阮曉芳

摘要：物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的又一次技術(shù)飛躍。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，使物品與物品之間、物品與人之間進(jìn)行信息交換和通信。遠(yuǎn)程操控實(shí)驗涉及的實(shí)驗設(shè)備、實(shí)驗數(shù)目較多，本文擬將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、移動無線技術(shù)和在線教育相融合，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗系統(tǒng)，把遠(yuǎn)程控制試驗設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，對遠(yuǎn)程控制試驗設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化識別、監(jiān)控和管理。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 射頻識別 遠(yuǎn)程實(shí)驗 在線教育

中圖分類號：TP872 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0138-02

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)又稱為傳感網(wǎng)，是繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的又一次信息技術(shù)革命。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品，使物品與物品之間，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換和通信。因此，物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)是“物與物相連的互聯(lián)網(wǎng)”[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使世界上所有的物體，從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過網(wǎng)絡(luò)主動進(jìn)行信息的交換。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，包括綠色農(nóng)業(yè)、智能工業(yè)、智能物流、能源電力、公共安全、市政管理、節(jié)能環(huán)保、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居、智能交通、金融保險和在線教育等領(lǐng)域，極大的改變了我們的工作、學(xué)習(xí)和生活方式。

在線教育是對傳統(tǒng)課堂教育的補(bǔ)充，是通過應(yīng)用信息科技和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行內(nèi)容傳播和快速學(xué)習(xí)的一種方法。借助網(wǎng)絡(luò)課件，學(xué)員可以隨時隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)，真正打破了時間和空間的限制，對于工作繁忙，學(xué)習(xí)時間不固定的在職人員而言網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教育是最方便不過的學(xué)習(xí)方式[2]。在線教育在理論知識的學(xué)習(xí)上提供了方便，但對于理工科專業(yè)而言，實(shí)踐教學(xué)有著不可替代的作用。隨著MOOC大規(guī)模在線課程的推廣和普及，與課程對應(yīng)的遠(yuǎn)程開放實(shí)驗也得到極大發(fā)展。遠(yuǎn)程實(shí)驗大致分為兩類，一類是基于計算機(jī)仿真的虛擬實(shí)驗，一類是通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操作實(shí)驗設(shè)備，從實(shí)驗設(shè)備中采集真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗，本文重點(diǎn)討論遠(yuǎn)程控制實(shí)驗，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗系統(tǒng)，把遠(yuǎn)程控制實(shí)驗設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，使設(shè)備間能信息交換和通訊，對遠(yuǎn)程控制試驗設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化識別、監(jiān)控和管理。

2 遠(yuǎn)程控制實(shí)驗的發(fā)展

遠(yuǎn)程控制實(shí)驗室提供真實(shí)的物理設(shè)備，將物理設(shè)備接入服務(wù)器，服務(wù)器與設(shè)備間通過總線或RS-232接口進(jìn)行連接，客戶端用戶在異地通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程連接到實(shí)驗設(shè)備上，對設(shè)備發(fā)出指令可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，所有采集的實(shí)驗數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)返回給用戶。[3]這些數(shù)據(jù)都是在實(shí)際物理環(huán)境干擾下獲得的真實(shí)實(shí)驗數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程控制實(shí)驗室實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗設(shè)備的遠(yuǎn)程共享，避免了重復(fù)建設(shè)。遠(yuǎn)程控制的實(shí)驗室發(fā)展已經(jīng)推廣到了美國、歐洲、澳洲、中國等全球大部分地區(qū)。

