基于互聯(lián)網(wǎng)的科普展品遠(yuǎn)程操作和體驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

譚　杰, 韓景紅, 楊　濤, 王京春

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)館, 北京　100012)

?

基于互聯(lián)網(wǎng)的科普展品遠(yuǎn)程操作和體驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

譚杰, 韓景紅, 楊濤, 王京春

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)館, 北京100012)

為提高科普展品的使用效率和開(kāi)放共享水平,提出了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的科普展品遠(yuǎn)程操作和體驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件主要包括直播設(shè)備、流媒體服務(wù)器、遠(yuǎn)程控制模塊、Web服務(wù)器；軟件主要包括用戶(hù)操作、瀏覽界面和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)管理程序。以聲駐波展品為例說(shuō)明科普展品遠(yuǎn)程操作和體驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。此系統(tǒng)以互聯(lián)網(wǎng)為媒介,幾乎無(wú)限制地延伸了展品的操作、體驗(yàn)范圍,同時(shí)提供了一個(gè)不斷豐富體驗(yàn)內(nèi)容和形式的基礎(chǔ)平臺(tái)。

科普教育； 科普展品； 遠(yuǎn)程操作； 互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

科普教育是向大眾傳播科學(xué)知識(shí)、樹(shù)立科學(xué)觀點(diǎn)的重要途徑[1]。然而我國(guó)的科普?qǐng)鏊⒖破召Y源多集中于大城市和優(yōu)勢(shì)學(xué)校,二、三線(xiàn)城市以及邊遠(yuǎn)地區(qū)科普資源嚴(yán)重短缺?？破召Y源的開(kāi)放與共享已經(jīng)成為目前科普教育亟待解決的問(wèn)題,在我國(guó)科普工作中是一項(xiàng)基礎(chǔ)性、牽動(dòng)性、突破性的工作[2]。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)相結(jié)合形成的“互聯(lián)網(wǎng)+”既是一種概念,也是一種技術(shù)。目前，“互聯(lián)網(wǎng)+展覽”開(kāi)始在國(guó)內(nèi)外興起。例如百度已經(jīng)推出了數(shù)字博物館,通過(guò)全景攝像頭可以實(shí)時(shí)展示全國(guó)218家博物館中的展品。然而，百度數(shù)字博物館并沒(méi)有在線(xiàn)操作功能。對(duì)于科普展品而言,操作是科普體驗(yàn)最重要的環(huán)節(jié),“延伸手臂”甚至比“打造千里眼”更重要?；诖?本文設(shè)計(jì)了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的科普展品遠(yuǎn)程操作和體驗(yàn)系統(tǒng),借助遠(yuǎn)程控制技術(shù)解決當(dāng)前“互聯(lián)網(wǎng)+展覽”缺乏操作體驗(yàn)的“最后一公里”問(wèn)題[3-12]。

1　科普展品遠(yuǎn)程操作和體驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)的特點(diǎn)和基本要求

基于互聯(lián)網(wǎng)的科普展品遠(yuǎn)程操作和體驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1) 用戶(hù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可即時(shí)體驗(yàn)優(yōu)質(zhì)科普展品,而無(wú)需前往科普教育場(chǎng)所,實(shí)現(xiàn)科普資源的共享；

(2) 可以24小時(shí)提供服務(wù),解決了科普?qǐng)鏊_(kāi)放時(shí)間限制問(wèn)題,成為不閉館的科普教育平臺(tái)；

(3) 無(wú)人值守、多人同時(shí)觀看,降低科普教育場(chǎng)所的運(yùn)營(yíng)成本,提高展品利用的效率；

(4) 操作具有開(kāi)放性,可提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)下載、支持一定的課題研究,提高用戶(hù)的體驗(yàn)水平。

