徐志江， 彭 宏， 孟利民， 華驚宇

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院， 浙江省通信網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究重點實驗室, 浙江 杭州 310023)

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·計算機技術(shù)應(yīng)用·

開放共享嵌入式系統(tǒng)實驗網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)

徐志江， 彭 宏， 孟利民， 華驚宇

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院， 浙江省通信網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究重點實驗室, 浙江 杭州 310023)

針對嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的實驗裝置與智能設(shè)備不能通過互聯(lián)網(wǎng)相互通信、設(shè)計的實驗內(nèi)容層次性不足、缺乏實際行業(yè)應(yīng)用等問題，本文利用自主研發(fā)的嵌入式實驗教學(xué)設(shè)備，提出了開放的、遠程的、共享的、基于物聯(lián)網(wǎng)思想的一種嵌入式系統(tǒng)實驗網(wǎng)絡(luò)平臺方案、配套的實驗裝置及相應(yīng)的層次化實驗。

開放共享； 嵌入式系統(tǒng)平臺； 物聯(lián)網(wǎng)； 層次化實驗

On the Construction of Open and Sharing Experimental Network Platform with Embedded Systems

0 引 言

繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)和新一代移動通信技術(shù)飛速發(fā)展之后，“物聯(lián)網(wǎng)”[1-2]成為世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。為了隨時隨地的實現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的交互，遠程信息采集、網(wǎng)絡(luò)大容量信息交互傳輸和控制、信息匯聚、智能分析和決策等成為未來信息領(lǐng)域發(fā)展的重點，“物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用”研究已被國家和各省市列為十二·五發(fā)展的重點領(lǐng)域之一。自從1999年提出物聯(lián)網(wǎng)概念后，韓國、日本、新加坡、英國、歐盟、美國等相繼提出與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的系列戰(zhàn)略規(guī)劃。2009年8月提出了“感知中國”，江蘇、上海和浙江分別把物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)作為重點培育的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)來抓。

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層[3]涵蓋了現(xiàn)代通信前沿的RFID、3G/4G/LTE無線通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸所需的信息高速公路。在網(wǎng)絡(luò)層，必須解決物與物之間通信所需的傳輸、交換和處理等大容量信息交互，而這正是通信專業(yè)學(xué)生針對現(xiàn)代和未來通信必須掌握的核心技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層[4]涵蓋了信息與通信技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用，例如綠色農(nóng)業(yè)、工業(yè)監(jiān)控、公共安全、城市管理、遠程醫(yī)療、智能家居、智能交通、環(huán)境監(jiān)測等八大行業(yè)應(yīng)用，這些應(yīng)用都是構(gòu)建在網(wǎng)絡(luò)層之上，離不開現(xiàn)代通信技術(shù)。人們將寬帶化、移動化、泛在化、安全性、可用性、可信性列入未來信息通信領(lǐng)域創(chuàng)新的重點。因此構(gòu)造新的網(wǎng)絡(luò)和分布系統(tǒng)用以實現(xiàn)信息接入的高可用性與可信性、無論何時何地將采集到的信息無縫地接入物理世界、動態(tài)和挑戰(zhàn)環(huán)境的信息接入等將是未來通信技術(shù)的研究重點。

考慮到通信專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)與實際就業(yè)情況的需求，結(jié)合移動通信、公共安全、智能家居、智能交通等行業(yè)的應(yīng)用，我們提出了一種通信專業(yè)創(chuàng)新實驗平臺的建設(shè)方案，規(guī)劃了作為支撐平臺的遠程多媒體通信交互系統(tǒng)的系列軟件，設(shè)計和制作了支持有線、無線網(wǎng)絡(luò)接入的前端實驗設(shè)備硬件和相應(yīng)軟件，使得學(xué)生可以通過實驗設(shè)備進行網(wǎng)上遠程、共享平臺，通過加載不同的應(yīng)用軟件實現(xiàn)了各行業(yè)的應(yīng)用性演示實驗。

