基于物聯網技術的遠程操控試驗系統設計

阮曉芳

摘要：物聯網是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的又一次技術飛躍。物聯網是在互聯網基礎上發展而來，是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡，使物品與物品之間、物品與人之間進行信息交換和通信。遠程操控實驗涉及的實驗設備、實驗數目較多，本文擬將物聯網技術、遠程控制技術、移動無線技術和在線教育相融合，構建基于物聯網技術的遠程控制實驗系統，把遠程控制試驗設備與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，對遠程控制試驗設備實現智能化識別、監控和管理。

關鍵詞：物聯網 射頻識別 遠程實驗 在線教育

中圖分類號：TP872 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0138-02

1 引言

物聯網又稱為傳感網，是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的又一次信息技術革命。物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，其用戶端延伸和擴展到了任何物品，使物品與物品之間，通過網絡進行信息交換和通信。因此，物聯網是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器、氣體感應器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡，物聯網是“物與物相連的互聯網”[1]。隨著物聯網技術的發展，使世界上所有的物體，從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過網絡主動進行信息的交換。物聯網技術的應用非常廣泛，包括綠色農業、智能工業、智能物流、能源電力、公共安全、市政管理、節能環保、遠程醫療、智能家居、智能交通、金融保險和在線教育等領域，極大的改變了我們的工作、學習和生活方式。

在線教育是對傳統課堂教育的補充，是通過應用信息科技和互聯網技術進行內容傳播和快速學習的一種方法。借助網絡課件，學員可以隨時隨地進行學習，真正打破了時間和空間的限制，對于工作繁忙，學習時間不固定的在職人員而言網絡遠程教育是最方便不過的學習方式[2]。在線教育在理論知識的學習上提供了方便，但對于理工科專業而言，實踐教學有著不可替代的作用。隨著MOOC大規模在線課程的推廣和普及，與課程對應的遠程開放實驗也得到極大發展。遠程實驗大致分為兩類，一類是基于計算機仿真的虛擬實驗，一類是通過網絡遠程操作實驗設備，從實驗設備中采集真實數據進行分析的遠程控制實驗，本文重點討論遠程控制實驗，構建基于物聯網技術的遠程控制實驗系統，把遠程控制實驗設備與互聯網連接起來，使設備間能信息交換和通訊，對遠程控制試驗設備實現智能化識別、監控和管理。

2 遠程控制實驗的發展

遠程控制實驗室提供真實的物理設備，將物理設備接入服務器，服務器與設備間通過總線或RS-232接口進行連接，客戶端用戶在異地通過網絡遠程連接到實驗設備上，對設備發出指令可以進行遠程操作，所有采集的實驗數據通過網絡返回給用戶。[3]這些數據都是在實際物理環境干擾下獲得的真實實驗數據。遠程控制實驗室實現了實驗設備的遠程共享，避免了重復建設。遠程控制的實驗室發展已經推廣到了美國、歐洲、澳洲、中國等全球大部分地區。

遠程控制實驗室在國內外已有很多成功案例，麻省理工大學MIT所建的iLab遠程共享實驗室，目前已開發出多個遠程共享實驗。通過搭建iLab站點，全球其他院校的用戶就可以通過互聯網訪問MIT的優質實驗資源，設置實驗參數，通過網絡遠程控制實驗儀器，實驗完成后結果及數據會返回至用戶終端。大連理工大學就從麻省理工學院引入微電子器件、電工電子等實驗，學生可以在網上遠程控制麻省理工學院實驗儀器設備，進行真實實驗；美國霜堡州立大學構建起一個能控制真實儀器的遠程化學實驗室供學生實驗學習之用；日本法政大學研究中心建立了機器人機械手的遠程控制實驗室，使學生可以隨時隨地的進入課程進行遠程操作實驗和練習[4]；江南大學提供了面向MOOC教學的物聯網遠程實驗室[5]；南京理工大學構建了集遠程監控和控制為一體的PLC遠程實驗室[6]；浙江大學開發了虛實結合的電子網絡實驗室，提供了控制類、電路類、電力電子類、電機類和微處理器類等的遠程控制實驗[7]；東北大學建立了遠程控制理論實驗室，為控制理論研究者提供了一個物理實驗系統，使他們不僅能完成復雜對象控制算法的仿真研究，同時也能夠快速地在物理系統上進行驗證；浙江廣播電視大學搭建了涵蓋會計、電商、電工電子、建筑、計算機等學科的綜合性遠程開放實驗室，其中電工電子技術實驗提供軟硬件協同操作的遠程控制實驗平臺。

雖然基于物理實驗設備的遠程控制實驗已經進入國內外高校的教學領域中，但是對于實驗設備的管理、使用、監控還存在著欠缺，不能很好、及時的共享實驗設備。比如浙江廣播電視大學提供的軟硬件協同操作遠程實驗，每批學生要操作真實實驗需提早通實驗管理員預約，由管理員再安排實驗操作時間，對于實驗設備的管理、監控還需要本地人員參與，因此，本文擬將物聯網技術、遠程控制技術、移動無線技術和在線教育相融合，構建基于物聯網技術的遠程控制實驗系統，把遠程控制試驗設備與互聯網連接起來，對遠程控制試驗設備實現智能化識別、監控和管理[8]。

3 基于物聯網技術的遠程操控實驗系統原理

基于物聯網技術的遠程實驗系統，是將物聯網技術引入分體式的實驗系統中，通過物聯網將實驗設備間、實驗設備與服務器間、實驗設備與學生PC機間進行數據交互，以此監控系統硬件的占用情況、學生完成實驗情況等等。