基于互聯(lián)網(wǎng)的科普展品遠(yuǎn)程操作和體驗(yàn)系統(tǒng)以互聯(lián)網(wǎng)為媒介,實(shí)時(shí)傳輸聲、光、電信息和控制指令,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程聽(tīng)、觀、感和操作。遠(yuǎn)程聽(tīng)、觀、感實(shí)際上就是現(xiàn)場(chǎng)直播,需要實(shí)時(shí)攝像等；遠(yuǎn)程操作則需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸控制指令,將控制指令轉(zhuǎn)換為電、機(jī)械等驅(qū)動(dòng)信號(hào),并保障驅(qū)動(dòng)信號(hào)的準(zhǔn)確性。作為一個(gè)系統(tǒng),還要考慮展品管理、用戶(hù)管理、日志管理等多方面的內(nèi)容。

1.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于互聯(lián)網(wǎng)的科普展品遠(yuǎn)程操作和體驗(yàn)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　展品硬件結(jié)構(gòu)圖

直播設(shè)備將展品運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)、全方位地轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)信號(hào),供操作體驗(yàn)終端接收,可以包括影像、聲音以及其他信號(hào),要能夠反映展品運(yùn)行的特征。如果僅僅是影像、聲音信號(hào),則需要相應(yīng)的攝像機(jī)；如果需要其他信號(hào),還要配備相應(yīng)的傳感器。直播設(shè)備需要相應(yīng)的硬件接口。

流媒體服務(wù)器接收直播設(shè)備的信號(hào)并提供遠(yuǎn)程服務(wù),其能力要與信號(hào)和負(fù)荷匹配。

Web服務(wù)器主要提供遠(yuǎn)程操作接口、接收遠(yuǎn)程操作指令并將信號(hào)傳輸給本地控制系統(tǒng)。此外,它還要具有瀏覽、過(guò)程和日志數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、用戶(hù)管理等功能。

遠(yuǎn)程控制轉(zhuǎn)換模塊接收Web服務(wù)器傳輸?shù)挠脩?hù)指令并解析執(zhí)行,然后返回執(zhí)行結(jié)果。

智慧鄉(xiāng)村是以智慧的理念、方式和手段來(lái)發(fā)展農(nóng)村，注重的是綠色、生態(tài)和高效，智慧鄉(xiāng)村不能簡(jiǎn)單復(fù)制智慧城市，通過(guò)信息基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)制，實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)一體追求相同水準(zhǔn)；通過(guò)產(chǎn)業(yè)特色復(fù)制，全方位大力推廣“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”；通過(guò)管理服務(wù)復(fù)制，城區(qū)信息系統(tǒng)直接部署鄉(xiāng)村；通過(guò)投資模式復(fù)制，讓社會(huì)力量城市投資建設(shè)主體?？傊?，就是要用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通世界，用科技填平城鄉(xiāng)差距，實(shí)現(xiàn)資源互補(bǔ)。

操作體驗(yàn)終端為用戶(hù)提供操作和體驗(yàn)接口，由PC機(jī)搭載常用操作系統(tǒng)和瀏覽器即可進(jìn)行操作體驗(yàn)。若有特殊信號(hào),如3D信號(hào),則需要有3D播放設(shè)備；若有其他感觸覺(jué)信號(hào),也需要相應(yīng)的設(shè)備和接口。

展品包括各類(lèi)適合進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制的展品。

1.3系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件安裝在Web服務(wù)器上,可以分成兩部分:一是供用戶(hù)操作、瀏覽的Web網(wǎng)頁(yè)；二是遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)管理程序。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2　遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

Web網(wǎng)頁(yè)是用于遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的人機(jī)接口界面。用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)中的控制按鈕發(fā)送控制命令,并接收流媒體提供的流媒體信息。

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)管理程序是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的中樞部分,它實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程PC與現(xiàn)場(chǎng)展品的交互、用戶(hù)行為判斷與管理、用戶(hù)指令的解析和執(zhí)行。

用戶(hù)登錄Web網(wǎng)頁(yè),進(jìn)入特定展品互動(dòng)操作頁(yè)面。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)管理程序先審查用戶(hù)的合法性,賦予用戶(hù)相應(yīng)的操作權(quán)限。例如用戶(hù)選擇進(jìn)入隊(duì)列,管理程序先將其添加入隊(duì)列,隨后根據(jù)排隊(duì)邏輯判斷是否屬于隊(duì)列的第一位,如果屬實(shí)則賦予展品操作權(quán)限。

