面向創(chuàng)客教育的智能硬件快速開發(fā)云平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙政 張龍 徐純森 周欣欣

摘? ?要：文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款面向創(chuàng)客教育的、簡(jiǎn)單、快捷、實(shí)用的智能硬件在線開發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用虛擬化技術(shù)建立虛擬機(jī)、構(gòu)建云平臺(tái)，使云平臺(tái)解決彈性伸縮和動(dòng)態(tài)調(diào)配問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了“圖形化集成開發(fā)平臺(tái)”，降低了智能硬件開發(fā)的門檻，提高了資源管理效率。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)客教育;云平臺(tái);圖形化;硬件快速開發(fā)

創(chuàng)客（Maker）一詞起源于2001年美國(guó)MIT比特與原子研究中心發(fā)起的制作實(shí)驗(yàn)室（Fabrication Laboratory，F(xiàn)ab Lab）創(chuàng)新項(xiàng)目，該項(xiàng)目以個(gè)人創(chuàng)意、個(gè)人設(shè)計(jì)、個(gè)人制造為核心理念[1-2]。《教育部教育裝備研究與發(fā)展中心2017年工作要點(diǎn)》（裝備中心〔2017〕7號(hào)）強(qiáng)調(diào)要積極探索新理念、新方式，持續(xù)關(guān)注創(chuàng)客對(duì)中小學(xué)教育、課程發(fā)展的影響，開展虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在教育教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用研究，目的是讓創(chuàng)客在學(xué)習(xí)理論上減少時(shí)間，隨時(shí)隨地轉(zhuǎn)化想法，為后續(xù)的創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)做準(zhǔn)備[2]。

為了解決在傳統(tǒng)硬件系統(tǒng)開發(fā)過程中，需要經(jīng)過器件選型、設(shè)計(jì)硬件原理圖、軟件編程等多個(gè)環(huán)節(jié)，開發(fā)過程復(fù)雜、周期長(zhǎng)、門檻高，非專業(yè)人員往往無法完成硬件系統(tǒng)開發(fā)的問題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了“圖形化集成開發(fā)平臺(tái)”，把復(fù)雜、繁瑣、費(fèi)時(shí)的開發(fā)過程簡(jiǎn)化為通過對(duì)虛擬器件選取、拖拽相應(yīng)的功能模塊并設(shè)好相關(guān)參數(shù)，就可以自動(dòng)生成程序，編譯后即可下載到用戶開發(fā)板中，完成硬件系統(tǒng)開發(fā)。“圖形化集成開發(fā)平臺(tái)”為使用者提供了一種快速、簡(jiǎn)便、開放的硬件系統(tǒng)開發(fā)方式，使非專業(yè)人員也能通過簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)，也能開發(fā)出屬于自己的創(chuàng)意智能硬件作品。通過虛擬化技術(shù)搭建“云平臺(tái)”，使系統(tǒng)能夠支持大規(guī)模用戶訪問，提高服務(wù)可靠性，滿足用戶隨時(shí)隨地獲得優(yōu)質(zhì)服務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)了“硬件云端開發(fā)，編程在線燒寫”，具有先進(jìn)性。

1? ? 系統(tǒng)架構(gòu)及相關(guān)技術(shù)

1.1? 系統(tǒng)架構(gòu)

平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)采用客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（Client/Server，C/S），通過將任務(wù)合理分配到Client端和Server端，降低了系統(tǒng)的通信開銷。系統(tǒng)主要由3部分組成，分別是用戶端程序、服務(wù)器、虛擬機(jī)，用戶以用戶端程序的形式訪問服務(wù)器，設(shè)備各個(gè)模塊都以圖形化的形式傳回用戶端程序并在程序中呈現(xiàn)出來，圖形化集成包括圖形化硬件設(shè)計(jì)、圖形化編程、圖形化消息機(jī)制，用戶根據(jù)需求進(jìn)行模塊的點(diǎn)選、模塊間的連接，進(jìn)而生成相應(yīng)設(shè)備圖。服務(wù)器主要負(fù)責(zé)移動(dòng)端自然語言處理和系統(tǒng)資源的彈性收縮和動(dòng)態(tài)分配。智能硬件快速開發(fā)云平臺(tái)系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

1.2? 系統(tǒng)處理過程

當(dāng)用戶用手機(jī)或者PC機(jī)通過智能硬件快速開發(fā)應(yīng)用發(fā)出請(qǐng)求，則直接通過固定IP地址訪問服務(wù)器，由相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)分配發(fā)送到相應(yīng)的虛擬機(jī)上，虛擬機(jī)具有主動(dòng)上報(bào)請(qǐng)求程序，可以和服務(wù)器主動(dòng)建立連接，虛擬機(jī)中具有自然語言識(shí)別軟件，可以識(shí)別用戶在智能硬件快速開發(fā)應(yīng)用輸入的語言請(qǐng)求。用戶的請(qǐng)求信息會(huì)通過socket端口分配給相應(yīng)的虛擬機(jī)，如果虛擬機(jī)不夠，系統(tǒng)發(fā)出指令，后臺(tái)自動(dòng)增加虛擬機(jī)數(shù)量，虛擬機(jī)與服務(wù)器主動(dòng)建立連接。系統(tǒng)基于資源調(diào)度算法自動(dòng)以CPU占用率和內(nèi)存為目標(biāo)執(zhí)行系統(tǒng)資源調(diào)度，原則是每個(gè)虛擬機(jī)至少留出20%空間，空間低于20%的虛擬機(jī)，系統(tǒng)不會(huì)再分配任務(wù);對(duì)于整體虛擬機(jī)，整體占用空間超出80%，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)建立新的虛擬機(jī)，當(dāng)虛擬機(jī)空間冗余時(shí)，會(huì)自動(dòng)釋放虛擬機(jī)。