1 現(xiàn)有實驗存在的問題

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)[5]的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的點對點通信技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為多對多的、廣域的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。現(xiàn)代通信技術(shù)在移動通信、智能交通、智能家居、遠程醫(yī)療、城市管理、公共安全等行業(yè)已成為不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，可以隨時隨地實現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的通信。培養(yǎng)通信專業(yè)創(chuàng)新型人才是社會人才需求、社會經(jīng)濟發(fā)展、大學(xué)生創(chuàng)業(yè)就業(yè)的需要[6]。

“嵌入式系統(tǒng)”課程的實踐性非常強，加強實驗教學(xué)、增大實驗課時、編寫優(yōu)秀的實驗教學(xué)講義和實驗項目設(shè)置，對培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和提高實際動手能力，非常重要。通常情況下，教學(xué)所用的實驗設(shè)備是由科教儀器公司開發(fā)的，現(xiàn)開設(shè)的實驗課程，大多是演示性和驗證性的實驗。部分學(xué)生照著詳細的實驗指導(dǎo)書按部就班做實驗，不深入思考實驗現(xiàn)象背后的理論知識，甚至缺乏基本的編程技術(shù)，缺乏自主創(chuàng)新意思。更重要的是，現(xiàn)有的這些實驗設(shè)備都是一個個獨立的孤島，開設(shè)的實驗至多能與實驗室內(nèi)網(wǎng)上的電腦TCP/IP通信、交互而已。實驗室沒有中心平臺服務(wù)器及相應(yīng)的支撐軟件，無法實現(xiàn)實驗設(shè)備與外界、遠程的電腦、智能手機、PAD等互動，無法體現(xiàn)出現(xiàn)代通信技術(shù)帶來的隨時隨地及時通信的便捷和樂趣。此外，所有的實驗必須在上課時間內(nèi)完成，因為實驗所需要的儀器設(shè)備不能外借，不具有開放性、共享性，不能滿足對嵌入式系統(tǒng)具有濃厚學(xué)習(xí)興趣同學(xué)們的需求。

2 開放式實驗平臺的建設(shè)方案

2.1 平臺建設(shè)的目標與思路

培養(yǎng)的目標：使學(xué)生具備現(xiàn)代通信技術(shù)、通信系統(tǒng)、通信網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)[7]等方面的知識，具有從事現(xiàn)代通信系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計、研發(fā)、調(diào)試和工程應(yīng)用的基本能力，具有較好的電子線路設(shè)計、嵌入式軟件編程以及通信系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)能力，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、加工、轉(zhuǎn)換，完成通信傳輸任務(wù)，能在通信領(lǐng)域中從事現(xiàn)代通信系統(tǒng)、通信網(wǎng)及信息傳輸和處理系統(tǒng)，特別是嵌入式應(yīng)用的驅(qū)動開發(fā)與嵌入式軟件研發(fā)。

建設(shè)方案：使學(xué)生進一步熟悉嵌入式系統(tǒng)的組成原理和設(shè)計方法，掌握ARM處理器Linux操作系統(tǒng)的主流配置和Android智能手機，配合“嵌入式系統(tǒng)”課程的教學(xué)需要，研發(fā)制作符合學(xué)生實際需求的嵌入式實驗裝置和配套實驗指導(dǎo)書。使用本實驗裝置，能夠開設(shè)嵌入式Linux 操作系統(tǒng)的移植、設(shè)備驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)編程和人機圖形界面設(shè)計，以及在網(wǎng)絡(luò)平臺的支持下的廣域網(wǎng)等多層次的實驗。一方面能加強學(xué)生對理論知識的認知、概念的理解，以強化教學(xué)效果；另一方面，對提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，轉(zhuǎn)被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，都具有非常重要的意義[8]。

