開放共享嵌入式系統實驗網絡平臺建設

徐志江， 彭 宏， 孟利民， 華驚宇

(浙江工業大學 信息工程學院， 浙江省通信網應用技術研究重點實驗室, 浙江 杭州 310023)

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·計算機技術應用·

開放共享嵌入式系統實驗網絡平臺建設

徐志江， 彭 宏， 孟利民， 華驚宇

(浙江工業大學 信息工程學院， 浙江省通信網應用技術研究重點實驗室, 浙江 杭州 310023)

針對嵌入式系統實驗教學中存在的實驗裝置與智能設備不能通過互聯網相互通信、設計的實驗內容層次性不足、缺乏實際行業應用等問題，本文利用自主研發的嵌入式實驗教學設備，提出了開放的、遠程的、共享的、基于物聯網思想的一種嵌入式系統實驗網絡平臺方案、配套的實驗裝置及相應的層次化實驗。

開放共享； 嵌入式系統平臺； 物聯網； 層次化實驗

On the Construction of Open and Sharing Experimental Network Platform with Embedded Systems

0 引 言

繼計算機、互聯網和新一代移動通信技術飛速發展之后，“物聯網”[1-2]成為世界信息產業的第三次浪潮。為了隨時隨地的實現人與人、人與物、物與物之間的交互，遠程信息采集、網絡大容量信息交互傳輸和控制、信息匯聚、智能分析和決策等成為未來信息領域發展的重點，“物聯網及其應用”研究已被國家和各省市列為十二·五發展的重點領域之一。自從1999年提出物聯網概念后，韓國、日本、新加坡、英國、歐盟、美國等相繼提出與物聯網相關的系列戰略規劃。2009年8月提出了“感知中國”，江蘇、上海和浙江分別把物聯網產業作為重點培育的戰略性新興產業來抓。

物聯網的網絡層[3]涵蓋了現代通信前沿的RFID、3G/4G/LTE無線通信技術以及網絡傳輸所需的信息高速公路。在網絡層，必須解決物與物之間通信所需的傳輸、交換和處理等大容量信息交互，而這正是通信專業學生針對現代和未來通信必須掌握的核心技術。

物聯網的應用層[4]涵蓋了信息與通信技術在行業中的應用，例如綠色農業、工業監控、公共安全、城市管理、遠程醫療、智能家居、智能交通、環境監測等八大行業應用，這些應用都是構建在網絡層之上，離不開現代通信技術。人們將寬帶化、移動化、泛在化、安全性、可用性、可信性列入未來信息通信領域創新的重點。因此構造新的網絡和分布系統用以實現信息接入的高可用性與可信性、無論何時何地將采集到的信息無縫地接入物理世界、動態和挑戰環境的信息接入等將是未來通信技術的研究重點。

考慮到通信專業學生的培養與實際就業情況的需求，結合移動通信、公共安全、智能家居、智能交通等行業的應用，我們提出了一種通信專業創新實驗平臺的建設方案，規劃了作為支撐平臺的遠程多媒體通信交互系統的系列軟件，設計和制作了支持有線、無線網絡接入的前端實驗設備硬件和相應軟件，使得學生可以通過實驗設備進行網上遠程、共享平臺，通過加載不同的應用軟件實現了各行業的應用性演示實驗。

1 現有實驗存在的問題

隨著現代通信技術[5]的飛速發展，傳統的點對點通信技術已經發展為多對多的、廣域的網絡通信技術?，F代通信技術在移動通信、智能交通、智能家居、遠程醫療、城市管理、公共安全等行業已成為不可或缺的關鍵技術，可以隨時隨地實現人與人、人與物、物與物之間的通信。培養通信專業創新型人才是社會人才需求、社會經濟發展、大學生創業就業的需要[6]。

