劉寧　姜忠正

摘 要：實驗教學(xué)在高等教育中有重要作用，為適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育發(fā)展需求，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)改進(jìn)教學(xué)方式方法，推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間建設(shè)和普遍應(yīng)用，本項目以5G通信技術(shù)為基礎(chǔ)，探索一種面向控制類實驗設(shè)備的遠(yuǎn)程控制實驗系統(tǒng)解決方案。實驗室實驗設(shè)備種類眾多，包括控制類實驗，電路類實驗，電機(jī)控制類實驗，有些對實時性要求不高，但對于無人機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、無人駕駛汽車等實時性要求較高的控制類實驗，如何基于5G通信技術(shù)進(jìn)行實時遠(yuǎn)程控制，是本項目研究的主要內(nèi)容，項目通過構(gòu)建實時控制類實驗設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)架構(gòu)、實現(xiàn)實驗設(shè)備本地局域網(wǎng)控制、實驗設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)云端控制建立集遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測、管理一體的人機(jī)交互界面，最終構(gòu)建面向?qū)崟r控制類實驗設(shè)備的集實時性、實用性、擴(kuò)展性、安全性于一體的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué) 實驗設(shè)備 互聯(lián)網(wǎng) 實時遠(yuǎn)程控制 5G通信技術(shù)

Design of Remote Control System for Real Time Control Experimental Equipment based on 5G Communication Technology

Liu Ning Jiang Zhongzheng

Abstract：Experimental teaching plays an important role in higher education. To meet the needs of the development of the Internet Vocational Education， using modern information technology to improve teaching methods and promoting the construction and universal application of online learning space， based on 5G communication technology， this project explores a solution of remote-control experiment system for control experiment equipment. There are many types of laboratory equipment， including control experiments， circuit experiments， motor control experiments， some of which do not require high real-time performance. But for control experiments that require high real-time performance， such as unmanned aerial vehicles， industrial robots and driverless cars， how to carry out real-time remote control based on 5G communication technology is the main content of this project， and the project establishes the human-computer interaction interface which integrates remote control， monitoring and management through the construction of the remote control system architecture of the real-time control laboratory equipment， the realization of the local area network control of the laboratory equipment， and the Internet cloud control of the laboratory equipment. Finally， a real-time， control-oriented， remote-control system is built， which is practical， expandable and secure.

Key words：experimental teaching， experimental equipment， internet， real time remote control， 5G communication technology

實驗教學(xué)在高等教育中有重要作用，傳統(tǒng)實驗教學(xué)中學(xué)生不能在教學(xué)場地以外或課程時間之外進(jìn)行實驗，國家職業(yè)教育改革實施方案（國發(fā)〔2019〕4號）中提出“適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育發(fā)展需求，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)改進(jìn)教學(xué)方式方法，推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間建設(shè)和普遍應(yīng)用”，特別是疫情期間，學(xué)生由線下轉(zhuǎn)為線上學(xué)習(xí)，對實驗教學(xué)提出了新要求，遠(yuǎn)程控制實驗可解決上述問題。

根據(jù)被控對象是否為實際設(shè)備，遠(yuǎn)程實驗可以分為兩類：虛擬實驗和遠(yuǎn)程控制實驗。虛擬實驗方面，我國清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)等已經(jīng)建立了相關(guān)系統(tǒng)，涉及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字電路等多個學(xué)科的應(yīng)用。但在某些學(xué)科中，以虛擬方式進(jìn)行實驗，不能反映真實的實驗環(huán)境，因而缺少操作的真實性。其實，早在2010年山東大學(xué)團(tuán)隊就設(shè)計了一個遠(yuǎn)程通信控制系統(tǒng)實現(xiàn)了真實實驗設(shè)備遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集和實驗儀器控制，東南大學(xué)在2016年結(jié)合設(shè)計并研發(fā)了一套遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)。

在國外，雖然早在 1992 年就提出了遠(yuǎn)程訪問的設(shè)想，但是直到上世紀(jì)末才出現(xiàn)了很少的遠(yuǎn)程控制實驗?zāi)Ｐ?。主要的有：美國田納西州 Tennessee at Chattanooga 大學(xué)的 Jim Henry 設(shè)計了能夠提供溫度控制功能的虛擬實驗室，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)獲得實驗數(shù)據(jù);意大利的 Ancona and Lecce 大學(xué)實現(xiàn)可以控制風(fēng)扇、機(jī)器人手臂、玩具飛機(jī)等的基于互聯(lián)網(wǎng)的控制實驗。

本項目研究的是遠(yuǎn)程控制實驗，即對真實被控對象，進(jìn)行實驗設(shè)備數(shù)據(jù)采集、用適當(dāng)?shù)耐ㄐ欧绞竭M(jìn)行傳輸、處理，實現(xiàn)跨時空的儀器控制。隨著社會的發(fā)展，實驗室出現(xiàn)了對實時性、可靠性要求較高的無人機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、無人駕駛汽車等設(shè)備，目前，對于上述實驗設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制還沒有相應(yīng)方案。本項目以5G通信技術(shù)為基礎(chǔ)，探索一種面向控制類實驗設(shè)備的集實時性、實用性、擴(kuò)展性、安全性于一體的遠(yuǎn)程控制實驗系統(tǒng)的解決方案。

