CN110782724A - 一种基于远程操作的实验平台及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于远程操作的实验平台及其实现方法，该实验平台包括实验端，用于提供多种不同的实验用例，将不同的实验用例封装为单例，不同的单例可切换；设备端，根据操作指令向实验端输入信号，并获得相应的输出信号；服务端，包括显示模块和信息处理模块，显示模块向信息处理模块发送请求，信息处理模块接受请求并处理后，向设备端发送操作指令，信息处理模块接收来自设备端的反馈信号，并处理成相应的实验用例页面给显示模块。本发明解决了现有技术中的远程实验平台结构复杂、部署困难，且虚拟仿真与实际情况存在差异性的的问题。结构简单、部署方便，能够真实的反应实验情况。

Description

一种基于远程操作的实验平台及其实现方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种基于远程操作的实验平台及其实现方法。

背景技术

实验教学在高等院校理工科教育中占有重要地位。实验教学相对于理论教学而言更具有直观性、实践性和创新性，尤其在电工电子教学领域中，是非常重要的环节之一。随着电子系统实现自动化(EDA)技术的发展，可远程操作实验平台逐渐取代了传统的电工电子实验室，但目前国内高校对可远程操作实验平台的研究还仅仅停留在虚拟仿真的理念上，且虚拟仿真的结果为理想结果，与实际的情况存在差异。国内公司基于虚拟仿真技术，虽在远程实验上的研究虽取得很大进展，但因系统部署困难且不易使用，与实物实验对比仍存在一定的局限性，所以尚未很好地在市场上铺开使用。

因此，亟需开发一种可共享的、结构简单且真实的可远程操作的实验平台。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的基于虚拟仿真的远程实验平台不仅结构复杂、部署困难，且虚拟仿真与实际情况存在差异性的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于远程操作的实验平台，包括：

实验端，包括多种不同的实验用例，且不同的所述实验用例封装为单例，不同的所述实验用例可切换；

设备端，根据操作指令向所述实验端输入实验数据，并获得相应的实验测量数据；

服务端，包括显示模块和信息处理模块，所述显示模块向所述信息处理模块发送请求，所述信息处理模块接受请求并处理后，向所述设备端发送相应的所述操作指令；所述信息处理模块接收来自所述设备端的所述实验测量数据，并发送给所述显示模块，所述显示模块根据所述实验测量数据构建相应的页面显示给用户。

在上述基于远程操作的实验平台中，所述设备端包括：电子仪器，根据所述操作指令向所述实验用例输入所述实验数据，并获得相应的所述实验测量数据，并将所述实验数据、实验测量数据传向所述信息处理模块；

多功能网关板，设置有用于将所述实验用例连接入网的httpServer；

程控电源，用于向所述实验用例和所述多功能网关板提供电源。

在上述基于远程操作的实验平台中，所述电子仪器包括：信号发生器，通过信号发生器接入端子与所述实验用例进行信号传输，用于产生触发所述实验用例的输入信号；

示波器，通过示波器接入端子与所述实验用例进行信号传输，用于测量所述实验用例的输出信号；

通信单元，与所述信号发生器、示波器进行信号传输，并将所述输入信号、输出信号传向所述信息处理模块。

在上述基于远程操作的实验平台中，所述多功能网关板上设置有摄像头，通过所述多功能网关板与所述信息处理模块进行信号传输，用于展示实验现场画面。

在上述基于远程操作的实验平台中，所述显示模块独立部署在Ngnix服务器上，所述信息处理模块独立部署在Tomcat服务器上；所述显示模块通过Ajax向所述信息处理模块发送请求，所述信息处理模块将所述实验测量数据打包成JSON反馈给所述显示模块。

在上述基于远程操作的实验平台中，所述显示模块与用户进行交互。

在上述基于远程操作的实验平台中，所述服务端包括用户管理，所述用户管理包括用户注册和登陆认证，用户在所述显示模块的界面上填写注册信息和登陆认证信息，发送给所述信息处理模块处理并反馈，所述显示模块根据根据反馈信息呈现相应的界面。

在上述基于远程操作的实验平台中，所述服务端设置有防冲突业务逻辑，用户选择一个所述实验用例，向所述信息处理模块发送请求，所述信息处理模块查询所述实验用例的状态，并反馈；所述显示模块根据反馈信息，判断所述实验用例的状态。

