CN105185177A - 一种应用于电类专业群实验教学的通用智能管理平台 - Google Patents

Abstract

一种应用于电类专业群实验教学的通用智能管理平台，包括：由若干个实验平台组成的实验平台群、与所述若干个学生实验端一一对应的实验智能管理模块、通过与所述实验智能管理模块通信连接的教学服务器、所述教学服务器通过有线网络通信连接的教师管理机。现有实验平台功能单一、通讯孤立、管理落后、数据共享性差和使用限制条件较多等问题，该通用智能管理平台具备多种模式的信息传输能力，具有功能丰富、整体性能优越、可进行在线管理、远程监控、数据共享等多个优点。

Description

一种应用于电类专业群实验教学的通用智能管理平台

技术领域

本发明属于实验教学装置领域，涉及一种实验教学系统的智能(软硬件)管理平台，特别涉及一种基于工业控制、虚拟仪器、物联网、互联网、移动互联等技术应用管理控制装置,实现实验教学+互联网的智能管理平台，为智慧实验教育的实现提供通用智能硬件条件。

背景技术

近年来，随着互联网技术的迅速发展以及实验教学内容和形式手段的不断变革、丰富与完善，传统形式下的实验教学模式无法满足学生学习兴趣、动手能力、综合应用、创新能力的培养要求；另外在实验教学设备管理上，多数高校仍处于手工记账管理等初级模式。随着我们国家教育与德国、美国等西方国家教育日益加强交流，众多高校逐步在实验教学中更加注重学生的动手能力、综合设计和创新能力培养，我们应用互联网等新技术在实验设备管理上智能化、虚拟仿真演示、在线视频互动等更丰富的多种教学手段，从而实现实验教学模式的教育信息化建设。

通过教师在实验教学过程中应用更多的丰富手段进行授课和实验操作指导，学生不仅可以熟练使用各种实验仪器设备，进行实验操作和数据采集及分析，还可以培养提升实际动手操作、综合应用以及创新设计等能力。因此，理工科专业实验教学在整个教学体系的重要性日益突出，受到了教育界(教师和学生)关注，在教学中所占的比重与要求也将越来越高。但是，目前全国高校现有的多数实验教学设备没有统一的行业标准，各自为阵，相互独立，越来越难以满足种类繁多、综合性要求强的实验内容，同时成为了制约提高实验教学效果、设备使用率和培养学生综合应用及创新能力的关键因素。

目前高校现有使用的实验教学设备，均存在功能单一、通讯孤立、没有数据共享功能和使用限制条件多等缺陷。每种实验平台只针对一门课程，同类学科间没有交叉综合实验，平台接口相对封闭，不开放，学生很难完成综合应用型以及创新设计型实验。另外还有设备管理过于复杂等问题，在授课过程中，不同实验课程不仅要频繁更换不同设备、更换不同实验室，甚至要重复配置同样的仪器工具，实验设备使用率低，闲置占用实验室房间，对教师管理人员资源和实验资产资源造成浪费。此外，传统单个实验平台只能对自己的实验数据进行简单观察记录，完成已经设定好的验证型实验，无法共享其他实验平台的实验数据，教师更无法利用互联网资源对学生实验进行远程管理指导、数据采集和数据共享处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于电类专业群实验教学的通用智能管理平台，解决背景中实验平台功能单一、通讯孤立、管理落后、数据共享性差和使用限制条件较多等问题，该通用智能管理平台具备多种模式的信息传输能力，具有功能丰富、整体性能优越、可进行在线管理、远程监控、数据共享等多个优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种应用于电类专业群实验教学的通用智能管理平台，包括：由若干个实验平台组成的实验平台群；

与所述若干个学生实验端一一对应的实验智能管理模块，所述实验智能管理模块用于获取实验平台的实验数据，每个实验智能管理模块可以作为有线网络、无线网络wifi或者zigbee物联网中的一个通信节点，能实现与其他的实验智能管理模块进行数据通讯。

通过与所述实验智能管理模块通信连接的教学服务器，教学服务器定时、不间断地从各个实验智能管理模块获取和存储实时和历史实验平台数据。

教学服务器通过有线网络通信连接的教师管理机，所述教师管理机实时监控所有学生实验端，查询调取所述教学服务器中的实时和历史实验数据，主动或者在收到实验智能管理模块发送的实验异常报警信号后，对相应的实验平台进行紧急制动(关闭电源停止操作)，并通过手机模块发送短信到指定管理老师的手机上，可以实现即时短信提醒功能。