1.3? 虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是指把一個(gè)物理單元虛擬成多個(gè)邏輯單元，供多個(gè)應(yīng)用一起使用。應(yīng)用程序都可以在相互獨(dú)立的空間內(nèi)運(yùn)行而互不影響，從而顯著提高計(jì)算機(jī)的工作效率[3-4]。本系統(tǒng)采用全虛擬化，指虛擬操作系統(tǒng)與底層硬件完全隔離，由中間層轉(zhuǎn)化虛擬客戶操作系統(tǒng)對(duì)底層硬件的調(diào)用代碼，全虛擬化無需更改客戶端操作系統(tǒng)、兼容性好。利用虛擬化技術(shù)將本系統(tǒng)下的所有實(shí)體資源，如硬件連線、編譯系統(tǒng)、自然語言的生成、服務(wù)器、存儲(chǔ)、應(yīng)用等，予以抽象、轉(zhuǎn)換后呈現(xiàn)出來，打破實(shí)體結(jié)構(gòu)間的不可切割的障礙，用戶無需感知操作系統(tǒng)、中間件、應(yīng)用等技術(shù)細(xì)節(jié)。虛擬化技術(shù)使底層差異封裝為應(yīng)用的統(tǒng)一接接口，用戶由同一接口只需要根據(jù)自己的需求。通過云計(jì)算平臺(tái)選取相應(yīng)的服務(wù)。使用戶可以比原本的組態(tài)更好的方式來應(yīng)用這些資源。這些資源的虛擬部分是不受現(xiàn)有資源的架設(shè)方式、地域或物理組態(tài)所限制。

1.4? 彈性伸縮和動(dòng)態(tài)分配問題

在云資源彈性調(diào)度的研究過程中，單一的彈性資源管理機(jī)制或動(dòng)態(tài)調(diào)度算法并不能滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分配資源的需求，需要將二者作為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)中相互協(xié)同的構(gòu)件研究調(diào)度方法對(duì)系統(tǒng)的影響。本系統(tǒng)使用基于時(shí)間序列的線性預(yù)測(cè)方法和面向用戶需求的協(xié)同調(diào)度算法，提出了云資源彈性調(diào)度總體框架。

云資源彈性調(diào)度總體框架包括資源分配層、資源管理層、資源調(diào)度層3個(gè)主要層次。資源分配層系統(tǒng)依據(jù)上一層的分配策略完成資源結(jié)點(diǎn)與用戶任務(wù)的對(duì)接;資源管理層是用于完成資源結(jié)點(diǎn)的收集與定義，根據(jù)資源結(jié)點(diǎn)負(fù)載情況和系統(tǒng)負(fù)載情況對(duì)云資源進(jìn)行管理;資源調(diào)度層是依據(jù)下一層反饋的當(dāng)前系統(tǒng)負(fù)載情況和用戶需求統(tǒng)計(jì)、設(shè)計(jì)資源分配策略，供給資源管理層進(jìn)行調(diào)度管理。

2? ? 智能硬件快速開發(fā)云平臺(tái)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)在H3C CAS云計(jì)算管理平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)，可視化統(tǒng)計(jì)與檢測(cè)主機(jī)與虛擬機(jī)的CPU與內(nèi)存的占用率，能夠?qū)崿F(xiàn)云資源調(diào)度，主動(dòng)添加集群，主機(jī)和虛擬機(jī)。在H3C CAS云計(jì)算管理平臺(tái)中，添加虛擬機(jī)的方法主要是從虛擬機(jī)集群中直接添加虛擬機(jī)。從集群中直接添加虛擬機(jī)，可以從操作系統(tǒng)、版本、主機(jī)、系統(tǒng)配置方面自定義設(shè)置。系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖2所示。

3? ? 結(jié)語

“面向創(chuàng)客教育的智能硬件快速開發(fā)云平臺(tái)”是一款簡(jiǎn)單、快捷、實(shí)用的智能硬件在線開發(fā)系統(tǒng)。該平臺(tái)利用CAS虛擬化軟件，F(xiàn)lexServer服務(wù)器和FlexStorage存儲(chǔ)器等虛擬化技術(shù)搭建云平臺(tái)，利用云平臺(tái)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)處理能力，實(shí)現(xiàn)了智能硬件的云端開發(fā)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了“圖形化集成開發(fā)平臺(tái)”，極大地降低了智能硬件開發(fā)的門檻，該系統(tǒng)有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)教育對(duì)學(xué)生創(chuàng)造能力培養(yǎng)不足的缺失。

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