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远程实验平台仪器接入接口设计实现

2019/08/30 阅读:

关键词:远程实验;接口设计;仪器管理;GUID;JSON

随着计算机技术的发展和网络技术的成熟以及教育信息化与现代信息技术的不断发展,信息化教育成为未来教育事业一个可观的发展方向[1-2]。远程实验平台是推广信息化教育的一个重要研究手段,是远程教学发展中不可缺少的重要组成部分[3-4]。目前国内外有众多高校都建立了远程实验平台,但现有的远程实验平台多是接入本校实验仪器,对于如何接入并管理其他学校仪器设备的情况,未作进一步研究,而这些问题也限制了远程实验平台的发展与推广[5-7]。鉴于此,本文针对远程实验平台对外开放难的问题,研究实验仪器与远程实验平台的接入接口的管理与控制,为远程实验平台的对外开放提供了新思路。

1总体设计

本系统的基础——远程实验平台是一个对社会开放的实验服务平台。用户登录远程实验平台后,可通过远程实验平台远程控制实验仪器,可进行远程实验。远程实验平台管理员可通过本接口系统,将外校实验仪器接入远程实验平台。大量实验仪器接入远程实验平台的情况下主要存在以下两个问题:1)实验仪器身份唯一性无法保证而导致的安全隐患;2)实验控制参数不一致而导致的远程实验平台对外开放困难。为解决远程实验平台在对外开放过程中的这些问题,系统需实现实验仪器ID申请审核、仪器ID管理、仪器接入配置、仪器管理等功能。系统功能模块划分如图1所示。

2核心功能模块设计

系统的核心是实验仪器身份标识与接入配置模块。实验仪器身份标识机制是保证实验仪器在接入远程实验平台后身份唯一的重要一步,其保障了远程实验平台的通信安全。该模块主要分为基本信息配置和参数配置两个部分。基本信息配置描述了实验仪器的状态,包括仪器价格、购买时间、实验名称等。参数配置模块主要的目的是赋予实验仪器与实验平台之间的通信权限,生成控制页面,实现实验仪器接入远程实验平台。

2.1仪器ID模块设计

在远程实验平台对外开放的过程中,将存在大量实验仪器接入的情况。为确保远程实验平台的通信安全,实验仪器需要一个唯一的编码值作为仪器ID。系统采用GUID生成实验仪器ID,保证通信系统标识对应的实验仪器身份唯一。GUID是一种由加入了非随机的参数的算法生成的二进制长度为128位的数字标识符,主要运用于拥有多个节点、多台计算机的网络或系统中,符合远程实验室平台的大环境。GUID值由算法自动生成,不需要权威机构来管理。算法自动生成的GUID能产生全球唯一的值,能够作为实验仪器ID,用于远程实验平台作为实验仪器身份唯一标识。系统通过仪器ID的申请、审核机制,赋予接入设备唯一身份标识。仪器ID申请时,管理员用户需要填写申请人名称,申请人手机号码以及申请理由。仪器ID的审核采用人工审核机制,只有超级管理员具备审核权限,超级管理员通过查看用户的申请资料,并核对用户的申请资料进行审核。超级管理员可以查看申请人名称、申请时间、申请人所属机构、申请状态等信息。审核通过后方可生成仪器ID,在接入配置与今后的实验通信中,ID号将作为这台仪器在远程实验平台的身份证。用户可将仪器ID生成二维码,打印后贴于仪器上。用户可通过移动端扫描二维码,直接管理对应实验仪器。编号申请审核流程设计如图3所示。

2.2参数配置方案设计

通过对远程实验的调研分析,将部分实验所需参数类型分为:1)开关类。顾名思义,即开关模式的变量,如启动、暂停、结束等只用两种状态的控制型参数。2)方向类。即方向控制参数,如上、下、左、右、前、后等。3)范围变化类。如增大/减小,或直接写入控制参数数据值。4)实验反馈类。如各类传感器读数。远程实验平台通信采用MQTT(MessageQueuingTelemetryTransport)通信服务技术,具有简洁、轻量级、易于实现的特性。MQTT采用“发布/订阅”模式,按照协议设定三种消息发布服务质量。1)“至多一次”,消息发布依赖底层网络的通信能力,有可能会出现消息丢失、消息重复的情况。此级别可用于传感器数据传输,这类数据丢失一次消息也影响不大。2)“至少一次”,确保消息到达,但消息重复可能会发生。3)“只有一次”,确保消息到达一次。如在计费系统中,消息重复或丢失会导致不正确的结果。本系统采用JSON作为参数提交格式。JSON是一种轻量级的数据交换格式,易于人阅读和编写,同时也易于机器解析和生成。系统设计一个用户JSON编辑区块,由用户填写所需参数,根据系统参数分类选择对应参数类型,根据所填参数通信服务质量要求选择订阅对应的通信服务。确认无误提交后,系统审核验证合法性,如通过验证,将在远程实验平台与通信系统中注册控制参数,并根据用户填写参数生成实验操作页面。参数分为参数配置流程图如图4所示。

2.3仪器管理模块方案设计

仪器管理模块分Web端与移动端,管理员用户可直接通过Web网页,完成对仪器的管理:信息查看、信息修改、删除仪器。这里的信息是指用户通过基本信息配置填写的仪器基本信息(主要内容有设备名称、实验室标识、实验标识、上传图像、购买日期、设备价格、设备状态、使用权重、设备描述)。移动端的管理模块设计是为了实现仪器的便捷管理。在实际实验室中,并非所有的实验室都会配备电脑,如果在实验室设备维护检查过程中,想要管理远程实验平台对应的仪器,还需要抄写下对应仪器ID,再到PC端查询管理,这样对用户管理仪器十分不方便。通过移动端扫描管理,用户只需要用手机扫描仪器ID二维码,就可以直接查看和管理仪器。移动端二维码扫描流程设计如图5所示。用户扫描二维码后,判断用户的身份角色,普通用户只能查看仪器信息,管理员用户方可管理仪器。

3系统功能测试

测试功能包括仪器ID的申请与审核、仪器ID唯一性验证、基本信息配置、仪器管理功能(仪器管理包括:信息查看、信息修改、删除仪器、扫码管理),系统功能测试结果见表1。

4结论

本系统是远程实验平台对外开放的接口,在远程实验平台的基础上,结合GUID与JSON文件传输技术,实现了远程实验平台的仪器接口配置及管理,进一步完善了远程实验平台。推动实现远程实验平台的对外开放,提高实验资源的利用率,促进信息化教育发展。

参考文献:

[1]李薇,杨庆华,赵玉萍.基于物联网技术的智慧实验室近远程测控系统[J].计算机测量与控制,2018,26(11):58-63,68.

[2]谌建飞,邓敏,王永建,等.远程实验控制平台的设计与实现[J].中国教育信息化,2017(3):80-84.

[3]周旋,谌建飞,赵丹,等.声速测量远程实验设计[J].实验技术与管理,2018,35(3):135-139.

[4]陶冲,李宏.远程控制数字系统实验平台设计与实现[J].实验技术与管理,2018,35(1):104-108,115.

[5]王岩燕.基于LabVIEW的中职院校虚拟远程实验室的设计与实现[D].兰州:兰州理工大学,2017.

[6]赵丹,谌建飞,邓敏,等.基于MQTT的步进电机远程控制方案实现[J].测控技术,2018,37(6):126-129.

作者:杜亚兰 段俊杰 吴志忠 单位:长沙理工大学

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