所述实验智能管理模块还能应用于教师管理机对学生实验端和整个实验室的远程控制包括电源管理，数据获取、视频监控等。

所述学生实验端上配备有实验智能管理模块、虚拟仪器模块及带其他远程控制功能的传感器，比如可以电流、电压、频率、波形、图像、温度、红外传感器等，以及相应的反馈驱动装置，由实验智能管理模块进行控制。学生实验端通过实验智能管理模块无线网络或有线网络，将实验操作指令发送至教学服务器，教学服务器通过有线或无线网络，转发实验操作指令至学生实验端的实验智能管理模块，控制相关传感器的反馈驱动装置并获取实时数据，从而实现对整个实验平台的远程管理。

所述学生实验端采用箱盒式或立架式两种结构，并对相关课程实验单元进行模块化设计，统一通信接口和数据采集点，在平台上安装有多种传感器，还有虚拟仪器模块或数据采集模块等进行实时数据采集；学生实验端上还可以安装实验跟踪摄像头装置，实时获取每个实验端的操作图像。

所述实验智能管理模块，对多个学生实验端的各种电压、电流、波形、频率、温度等数据进行采集建模分析，当分析结果超出网管软件预设的数据规定范围，进行声音或灯光报警；实验智能管理模块实时检测并更新多种传感器及数据采集装置的测量值和状态值，作为此动态模型的输入量，然后基于不同实验要求对数据进行处理、分类、计算和融合，得到该模型的理论输出量，并据此对实验数据及操作指令进行实验合理性及安全性分析，在实验数据偏离理论值过大或实验操作危险系数过大时，进行自动报警操作。

所述实验智能管理模块通过有线网络或无线网络，向教学服务器发送注册信息，申请连入教学服务器；教学服务器安装的网管软件采用定时排队轮询机制，为所有实验智能管理模块自动分配独立IP，并按照一定时间间隔不断获取、存储和校验实验智能管理模块的实时实验状态及实验数据，建立动态实验系统平台模型收集数据，并将去冗余和融合过后的有效数据，转发至教师管理机，同时存储到SD卡的数据库系统中进行备份。

所述教师管理机将所获取的实时和历史实验数据上传至教学服务器进行远程运算和数据处理，并对多组实验结果进行评分和比较，得到分析报告。

所述教师管理机对学生实验端的控制操作，可以设置不同的事务优先级并采取某一优先级事务调度策略。调度策略为某一学生实验端发出操作的事务优先级最高，可以获得服务器的优先处理权；某一学生实验端发出申请操作的事务优先级较低，可以被优先级较高的事务中断或取消。通过设置教师管理机中的事务优先级列表，将所有事务操作规定为不同的优先级，从而实现教师读一整个实验系统平台所有的操作进行合理、有序调度。

所述实验系统平台配套的网管软件模块(HLC)，可以实现多人联机操作，统一管理学生联机请求，并可以做到自动预约，自动分配时段，自动切换，自动数据清理等功能，极大地方便了教师对实验课程的管理，节约了实验设备使用的时间和成本。

与现有技术相比，本发明采取了软硬件相结合的设计思想，采用“校园网、互联网、物联网-三网互联”的实现方法，从网上自主预约实验，系统自动安排实验位和实验时间，学生进实验室刷校园卡激活实验位，全程记录和教师远程协助或即时更改，数据的手动或自动采集打包传送，手动或自动生成实验报告和评分。平台与平台间的数据传输，将多种实验平台装置、实验仪器设备和信息处理装置集成为一个系统性能优越、信息交互性能较强的实验系统平台，从而实现了实验平台的开放化、智能化，培养学生学习仪器设备操作能力、综合应用能力和创新设计能力的教学目标。

附图说明

图1是实验室的管理网和配置网；

图2是学生实验端配置的使用状态流程图；

图3是本发明拓扑示意图；

图4是本发明的系统流程图；

图5是实验智能管理模块上的多种通讯、虚拟仪器等模块部署图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图3所示，一种电类专业群实验教学的通用智能管理平台，包括以下主要组成部分：实验平台网管软件、教学服务器、教师管理机、实验智能管理模块和学生实验端。实验平台群由若干个实验平台组成，实验智能管理模块与学生实验端一一对应。