本发明还提供了一种基于远程操作的实验平台的实现方法，包括以下步骤：

用户通过服务端的显示模块向信息处理模块发送请求，信息处理模块根据请求向设备端发送相应的操作指令；

设备端根据操作指令向实验端对应的实验用例输入实验数据，并获得相应的实验测量数据；实验端包括多种不同的实验用例，且将不同的实验用例封装为单例；

设备端将实验测量数据反馈给服务端，经信息处理模块发送给显示模块，并由显示模块根据实验测量数据构建相应的页面显示给用户。

本发明将远程操作实验平台的架构设置为实验端、设备端和服务端三个部分。实验端与设备端之间、设备端与服务端之间可进行信号传输，结构简单、方便部署。实验端包括多种不同且真实的实验用例，将不同的实验用例封装为单例，各个单例之间互不联系，可降低系统的耦合度，用户可根据需要增加或减少不同的单例，提高系统的可扩展性。真实的实验用例，避免了虚拟仿真与实际情况的差异。服务端包括显示模块和信息处理模块，将资源合理分配给相应的模块处理，有利于减轻服务端的信息处理压力，提高处理速度。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于远程操作的实验平台的整体结构框图；

图2是本发明提供的实验平台中模拟电路实验模块的结构框图；

图3是本发明提供的实验平台中模拟电路实验模块的原理图；

图4是本发明提供的模拟电路实验模块中同相比例放大电路的原理图；

图5是本发明提供的实验平台中服务端的软件技术架构图；

图6是本发明提供的实验平台中用户注册的流程图；

图7是本发明提供的实验平台中用户登陆的流程图；

图8是本发明提供的实验平台中用户认证的流程图；

图9是本发明提供的实验平台中防冲突业务逻辑的流程图；

图10是本发明提供的实验平台的实现方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于远程操作的实验平台及其实现方法，以解决现有技术中的远程实验平台结构复杂、部署困难，且虚拟仿真与实际情况存在差异性的问题。

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供的一种基于远程操作的实验平台，如图1所示，包括：

实验端10，包括多种不同的实验用例，且不同的实验用例封装为单例，各个单例之间互不联系，可降低系统的耦合度，不同的实验用例可切换，用户可根据需要增加或减少不同的单例，提高系统的可扩展性。

设备端20，根据操作指令向实验端10输入实验数据，并获得相应的实验测量数据。

服务端30，包括显示模块31和信息处理模块32，显示模块31向信息处理模块32发送请求，信息处理模块32接受请求并处理后，向设备端20发送相应的操作指令；信息处理模块32接收来自设备端20的实验测量数据，并发送给显示模块31，显示模块31根据实验测量数据构建相应的页面显示给用户。

本发明的实验平台采用浏览器和服务器架构(B/S模式)，服务端30的显示模块31由浏览器承载，服务端30的信息处理模块32承载各种通讯信息的处理及存储。用户只需要通过浏览器即可进入系统，可以实现用户随时随地进行实验的需求，而且采用这样的体系结构便于后期维护和拓展。

本发明提供的一种基于远程操作的实验平台的操作步骤如下：

第一步，点击浏览器，在页面入口登陆认证后进入实验用例场景选择页面。

第二步，选定实验用例，进入相应的实验用例页面，浏览器载入相应页面的css、js等静态资源。

第三步，在选定的实验用例的界面上，触发相应的js代码，向信息处理模块32发送请求，信息处理模块32接受请求并处理后，向设备端20发送操作指令，设备端20根据操作指令向实验端10对应的实验用例输入实验数据，并获得相应的实验测量数据；设备端20将实验测量数据反馈给信息处理模块32，经信息处理模块32发送给显示模块31，并由显示模块31根据实验测量数据构建相应的页面显示给用户。

在本发明的一个实施例中，实验端10提供有多种不同的实验模块，如图1所示，分为模拟电路实验模块11、ARM单片机实验模块12和其它电路实验模块，每个实验模块对应有通讯串口，通过相应的通讯串口与设备端20进行通信。需要使用其中任一实验模块时，只需将相应模块与设备端20进行通讯即可。

