孟利民，許恩澤，柯旭清，宋秀蘭，彭宏

（浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州）

一 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造升級(jí)的不斷深入，企業(yè)對(duì)人才的技術(shù)技能和創(chuàng)新能力提出了更高要求。高校向社會(huì)輸出的工程人才，應(yīng)不僅僅具備較高的理論水平，同時(shí)也要掌握相當(dāng)?shù)墓こ棠芰1]。嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)軟件和硬件能力都有較高的要求[2]。要想培育出優(yōu)秀的嵌入式行業(yè)技術(shù)人才，與之相關(guān)的專業(yè)課程教學(xué)應(yīng)該不僅僅具有理論系統(tǒng)性，更要具有工程實(shí)踐性[3]。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是嵌入式教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生工程能力的關(guān)鍵[4]。然而傳統(tǒng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)定了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間段和地點(diǎn)，這使得其在時(shí)間與空間上都存在局限性，造成一定程度的資源浪費(fèi)[5-6]。除此之外，傳統(tǒng)的教學(xué)方式無法滿足突發(fā)性情況下的教學(xué)需求。

基于傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足，本文提出一種嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。用戶可以通過電腦上的開發(fā)平臺(tái)來下達(dá)指令，這些指令通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)體設(shè)備，設(shè)備將根據(jù)指令進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)操作，然后將結(jié)果通過互聯(lián)網(wǎng)重新反饋給用戶。實(shí)驗(yàn)全過程中設(shè)備的運(yùn)行情況也將通過攝像頭回饋給用戶，以滿足部分存在視覺需求的實(shí)驗(yàn)。整個(gè)過程就像是用戶親身在實(shí)驗(yàn)室里做實(shí)驗(yàn)一樣。采用遠(yuǎn)程實(shí)境實(shí)驗(yàn)的方式，可以完全解放學(xué)生實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的限制，而用戶采用預(yù)約的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也可以很大程度的錯(cuò)開彼此做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，避免某個(gè)時(shí)間段大批量人群進(jìn)行實(shí)驗(yàn)而另一時(shí)間段無人操作的情況，更有效地利用了實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源。

二 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與遠(yuǎn)程實(shí)境實(shí)驗(yàn)

近年來虛擬仿真技術(shù)發(fā)展迅速，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域大受歡迎，國(guó)內(nèi)高校的化工[7]、土木[8]、機(jī)械[9]等專業(yè)都開設(shè)了基于虛擬仿真的相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程。

虛擬仿真技術(shù)是用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)，其建立在相似原理這一基礎(chǔ)上。利用軟件模擬塑造一個(gè)與研究對(duì)象幾何要素及物理要素都相似的模型，通過研究此模型就可以間接地研究原型[10]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以模擬全套實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備，讓學(xué)生通過一臺(tái)電腦就能實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的全過程，了解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)過程，具有交互性良好、節(jié)省資金、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

然而虛擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果偏于理想化，在硬件種類繁多、硬件狀態(tài)復(fù)雜多變的嵌入式實(shí)驗(yàn)中，虛擬仿真并不能夠完全的模擬實(shí)際設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別較大，這使得虛擬實(shí)驗(yàn)不具備實(shí)際實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性[11]。相對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，遠(yuǎn)程實(shí)境實(shí)驗(yàn)具有與實(shí)物實(shí)驗(yàn)完全一致的效果，更真實(shí)，也更貼近工程實(shí)踐。

遠(yuǎn)程實(shí)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)由模擬操作界面、云端服務(wù)器，加上實(shí)體實(shí)驗(yàn)設(shè)備組成。用戶可以通過電腦上的操作界面來下達(dá)指令，指令上傳到云端服務(wù)器，由其作為中轉(zhuǎn)，再把指令傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)設(shè)備上，實(shí)驗(yàn)設(shè)備根據(jù)這些指令從而進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)動(dòng)作，最終通過傳感器將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳回給用戶。作為新型的實(shí)驗(yàn)形式，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)不是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)化，其在實(shí)驗(yàn)過程中強(qiáng)調(diào)在線探究式學(xué)習(xí)策略以及對(duì)學(xué)習(xí)者實(shí)驗(yàn)行為的記錄與反饋，在基于數(shù)據(jù)整合與分析的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行在線評(píng)價(jià)[12]。