“嵌入式系統”課程的實踐性非常強，加強實驗教學、增大實驗課時、編寫優秀的實驗教學講義和實驗項目設置，對培養學生學習興趣和提高實際動手能力，非常重要。通常情況下，教學所用的實驗設備是由科教儀器公司開發的，現開設的實驗課程，大多是演示性和驗證性的實驗。部分學生照著詳細的實驗指導書按部就班做實驗，不深入思考實驗現象背后的理論知識，甚至缺乏基本的編程技術，缺乏自主創新意思。更重要的是，現有的這些實驗設備都是一個個獨立的孤島，開設的實驗至多能與實驗室內網上的電腦TCP/IP通信、交互而已。實驗室沒有中心平臺服務器及相應的支撐軟件，無法實現實驗設備與外界、遠程的電腦、智能手機、PAD等互動，無法體現出現代通信技術帶來的隨時隨地及時通信的便捷和樂趣。此外，所有的實驗必須在上課時間內完成，因為實驗所需要的儀器設備不能外借，不具有開放性、共享性，不能滿足對嵌入式系統具有濃厚學習興趣同學們的需求。

2 開放式實驗平臺的建設方案

2.1 平臺建設的目標與思路

培養的目標：使學生具備現代通信技術、通信系統、通信網和嵌入式系統[7]等方面的知識，具有從事現代通信系統和嵌入式系統的設計、研發、調試和工程應用的基本能力，具有較好的電子線路設計、嵌入式軟件編程以及通信系統的設計與開發能力，能實現數據采集、加工、轉換，完成通信傳輸任務，能在通信領域中從事現代通信系統、通信網及信息傳輸和處理系統，特別是嵌入式應用的驅動開發與嵌入式軟件研發。

建設方案：使學生進一步熟悉嵌入式系統的組成原理和設計方法，掌握ARM處理器Linux操作系統的主流配置和Android智能手機，配合“嵌入式系統”課程的教學需要，研發制作符合學生實際需求的嵌入式實驗裝置和配套實驗指導書。使用本實驗裝置，能夠開設嵌入式Linux 操作系統的移植、設備驅動程序、網絡編程和人機圖形界面設計，以及在網絡平臺的支持下的廣域網等多層次的實驗。一方面能加強學生對理論知識的認知、概念的理解，以強化教學效果；另一方面，對提高學生的自主學習能力，轉被動學習為主動學習，培養學生的創新能力，都具有非常重要的意義[8]。

2.2 平臺建設方案

提出的建設平臺方案，見圖1。遠程多媒體通信交互系統和系列軟件為平臺核心設備和軟件，由服務器陣列和系列基本軟件和系列應用軟件組成，支持遠程實驗。前端實驗設備和終端電腦分別為支持有線網絡和無線網絡接入的設備，學生可以通過該接入設備進行網上實驗。前端實驗設備具有音、視頻和數據的采集和傳輸功能，可以進行40多個硬件和軟件設計、調試以及綜合型實驗，包括GSM/GPRS/3G等移動通信應用實驗；支持IP電話、遠程視頻監控等公共安全應用實驗；支持移動偵測、字符疊加、智能對講、485接口控制等智能家居應用實驗；支持GPS定位、車輛移動軌跡回放等智能交通應用實驗。這些行業應用實驗與培養大綱制定的通信類課程緊密相關，分別涉及移動通信、通信原理、信號與系統、數字信號處理、嵌入式系統原理及應用、計算機網絡與通信等通信主干課程。

圖1 遠程共享開放式實驗平臺

實驗室可提供通信原理、數字信號處理、數字多媒體與流媒體處理、現代交換、信息傳輸安全處理、移動通信原理、數據通信與計算機網絡、衛星通信、計算機圖形學、嵌入式系統與Linux開發以及Windows網絡與驅動開發等諸多領域的實驗。更重要的是，實驗室不僅提供傳統的現場實驗教學能力，還可提供虛擬課堂實驗教學能力，從而可以克服場地限制為更多學生提供實驗機會，而在過去虛擬課堂僅能用于計算機軟件領域和遠程課堂教學。另外，在課程設計階段，通過一些大型綜合實驗，比如設備通過SIP協議[9]與信令服務器交互通信，或者外接的音視頻/GPS經過采集、編碼壓縮之后，通過以太網/3G上發至媒體中轉服務器，使得專業與職業技能相結合，以實現學校培養與企業需求的無縫銜接。