以模拟电路实验模块11为例，如图2和图3所示，模拟电路实验模块11主要由单片机STM控制板112、多功能运放电路板111两部分组成。单片机STM上的通讯串口与设备端20进行通信，单片机STM的I/O口与多功能运放电路板111进行信号传输。多功能运放电路板111包括继电器阵列1117以及由LM358构成的六种可变运放电路，六种运放电路是同相比例放大电路1111、反相放大电路1112、加法电路1113、减法电路1114、低通滤波器电路1115、高通滤波器电路1116，并且每种运放电路还支持相关参数的变换和切换，例如放大倍数、加减数和滤波电路的截止频率等。每种运放电路是一个实验用例，真实的实验用例，避免了虚拟仿真与实际情况的差异，将不同的实验用例封装为单例，各个单例之间互不联系，每个单例对应一个继电器。在本实施例中，将STM控制板112和多功能运放电路板111独立设置，便于实验用例的模块扩展，每增加一个实验用例，只需在多功能运放电路板111侧增加一个实验用例的电路板，然后将该实验用例对应的继电器与单片机STM的I/O口通讯即可。单片机STM控制继电器的常开、常闭触点动作，使相应的实验用例的线路导通或关断。以同相比例放大电路1111为例，同相比例放大电路1111的电路如图4所示，设备端20为该电路输入信号，同时测量该电路的输出信号，也即是实验测量数据，单片机STM控制继电器的常开、常闭触点动作选择该电路中连入的电阻的阻值，使该电路在相同的实验数据输入的情况下输出不同的实验测量数据。多功能运放电路板111上还设置有信号发生器211接入端子1118和示波器212探头接入端子1119。

在本发明的另一个实施例中的设备端20，如图1和图2所示，包括：

电子仪器21，根据操作指令向实验用例输入实验数据，并获得相应的实验测量数据，并将输入实验数据、实验测量数据传向信息处理模块32。电子仪器21包括用于产生触发实验用例的输入信号的信号发生器211、用于测量实验用例的输出信号的示波器212、以及通信单元213，通信单元213与信号发生器211、示波器212进行信号传输，并通过WiFi将输入信号、输出信号传向信息处理模块32。信息处理模块32将输入信号、输出信号处理后，发送给显示模块31，显示模块31根据输入信号和输出信号构建相应的页面显示给用户。

信号发生器211主要用于提供实验用例需要的函数信号，信号发生器211通过信号发生器接入端子1118与多功能运放电路板111连接，以进行输入信号的传输。示波器212通过示波器探头接入端子1119与多功能运放电路板111连接，以进行输出信号的传输。通信单元213通过WiFi与信息处理模块32进行信号传输，来实现服务端30与信号发生器211、服务端30与示波器212之间的信号传输。

多功能网关板22，设置有高性能的httpServer(服务器)，用于给实验端10内的实验用例提供接入网络的能力，实验用例与多功能网关板22之间通过串口进行信号传输，多功能网关板22通过WiFi与信息处理模块32进行信号传输。多功能网关板22还接入有摄像头221，摄像头221通过多功能网关板22与信息处理模块32进行信号传输，用于展示实现现场画面，信息处理模块32将摄像头221拍摄的画面传送给显示模块31，用户可通过显示模块31观看实验现场的直播画面。

程控电源23，用于向实验端10的多种实验用例、多功能网关板22等提供工作电源。该程控电源23具备宽范围输出、小步进调节和大功率的特点。

在本发明的另一个实施例中的服务端30，如图5所示，采用显示模块31与信息处理模块32分离的模式。显示模块31工程打包后独立部署在Ngnix服务器上，信息处理模块32工程独立部署在Tomcat服务器上。显示模块31通过Ajax技术向信息处理模块32提供的接口上发送请求，待信息处理模块32处理好相应的逻辑和数据库的读写后，将返回的结果打包成JSON给显示模块31。采用显示模块31和信息处理模块32分离的开发模式，系统整体结构更清晰，将资源合理分配给相应的模块处理，有利于减轻服务端30的信息处理压力，提高处理速度；并且可以实现页面在无需刷新整个页面的情况下实现页面局部刷新数据的效果，提高了客户端的使用体验。

在本发明的另一个实施例中，显示模块31侧基于Angular和Ionic框架主要实现了多种不同的实验模块的web页面的展示，例如模拟电路实验模块11中六种运放电路的web页面、ARM单片机实验模块12的web页面等。以同相比例放大电路1111为例，其web页面展示的内容包括实验目的、实验原理图、实验原理、实验步骤、实验测量数据随时间的变化曲线、信号发生器211和示波器212的相关参数等。