三 嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)施已經(jīng)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式下進(jìn)行了多年，其教學(xué)性與安全性都得到了一定的驗(yàn)證，因此，嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵即是嵌入式設(shè)備與服務(wù)器之間的通訊。

（一） 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，由Web 前端、Web 服務(wù)器、SIP 信令服務(wù)器、MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)和嵌入式設(shè)備五部分組成。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

其中Web 前端提供了用戶登錄界面和交互界面，將用戶選擇的前端標(biāo)簽和輸入的指令轉(zhuǎn)為HTTP請(qǐng)求發(fā)送給Web 服務(wù)器。Web 服務(wù)器基于linux 操作系統(tǒng)平臺(tái)，采用PHP 語(yǔ)言搭建，配合Nginx 服務(wù)模塊、MySQL 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，其承擔(dān)的職責(zé)有：提供個(gè)人PC 機(jī)上傳與下載文件的接口，提供嵌入式設(shè)備下載文件的接口，管理數(shù)據(jù)庫(kù)信息，將Web 前端發(fā)送過來對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行操作的命令消息從HTTP協(xié)議轉(zhuǎn)為SIP 協(xié)議并轉(zhuǎn)發(fā)給SIP 服務(wù)器。SIP 信令服務(wù)器負(fù)責(zé)接收嵌入式設(shè)備和Web 服務(wù)器發(fā)送來的SIP 消息，通過對(duì)SIP 消息的解析確定其消息類型然后進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)。本系統(tǒng)中主要用到兩種類型的SIP 消息，分別是“REGISTER”和“NOTIFY”類型。其中“REGISTER”消息類型用于嵌入式實(shí)驗(yàn)設(shè)備的綁定注冊(cè)和心跳?；睿癗OTIFY”消息類型則是對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行操作的命令消息的載體。嵌入式設(shè)備會(huì)在開機(jī)的時(shí)候向SIP 信令服務(wù)器發(fā)送一個(gè)“REGISTER”類型的SIP 消息，使本設(shè)備注冊(cè)上線，并且開機(jī)過程中每隔15 秒發(fā)送一次“REGISTER”消息以維持本設(shè)備與服務(wù)器的連接。同時(shí)，嵌入式設(shè)備接收、解析SIP 服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的“NOTIFY”類型的SIP 消息，獲得用戶發(fā)出的指令并執(zhí)行該條指令，最終將執(zhí)行結(jié)果通過http 請(qǐng)求反饋給Web 服務(wù)器。MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)前端用戶信息、嵌入式設(shè)備信息、用戶綁定信息、嵌入式設(shè)備在線狀態(tài)、設(shè)備操作結(jié)果等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)Web 服務(wù)器和SIP 信令服務(wù)器接收到的消息實(shí)時(shí)變動(dòng)。

本系統(tǒng)內(nèi)嵌入式設(shè)備與服務(wù)器進(jìn)行視頻、音頻、數(shù)據(jù)等信息傳輸、交換、控制時(shí)遵循的通信協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)圖

在進(jìn)行指令交互以及數(shù)據(jù)傳輸過程中會(huì)建立兩個(gè)傳輸通道：會(huì)話通道和流媒體通道。會(huì)話通道基于SIP 協(xié)議創(chuàng)建，用于在設(shè)備與服務(wù)器之間創(chuàng)建、修改和釋放會(huì)話，本系統(tǒng)依靠會(huì)話通道建立起用戶與設(shè)備的“一對(duì)一”綁定，并維持此效果直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。數(shù)據(jù)傳輸通道依賴RTP 流媒體協(xié)議，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生的音視頻流傳輸給服務(wù)器。信息交互過程中，SIP 信令數(shù)據(jù)封裝成XML 格式，視頻數(shù)據(jù)壓縮為H.264 碼流，音頻數(shù)據(jù)采取G.711 方式編碼。

