基于B/S體系的電工電子網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室設(shè)計研究

呂睿

（鄭州輕工業(yè)學院 民族職業(yè)學院，河南 鄭州 450000）

隨著時代的發(fā)展，現(xiàn)實情況有力的推動了各種虛擬實驗室的發(fā)展，并將其廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域[1]。在虛擬實驗室中，老師能夠給予學生更科學的指導(dǎo)，學生更易獲得相關(guān)知識，并能進行敏捷的反饋。虛擬實驗室是未來實驗室建設(shè)的發(fā)展方向。其中，電工電子即為一個十分重要的組成，對在線技術(shù)虛擬實驗具有較為明顯的示范作用。本文分析了B/S體系的相關(guān)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用優(yōu)勢，并對基于B/S體系的電工電子網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室設(shè)計方法以及實現(xiàn) B/S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的關(guān)鍵技術(shù)進行探討。

1 B/S （Browser/Server， 瀏覽器/服務(wù)器模式）體系

管理信息系統(tǒng)平臺模式可以分為多種不同的類型，包括主機終端模式和文件服務(wù)器模式以及客戶機/服務(wù)器模式（C/S， Client/Server） 和瀏覽器/服務(wù)器模式（B/S，Browser/Server）等[2]。瀏覽器/服務(wù)器（B/S）模式是一種常見的模式類型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 瀏覽器/服務(wù)器模式（B/S，Browser/Server）結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Mode of browser/server（B/S， Browser/Server） schematic diagram

在具體的應(yīng)用過程中，在用戶技術(shù)水平以及客戶機配置方面，B/S體系的要求均相對較低。在客戶端維護方面，程序分發(fā)簡單，處于較小的維護量狀態(tài)。另外，B/S體系還具有較強的跨平臺能力以及較高的軟件復(fù)用度。與其他一些體系類型大多面對固定用戶群的情況不同，B/S體系面向的是不可知的非固定用戶群，用戶的地域處于相對分散的狀態(tài)。B/S體系具有諸多應(yīng)用優(yōu)勢，因此，在進行電工電子網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室設(shè)計的過程中，以B/S體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進行構(gòu)架是十分切實可行的。

2 基于B/S體系的電工電子網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室設(shè)計

基于B/S體系的電工電子網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室在設(shè)計過程中，可以結(jié)合實驗室的具體應(yīng)用功能，將實驗室劃分為不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并分為3個層次，基于B/S體系的電工電子網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于B/S體系的電工電子網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of electrical and electronic network virtual lab system based on B/S

基于B/S體系的電工電子網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室模型可以分為3個層次，分別為表示層、功能層和數(shù)據(jù)層。

其中，功能層可以完成對應(yīng)用業(yè)務(wù)的處理，將各種虛擬儀器的功能編入程序。在收到用戶不同請求之后，程序會從數(shù)據(jù)層中獲得所需的數(shù)據(jù)，并按照用戶的具體要求進行相應(yīng)的處理，然后將處理得到的結(jié)果通過動態(tài)網(wǎng)頁的形式反饋給用戶。

表示層即為人機交互界面，是直接與用戶進行接觸的接口，可以實現(xiàn)與用戶的各種交互，包括對用戶輸入的數(shù)據(jù)信息進行檢查、顯示返回結(jié)果等，還可以完成用戶注冊、調(diào)節(jié)虛擬儀器參數(shù)等[3]。

數(shù)據(jù)層負責對各種數(shù)據(jù)信息進行管理，包括讀寫和存取以及更新等，另外還要負責保證各種數(shù)據(jù)信息的完整和安全。數(shù)據(jù)信息的覆蓋面十分廣泛，包括各種實驗的原始數(shù)據(jù)以及進行結(jié)果分析之后得到的數(shù)據(jù)信息，還有實驗條件和儀器的參數(shù)等。在數(shù)據(jù)庫中存在大量的數(shù)據(jù)信息，并以關(guān)系表、字段等形式進行存儲。數(shù)據(jù)層的存在有效的將功能程序與數(shù)據(jù)信息隔離開來，從而有效提高程序的綜合性能，包括可移植性和可維護性以及通用性和可靠性等[4]。