2.2 平臺建設(shè)方案

提出的建設(shè)平臺方案，見圖1。遠程多媒體通信交互系統(tǒng)和系列軟件為平臺核心設(shè)備和軟件，由服務(wù)器陣列和系列基本軟件和系列應(yīng)用軟件組成，支持遠程實驗。前端實驗設(shè)備和終端電腦分別為支持有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)接入的設(shè)備，學(xué)生可以通過該接入設(shè)備進行網(wǎng)上實驗。前端實驗設(shè)備具有音、視頻和數(shù)據(jù)的采集和傳輸功能，可以進行40多個硬件和軟件設(shè)計、調(diào)試以及綜合型實驗，包括GSM/GPRS/3G等移動通信應(yīng)用實驗；支持IP電話、遠程視頻監(jiān)控等公共安全應(yīng)用實驗；支持移動偵測、字符疊加、智能對講、485接口控制等智能家居應(yīng)用實驗；支持GPS定位、車輛移動軌跡回放等智能交通應(yīng)用實驗。這些行業(yè)應(yīng)用實驗與培養(yǎng)大綱制定的通信類課程緊密相關(guān)，分別涉及移動通信、通信原理、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用、計算機網(wǎng)絡(luò)與通信等通信主干課程。

圖1 遠程共享開放式實驗平臺

實驗室可提供通信原理、數(shù)字信號處理、數(shù)字多媒體與流媒體處理、現(xiàn)代交換、信息傳輸安全處理、移動通信原理、數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信、計算機圖形學(xué)、嵌入式系統(tǒng)與Linux開發(fā)以及Windows網(wǎng)絡(luò)與驅(qū)動開發(fā)等諸多領(lǐng)域的實驗。更重要的是，實驗室不僅提供傳統(tǒng)的現(xiàn)場實驗教學(xué)能力，還可提供虛擬課堂實驗教學(xué)能力，從而可以克服場地限制為更多學(xué)生提供實驗機會，而在過去虛擬課堂僅能用于計算機軟件領(lǐng)域和遠程課堂教學(xué)。另外，在課程設(shè)計階段，通過一些大型綜合實驗，比如設(shè)備通過SIP協(xié)議[9]與信令服務(wù)器交互通信，或者外接的音視頻/GPS經(jīng)過采集、編碼壓縮之后，通過以太網(wǎng)/3G上發(fā)至媒體中轉(zhuǎn)服務(wù)器，使得專業(yè)與職業(yè)技能相結(jié)合，以實現(xiàn)學(xué)校培養(yǎng)與企業(yè)需求的無縫銜接。

2.3 多媒體信息交互軟件框架

多媒體信息交互軟件基于C/S架構(gòu)[10]進行設(shè)計，主要包括服務(wù)器和客戶端兩部分。服務(wù)器包括SIP服務(wù)器和流媒體[11]服務(wù)器：SIP服務(wù)器負責用戶信息管理和多媒體信息的信令交互、調(diào)度與控制；流媒體服務(wù)器負責基于RTP/RTCP協(xié)議[12]的音視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。客戶端通過有線/無線連接網(wǎng)絡(luò)，登錄到SIP服務(wù)器后，可以向在線好友(設(shè)備)發(fā)送即時消息、傳輸文件、SIP電話、視頻聊天等應(yīng)用。

軟件整體框架如圖2所示，主要分為以下幾個部分：① 多媒體信息交互服務(wù)器設(shè)計；② 基于Android/Windows/Linux QT/ios客戶端設(shè)計；③ 服務(wù)器與客戶端連接。

圖2 多媒體信息交互軟件整體框架

多媒體信息交互服務(wù)器包括SIP服務(wù)器和流媒體服務(wù)器，服務(wù)器之間的交互基于ICE(Internet Communication Engine)中間件[13]實現(xiàn)。SIP服務(wù)器是整個軟件的控制中心，通過解析SIP信令控制實現(xiàn)不同的功能。流媒體服務(wù)器與客戶端建立RTP連接，轉(zhuǎn)發(fā)接收到的媒體數(shù)據(jù)。