（二） 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)具有以下幾點(diǎn)功能特點(diǎn)：

（1）瀏覽器訪問

本系統(tǒng)不需要下載額外的APP 客戶端，只需訪問相應(yīng)的服務(wù)器地址，注冊(cè)登錄系統(tǒng)后即可進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

（2）預(yù)約管理

學(xué)生用戶可以在選課中心瀏覽可選的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)自己需求選擇相應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和指導(dǎo)老師，同時(shí)可以對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行預(yù)約。

（3）資料下載

學(xué)生用戶可以在自己的實(shí)驗(yàn)課程界面直接下載本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的學(xué)習(xí)資料，不需要通過其他渠道獲取。

（4）遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)

學(xué)生用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，首先需要綁定一臺(tái)嵌入式設(shè)備，實(shí)驗(yàn)界面會(huì)實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)設(shè)備在線情況與使用情況，不在線的設(shè)備與使用中的設(shè)備將無法使用。學(xué)生綁定空閑狀態(tài)的設(shè)備，閱讀遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)規(guī)范手冊(cè)后即可開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)全過程中學(xué)生用戶直接通過實(shí)驗(yàn)界面的交互窗口與設(shè)備進(jìn)行消息交互，交互窗口同時(shí)也提供遠(yuǎn)程傳輸文件給實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、完成實(shí)驗(yàn)、重做實(shí)驗(yàn)、退出實(shí)驗(yàn)的功能。學(xué)生用戶完成實(shí)驗(yàn)或者退出實(shí)驗(yàn)后，設(shè)備將恢復(fù)為空閑狀態(tài)。

（5）教師系統(tǒng)

本系統(tǒng)除學(xué)生用戶外還設(shè)立了教師用戶，提供給實(shí)驗(yàn)課程的指導(dǎo)老師登錄，方便教師進(jìn)行管理、監(jiān)督與指導(dǎo)。教師管理界面如圖3 所示。

圖3 教師管理界面圖

教師用戶可以通過學(xué)生管理頁(yè)面查看自己班級(jí)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況與在線情況，根據(jù)實(shí)驗(yàn)監(jiān)控和實(shí)驗(yàn)進(jìn)度查詢來監(jiān)管學(xué)生實(shí)驗(yàn)，并且可以利用本系統(tǒng)中的自動(dòng)成績(jī)判定功能來對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)行打分，極大地降低了老師的工作強(qiáng)度。在實(shí)驗(yàn)管理頁(yè)面，教師可以對(duì)自己所負(fù)責(zé)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行管理，可以添加、刪除某些實(shí)驗(yàn)，并上傳各個(gè)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)資料供學(xué)生下載。同時(shí)提供答疑列表頁(yè)面顯示學(xué)生做實(shí)驗(yàn)過程中提出的問題，增加學(xué)生和老師之間的交流互動(dòng)。

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均是由實(shí)驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生的真實(shí)數(shù)據(jù)，并不是經(jīng)過模擬仿真出來的虛擬數(shù)據(jù)，與學(xué)生本人前往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)無本質(zhì)區(qū)別。本系統(tǒng)的缺點(diǎn)是一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備同一時(shí)間只能供一名用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)候做實(shí)驗(yàn)有著人數(shù)上限，無法做到如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一般僅僅只要服務(wù)器性能充足便可以支持許多用戶同時(shí)實(shí)驗(yàn)。但是遠(yuǎn)程實(shí)境實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)支持隨時(shí)隨地的進(jìn)行訪問，通過預(yù)約實(shí)驗(yàn)的方式可以有效緩解這一問題。

（三） 相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)包括遠(yuǎn)程基本嵌入式命令實(shí)驗(yàn)、嵌入式驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)、傳感器實(shí)驗(yàn)等一系列嵌入式實(shí)驗(yàn)?；厩度胧矫顚?shí)驗(yàn)主要是為了讓學(xué)生了解嵌入式系統(tǒng)中的一些基本命令，例如查看當(dāng)期目錄下文件的ls 命令，進(jìn)行目錄間跳轉(zhuǎn)的cd 命令，創(chuàng)建目錄的mkdir 命令，改變文件權(quán)限的chmod命令等等，通過該系列實(shí)驗(yàn)學(xué)生們對(duì)linux 操作系統(tǒng)將會(huì)有個(gè)初步的了解。