取得操作權(quán)限的用戶(hù)對(duì)展品進(jìn)行特定操作,發(fā)出操作命令。管理程序再對(duì)指令進(jìn)行邏輯判斷、解析,通過(guò)對(duì)應(yīng)的展品控制模塊執(zhí)行指令并返回結(jié)果。

2　以聲駐波展品為例的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

聲駐波展品的基本原理如下:

展品主體由一粗一細(xì)兩個(gè)透明圓管組成,粗圓管內(nèi)置一個(gè)揚(yáng)聲器,細(xì)圓管內(nèi)盛放約1/4體積的彩色圓形塑料顆粒。展品前端設(shè)有開(kāi)關(guān)和頻率調(diào)節(jié)旋鈕及顯示頻率的LED屏(見(jiàn)圖3)。

圖3　聲駐波展品

操作時(shí),觀眾按下展品開(kāi)關(guān),揚(yáng)聲器發(fā)聲,聲音在透明圓管內(nèi)向另一端傳播,后被封閉的管端反射，沿原路返回,形成聲駐波。圓管中彩色塑料顆粒隨著聲波跳動(dòng),并且在聲駐波波峰位置塑料顆粒跳得很高,而在波谷位置塑料顆粒則跳得很低,由此直觀顯示了聲駐波現(xiàn)象。通過(guò)旋鈕調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器發(fā)聲頻率,彩色塑料顆粒形成的波峰波谷位置會(huì)隨之改變,LED屏則即時(shí)顯示當(dāng)前頻率數(shù)。

2.2基于互聯(lián)網(wǎng)的聲駐波展品遠(yuǎn)程操作體驗(yàn)系統(tǒng)

聲駐波展品的體驗(yàn)主要是通過(guò)小球的跳動(dòng)了解聲駐波現(xiàn)象,可以通過(guò)攝像機(jī)進(jìn)行直播；而對(duì)其控制則需要遠(yuǎn)程操控開(kāi)關(guān)和頻率調(diào)節(jié)旋鈕。遠(yuǎn)程操作體驗(yàn)系統(tǒng)需要在一般結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)控制和展示的電子化。

(1) 在線(xiàn)控制開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)。在線(xiàn)控制開(kāi)關(guān)是利用有以太網(wǎng)接口的繼電器輸出控制板實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與繼電器輸出控制板連接,通信協(xié)議為Modbus-TCP控制協(xié)議,繼電器輸出控制板與聲駐波展品的開(kāi)關(guān)連接。計(jì)算機(jī)根據(jù)Modbus-TCP控制協(xié)議向繼電器輸出控制板發(fā)送開(kāi)關(guān)指令,從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制聲駐波展品的開(kāi)與關(guān)(見(jiàn)圖4左)。

(2) 在線(xiàn)控制頻率的實(shí)現(xiàn)。實(shí)體展品是通過(guò)調(diào)節(jié)電路中的可變電阻實(shí)現(xiàn)聲源頻率控制的。計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與模擬量輸出控制板連接(見(jiàn)圖4右),通信協(xié)議為Modbus-TCP控制協(xié)議。

圖4　展品控制模塊原理示意圖

2.3用戶(hù)操作體驗(yàn)方式

遠(yuǎn)程用戶(hù)操作體驗(yàn)聲駐波展品的步驟如下：

(1) 連接網(wǎng)絡(luò)，訪(fǎng)問(wèn)展品控制系統(tǒng)頁(yè)面。

(2) 選擇“聲駐波”展品,進(jìn)入該展品的體驗(yàn)網(wǎng)頁(yè)。該頁(yè)面設(shè)置有開(kāi)始、排隊(duì)、取消排隊(duì)、放大、縮小、看一看、玩一玩、重播等幾個(gè)按鈕。在該頁(yè)面,用戶(hù)可以即時(shí)看到聲駐波的現(xiàn)象,但如果想動(dòng)手體驗(yàn),則須點(diǎn)擊排隊(duì)按鈕,進(jìn)入排隊(duì)序列。點(diǎn)擊排隊(duì)按鈕后,按鈕變成“取消排隊(duì)”,用戶(hù)可以點(diǎn)擊該按鈕退出排隊(duì)。