物聯網是由感知層、網絡層和應用層三個層面構成，感知層由各種傳感器以及傳感器網關構成，包括二維碼標簽、射頻識別RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端，感知層的作用相當于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經末梢，它主要功能是識別物體，采集信息；網絡層由各種私有網絡、互聯網、有線和無線通信網、網絡管理系統和云計算平臺等組成，相當于人的神經中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息；應用層是物聯網和用戶（包括人、組織和其他系統）的接口，它與行業需求結合，實現物聯網的智能應用。

基于物聯網技術的遠程操控實驗系統，從技術架構上來看，也分為三層：感知層、網絡層和應用層，感知層采用二維碼、RFID標簽、讀寫器和攝像頭等，每臺實驗設備和器材都標有二維碼和RFID標簽，實驗管理員掃描設備上的標簽，就能將實驗設備的狀態輸入到系統平臺中，并采集實驗系統的信息；網絡層是學生借助各種網絡、互聯網、有線和無線通信網進行信息交互；應用層是學員與物聯網的接口，學員可以通過手機、移動終端、計算機、筆記本等各種終端設備訪問實驗系統。

4 實驗系統的關鍵技術

實驗系統采用C/S結構，即客戶端/服務器結構，采集到的客戶端數據和遠程實驗數據等通過網絡傳送給服務器進行處理和分析，并將結果輸出給客戶端。實驗平臺的組成包含三層：應用層、網絡層和感知層。

物聯網應用層方面，需要將用戶端的所有需要的信息互通互聯，實現全方位的遠程識別、讀取、操控和互動。只要學員通過計算機、筆記本、手機、PAD、移動終端等訪問了遠程操控實驗系統，用戶端的信息就會被采集，根據采集的信息可以對學員學習的時間、學習的地點、學習的方式進行分析，以此來改進實驗系統或者給學習有困難的學員提供幫助。

物聯網的網絡層，依賴于已經建立好的浙江廣播電視大學遠程開放實驗平臺，通過有線、無線、3G甚至是4G網絡將物聯網的用戶端與遠程控制實驗系統相連接。將用戶端、實驗設備等采集到的數據通過網絡層被傳輸到浙江廣播電視大學遠程開放實驗平臺的服務器上進行數據處理并輸出結果。

物聯網的感知層，是學員借助網絡遠程控制物理實驗系統，通過攝像頭觀察實驗的現象，進而與仿真實驗現象進行比較，對實驗獲得的真實數據進行分析；數字電路、模擬電路、電路分析中涉及的實驗比較多，各個專業根據教學需要進行自由選擇。由于實驗種類繁多，實驗模塊的數量多，需要對這些實驗模塊進行有效管理。物理實驗設備采用RFID射頻技術、實驗內容素材采用二維碼的形式，學生掃描每個實驗的二維碼可以隨時隨地獲知實驗相關知識，基于物聯網技術的遠程控制實驗系統如圖1所示。

遠程操控實驗系統由軟件和物理實驗硬件兩部分組成，軟件平臺借助浙江廣播電視大學遠程開放實驗平臺。物理實驗硬件部分由帶RFID標簽的實驗電路模塊、實驗平臺、現場監控計算機和攝像頭組成，這些實驗設備和服務器放置在浙江廣播電視大學本地實驗室。

學生在異地啟動實驗平臺客戶端程序，通過實驗二維碼預習實驗目的、實驗內容、實驗步驟、實驗器材等，然后進入實驗。根據RFID標簽可獲知實驗設備當前使用狀況，如當前無人使用實驗設備即可進行實驗，如有其他學生正在此設備上做實驗，則進入排隊等候狀態，待其完成實驗后，才能對遠程物理實驗系統進行操作，進而通過攝像頭觀察本地設備的實驗現象。數據采集卡采集到的實驗數據傳送給服務器，學生對實驗數據進行分析，最后填寫實驗報告。

5 結語

基于物聯網技術的遠程操控實驗系統能夠更有效的提高實驗效率和設備的利用率，大大提高了遠程操控實驗的自動化程度，有效減少了資源的浪費，使設備使用率最大化，并將實驗管理人員從繁重的設備管理工作中解脫出來，降低實驗成本，提高了實驗的靈活性，可使學生隨時隨地的操控遠程實驗，將物聯網技術應用于遠程操控實驗是未來遠程實驗室必備的技術之一。

參考文獻

[1]2014年物聯網產業鏈現狀分析[D].中國產業洞察網，2014.

[2]在線教育定義[J].實驗技術與管理.2005，（22）：90-93.

[3]A.Yonekawa，H.Hirano；D. Yoshizawa；M. Iwatsuki. A remote experiment system on robot vehicle control for engineering educations based on World Wide Web[J].IEEE Frontiers in Education，2005（10）.

[4]任小媛，柴志雷.面向MOOC教學的物聯網遠程實驗室[J].單片機與嵌入式系統應用，2015（8）：3-6.

[5]姜建芳，楊秀爽 等.基于WinCCWebNavgator 的PLC 遠程實驗室設計[J].實驗室研究與探索，2008，（12）：58-64.

[6]楊凱.基于虛實結合實驗室的電路原理實驗[D].浙江大學，2013.

[7]蘭水華，丁麗麗，張寶軍，胡進.“虛實結合”實驗教學模式的研究與實踐[J].實驗室科學，2006，（6）：14-16.

[8]于翔，吳夢軒，張勁中，邢益軒，趙海濱.基于物聯網的遠程實驗室系統架構設計[J].物聯網技術，2014，（8）：80-82.