远程实验控制平台的设计与实现

摘 要：本文针对远程实验教学中实验仪器设备的远程控制、安全智能管理和实验对外开放等问题，采用嵌入式技术、网络通信技术、Web应用技术结合教育身份号的实名认证技术设计和开发一个远程实验控制平台。实现对远程实验室实验项目的在线预约、远程操控、智能管理以及对远程实验设备的故障检测与用户访问安全控制，为实验的远程操控和对外开放创造条件。

关键词：远程实验；实名认证；智能管理；安全控制

中图分类号：TP315 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2017）03-0080-05

引言

远程实验是远程教学发展中不可缺少的重要组成部分，对于远程实验的控制管理更是远程实验模式的重要研究方向[1-3]。远程实验控制管理的实现主要包含了嵌入式技术、物联网技术、仪器仪表控制技术、Web技术和实名制管理技术等，其目标在于打造一个统一而便捷的远程实验教学和管理平台，帮助解决实验控制平台建设、资源共享与对外开放问题[4、5]。目前世界各大高校和研究机构已经投入大量资金对远程实验模式进行相关的研究，并取得丰富的研究成果，如拉斯维亚斯中央大学设计的关于自动化控制的远程实验系统，北京邮电大学设计的基于ARM的远程实验控制系统[6-8]。

本文在远程实验操作平台设计[9]的基础上，探索基于教育身份号的实名制[10、11]远程实验控制平台，为远程实验模式在控制管理方面提供新思路。

一、总体设计

远程实验控制平台是一个对社会开放的实验服务平台，目的在于整合有限的实验资源采用有偿或无偿方式开放给高校和社会使用，提高实验资源的利用率，促进教育手段的多样化发展。为满足用户进行远程实验和管理员管理平台事务需求，并大大提升平台服务能力、对外开放能力和解决平台安全访问控制与高效率智能管理问题，远程实验控制平台需实现实验在线预约、实验远程操作、管理员平台事务管理、仪器设备安全控制和用户安全访问控制，本平台系统结构和模块设计如下。

1.系统结构

平台采用B/S+“实验仪器仪表”结构进行构建，根据设备的功能和所在位置的不同，平台分为用户层、服务处理层和实验设备控制层，用户层与服务处理层之间利用Internet进行通信，服务处理层与实验设备控制层之间通过局域网进行通信。远程实验控制平台系统结构如图1所示。

用户层主要由客户端组成，普通用户通过PC或移动设备在线访问远程实验控制平台，通过实名方式在该平成特定实验信息的浏览、预约、操作。管理员通过身份验证进入后台实现对平台事务的管理，层主要为用户提供一个平台访问窗口，完成用户与平台之间的交互请求和信息交换。

服务处理层主要由Web服务、实名认证服务器、数据库服务和视屏服务器组成，该层主要响应客户端用户的命令请求，完成平台实名用户的身份认证、实验资源请求命令的转发、实现与实验设备控制层之间的通信管理和数据交换，完成对实验设备的分配与调度，同时还提供对实验实时视屏的传输和处理服务，并作为实验数据处理、存储与交换的中心。

实验设备控制层主要由实验仪器仪表、控制设备、传感器、IP摄像机和实验现场控制器组成，传感器包括温湿度、光线、电磁、压力等传感器，实验现场控制器由STM32和BCM2836芯片的树莓派二代组成。该层主要实现实验设备调度控制、执行实验操作命令、完成实验过程的监控和实验数据获取功能。实验设备控制层根据不同的实验进行软硬件配置，然后设立统一的接口配置供服务层分配与调度。

2.平台功能模块划分

根据“低耦合、高内聚”的模块划分原则将平台从前后台两方面分为九大功能模块，分别为用户实名认证模块、实验信息展示模块、实验在线预约模块、实验远程操作模块、个人管理中心模块，实验信息管理模块、设备信息管理模块、用户信息管理模块、设备故障检测管理模块，其系统功能模块划分如图2所示。

二、核心功能模块设计

平台的核心功能模块包括用户实名认证模块、实验在线预约模块、实验远程操作模块和设备故障检测模块。通过用户实名认证模块能够实现用户与设备的安全访问控制，是平台安全控制的保障。实验在线预约模块是用户对实验资源有效分配、防止资源争夺、资源合理有序使用的保证措施。实验远程操作模块提供了对实验仪器仪表的标准化访问与操控，配置统一的接入方法，方便更多实验项目的扩展。设备故障检测模块针对远程控制的复杂性和用户操作的不可控制性而发生的设备故障问题，即时发现并通知管理员进行故障处理，是对实验设备的智能管理。

1.用户实名认证模块设计

采用基于教育身份证号（e2ID）的实名认证服务来实现用户的安全访问和用户的实名管理[12]。教育身份证号是与单位代码、居民身份证号码等经过特定生成算法生成的唯一标识码。用户实名认证包括客户端用户信息输入、实名认证调用、实名认证服务处理和用户信息存储四个子模块，用户实名认证模块设计如图3所示。

用户在远程实验控制平台客户端进行用户注册，在客户端用户信息输入模块中输入正确的用户姓名、身份证号和在实名认证服务机构注册生成的e2ID，提交用户信息到实名认证服务处理模块，进行相关参数格式的验证，然后通过调用实名认证调用模块中的服务进行远程服务调用，完成实名验证，若返回验证成功则实名认证服务处理模块调用用户信息存储模块将用户信息存储到数据库中并为用户创建唯一的身份信息标识，同时返回给客户端用户注册成功，如果验证失败则直接返回给客户端用户注册失败，用户不能访问该平台。用户在通过实名认证注册成功后，便可采用此身份安全便捷的访问远程实验平台、享受相关实验服务，用户在平台上的进行的相关操作都将在数据库中记录下来同时根据用户的相关权限进行操作限制。

2.实验在线预约模块设计

实验在线预约模块包含实验设备号、日期、时段选择，资源可预约预判、资源锁定，预约扣费，账户充值和个人实验预约管理六个子模块。根据实验服务跟踪调查和统计，每天二十点到早上五点是平台访问人数最少甚至没有人访问的时间，管理员可进行设备的检测、服务更新与数据备份等事宜。该时段平台不对外开放甚至从节能的方面考虑停止远程实验设备相关工作。模块设计中将每天设备工作时间（5：00到20：00）按照30分钟一个时段划分成36个时段，用户可以选择一个或多个时段进行预约，预约流程图如图4所示。