嵌入式驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)主要涉及字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)，包含GPIO 驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)、I2C 驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)和RTC 驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，三個(gè)實(shí)驗(yàn)由易到難。其中GPIO 驅(qū)動(dòng)是嵌入式系統(tǒng)最基本也是最關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)，通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們會(huì)了解到芯片是如何驅(qū)動(dòng)各個(gè)GPIO 引腳的。I2C 是很常用的一個(gè)串行通信接口，用于連接各種外設(shè)、傳感器等器件，學(xué)習(xí)I2C 驅(qū)動(dòng)，能夠很好的理解主從機(jī)之間的通信方式。RTC 也就是實(shí)時(shí)時(shí)鐘，用于記錄當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，是個(gè)很常用的外設(shè)，并且RTC 驅(qū)動(dòng)框架基于I2C 驅(qū)動(dòng)框架，對(duì)進(jìn)一步理解I2C 驅(qū)動(dòng)有很大幫助。

傳感器實(shí)驗(yàn)包含了一系列常用傳感器的驅(qū)動(dòng)與基本使用，例如溫濕度傳感器、超聲波測(cè)距傳感器、攝像頭傳感器，該系列旨在學(xué)生們初步接觸驅(qū)動(dòng)后，利用GPIO 等驅(qū)動(dòng)對(duì)一些外設(shè)進(jìn)行控制，一方面加深對(duì)驅(qū)動(dòng)的理解，另一方面，通過自己編寫應(yīng)用程序讓一些基本傳感器開展相關(guān)工作，真正入門嵌入式。

四 應(yīng)用實(shí)況

本系統(tǒng)提供較好的交互界面，采取一問一答的方式，便于用戶區(qū)分自己指令與系統(tǒng)回復(fù)，如圖4為命令ls 的交互界面。

圖4 ls 指令交互界面圖

用戶通過遠(yuǎn)程文件傳輸?shù)姆绞綄Ⅱ?qū)動(dòng)文件傳到嵌入式設(shè)備相應(yīng)目錄下，之后采取動(dòng)態(tài)加載的方式加載驅(qū)動(dòng)，圖5 為加載溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)的案例，對(duì)比前后驅(qū)動(dòng)加載列表可以發(fā)現(xiàn)溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)dht11.ko 已加載成功。

圖5 溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)加載圖

通過編寫C 語(yǔ)言測(cè)試文件然后進(jìn)行交叉編譯，將編譯完成的程序遠(yuǎn)程傳輸給嵌入式設(shè)備，即可在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行程序，圖6 是運(yùn)行測(cè)距傳感器的結(jié)果，測(cè)距傳感器成功測(cè)出障礙物距離為65cm 遠(yuǎn)。

圖6 測(cè)距傳感器運(yùn)行反饋圖

經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)在三類實(shí)驗(yàn)中都可以很好地將用戶指令傳輸給嵌入式設(shè)備運(yùn)行，同時(shí)及時(shí)回饋設(shè)備的響應(yīng)消息，圓滿實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)境實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的同時(shí)也帶給了用戶們較好的體驗(yàn)。

五 結(jié)語(yǔ)

嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是在新冠肺炎疫情形勢(shì)嚴(yán)峻的狀態(tài)下提出的，在此之前，實(shí)體設(shè)備實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了很多年，教學(xué)性和安全性都有很大的保障。采用遠(yuǎn)程實(shí)境實(shí)驗(yàn)的方式，讓學(xué)生們做實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)沒有了硬性要求，即使在家中也能進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)名額依賴預(yù)約獲取的方式也能將學(xué)生們做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間段分割開來，成功解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较驴臻g與時(shí)間上的局限性，同時(shí)也有效緩解當(dāng)前實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源緊缺的情況，節(jié)省硬件成本。