以電學實驗為例，電學實驗有助于用戶理解各種物理概念，對學生實際做題也有幫助。現(xiàn)以某虛擬電學實驗為例，通過虛擬的實驗室設(shè)計，在表示層為用戶提供了一個電子元件完備的電學實驗環(huán)境，用戶可以發(fā)揮自己的創(chuàng)造性思維，從而親手創(chuàng)建所能想象的電學實驗，進行實驗驗證、實驗探究。界面示意如圖3、圖4所示。虛擬電學實驗將軟件優(yōu)勢與教育資源相融合，界面簡潔大方，操作簡單，可以進行交互式操作。且內(nèi)置幾十種電學實驗器材，器材全而豐富，并且實驗器材的參數(shù)可以進行修改，一種器材具備多種規(guī)格。可以模擬電路實驗箱，可直接選用的器件種類多，電路組裝靈活方便，能進行幾十種不同電路的實驗，特別適用各種設(shè)計性實驗。還可以對實驗進程進行實時保存，只需打開存檔進行讀取就可以調(diào)取進度。

圖3 虛擬電學實驗界面Fig.3 Virtual electrical experimental interface

圖4 虛擬電學實驗界面Fig.4 Virtual electrical experimental interface

3 基于B/S體系的電工電子網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室實現(xiàn)要點分析

在基于B/S體系的電工電子網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)的不同層次中，功能層是鏈接數(shù)據(jù)層和表示層的“橋梁”，因此，虛擬實驗室的實現(xiàn)過程中，訪問數(shù)據(jù)庫是必不可少的。另外，在以B/S為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室設(shè)計過程中，Web服務(wù)器以“請求—應(yīng)答”的方式進行工作。首先，服務(wù)器接受來自不同客戶端瀏覽器的請求；然后，對各種服務(wù)端應(yīng)用程序予以執(zhí)行，并按照實際需要，決定是否進行數(shù)據(jù)庫訪問；最后，得到HTML文檔，并對相應(yīng)的請求予以回應(yīng)。在進行服務(wù)器開發(fā)的過程中，可以選擇使用不同的技術(shù)手段，目前常用的包括ASP（Active Server Page，動態(tài)服務(wù)器主頁）和用于擴展服務(wù)器功能的 JSP （Java Server Page）技術(shù)，以及 CGI（Common Gateway Interface，公共網(wǎng)關(guān)接口）。通過對不同技術(shù)類型的比較和分析可以發(fā)現(xiàn)，在可移植性、安全性、執(zhí)行效率等方面，較之CGI，JSP和ASP具有十分明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。因此，在本文的實驗室設(shè)計研究過程中，選擇使用JSP技術(shù)進行Web服務(wù)器開發(fā)[5]。

在軟件系統(tǒng)中包含了多個不同的基本單元，即構(gòu)件。不同的構(gòu)件均是由一個或者多個具有緊密邏輯聯(lián)系的對象封裝而成的。從本質(zhì)角度進行分析，構(gòu)件屬于不必對其軟件源代碼進行改變便可以實現(xiàn)跨平臺運行的獨立軟件，而且，構(gòu)件可以在不同的軟件環(huán)境下具有一定的功能，并實現(xiàn)重用。在進行電工電子網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室設(shè)計中，考慮到電工電子實驗涉及到的儀器種類和數(shù)量均相對較多，且具有復(fù)雜的功能，因此，可以利用構(gòu)件技術(shù)的特點進行開發(fā)，以更好的解決異構(gòu)數(shù)據(jù)源間互聯(lián)共享問題和互操作問題等，保證不同應(yīng)用程序直接的高效協(xié)同。另外，在進行軟件系統(tǒng)開發(fā)的時候，利用構(gòu)件的重構(gòu)性特點，可以有效提高開發(fā)效率，并促進系統(tǒng)開發(fā)性和穩(wěn)定性的提高。構(gòu)件技術(shù)具有很多類型，其中，通用對象請求代理體系結(jié)構(gòu) （Common Object Request Broker Architecture，CORBA）技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛的一種構(gòu)件技術(shù)，該技術(shù)為實際應(yīng)用提供了功能強大的機制，支持多請求響應(yīng)模型，可以滿足請求和接收響應(yīng)的透明化，并提供分布式應(yīng)用程序的抽象和服務(wù)。在實際的使用過程中，不需要對其復(fù)雜的底層細節(jié)予以考慮，以其編程語言和操作系統(tǒng)的無關(guān)性以及透明的對象定位和調(diào)動很好的服務(wù)于應(yīng)用程序開發(fā)和系統(tǒng)集成[6]。本研究中，以構(gòu)件技術(shù)為基礎(chǔ)，進行電工電子實驗室虛擬儀器集成框架設(shè)計。以構(gòu)建技術(shù)進行設(shè)計，可以有效提高實驗室的可維護性、靈活性和可擴展性。該技術(shù)還提供了多種構(gòu)件調(diào)用可能，包括跨語言、跨平臺、跨協(xié)議等。因此，在實驗室的設(shè)計過程中，在利用 Java語言進行儀器面板構(gòu)件開發(fā)的時候，還可以對各種 C++語言實現(xiàn)的基本顯示構(gòu)件予以靈活的調(diào)用。例如，在電工電子基礎(chǔ)實習的焊接訓(xùn)練3D虛擬實驗過程中，在利用虛擬實驗室完成實習的時候，通過3D虛擬輔助教學模式，可以方便學生課外自學和課堂演示教學，結(jié)合萬用板的焊接向初學者講解焊接訓(xùn)練關(guān)鍵內(nèi)容，如：常用元器件和工具3D展示與使用教學，項目簡介、元件布局、電路布線、焊接演示、通電測試等內(nèi)容。