2.3 多媒體信息交互軟件框架

多媒體信息交互軟件基于C/S架構[10]進行設計，主要包括服務器和客戶端兩部分。服務器包括SIP服務器和流媒體[11]服務器：SIP服務器負責用戶信息管理和多媒體信息的信令交互、調度與控制；流媒體服務器負責基于RTP/RTCP協議[12]的音視頻數據轉發?？蛻舳送ㄟ^有線/無線連接網絡，登錄到SIP服務器后，可以向在線好友(設備)發送即時消息、傳輸文件、SIP電話、視頻聊天等應用。

軟件整體框架如圖2所示，主要分為以下幾個部分：① 多媒體信息交互服務器設計；② 基于Android/Windows/Linux QT/ios客戶端設計；③ 服務器與客戶端連接。

圖2 多媒體信息交互軟件整體框架

多媒體信息交互服務器包括SIP服務器和流媒體服務器，服務器之間的交互基于ICE(Internet Communication Engine)中間件[13]實現。SIP服務器是整個軟件的控制中心，通過解析SIP信令控制實現不同的功能。流媒體服務器與客戶端建立RTP連接，轉發接收到的媒體數據。

在Android/Windows/Linux QT/ios平臺開發客戶端軟件，設計界面和底層功能模塊?？蛻舳说讓拥墓δ苣K包括信令模塊、即時消息通信、SIP語音電話和視頻聊天模塊。在軟件設計過程中，充分利用智能手機的軟硬件資源和實驗裝置雙核CPU的硬實時視頻編解碼功能。為了提高客戶端的視頻數據編解碼效率，采用了Android NDK技術，以JNI本地方法調用方式實現視頻編解碼功能，提高了軟件運行效率[14]。

服務器與客戶端之間主要是實現基于SIP協議的信令互通和基于RTP協議的媒體流互通。軟件采用SIP協議作為控制信令，實現SIP服務器和手機客戶端之間的命令交互，主要實現的功能有用戶登錄、好友列表獲取、好友上線提醒、即時消息轉發、音視頻會話邀請和結束會話等。媒體流的互通是指音頻流和視頻流的互通，由流媒體服務器將交互雙方(一對一或者一對多)的媒體流轉發到對方。

2.4 嵌入式實驗裝置與實驗設計

實驗箱采用ARM9+DSP雙核架構的CPU，外接音視頻、以太網、GPS、GSM/GPRS/CDMA、3G、SD、RTC等模塊，能夠完成音視頻、定位、通信等基本模塊。在此基礎上，結合遠程多媒體網絡通信系統(包含前端實驗設備、網絡通信系統以及應用模塊)，能實現多對多的廣域的網絡通信。

結合理論課程的內容，充分考慮嵌入式軟件系統結構及開發內容、開發方式的特殊性，配合基礎型、選做型和創新型多層次實驗教學的需要，符合學生在知識學習過程中由淺入深，由易到難、由硬件到軟件、由基礎到綜合、由驗證到創新的規律。這樣一個系統培訓過程對于我們在教育中指導學生完成創造性活動，具有規律性的啟發和指導作用，符合由興趣到應用的全腦創新歷程[15]。設計的實驗項目，既能做常規的驅動、GUI人機交互、TCP客戶/服務器交互等實驗，也能做與平臺交互的基于SIP信令的音視頻實時監控等體現了基于物聯網思想、具有通信專業特色的實驗。