如图4所示，本发明采用“三网互联”的组成方式，形成了一套完整的网络通信管理系统。比如各个实验智能管理模块之间通过CAN、Internet等有线网络或wifi、zigbee等无线网络进行信息交互与共享，教学服务器通过网络对所有实验智能管理模块进行连接与控制，学生实验端和教师管理机则通过有线或无线网络与教学服务器进行交互。

本发明实验平台，包括了配合多门课程的多种实验课程模块及功能模块自由组合。每个独立的实验平台根据不同实验内容及硬件要求，配备多种传感器以及相应反馈驱动装置，具备同一端口兼容多种仪器设备的功能，连接到与之相对应的实验智能管理模块，并且可以根据不同的实验要求进行多种综合设计和功能模块组装。

一个具体的例子，如图5所示，实验平台采用模块化结构，在平台内置安装传感器，平台上可以选配安装多种实验仪器或虚拟仪器模块，平台提供多种通信方式供学生学习使用，平台还提供扩展设计区，方便学生创新自主设计组合实验模块。虚拟仪器是一种测试仪器与计算机技术、信号处理技术相结合的新型仪器，它可替代传统的测试仪器，但是比传统的测试仪器有无比的优越性，可广泛应用于教学、科研和野外作业中。多功能虚拟仪器是集多种功能于一体，包括数字示波器、频谱分析仪、相位差计、信号源、频率计、计数器、扫频仪、数据采集记录等功能，并利用USB2.0接口技术，使用更方便。

本发明实验智能管理模块，具备信息获取、显示和处理模块以及通信模块(比如wifi、zigbee或蓝牙模块)。实验智能管理模块可以实时自动识别显示实验平台上数据的实时信息，并且具备对不安全操作和危险实验状态的自动语音、灯光报警功能。比如每个实验智能管理模块作为zigbee无线网络的一个分节点，通过zigbee中的独立中心节点进行相互间的无线通讯，对其他所有实验端进行数据访问和比较。并向教学服务器发送注册信息，申请连入服务器并建立自动语音预警模型。此外，教学服务器具备利用不同算法模型对多种传感器信息进行融合、去噪、去冗余和自动剔除脏数据的功能。由参加实验的学生进行实际操作，具有远程测控功能、信息处理和Internet信息传输等功能。学生实验端支持现场操作，同时也支持利用Internet网络远程操作功能。学生实验端通过Internet有线网络连接服务器，对实验端每一种传感器的驱动装置进行操作并获取实时传感器数据和实验数据。此外，学生实验端具有动态建立实验模型和数据仿真功能，可以根据实时实验数据对学生提出操作提示和合理性建议。该模块具备建立动态模型并自动预警的功能。通过实时监测实验端平台上的传感器和数据信息，得到不同种类、数量、测量值、状态值及上述四种数据的变化量，作为此动态模型的输入量。随后针对不同实验的内容及要求，结合相关算法及理论，对输入量进行数据处理、分类和融合等计算，得到此模型的理论输出量。根据此理论输出量与预期实验结果进行对比和分析，判断实验操作的合理性及正确性。若实验值较理论值在合理范围内，且此系列操作对实验台的安全性无重大影响，则程序继续正常运行。否则，系统将触发报警装置，进行自动语音报警并将报警信号传送至教师管理机。

本发明教学服务器，具备对所有实验平台信息获取、存储、处理的数据库模块和Internet、wifi或wifi信息传输模块。服务器通过覆盖范围较大、产生数据流量小及传输速度较快的wifi无线网络，采用“定时排队轮询”机制，为所有实验平台管理单元自动分配独立IP，并按照一定时间间隔定时、不断获取存储和校验学生实验端的实时实验状态及数据信息，即所有已向服务器注册的实验平台的多种传感器信息，并且将所有历史实验数据储存至数据库。服务器还可建立动态实验系统平台模型采集数据，并将去冗余和融合过后的有效数据，分析后转发至学生实验端，并存储到SD卡的数据库系统中进行备份。此外，教学服务器可以连接到教育云服务平台，对大型复杂数据进行高速和大范围的精确运算。服务器安装的网管软件参考拓扑结构进行实现，设置了不同的事务优先级并采取了优先级事务调度策略，具备冲突处理管理机制。

