張丙旭 ，徐文濤 ，連 鵬 ，張廣斌

（1.南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京211106；2.南京航空航天大學(xué)理學(xué)院，江蘇南京211106；3.南京航空航天大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南京211106）

在工科高校教學(xué)中，大學(xué)物理實驗作為基礎(chǔ)學(xué)科，其創(chuàng)新教育功能和載體作用早已為人們所共識，在培養(yǎng)學(xué)生各方面能力的作用和地位是顯而易見的。光學(xué)實驗作為其中不可或缺的一個環(huán)節(jié)，仍舊具有諸多缺點。目前光學(xué)實驗主要依靠顯微鏡和分光計來觀察實驗現(xiàn)象，由于目鏡觀察視野小，在實驗過程中老師難以對學(xué)生進行實時指導(dǎo)。隨著嵌入式技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，嵌入式處理器的成本逐漸降低，我們采用開源操作系統(tǒng)Android技術(shù)[1-5]和嵌入式處理器[6-9]，針對大學(xué)物理光學(xué)實驗實現(xiàn)了軟硬件的高級定制，設(shè)計并開發(fā)了光學(xué)實驗操作評測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將光學(xué)儀器觀察到的實驗圖像實時上傳到教師端，實現(xiàn)老師對學(xué)生的實時監(jiān)控和糾正指導(dǎo)，依靠云服務(wù)器對學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果進行成績評定。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的光學(xué)實驗實操評測系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由教師監(jiān)控平臺、學(xué)生實操平臺和服務(wù)器構(gòu)成。教師監(jiān)控平臺由web網(wǎng)頁實現(xiàn)，可監(jiān)控學(xué)生的實時操作狀態(tài)、獲取學(xué)生的實驗結(jié)果和測量數(shù)據(jù)。學(xué)生實操平臺由嵌入式設(shè)備實現(xiàn)，可通過攝像頭獲取目鏡中的實時圖像并向服務(wù)器提交實驗數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果。服務(wù)器作為教師監(jiān)控平臺和學(xué)生實操平臺鏈接的橋梁，集成了實驗數(shù)據(jù)結(jié)果自動評判算法，用于實驗數(shù)據(jù)的存儲和學(xué)生成績評定。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 硬件設(shè)計

學(xué)生實操平臺為經(jīng)過軟硬件定制的嵌入式設(shè)備，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，其由觸摸顯示屏、電源輔助電路、ARM核心板、USB接口和UVC協(xié)議攝像頭[10-12]組成。

圖2 學(xué)生實操平臺硬件結(jié)構(gòu)

實操平臺以ARM處理器為核心，硬件電路主要針對外圍拓展模塊的接口電路設(shè)計。為了完成系統(tǒng)特定功能，在以ARM為核心的嵌入式平臺上擴展了存儲模塊、WiFi模塊、常用工業(yè)接口通信模塊、觸摸屏模塊等[13-16]。

對于嵌入式ARM處理器[17]，我們選用cortex-A53八核S5P6818芯片，它是三星公司生產(chǎn)的一種RISC結(jié)構(gòu)微處理器芯片，具有先進的內(nèi)核，可提供一套通用的外設(shè)接口，無需再額外擴充外圍器件，其功耗低，簡單，方便，且全靜態(tài)設(shè)計，特別適合于要求穩(wěn)定性高、功耗低的嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)。S5P6818還提供豐富的片上資源，集成LCD專用DMA的LCD 控制器，3路UART，2路SPI，IIC總線接口，4 路擁有外部請求引腳的DMA控制器。依靠核心芯片可以方便地在外圍添加人機接口模塊，USB通信模塊，完全可以滿足本系統(tǒng)的需求。

我們采用7寸高清屏作為與學(xué)生進行交互的人機界面載體，并通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)Web服務(wù)器的相關(guān)數(shù)據(jù)庫中。

目前物理實驗常用的光學(xué)觀察工具主要為光學(xué)顯微鏡和分光計，為了將觀察圖像上傳給教師監(jiān)控平臺，本系統(tǒng)采用基于CMOS傳感器的數(shù)字攝像頭作為圖像獲取設(shè)備，選取USB接口作為傳感器和ARM嵌入式系統(tǒng)通訊方式，提高了系統(tǒng)的通用性、擴展性和可維護性。