在Android/Windows/Linux QT/ios平臺開發(fā)客戶端軟件，設(shè)計界面和底層功能模塊?？蛻舳说讓拥墓δ苣K包括信令模塊、即時消息通信、SIP語音電話和視頻聊天模塊。在軟件設(shè)計過程中，充分利用智能手機的軟硬件資源和實驗裝置雙核CPU的硬實時視頻編解碼功能。為了提高客戶端的視頻數(shù)據(jù)編解碼效率，采用了Android NDK技術(shù)，以JNI本地方法調(diào)用方式實現(xiàn)視頻編解碼功能，提高了軟件運行效率[14]。

服務(wù)器與客戶端之間主要是實現(xiàn)基于SIP協(xié)議的信令互通和基于RTP協(xié)議的媒體流互通。軟件采用SIP協(xié)議作為控制信令，實現(xiàn)SIP服務(wù)器和手機客戶端之間的命令交互，主要實現(xiàn)的功能有用戶登錄、好友列表獲取、好友上線提醒、即時消息轉(zhuǎn)發(fā)、音視頻會話邀請和結(jié)束會話等。媒體流的互通是指音頻流和視頻流的互通，由流媒體服務(wù)器將交互雙方(一對一或者一對多)的媒體流轉(zhuǎn)發(fā)到對方。

2.4 嵌入式實驗裝置與實驗設(shè)計

實驗箱采用ARM9+DSP雙核架構(gòu)的CPU，外接音視頻、以太網(wǎng)、GPS、GSM/GPRS/CDMA、3G、SD、RTC等模塊，能夠完成音視頻、定位、通信等基本模塊。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合遠程多媒體網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)(包含前端實驗設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)以及應(yīng)用模塊)，能實現(xiàn)多對多的廣域的網(wǎng)絡(luò)通信。

結(jié)合理論課程的內(nèi)容，充分考慮嵌入式軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及開發(fā)內(nèi)容、開發(fā)方式的特殊性，配合基礎(chǔ)型、選做型和創(chuàng)新型多層次實驗教學(xué)的需要，符合學(xué)生在知識學(xué)習(xí)過程中由淺入深，由易到難、由硬件到軟件、由基礎(chǔ)到綜合、由驗證到創(chuàng)新的規(guī)律。這樣一個系統(tǒng)培訓(xùn)過程對于我們在教育中指導(dǎo)學(xué)生完成創(chuàng)造性活動，具有規(guī)律性的啟發(fā)和指導(dǎo)作用，符合由興趣到應(yīng)用的全腦創(chuàng)新歷程[15]。設(shè)計的實驗項目，既能做常規(guī)的驅(qū)動、GUI人機交互、TCP客戶/服務(wù)器交互等實驗，也能做與平臺交互的基于SIP信令的音視頻實時監(jiān)控等體現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)思想、具有通信專業(yè)特色的實驗。

通過多層次實驗，加強學(xué)生對課本理論知識的理解，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造欲望，促進學(xué)生的自主性學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí)。提高C、Java的編程能力，熟悉Linux操作系統(tǒng)，掌握一定的匯編、驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用程序等的編程和調(diào)試能力。通過完成綜合性實驗項目，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，鍛煉自學(xué)能力、解決問題能力和團隊合作能力。

遠程、開放、共享式平臺，鼓勵學(xué)生們根據(jù)自己的興趣和特長，參與國家級、省級和校級的電子設(shè)計大賽以及其他各類嵌入式應(yīng)用型競賽，讓學(xué)有余力、感興趣、有創(chuàng)新精神的學(xué)生得到更好的實踐和鍛煉的機會，大大提高了其就業(yè)競爭力。