遠(yuǎn)程控制實(shí)驗室在國內(nèi)外已有很多成功案例，麻省理工大學(xué)MIT所建的iLab遠(yuǎn)程共享實(shí)驗室，目前已開發(fā)出多個遠(yuǎn)程共享實(shí)驗。通過搭建iLab站點(diǎn)，全球其他院校的用戶就可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問MIT的優(yōu)質(zhì)實(shí)驗資源，設(shè)置實(shí)驗參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗儀器，實(shí)驗完成后結(jié)果及數(shù)據(jù)會返回至用戶終端。大連理工大學(xué)就從麻省理工學(xué)院引入微電子器件、電工電子等實(shí)驗，學(xué)生可以在網(wǎng)上遠(yuǎn)程控制麻省理工學(xué)院實(shí)驗儀器設(shè)備，進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗；美國霜堡州立大學(xué)構(gòu)建起一個能控制真實(shí)儀器的遠(yuǎn)程化學(xué)實(shí)驗室供學(xué)生實(shí)驗學(xué)習(xí)之用；日本法政大學(xué)研究中心建立了機(jī)器人機(jī)械手的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗室，使學(xué)生可以隨時隨地的進(jìn)入課程進(jìn)行遠(yuǎn)程操作實(shí)驗和練習(xí)[4]；江南大學(xué)提供了面向MOOC教學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)驗室[5]；南京理工大學(xué)構(gòu)建了集遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制為一體的PLC遠(yuǎn)程實(shí)驗室[6]；浙江大學(xué)開發(fā)了虛實(shí)結(jié)合的電子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗室，提供了控制類、電路類、電力電子類、電機(jī)類和微處理器類等的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗[7]；東北大學(xué)建立了遠(yuǎn)程控制理論實(shí)驗室，為控制理論研究者提供了一個物理實(shí)驗系統(tǒng)，使他們不僅能完成復(fù)雜對象控制算法的仿真研究，同時也能夠快速地在物理系統(tǒng)上進(jìn)行驗證；浙江廣播電視大學(xué)搭建了涵蓋會計、電商、電工電子、建筑、計算機(jī)等學(xué)科的綜合性遠(yuǎn)程開放實(shí)驗室，其中電工電子技術(shù)實(shí)驗提供軟硬件協(xié)同操作的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗平臺。

雖然基于物理實(shí)驗設(shè)備的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗已經(jīng)進(jìn)入國內(nèi)外高校的教學(xué)領(lǐng)域中，但是對于實(shí)驗設(shè)備的管理、使用、監(jiān)控還存在著欠缺，不能很好、及時的共享實(shí)驗設(shè)備。比如浙江廣播電視大學(xué)提供的軟硬件協(xié)同操作遠(yuǎn)程實(shí)驗，每批學(xué)生要操作真實(shí)實(shí)驗需提早通實(shí)驗管理員預(yù)約，由管理員再安排實(shí)驗操作時間，對于實(shí)驗設(shè)備的管理、監(jiān)控還需要本地人員參與，因此，本文擬將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、移動無線技術(shù)和在線教育相融合，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗系統(tǒng)，把遠(yuǎn)程控制試驗設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，對遠(yuǎn)程控制試驗設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化識別、監(jiān)控和管理[8]。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程操控實(shí)驗系統(tǒng)原理

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)驗系統(tǒng)，是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入分體式的實(shí)驗系統(tǒng)中，通過物聯(lián)網(wǎng)將實(shí)驗設(shè)備間、實(shí)驗設(shè)備與服務(wù)器間、實(shí)驗設(shè)備與學(xué)生PC機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以此監(jiān)控系統(tǒng)硬件的占用情況、學(xué)生完成實(shí)驗情況等等。

物聯(lián)網(wǎng)是由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個層面構(gòu)成，感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，包括二維碼標(biāo)簽、射頻識別RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端，感知層的作用相當(dāng)于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經(jīng)末梢，它主要功能是識別物體，采集信息；網(wǎng)絡(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞和大腦，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息；應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程操控實(shí)驗系統(tǒng)，從技術(shù)架構(gòu)上來看，也分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，感知層采用二維碼、RFID標(biāo)簽、讀寫器和攝像頭等，每臺實(shí)驗設(shè)備和器材都標(biāo)有二維碼和RFID標(biāo)簽，實(shí)驗管理員掃描設(shè)備上的標(biāo)簽，就能將實(shí)驗設(shè)備的狀態(tài)輸入到系統(tǒng)平臺中，并采集實(shí)驗系統(tǒng)的信息；網(wǎng)絡(luò)層是學(xué)生借助各種網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)進(jìn)行信息交互；應(yīng)用層是學(xué)員與物聯(lián)網(wǎng)的接口，學(xué)員可以通過手機(jī)、移動終端、計算機(jī)、筆記本等各種終端設(shè)備訪問實(shí)驗系統(tǒng)。