3 軟件設(shè)計

3.1 評測系統(tǒng)服務(wù)器設(shè)計

評測系統(tǒng)云端服務(wù)器基于WEB服務(wù)器技術(shù)開發(fā)，其主要功能有響應(yīng)來自學(xué)生端實驗數(shù)據(jù)上傳和圖像上傳請求，存儲學(xué)生實驗數(shù)據(jù)，評判學(xué)生實驗結(jié)果，響應(yīng)教師端查詢學(xué)生實驗數(shù)據(jù)請求等功能。系統(tǒng)采用開源數(shù)據(jù)庫MySQL開發(fā)，數(shù)據(jù)庫中主要建立了學(xué)生信息，實驗數(shù)據(jù)，實驗成績等信息表，實現(xiàn)對學(xué)生實驗信息的統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計ER模型如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計ER模型

在服務(wù)器層，我們采用PHP語言開發(fā)程序響應(yīng)來自教師監(jiān)控平臺和學(xué)生實操平臺的數(shù)據(jù)請求，并實現(xiàn)成績評定等相應(yīng)功能。

3.2 學(xué)生實操平臺軟件設(shè)計

3.2.1 嵌入式操作系統(tǒng)定制

本系統(tǒng)擬基于嵌入式Android系統(tǒng)完成學(xué)生實操平臺的軟件實現(xiàn)。軟件開發(fā)主要分為操作系統(tǒng)定制和應(yīng)用軟件開發(fā)。由于本系統(tǒng)需要使用USB攝像頭作為圖像獲取設(shè)備，因此在操作系統(tǒng)層需要集成可支持UVC協(xié)議的USB攝像頭的驅(qū)動程序。原生Android系統(tǒng)中并未集成該驅(qū)動程序的調(diào)用接口，因而需要使用NDK工具鏈將linux內(nèi)核中UVC驅(qū)動通過封裝，生成JNI層接口以供Android應(yīng)用層調(diào)用。

Android是一個開源的嵌入式平臺操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)向所有開發(fā)者開放原始代碼，開發(fā)者可以根據(jù)谷歌公司提供的軟件開發(fā)工具包開發(fā)各種應(yīng)用軟件。Android系統(tǒng)是基于Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng)，由內(nèi)核、運行庫、用來運行代碼的類似虛擬機組成。和標準的Linux嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程幾乎一樣，Android嵌入式軟件系統(tǒng)的開發(fā)包括Bootloader引導(dǎo)程序設(shè)計，Linux操作系統(tǒng)移植，根文件系統(tǒng)創(chuàng)建以及應(yīng)用程序開發(fā)等環(huán)節(jié)。具體開發(fā)流程如下：

1）建立嵌入式Linux系統(tǒng)的交叉開發(fā)環(huán)境

交叉編譯就是在計算機主機上編譯源程序，在目標板上運行可執(zhí)行程序。通常通過串口或者以太網(wǎng)接口傳輸Linux內(nèi)核文件到目標板，這樣的交叉開發(fā)環(huán)境可以非常方便地進行嵌入式Linux開發(fā)、調(diào)試。

2）移植引導(dǎo)程序Bootloader

嵌入式Linux內(nèi)核通常需要目標板上的固件引導(dǎo)。這些引導(dǎo)程序就是Bootloader，在目標板上電的時候，完成板級初始化和內(nèi)核引導(dǎo)的任務(wù)。本系統(tǒng)通過u-boot來引導(dǎo)。

3）移植Linux內(nèi)核

移植Linux系統(tǒng)內(nèi)核是嵌入式Linux移植的關(guān)鍵部分，需根據(jù)具體的硬件平臺添加或修改系統(tǒng)的選項，對Linux系統(tǒng)進行裁剪以適合特定的應(yīng)用場合。

4）開發(fā)Linux文件系統(tǒng)

把Linux內(nèi)核文件和文件系統(tǒng)燒寫到存儲設(shè)備中，使開發(fā)板上Linux系統(tǒng)能夠獨立啟動并運行，本系統(tǒng)選擇nfs格式的文件系統(tǒng)。

5）編譯android源碼，定制系統(tǒng)

本項目不希望用戶刪除我們的應(yīng)用，所以需要將應(yīng)用程序編譯進入系統(tǒng)作為不可刪除的系統(tǒng)應(yīng)用。我們在Ubuntu 14.04系統(tǒng)下進行源碼的編譯工作，使用OpenJDK 8作為我們的編譯工具，編譯過程如下：1）初始化編譯環(huán)境，谷歌已經(jīng)為編譯工作做好了初始化環(huán)境變量工具，命令為source build/envsetup.sh。2）選擇目標平臺，這一步可以將Android編譯成適合某具體運行硬件平臺，命令為lunch。3）編譯，命令為make–j8，參數(shù)j8表示用戶希望系統(tǒng)設(shè)置8個線程進行編譯工作，這樣可以提高編譯速度。