虛擬軟件可以重復(fù)操作，學生熟悉各項內(nèi)容后再進行實體實驗，減少初學者造成的耗材浪費和儀器工具損壞，大大改善了教學效果。虛擬實驗室中的元器件庫以及元器件布局等如圖5～圖7所示。

4 結(jié)束語

圖5 元器件庫展示Fig.5 Component library display

圖6 元器件布局Fig.6 The component layout

圖7 焊接演示Fig.7 Welding demonstration

隨著虛擬技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，建立虛擬實驗室是改善傳統(tǒng)實驗教學不足的發(fā)展趨勢。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的出現(xiàn)為各種實驗的開展提供了極大的便利，并有效提高了各種資源和信息的利用率。以B/S為基礎(chǔ)進行網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室設(shè)計，可以更好的激發(fā)出虛擬實驗室的應(yīng)用潛能。通過上文的分析可以發(fā)現(xiàn)，基于B/S體系[7]設(shè)計網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室具有較高的可行性。通過對各種技術(shù)要點的掌握，可以更好地保證實驗室的設(shè)計與實現(xiàn)。

[1]戴成梅，戴成建.基于LabVIEW的電工電子網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室研究與開發(fā)[J].實驗室研究與探索，2011，30（2）:74－77，81.DAI Cheng-mei，DAI Cheng-jian.Research and development ofelectric and electronic virtuallaboratory based on LabVIEW [J].Research and Exploration in Laboratory，2011，30（2）:74-77，81.

[2]師黎，王治忠，費敏銳，等.基于VRML與MATLAB的智能控制虛擬實驗室設(shè)計與實現(xiàn) [J].儀器儀表學報，2008，29（12）:2594-2598.SHI Li，WANG Zhi-zhong，F(xiàn)EI Min-rui，et al.The design and implementation ofvirtualLaboratory ofintelligent control based on VRML and MATLAB[J].Chinese Journal of Xcientific Instrument，2008，29（12）:2594-2598.

[3]虞江鋒，劉蘭英，盛羽，等.虛擬實驗環(huán)境中協(xié)同支撐的設(shè)計與實現(xiàn) [J].中南大學學報：自然科學版，2011，42（8）:2332-2337.YU Jiang-feng，LIU Lan-ying，SHENG Yu，et al.Design and implementation of virtual experiment environment for collaborative support[J].Journal of Central South University:Natural Science Edition，2011，42（8）:2332-2337.

[4]孫長霞.“虛擬實驗室”在高等院校化學基礎(chǔ)課程中的作用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2012，40（34）:16942-16943.SUN Chang-xia.Research on function of"virtual laboratory".In the chemistry basic course in Colleges and Universities[J].Anhui Agricultural Sciences，2012，40（34）:16942-16943.

[5]Lei Shi，Hui Ran Zhao，Kun Zhang.Research of Computer Virtual Laboratory Model Based on Cloud Computing[J].Applied Mechanics and Materials，2014，3634 （687）:3027-3031.

[6]Chananchai Wutthithanyawat，Nawadee Srisiriwat.Process Control Virtual Laboratory:Temperature Control Based on LabVIEW forConvection HeatTransfer [J].Applied Mechanics and Materials，2014，3380（619）:303-308.

[7]余劍.基于B/S結(jié)構(gòu)的電子稅務(wù)管理系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（16）:49-50,53.YU Jian.Design of electronic tax management system based on B/S structure[J].Modern Electronics Technique，2014（16）:49-50，53.