2.5 實驗平臺的特色

該方案的教學(xué)方法具有獨特性，強調(diào)實驗內(nèi)容的共享性和創(chuàng)新性，具有鮮明的特色。學(xué)生除了可以在規(guī)定的實驗室做硬件和軟件實驗外，還允許學(xué)生租用設(shè)備在任何一個能夠上網(wǎng)的場所(比如學(xué)生宿舍)進行硬件和軟件實驗，可以同時容納幾百學(xué)生一起進行遠程多媒體通信實驗，不久可以與本校學(xué)生一起做實驗，而且還可以與外校通信學(xué)生一起做實驗，真正達到實驗的共享。另外，通過遠程多媒體通信交互系統(tǒng)和系列軟件，可以管理學(xué)生是否在做實驗，實驗時間多長，做了哪幾個實驗，實驗是否成功等，做到實驗的可運行、可管理，可持續(xù)發(fā)展。同時，通過開放的軟件接口，允許學(xué)生設(shè)計符合自己要求的創(chuàng)新性實驗，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新實踐能力。

通信專業(yè)創(chuàng)新實驗平臺除滿足本校的教學(xué)實驗需求，還可以基于遠程接入手段引入社會化培訓(xùn)和為其他高校學(xué)生提供實驗和畢業(yè)設(shè)計等。例如，通過網(wǎng)絡(luò)接入管理平臺的權(quán)限設(shè)定，來自各高校的學(xué)生、企事業(yè)單位的技術(shù)人員或者其他人員可以接入異地實驗中心相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)完成自己的實驗、培訓(xùn)或者研發(fā)任務(wù)。服務(wù)過程中本實驗室將收取一定的費用，從而為整個實驗室的完善提供長期的資金保障，達到“造血、服務(wù)兩不誤”的效果?？傊?，這種大區(qū)域異地軟硬件系統(tǒng)的共享不僅有效節(jié)省了國家在設(shè)備上的投資，同時便于大范圍的技術(shù)交流進而提高企事業(yè)單位研發(fā)人員的工作效率以及高校學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

3 結(jié) 語

通信技術(shù)正朝著隨時隨地的實現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的網(wǎng)絡(luò)化智能通信技術(shù)方向發(fā)展，培養(yǎng)本科生具有較好的應(yīng)用理念，設(shè)計、開發(fā)、創(chuàng)新實踐的能力，網(wǎng)絡(luò)通信帶來的開放性和共享性以及可持續(xù)發(fā)展在通信實驗中得到充分體現(xiàn)和發(fā)揮。通過開放共享平臺的建設(shè)，使實驗設(shè)備規(guī)模、實驗環(huán)境、運行機制等方面都得到綜合發(fā)展，為不同層次的學(xué)生提供更加完善的認知環(huán)境、測試環(huán)境、綜合調(diào)試、研發(fā)和個性化的實驗環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生對實際工程設(shè)計、調(diào)試、維護和管理能力，以及對新技術(shù)的研究開發(fā)能力，具有重要意義。

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XUZhi-jiang,PENGHong,MENGLi-min,HUAJing-yu

(Zhejiang Provincial Key Laboratory of Communication Networks and Applications,

College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

There are some problems of embedded systems experimental teaching. For example, the experimental devices cannot interexchange information with other smart devices through the Internet, and the designed experiments are lack of practical industrial applications, etc. In this paper, using the experimental teaching device developed by the authors, we propose an open experimental network platform to solve the problem of embedded system experiments based on the idea of the Internet of Things. A set of the supporting experimental devices, series software suites and corresponding hierarchical experiments are also presented.

open and sharing; embedded system platform; the Internet of Things; hierarchical experiments

2014-11-06

國家自然科學(xué)基金項目(61471322)、浙江工業(yè)大學(xué)校教改項目(JG1313)

徐志江(1973-)，男，浙江紹興人，博士，副教授，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)、無線通信與網(wǎng)絡(luò)多媒體數(shù)字通信。

E-mail:zyfxzj@zjut.edu.cn

N 33

A

1006-7167(2015)05-0086-04