(3) 當(dāng)用戶(hù)排到隊(duì)列的第一位時(shí),獲得操作展品資格，可點(diǎn)擊體驗(yàn)界面的“開(kāi)始”按鈕,同時(shí)出現(xiàn)控制頻率的滑塊。拉動(dòng)滑塊,將可以從視頻中觀察到聲音頻率變化的效果(見(jiàn)圖5)。

圖5　聲駐波的用戶(hù)操作界面

(4) 每輪體驗(yàn)時(shí)間約為1 min。用戶(hù)獲操作資格后超過(guò)20 s不操作展品,將自動(dòng)退出體驗(yàn)序列。

3　結(jié)語(yǔ)

將基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制技術(shù)與傳統(tǒng)科普展品相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)科普展品的“互聯(lián)網(wǎng)+”,很好地解決了科普資源空間和時(shí)間限制問(wèn)題,達(dá)到了很好的科普體驗(yàn)效果。本展品的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)實(shí)現(xiàn),為今后優(yōu)質(zhì)科普資源的開(kāi)發(fā)、科普資源均等化、“互聯(lián)網(wǎng)+展覽”以及科普工作OTO提供了一種解決方案。

References)

[1] 路景菊,張樂(lè)平.科普教育的反思與對(duì)策[J].社會(huì)科學(xué)論壇:學(xué)術(shù)研究卷,2005(9):127-128.

[2] 莫揚(yáng).我國(guó)科普資源共享實(shí)踐中的難點(diǎn)、誤區(qū)及問(wèn)題分析[J].科學(xué)對(duì)社會(huì)的影響,2009(4):15-18.

[3] 吳小紅.基于B/S的倒立擺遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].控制工程,2005,12(1):87-89.

[4] 唐鴻儒,宋愛(ài)國(guó),張麗紅,等.建設(shè)Internet實(shí)驗(yàn)室,共享貴重實(shí)驗(yàn)設(shè)備[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2009,26(8):158-162.

[5] 汪胡青,林建中.實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中遠(yuǎn)程控制模塊的實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2012,10(1):64-66.

[6] 董有爾,陳寶明.遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2006,23(7):75-78.

[7] 何祥,吳慶憲.基于C/S與B/S模式的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].電光與控制,2005,12(5):86-89.

[8] 王玉峰,王常虹,滕飛,等.基于Internet的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].測(cè)控技術(shù),2004,23(2):44-45.

[9] 張麗紅,唐鴻儒.基于Internet遠(yuǎn)程過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2010,23(10):49-50.

[10] 何超,俞立,張丹.遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)Web系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,37(5):473-476.

[11] 哀微,黃道平.基于Internet的控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)體系研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2005(增刊1):50-52.

[12] 茹煜,賈志成,范慶妮,等.無(wú)人直升機(jī)遠(yuǎn)程控制噴霧系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(6):47-52.

Design and realization of a popular science exhibits experiencing and operating system based on Internet

Tan Jie, Han Jinghong, Yang Tao, Wang Jingchun

(China Science and Technology Museum,Beijing 100012,China)

A popular science exhibits experiencing and operating system based on Internet is presented to overcome the physical limit,thus to improve the exhibition efficiency,which provides remote experience and operation of the exhibition items. The structure and design,realization are discussed,and an instance of standing sound wave is realized. The system can almost expand the experiencing and operating range without limit,and provide a platform to enrich the items and their exhibition mode.

popular science education; popular science exhibits; remote operation; Internet application

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.034

2016-02-25

譚杰(1985—),男,湖南衡陽(yáng),碩士,助理工程師,主要研究方向?yàn)镮T運(yùn)維.

E-mail：tanjie@cstm.org.cn

TP393；G315

A

1002-4956(2016)9-0134-03