基于Android的遠程實驗客戶端設計
2015-07-22 22:32:48黃廣發吳先球
現代電子技術 2015年14期
黃廣發+吳先球
摘 要： 為了讓實驗者在移動終端上完成遠程實驗的異地操作，設計一種基于Android平臺的遠程實驗客戶端。通過對開源播放器VLC進行二次開發，使用Socket通信傳輸跨平臺控制指令，利用HTML5中的canvas標簽繪畫波形圖，實現客戶端進行遠程實驗的視頻監控、遠程控制實驗儀器和數據處理等功能。以單擺法測重力加速度實驗進行效果驗證，實測結果表明，客戶端具有穩定可靠、實驗數據處理精度高、人機交互性好等優點。
關鍵詞： 遠程實驗； Android； 客戶端； HTML5
中圖分類號： TN911.2?34； TP311.52 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0089?03
0 引 言
在當今信息技術高速發展的時代，學習的自主化、智能化和終身化使得遠程教育必須要與時俱進，就是要運用信息技術改善遠程教學系統以滿足人們的迫切需求。遠程實驗[1]是通過互聯網遠程操作實驗儀器，在異地完成真實的實驗過程。遠程實驗不受時空限制，特別是隨著平板電腦、智能手機等移動終端的普及，Android系統占據了主流，只要連接了Internet，就可以根據實驗者的水平和需要，隨時隨地使用客戶端去選做各種實驗，這種移動學習環境下的實驗教學模式增加了教學的靈活性，具有廣泛的應用前景。
為了滿足移動學習的需求，本文結合遠程控制實驗的系統特點，設計了一種基于Android的客戶端，實現了遠程控制實驗的移動性操作。
1 系統硬件及其工作原理
遠程實驗系統的硬件結構如圖1所示，服務器通過串口連接控制模塊，控制模塊連接實驗儀器，通過執行服務器傳送過來的指令控制實驗儀器，并采集實驗數據。攝像機捕獲現場儀器的運行情況通過USB接口反饋給服務器，服務器再通過網絡及時反饋給遠程的操作者。
控制模塊主要由主控單片機和相關外設組成，服務器上使用LabVIEW軟件與控制模塊進行通信，使用VLC media player進行流媒體數據的編碼和傳輸，使用Tomcat進行搭建Web應用服務器，響應HTML頁面的請求訪問，提供了實驗數據處理功能。
2 客戶端設計
客戶端是遠程實驗系統的一部分，實驗者直接在客戶端上進行遠程實驗的操作，具有實時觀察實驗現象、實時遠程控制實驗儀器、實驗數據接收與處理等功能。
圖1 系統硬件結構圖
2.1 Android應用程序開發環境
開發環境[2]由JDK（Java開發工具包）、Eclipse（開發Java程序的軟件工具）、Android SDK（Android專屬的軟件開發工具包）、ADT（開發Android應用程序的插件）、NDK（原生開發工具包）5部分組成，通過安裝和進行相應的配置即可完成開發環境的搭建。
2.2 功能流程
遠程實驗的實驗儀器是實際設備，遠程用戶使用客戶端通過網絡對其進行操作，控制實驗設備的運行?？蛻舳说恼w功能如圖2所示，其中觀察實驗現象部分是先要接入流媒體服務器，再把通過HTTP協議傳輸過來的H.264視頻流進行解碼[3]，最后通過控件SurfaceView播放出來；控制實驗儀器部分主要是Socket通信，在主線程下申請子線程進行處理，具體采用Handler消息傳遞機制；數據處理部分是下載服務器端采集為txt格式的數據文件，讀取后在HTML5上使用canvas繪制波形圖，這種可視化的數據分析可以讓實驗者讀取數據進行公式運算。
圖2 功能流程圖
2.3 關鍵技術
2.3.1 JNI接口
將開源播放器VLC[4]應用到Android上，需要通過將VLC的源代碼編譯成庫文件，再通過Android提供的JNI接口調用，因為VLC的代碼完全由C/C++編寫，在需要調用第三方C/C++庫文件時，使用JNI接口的應用[5]可以讓開發者實現一些用Java語言難以實現的功能。
在上層通過以下代碼載入已經編譯好的libvlcjni.so庫文件：
{
System.loadLibrary（“vlcjni”）；
}
LibVLC類通過聲明庫中的本地函數就可以在上層應用程序調用。
在主類MainActivity中，調用VLC接收服務器端發送的視頻流，經過程序處理后進行播放，關鍵代碼如下：
private LibVLC mLibVLC = null；
mLibVLC = Util.getLibVlcInstance（）；
if （mLibVLC ！ = null）
{
String pathUri = "http：//222.200.152.122：8080/x"；
