监控功能。实时监控画面及操作系统如图4所示。

图4　实时监控画面及操作系统

视频监控采用网络传输协议和数字视频压缩

编码技术来保证监控系统的稳定性和可靠性,可实现视频图像的远程传输。视频监控功能有效地保证了操作人员及时地掌握开发板状态,从客户端Web界面的开发板监控画面窗口,使用者可以看到开发板上指示灯的变化。视频监控的帧率可以根据监控场景进行调整。

3结束语

本文介绍了远程实验室平台的设计思路及实现方法[8]。该设计实现了远程控制实际的开发板,使远程操作比直接操作更为便捷,并且提供了开放式教学平台，可为从事嵌入式系统研究的工作人员以及学生提供更加方便的实验平台,让使用者可以自由地安排实验时间,提高了工作学习效率。该系统目前已经应用于实际教学之中。

[参考文献]

[1]陈卓,王田,梁新元,等.嵌入式系统开发[M].北京:电子工业出版社,2009:98-124.

[2]韦东山.嵌入式Linux应用开发完全手册[M].北京:人民邮电出版社,2008:30-56.

[3]沈曦,常胜利,李修建.远程虚拟实验教学平台及其实验的管理设计[J].计算机工程与应用,2014(27):225-227.

[4]文福安.远程虚拟实验教学环境的研究与开发[J].中国教育信息化:高教职教,2008(11):20-21.

[5]方慕真.虚拟技术在远程教育中的应用探索[J].开放教育研究,2009, 15(4):103-106.

[6]周国华，许建平.开关变换器调制与控制技术综述[J].中国电机工程学报，2014，36(6)：815-830.

[7]刘士兴，孟召晶，石波，等.基于嵌入式Linux的无线传感器网络汇聚节点[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2012，35(4)：499-502.

[8]李华，龚艺，纪娟，等.面向MOOC的学习管理系统框架设计[J].现代远程教育研究，2013(3)：28-33.

(责任编辑闫杏丽)

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

基金项目：国家自然科学基金资助项目(60973137)；新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-12-0250)

作者简介：张昱龙(1988-),男,北京市人,兰州大学硕士生; 周庆国(1973-),男,福建大田人,博士,兰州大学教授,博士生导师.

Doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.05.010

中图分类号:TP302.1

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)05-0622-04