5G通信技術(shù)的應(yīng)用場景為eMBB（增強(qiáng)移動帶寬）、URLLC（低延時高可靠）以及mMTC（海量大連接）。項目涉及的無人機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、無人駕駛汽車等要求控制時延低、可靠性高，為增強(qiáng)學(xué)生在遠(yuǎn)程控制時的現(xiàn)場體驗感，在控制的同時還需要把設(shè)備的運(yùn)動狀態(tài)實時反饋給學(xué)生。項目利用5G通信技術(shù)把實驗設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，在SA （獨立組網(wǎng)）模式下通過5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)低時延、高速率、高可靠性的網(wǎng)絡(luò)傳輸，并通過軟件編程使實驗設(shè)備的上位機(jī)作為服務(wù)器對實驗設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，學(xué)生可使用在網(wǎng)絡(luò)中注冊的實驗設(shè)備，同時系統(tǒng)還可進(jìn)行實驗設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理及信息管理，方便教師在實驗過程中監(jiān)測、控制各個設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并實時記錄實驗數(shù)據(jù)。

項目雖然研究對象為實時性要求較高的控制類設(shè)備，但是對于實時性要求不高的其他類實驗設(shè)備，例如電路類實驗也同樣適用，因此具有一定推廣作用。通過搭建這樣一個實驗系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程受時空的限制，推進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間建設(shè)和普遍應(yīng)用，為學(xué)校和社會構(gòu)建實驗教學(xué)資源。

實驗室實驗設(shè)備種類眾多，包括控制類實驗，電路類實驗，電機(jī)控制類實驗，有些對實時性要求不高，但對于無人機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、無人駕駛汽車等實時性要求較高的控制類實驗，如何基于5G通信技術(shù)進(jìn)行實時遠(yuǎn)程控制，是研究的重要內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上再增加監(jiān)測、管理功能，最終形成一個面向控制類實驗設(shè)備的集實時性、實用性、擴(kuò)展性、安全性于一體的遠(yuǎn)程控制實驗系統(tǒng)的解決方案。本項目研究內(nèi)容為：

（一）實時控制類實驗設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)架構(gòu)

項目中實時控制類實驗設(shè)備遠(yuǎn)程控制采用客戶端/服務(wù)器模式的遠(yuǎn)程通信模式，按照客戶端/服務(wù)器模式進(jìn)一步設(shè)計實驗設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)方案，通過TCP/IP網(wǎng)關(guān)接入5G網(wǎng)絡(luò)，通過5G網(wǎng)絡(luò)下SA架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)切片，實現(xiàn)云端控制臺對實驗設(shè)備的毫秒級實時遠(yuǎn)程控制，同時通過5G網(wǎng)絡(luò)完成eMBB場景下實驗設(shè)備運(yùn)動狀態(tài)采集及從本地實驗平臺到云端的傳送，最終建立可實現(xiàn)云端和本地局域網(wǎng)控制的實驗控制系統(tǒng)架構(gòu)。

（二）5G切片規(guī)則的選擇

實時控制實驗設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)云端，鑒于超低時延及超大帶寬的要求，為使云端操作與本地實驗室操作的感知無差異化，需要通過實驗驗證在5G網(wǎng)絡(luò)SA模式下，網(wǎng)絡(luò)切片的時延、QOS（服務(wù)質(zhì)量）、承諾速率等最優(yōu)值設(shè)置，以選擇最佳5G網(wǎng)絡(luò)切片方式，實現(xiàn)與云端的最優(yōu)交互。

（三）實時控制類實驗設(shè)備本地局域網(wǎng)控制的實現(xiàn)

項目可以根據(jù)需求選擇在局域網(wǎng)內(nèi)遠(yuǎn)程控制，基于C語言進(jìn)行編程。保證實驗設(shè)備局域網(wǎng)內(nèi)的通信，一方面，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)通信的基礎(chǔ)是局域網(wǎng)通信，另一方面，也可滿足在校學(xué)生在實驗室內(nèi)實現(xiàn)實驗設(shè)備的局域控制。

（四）實時控制類實驗設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)云端控制的實現(xiàn)

實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)云端遠(yuǎn)程控制需要人機(jī)交互界面，交互界面基于Web網(wǎng)頁進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)，分為網(wǎng)頁前端設(shè)計、服務(wù)器后端設(shè)計和數(shù)據(jù)庫設(shè)計。網(wǎng)頁前端部分，主要采用 ASP.NET、JavaScript、HTML和CSS對軟件系統(tǒng)的客戶端進(jìn)行設(shè)計和實現(xiàn)，服務(wù)器后端主要基于客戶端/服務(wù)器框架搭建，使用 ASP.NET和SQL語言在后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、通過界面顯示實驗設(shè)備遠(yuǎn)程控制的數(shù)據(jù)，方便教師在實驗過程中監(jiān)測、控制各個設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的記錄。此外還需確定遠(yuǎn)程通信數(shù)據(jù)算法，實驗設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，為實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測和管理，需要確定遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、處理和顯示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。

立項時間：2021年;立項單位：內(nèi)蒙古自治區(qū)教育廳;項目名稱：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項目“基于5G通信技術(shù)的實時控制類實驗設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)”（NJZY21298）。

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作者簡介

劉 寧：（1983.03—），女，漢族，內(nèi)蒙古呼和浩特市人，碩士學(xué)位，講師。研究方向：電子信息與通信工程。

姜忠正：（1981.09—），男，漢族，內(nèi)蒙古呼和浩特市人，碩士學(xué)位，工程師。研究方向：電子信息與通信工程。