6）Android系統(tǒng)移植和應(yīng)用程序開發(fā)

基于谷歌提供的Android studio開發(fā)工具創(chuàng)建項目，設(shè)計軟件界面，并進行調(diào)試和運行程序。

3.2.2 應(yīng)用軟件設(shè)計

由于本項目需要使用USB攝像頭，而原生Android系統(tǒng)并沒有集成對此設(shè)備的驅(qū)動支持，我們在應(yīng)用軟件的開發(fā)過程中需要考慮對攝像頭的驅(qū)動設(shè)計，USB攝像頭是遵循UVC協(xié)議的圖像捕捉設(shè)備，我們僅需要在Linux內(nèi)核中移植UVC設(shè)備的驅(qū)動程序，并通過谷歌官方提供的Android NDK工具包在HAL層將驅(qū)動功能封裝成應(yīng)用層接口，通過Java在應(yīng)用層調(diào)用上述接口，實現(xiàn)對USB攝像頭的使用。

學(xué)生實操平臺的應(yīng)用軟件需要實現(xiàn)以下功能：

1）對攝像頭進行光學(xué)參數(shù)設(shè)定。主要設(shè)置采集圖像的分辨率和攝像頭幀頻等參數(shù)。

2）獲取視頻流并在學(xué)生實操平臺的觸摸屏上進行顯示。

3）對采集到的圖像進行格式轉(zhuǎn)換及保存。

4）通過http協(xié)議將實驗數(shù)據(jù)和采集到的圖像上傳至服務(wù)器。

5）為用戶提供人機交互界面，實現(xiàn)一定的用戶操作邏輯。

以上開發(fā)過程主要使用的類方法如下：

1）打開攝像頭

2）開始預(yù)覽

3）調(diào)節(jié)亮度

4）切換分辨率

5）捕捉圖像

6）關(guān)閉攝像頭

應(yīng)用軟件算法流程如圖4所示。

圖4 應(yīng)用軟件算法流程圖

軟件運行后，首先對攝像頭進行參數(shù)設(shè)定，用戶可自行選擇合適的分辨率，調(diào)整亮度和對比度。其次從內(nèi)存中讀取視頻流信息，并對其進行顯示，此時用戶便可以在交互界面上預(yù)覽實時的圖像。當用戶發(fā)出上傳圖片指令時，軟件對此時的圖像進行格式轉(zhuǎn)換和保存操作，然后通過http協(xié)議發(fā)送到服務(wù)器。

3.3 教師監(jiān)控平臺設(shè)計

教師監(jiān)控平臺主要實現(xiàn)的功能有查詢學(xué)生實驗數(shù)據(jù)和查詢學(xué)生采集的實驗現(xiàn)象圖片。其采用BS架構(gòu)設(shè)計，用戶界面基于html+css+JavaScript技術(shù)進行實現(xiàn)，采用JavaScript腳本設(shè)定一定頻率通過http協(xié)議向web服務(wù)器進行數(shù)據(jù)請求，以實現(xiàn)用戶端數(shù)據(jù)實時更新的目的。

4 系統(tǒng)測試

我們使用大學(xué)物理實驗中的必修光學(xué)實驗-牛頓環(huán)的觀察對本系統(tǒng)進行功能測試，本系統(tǒng)在開發(fā)完成之后經(jīng)過一系列的精確測試，測試效果圖如圖5、圖6所示。

在測試中，攝像頭獲取的視頻流在640*480的分辨率下，平均幀率達到35幀以上。學(xué)生實操平臺提交數(shù)據(jù)后3～5秒內(nèi)即可在教師監(jiān)控平臺上收到數(shù)據(jù)信息，學(xué)生實操平臺亦可在3秒內(nèi)接收到老師的反饋信息。且整套系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，攝像頭無故障工作時間超40小時，可以滿足系統(tǒng)的教學(xué)要求。測試過程截圖如圖5，圖6所示。

圖5 學(xué)生實操平臺運行截圖

圖6 教師監(jiān)控平臺運行截圖

5 結(jié)論

系統(tǒng)基于Android嵌入式技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行設(shè)計并開發(fā)，經(jīng)過實驗測試，系統(tǒng)運行流暢，用戶可以自定義需要采集的光學(xué)圖像，學(xué)生實操平臺可以實現(xiàn)圖像觀察和數(shù)據(jù)上傳功能，教師監(jiān)控平臺實現(xiàn)監(jiān)控和成績評定功能，圖像觀察清晰，視頻預(yù)覽流暢，數(shù)據(jù)傳輸高效，工作性能可靠，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可靠性高，具有較好的易用性和可移植性。