显示模块31侧基于Angular和Ionic框架还实现了各种信息的交互逻辑，以同相比例放大电路1111为例，在实验原理图中，点击“换电阻”，显示模块31将“换电阻”的请求发送给信息处理模块32，信息处理模块32接受该请求并处理后，通过WiFi与多功能网关板22通讯，多功能网关板22通过串口与STM控制板112上的单片机STM进行通讯，向单片机STM发送相应的操作指令，单片机STM继而控制相应继电器的常开、常闭触点动作，根据用户需要调整接入电路中电阻的阻值。用户点击“现场视频”按钮，信息处理模块32接受该请求并处理后，通过WiFi与多功能网关板22通讯，控制摄像头221开启，将现场界面接入。显示模块31上还设置有示波器212的电源开关按钮和电压等相关参数的调节按钮、信号发生器211的电源开关按钮、信号发生器211产生不同波形的一系列按钮以及电压、频率等相关参数的调节按钮。用户可通过触发按钮与显示模块31进行交互，向信息处理模块32发送相应的请求，信息处理模块32通过WiFi与通信单元213通信，向示波器212和信号发生器211发送相应的操作指令。

在本发明的另一个实施例中，信息处理模块32侧采用MVC(Model模型、View视图、Controller控制)的架构模式，以便于统计用户的实验情况、处理数据和管理实验模块，基于SpringBoot框架建立了用户管理321、仪器管理322以及实验模块管理323。

用户管理321分为用户注册模块3211和登陆认证模块3212。

在本发明的另一个实施例中，用户注册模块3211中用户注册采用前端网页填写，后端信息处理的形式，用户注册的整体流程如图6所示。

S100、用户在显示模块侧的前端注册界面填写注册信息，前端注册界面主要包括三个输入框和一个注册提交按钮，用户在注册时，只需将用户名、密码和学号填写好后，再点击注册按钮。

S110、用户点击注册按钮，即向信息处理模块发送注册信息，同时显示模块界面呈现相应的后续界面。

S120、信息处理模块获取到注册信息的用户名，并判断该用户名在数据库中是否已存在，若存在，则前端界面返回此用户名已经被注册的响应，并跳转回前端注册界面，用户重新注册。若不存在，则继续执行。

S130、信息处理模块对用户密码明文进行MD5(Message-Digest Algorithm 5信息-摘要算法)加密编码，并将编码后的用户名和密码的其它信息写入数据库中，则页面返回注册成功的响应，用户注册流程结束。

在本实施例中采用MD5(Message-Digest Algorithm 5信息-摘要算法)加密算法，有利于提高信息管理系统的安全性和保护用户的隐私。数据库主要用于持久存储数据和共享数据，用户基于MyBatis可访问数据层中的数据库，查看注册信息并修改。

在本发明的另一个实施例中，登陆认证模块3212基于Apache shiro框架设计，用户登陆的整体流程如图7所示。

S200、用户在显示模块侧的前端登陆界面中填写登陆信息，点击登陆按钮提交，即向信息处理模块发送用户名和密码。

S210、信息处理模块获取用户名和密码后，在数据库中查询用户是否存在。若不存在，则显示模块界面返回此用户名不存在的响应。若存在，则继续执行。

S220、对密码明文进行MD5加密编码，然后查询数据库中用户名对应的加密编码后的密码是否一致。若一致，则登陆成功；若不一致，则显示模块界面返回密码错误的响应，登陆失败。

用户认证主要是为了记录用户的登陆状态，只有登陆成功的用户才可以访问进入实验相关的页面，用户登陆成功后，会配置一个cookie并在其中塞入一个sessionId的值，用于临时标示用户，这样用户在后续每次请求进入实验相关的界面时候，就会携带着这个cookie给信息处理模块，信息处理模块判断请求的消息头中是否存在cookie字段值。用户认证的整体流程如图8所示。

S300、用户登陆成功后，选择请求需要认证的页面。

S310、信息处理模块判断请求的消息中是否存在cookie字段值。若不存在，则显示模块界面跳转到登陆界面。若存在，则继续执行。

S320、信息处理模块读取cookie中的sessionId值，根据此sessionId值查询是否可以访问请求界面。若是，则显示模块界面跳转进入请求界面；若否，则显示模块界面跳转到登陆界面。

在本发明的另一个实施例中，仪器的管理包括仪器的ID、仪器名称、仪器的状态、仪器的功能描述以及所属的实验模块等。在本实施例中，仪器指的是信号发生器和示波器。实验模块的管理包括实验模块的ID、实验模块的名称、实验模块的状态以及实验模块的描述等。系统将仪器和实验模块的相关信息存储在后端的一个数据库中。

在本发明的另一个实施例中，该信息处理模块32还可以解决实验模块的访问冲突问题，防冲突业务逻辑流程如图9所示。

S400、用户登陆认证成功后，显示模块界面直接跳转进入展示多种实验用例的web页面，用户选择要进入的实验用例，向信息处理模块发送请求。

S410、信息处理模块获取实验用例的信息，在数据库中查询此实验用例是否处于空闲状态。若否，则信息处理模块向显示模块界面返回不允许进入的响应字段值。若是，则信息处理模块向显示模块界面返回允许进入的响应字段值。