本发明教师管理机，连接到Internet有线网络，由参与实验管理指导的教师使用，具有远程控制、数据处理、视频监控等人机交互功能。对学生实验端可通过多线程并行技术，查询教学服务器中的数据库系统，调取历史实验数据和实时实验数据，可以通过视频摄像头实时监控所有实验平台，也可以主动或收到学生实验端监控模块报警信号后对相关的实验平台进行紧急制动，并通过音频或视频等信号告知。在实验结束后，教师可以通过教师管理机获取到教学服务器中的所有实验数据，并上传至教育云平台进行远程运算和数据处理，也支持教师输入评分规范和模型，自动对多组实验结果进行评分和比较，并得到分析报告。

本发明学生实验端，提供多个难易程度不同的创新型操作实验，包含所有电类专业群实验：大学物理、电路理论、信号与系统、模拟电子技术、数字与逻辑设计、高频电子线路、通信原理、单片机、ARM、DSP等电子信息类专业的学科基础、专业基础和专业方向课程的实践；包含的综合实验有：Zigbee无线网络组网实验；Wifi无线网络组网实验；Internet有线网络组网实验；电子地图开发实验；实验数据建模及仿真开发实验；视频软件开发实验；图像识别算法的设计与开发；多实验平台的搭建及组网实验。

如图1所示是实验室的管理网和配置网。统一网管软件将保证管理网的网卡IP地址不会混乱，从而保证管理网的稳定。而配置网或者实验网用于配置，配置网的学生计算机网卡可能会IP地址混乱、冲突，但是通过专用管理配置服务器进行过滤控制，自动切换，从而极大地方便了教师对学生实验课程的管理。大大提高了系统的稳定性。

实验室网管软件模块介绍：

HLC软件模块解决了实验平台单人单次上机实验的不便，为实验的每位学生提供良好的上机环境和多人同时实验的实验方式。

HLC管理软件模块采用C/S架构，但是学生实验端配置的计算机在操作设备时是多服务器的。如上图所示，所有学生实验端配置的计算机和网络通信设备连接到教学服务器上。

该专用实验软件可以实现以下功能：

多学生实验端配置的计算机同时作实验的排队功能，即多名学生上机实验，按照申请队列顺序排队实验。

学生排队管理功能，包括时间分配，教师控制插队，强制学生退出，提示学生实验，实验进度显示等等。

多服务器切换功能。在实验时并不是学生实验端作为客户端，因为服务器可以对设备进行完全控制，所以HLC可以自动切换。更换学生实验端配置的计算机的IP地址，计算机名称等等。

关键问题分析

1)、设备网管软件的作用，如何保证网管数据的正确

所有的设备都是程序控制的。网管软件就是设备管理员在后台服务器上对设备配置与维护而使用后台软件。网管软件都是友好的图形化界面。在设备完成安装调试后，设备会处于最佳的工作状态。此时应对数据进行备份并妥善保存。教师在教学过程中，如果发生误操作致使数据配置错误，可以直接恢复备份的数据进行修复。

2)、当系统出现混乱时，如何快速恢复到正常

在实验过程中，对学生的联机请求应该统一管理。并且根据实验操作的流程，学生应对自己配置的数据，随时备份，以免丢失。备份的数据也是教师对学生实验效果检验的参考之一。

3)、如何进行实验结果的验证

对于通信设备的配置操作一般在后台(网管平台，学生实验端)进行。由于设备网管软件全部支持离线配置，所以，每个学生可以自己独立进行操作。所有学生可以同时进行实验。对于实验结果的验证，可以通过以下方式进行：

老师或实验管理员对学生配置关键数据的检查；

学生保存配置数据并发送到教师机进行检查；

联机验证，学生通过统一网管平台提出联机申请。网管平台统一调配学生联机验证。

4)、如何让实验设备既能单独工作，又能组合工作

每一组实验设备都会预留与其他实验设备的线缆，并做好配线架上的标识。必要时，可以连接成一个大的、复杂的网络进行高级综合创新实验。

本发明应用于电类专业群实验教学的通用智能管理平台，功能丰富、应用范围广泛、操作方法简易、系统联系性强、数据通讯及处理能力优越，不仅可以极大地提升实验教学效率和效果，还可以使学生在实验教学中对理论和方法进行更加深入的学习和研究，从而逐步提高动手实践能力、培养创新意识和增强学生对未知难题的探索和解决兴趣。

Claims (10)

1.一种应用于电类专业群实验教学的通用智能管理平台，其特征在于：包括由若干个实验平台组成的实验平台群；

与所述若干个学生实验端一一对应的实验智能管理模块，所述实验智能管理模块用于获取实验平台的实验数据，每个实验智能管理模块可以作为物联网中的一个通信节点，能实现对其他的实验智能管理模块进行数据通讯；