4 實(shí)驗系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)驗系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，即客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，采集到的客戶端數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程實(shí)驗數(shù)據(jù)等通過網(wǎng)絡(luò)傳送給服務(wù)器進(jìn)行處理和分析，并將結(jié)果輸出給客戶端。實(shí)驗平臺的組成包含三層：應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層方面，需要將用戶端的所有需要的信息互通互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)全方位的遠(yuǎn)程識別、讀取、操控和互動。只要學(xué)員通過計算機(jī)、筆記本、手機(jī)、PAD、移動終端等訪問了遠(yuǎn)程操控實(shí)驗系統(tǒng)，用戶端的信息就會被采集，根據(jù)采集的信息可以對學(xué)員學(xué)習(xí)的時間、學(xué)習(xí)的地點(diǎn)、學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行分析，以此來改進(jìn)實(shí)驗系統(tǒng)或者給學(xué)習(xí)有困難的學(xué)員提供幫助。

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層，依賴于已經(jīng)建立好的浙江廣播電視大學(xué)遠(yuǎn)程開放實(shí)驗平臺，通過有線、無線、3G甚至是4G網(wǎng)絡(luò)將物聯(lián)網(wǎng)的用戶端與遠(yuǎn)程控制實(shí)驗系統(tǒng)相連接。將用戶端、實(shí)驗設(shè)備等采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層被傳輸?shù)秸憬瓘V播電視大學(xué)遠(yuǎn)程開放實(shí)驗平臺的服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并輸出結(jié)果。

物聯(lián)網(wǎng)的感知層，是學(xué)員借助網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制物理實(shí)驗系統(tǒng)，通過攝像頭觀察實(shí)驗的現(xiàn)象，進(jìn)而與仿真實(shí)驗現(xiàn)象進(jìn)行比較，對實(shí)驗獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；數(shù)字電路、模擬電路、電路分析中涉及的實(shí)驗比較多，各個專業(yè)根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行自由選擇。由于實(shí)驗種類繁多，實(shí)驗?zāi)K的數(shù)量多，需要對這些實(shí)驗?zāi)K進(jìn)行有效管理。物理實(shí)驗設(shè)備采用RFID射頻技術(shù)、實(shí)驗內(nèi)容素材采用二維碼的形式，學(xué)生掃描每個實(shí)驗的二維碼可以隨時隨地獲知實(shí)驗相關(guān)知識，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗系統(tǒng)如圖1所示。

遠(yuǎn)程操控實(shí)驗系統(tǒng)由軟件和物理實(shí)驗硬件兩部分組成，軟件平臺借助浙江廣播電視大學(xué)遠(yuǎn)程開放實(shí)驗平臺。物理實(shí)驗硬件部分由帶RFID標(biāo)簽的實(shí)驗電路模塊、實(shí)驗平臺、現(xiàn)場監(jiān)控計算機(jī)和攝像頭組成，這些實(shí)驗設(shè)備和服務(wù)器放置在浙江廣播電視大學(xué)本地實(shí)驗室。

學(xué)生在異地啟動實(shí)驗平臺客戶端程序，通過實(shí)驗二維碼預(yù)習(xí)實(shí)驗?zāi)康摹?shí)驗內(nèi)容、實(shí)驗步驟、實(shí)驗器材等，然后進(jìn)入實(shí)驗。根據(jù)RFID標(biāo)簽可獲知實(shí)驗設(shè)備當(dāng)前使用狀況，如當(dāng)前無人使用實(shí)驗設(shè)備即可進(jìn)行實(shí)驗，如有其他學(xué)生正在此設(shè)備上做實(shí)驗，則進(jìn)入排隊等候狀態(tài)，待其完成實(shí)驗后，才能對遠(yuǎn)程物理實(shí)驗系統(tǒng)進(jìn)行操作，進(jìn)而通過攝像頭觀察本地設(shè)備的實(shí)驗現(xiàn)象。數(shù)據(jù)采集卡采集到的實(shí)驗數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器，學(xué)生對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后填寫實(shí)驗報告。

5 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程操控實(shí)驗系統(tǒng)能夠更有效的提高實(shí)驗效率和設(shè)備的利用率，大大提高了遠(yuǎn)程操控實(shí)驗的自動化程度，有效減少了資源的浪費(fèi)，使設(shè)備使用率最大化，并將實(shí)驗管理人員從繁重的設(shè)備管理工作中解脫出來，降低實(shí)驗成本，提高了實(shí)驗的靈活性，可使學(xué)生隨時隨地的操控遠(yuǎn)程實(shí)驗，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程操控實(shí)驗是未來遠(yuǎn)程實(shí)驗室必備的技術(shù)之一。

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