mLibVLC.playMyMRL（pathUri）；
}
2.3.2 多線程應用
采用多線程技術可以避免UI線程的阻塞，其中Handler Message[6]方法最為常用。具體操作是在新啟動的線程中發送消息，在主線程中獲取、處理消息，通過回調的方式，主線程能夠處理先啟動線程所發送的消息。
在觀察實驗現象的同時，要對實驗儀器進行控制，這就需要使用多線程來實現，主線程是視頻播放，實驗儀器控制就會開啟新的子線程來執行，簡單的代碼實現如下：
在主線程中定義handler：
private Handler handler = new Handler（）
{
@Override
public void handleMessage（Message msg） {
super.handleMessage（msg）；
switch（msg.what）{
case 1：
……
break；
} } }
在另一線程中執行任務：
Message message = new Message（）；
message.what = 1；
handler.sendMessage（message）；
控制實驗儀器通過Socket通信[7]實現，包括3個步驟：建立連接、發送數據、關閉套接字。核心代碼如下：
private Socket client = null；
client = new Socket（"222.200.152.122"，8888）；
PrintWriter out = new
PrintWriter（client.getOutputStream（））；
out.println（"#"）；
out.flush（）；
client.close（）；
整個Socket通信過程需要采用try…catch機制。
2.3.3 HTML5
在Android WebView控件中使用JavaScript，必須在WebView中使能JavaScript，還要解決亂碼問題，代碼如下：
webView.getSettings（）.setDefaultTextEncodingName（"gbk"）；
webView.getSettings（）.setJavaScriptEnabled（true）；
3 應用實例
使用該客戶端進行操作遠程控制實驗，選用單擺法測重力加速度實驗[10]，因為此實驗需要實時觀察實驗現象、遠程控制電機的開關、采集傳感器數據進行運算等內容，最后通過實驗的完成進而算出重力加速度。通過讀圖，輸入t1=2.79 s，t2=0.83 s，然后客戶端會自動計算出重力加速度，計算原理是由周期T=t2-t1，T=2π[Lg]，得到重力加速度g=[4π2LT2]，客戶端的數據處理界面如圖3所示。
4 結 語
本文設計的客戶端，結合基于C/S模式的遠程控制實驗系統，實現了在客戶端上通過互聯網完成遠程實驗的操作過程。實時觀察實驗現象、低延時控制實驗設備、準確處理實驗數據等功能增強了遠程實驗的真實感，有助于更好地掌握實驗原理。本客戶端除了應用到以上實驗外，還可以應用到其他物理實驗的教學當中?；贏ndroid平臺的遠程實驗客戶端突破了傳統實驗的時空限制，提高了實驗設備的利用率，最大限度地共享實驗教學資源。
圖3 數據處理界面圖
參考文獻
[1] 吳先球，劉朝輝，葉穗紅，等.網絡環境下遠程實驗的技術探討[J].實驗技術與管理，2008，25（6）：30?33.
[2] 公磊，周聰.基于Android的移動終端應用程序開發與研究[J].計算機與現代化，2008（8）：85?89.
[3] 劉龍飛，章堅武.基于H.264的Web視頻監控客戶端設計與實現[J].現代電子技術，2011，34（19）：27?30.
[4] 李宗辰，朱秀昌.基于VLC的Android多路視頻監控系統[J].現代電子技術，2013，36（24）：63?66.
[5] 楊豐盛.Android應用開發揭秘[M].北京：機械出版社，2010.
[6] 閆偉，葉建栲.多線程技術在Android手機開發中的應用[J].信息通信，2012（1）：46?47.
[7] 孫劍，董超，夏繼媛，等.基于Android的Socket（TCP/IP）在LED燈光控制系統中的應用[J].深圳職業技術學院學報，2012（5）：19?23.
[8] 龐程，崔宣，粟潘，等.基于Android平臺HTML5的研究與實現[J].機械管理開發，2012（6）：136?137.
[9] 佚名.HTML
[10] 張冠芬.單擺智能化測量重力加速度實驗的研究[J].菏澤學院學報，2012，34（2）：50?55.