通過多層次實驗，加強學生對課本理論知識的理解，激發學生學習興趣和創造欲望，促進學生的自主性學習和研究性學習。提高C、Java的編程能力，熟悉Linux操作系統，掌握一定的匯編、驅動、網絡及應用程序等的編程和調試能力。通過完成綜合性實驗項目，充分調動學生的積極性，鍛煉自學能力、解決問題能力和團隊合作能力。

遠程、開放、共享式平臺，鼓勵學生們根據自己的興趣和特長，參與國家級、省級和校級的電子設計大賽以及其他各類嵌入式應用型競賽，讓學有余力、感興趣、有創新精神的學生得到更好的實踐和鍛煉的機會，大大提高了其就業競爭力。

2.5 實驗平臺的特色

該方案的教學方法具有獨特性，強調實驗內容的共享性和創新性，具有鮮明的特色。學生除了可以在規定的實驗室做硬件和軟件實驗外，還允許學生租用設備在任何一個能夠上網的場所(比如學生宿舍)進行硬件和軟件實驗，可以同時容納幾百學生一起進行遠程多媒體通信實驗，不久可以與本校學生一起做實驗，而且還可以與外校通信學生一起做實驗，真正達到實驗的共享。另外，通過遠程多媒體通信交互系統和系列軟件，可以管理學生是否在做實驗，實驗時間多長，做了哪幾個實驗，實驗是否成功等，做到實驗的可運行、可管理，可持續發展。同時，通過開放的軟件接口，允許學生設計符合自己要求的創新性實驗，培養學生的自主創新實踐能力。

通信專業創新實驗平臺除滿足本校的教學實驗需求，還可以基于遠程接入手段引入社會化培訓和為其他高校學生提供實驗和畢業設計等。例如，通過網絡接入管理平臺的權限設定，來自各高校的學生、企事業單位的技術人員或者其他人員可以接入異地實驗中心相應的軟硬件系統完成自己的實驗、培訓或者研發任務。服務過程中本實驗室將收取一定的費用，從而為整個實驗室的完善提供長期的資金保障，達到“造血、服務兩不誤”的效果。總之，這種大區域異地軟硬件系統的共享不僅有效節省了國家在設備上的投資，同時便于大范圍的技術交流進而提高企事業單位研發人員的工作效率以及高校學生的學習效率。

3 結 語

通信技術正朝著隨時隨地的實現人與人、人與物、物與物之間的網絡化智能通信技術方向發展，培養本科生具有較好的應用理念，設計、開發、創新實踐的能力，網絡通信帶來的開放性和共享性以及可持續發展在通信實驗中得到充分體現和發揮。通過開放共享平臺的建設，使實驗設備規模、實驗環境、運行機制等方面都得到綜合發展，為不同層次的學生提供更加完善的認知環境、測試環境、綜合調試、研發和個性化的實驗環境，培養學生對實際工程設計、調試、維護和管理能力，以及對新技術的研究開發能力，具有重要意義。

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XUZhi-jiang,PENGHong,MENGLi-min,HUAJing-yu

(Zhejiang Provincial Key Laboratory of Communication Networks and Applications,

College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

There are some problems of embedded systems experimental teaching. For example, the experimental devices cannot interexchange information with other smart devices through the Internet, and the designed experiments are lack of practical industrial applications, etc. In this paper, using the experimental teaching device developed by the authors, we propose an open experimental network platform to solve the problem of embedded system experiments based on the idea of the Internet of Things. A set of the supporting experimental devices, series software suites and corresponding hierarchical experiments are also presented.

open and sharing; embedded system platform; the Internet of Things; hierarchical experiments

2014-11-06

國家自然科學基金項目(61471322)、浙江工業大學校教改項目(JG1313)

徐志江(1973-)，男，浙江紹興人，博士，副教授，主要研究方向為嵌入式系統、無線通信與網絡多媒體數字通信。

E-mail:zyfxzj@zjut.edu.cn

N 33

A

1006-7167(2015)05-0086-04