S420、显示模块界面根据返回的响应字段值来判断字段值中的标志位是否允许。若否，则显示模块界面弹出说明实验用例正在使用的对话框。若是，则显示模块界面向信息处理模块发送请求，设置此实验用例进入忙碌状态，同时显示模块界面跳转进入相应的实验界面。

本发明的一种基于远程操作的实验平台的实现方法，如图10所示，包括以下步骤：

S500、用户通过服务端的显示模块向信息处理模块发送请求，信息处理模块根据请求向设备端发送相应的操作指令；

S510、设备端根据操作指令向实验端对应的实验用例输入实验数据，并获得相应的实验测量数据；实验端包括多种不同的实验用例，且将不同的实验用例封装为单例；

S520、设备端将实验测量数据反馈给服务端，经信息处理模块发送给显示模块，并由显示模块根据实验测量数据构建相应的页面显示给用户。

以上具体结构是对本发明的较佳实施例进行了具体的说明，但并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以做出种种的等同变形或者替换，这些等同的变形或者替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种基于远程操作的实验平台，其特征在于，包括：

实验端，包括多种不同的实验用例，且不同的所述实验用例封装为单例，不同的所述实验用例可切换；

设备端，根据操作指令向所述实验端输入实验数据，并获得相应的实验测量数据；

服务端，包括显示模块和信息处理模块，所述显示模块向所述信息处理模块发送请求，所述信息处理模块接受请求并处理后，向所述设备端发送相应的所述操作指令；所述信息处理模块接收来自所述设备端的所述实验测量数据，并发送给所述显示模块，所述显示模块根据所述实验测量数据构建相应的页面显示给用户。

2.根据权利要求1所述的一种基于远程操作的实验平台，其特征在于，所述设备端包括：

电子仪器，根据所述操作指令向所述实验用例输入所述实验数据，并获得相应的所述实验测量数据，并将所述实验数据、实验测量数据传向所述信息处理模块；

多功能网关板，设置有用于将所述实验用例连接入网的httpServer；

程控电源，用于向所述实验用例和所述多功能网关板提供电源。

3.根据权利要求2所述的一种基于远程操作的实验平台，其特征在于，所述电子仪器包括：

信号发生器，通过信号发生器接入端子与所述实验用例进行信号传输，用于产生触发所述实验用例的输入信号；

示波器，通过示波器接入端子与所述实验用例进行信号传输，用于测量所述实验用例的输出信号；

通信单元，与所述信号发生器、示波器进行信号传输，并将所述输入信号、输出信号传向所述信息处理模块。

4.根据权利要求2所述的一种基于远程操作的实验平台，其特征在于，所述多功能网关板上设置有摄像头，通过所述多功能网关板与所述信息处理模块进行信号传输，用于展示实验现场画面。

5.根据权利要求1所述的一种基于远程操作的实验平台，其特征在于：所述显示模块独立部署在Ngnix服务器上，所述信息处理模块独立部署在Tomcat服务器上；所述显示模块通过Ajax向所述信息处理模块发送请求，所述信息处理模块将所述实验测量数据打包成JSON反馈给所述显示模块。

6.根据权利要求1所述的一种基于远程操作的实验平台，其特征在于：所述显示模块与用户进行交互。

7.根据权利要求1所述的一种基于远程操作的实验平台，其特征在于：所述服务端包括用户管理，所述用户管理包括用户注册和登陆认证，用户在所述显示模块的界面上填写注册信息和登陆认证信息，发送给所述信息处理模块处理并反馈，所述显示模块根据反馈信息呈现相应的界面。

8.根据权利要求1所述的一种基于远程操作的实验平台，其特征在于：所述服务端设置有防冲突业务逻辑，用户选择一个所述实验用例，向所述信息处理模块发送请求，所述信息处理模块查询所述实验用例的状态，并反馈；所述显示模块根据反馈信息，判断所述实验用例的状态。

9.一种基于远程操作的实验平台的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

用户通过服务端的显示模块向信息处理模块发送请求，信息处理模块根据请求向设备端发送相应的操作指令；

设备端根据操作指令向实验端对应的实验用例输入实验数据，并获得相应的实验测量数据；实验端包括多种不同的实验用例，且将不同的实验用例封装为单例；

设备端将实验测量数据反馈给服务端，经信息处理模块发送给显示模块，并由显示模块根据实验测量数据构建相应的页面显示给用户。

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