通过与所述实验智能管理模块通信连接的教学服务器，教学服务器定时、不间断地从各个实验智能管理模块获取和存储实时和历史实验平台数据；

教学服务器通过有线网络通信连接的教师管理机，所述教师管理机实时监控所有学生实验端，查询调取所述教学服务器中的实时和历史试验数据，主动或者在收到实验智能管理模块发送的实验异常报警信号后对相应的实验平台进行紧急制动，并通过手机模块发送短信到指定管理老师的手机上，实现即时短信提醒功能。

2.根据权利要求1所述的应用于电类专业群实验教学的通用智能管理平台,其特征在于：实验智能管理模块能应用于教师管理机对学生实验端和整个实验室的远程控制包括电源管理，数据获取、视频监控。

3.根据权利要求1所述的应用于电类专业群实验教学的通用智能管理平台,其特征在于：所述学生实验端上配备有实验智能管理模块、虚拟仪器模块及带其他远程控制功能的传感器，以及相应的反馈驱动装置，由实验智能管理模块进行控制。

4.根据权利要求1或3所述的应用于电类专业群实验教学的通用智能管理平台,其特征在于：学生实验端通过实验智能管理模块无线网络或有线网络，将实验操作指令发送至教学服务器，教学服务器通过有线或无线网络，转发实验操作指令至学生实验端的实验智能管理模块，控制相关传感器的反馈驱动装置并获取实时数据，从而实现对整个实验平台的远程协助控制。

5.根据权利要求1所述的应用于电类专业群实验教学的通用智能管理平台,其特征在于：所述学生实验端采用箱盒式或立架式两种结构，并对相关课程实验单元进行模块化设计，统一通信接口和数据采集点，在平台上安装有多种传感器，学生实验端顶部可以安装实验跟踪摄像头，实时获取每个实验端的操作图像；学生实验端上安装有虚拟仪器模块或数据采集模块进行实时数据采集传送。

6.根据权利要求1所述的应用于电类专业群实验教学的通用智能管理平台,其特征在于：所述实验智能管理模块，对多个学生实验端的各种电压，电流，波形、频率、温度数据进行采集建模分析，当分析结果超出预设的规定范围，进行声音或灯光报警；实验智能管理模块实时检测并更新多种传感器及数据采集装置的测量值和状态值，作为此动态模型的输入量，然后基于不同实验要求对数据进行处理、分类、计算和融合，得到该模型的理论输出量，并据此对实验数据及操作指令进行实验合理性及安全性分析，在实验数据偏离理论值过大或实验操作危险系数过大时，进行自动报警操作。

7.根据权利要求1所述的应用于电类专业群实验教学的通用智能管理平台,其特征在于：所述实验智能管理模块向教学服务器发送注册信息，申请连入教学服务器；教学服务器采用定时排队轮询机制，为所有实验智能管理模块自动分配独立IP，并按照一定时间间隔不断获取、存储和校验实验智能管理模块的实时实验状态及实验数据，建立动态实验系统平台模型收集数据，并将去冗余和融合过后的有效数据，转发至教师管理机，同时存储到SD卡的数据库系统中进行备份。

8.根据权利要求1所述的应用于电类专业群实验教学的通用智能管理平台,其特征在于：所述教师管理机将所获取的实时和历史实验数据上传至教学服务器进行远程运算和数据处理，并对多组实验结果进行评分和比较，得到分析报告。

9.根据权利要求1所述的应用于电类专业群实验教学的通用智能管理平台,其特征在于：所述教师管理机对学生实验端和实验智能管理模块的所有控制操作，设置了不同的事务优先级并采取了优先级事务调度策略；调度策略为实验智能管理模块发出操作的事务优先级最高，可以获得服务器的优先处理权；学生实验端发出申请操作的事务优先级较低，可以被优先级较高的事务中断或取消。通过设置教师管理机中的事务优先级列表，将所有事务操作规定为不同的优先级，从而实现整个实验系统平台对所有操作的合理、有序调度。

10.根据权利要求1所述的应用于电类专业群实验教学的通用智能管理平台,其特征在于：所述实验系统平台配套的网管软件模块，可以实现多人联机操作，统一管理学生联机请求，并可以做到自动预约，自动分配时段，自动切换，自动数据清理功能。