實(shí)驗(yàn)室智能控制論文范文

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1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1Socket套接字通信工作原理Socket(套接字)接口是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中最為通用的API，技術(shù)也最為成熟、穩(wěn)定。VisualStu-dio2010(C#)提供了很好的Socket編程支持，運(yùn)用C#編程設(shè)計(jì)可以很方便在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建一個(gè)通信端口。通過這個(gè)端口，可以將局域網(wǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī)可以與任何一臺(tái)具有Socket接口的計(jì)算機(jī)通信;而且Socket接口也是Internet上進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)最為通用的API［7，8］。目前高校校園網(wǎng)絡(luò)及實(shí)驗(yàn)室組網(wǎng)，基本都是使用TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)，Socket編程可以實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信功能，通過Socket接口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)器之間數(shù)據(jù)流發(fā)送和接收功能［6］，其工作原理如圖1所示。

1.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心一般設(shè)在教務(wù)處中，或獨(dú)立為部門。根據(jù)高校實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)管理，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心和教務(wù)處相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理人員的辦公場所與實(shí)驗(yàn)室屬于半分離狀態(tài);各個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部是都一個(gè)獨(dú)立網(wǎng)段的局域網(wǎng)，學(xué)校各個(gè)辦公場所和實(shí)驗(yàn)室又組成一個(gè)大的局域網(wǎng)即校園網(wǎng)，因此各級(jí)網(wǎng)絡(luò)之間除財(cái)務(wù)處等個(gè)別科室外，一般都可以進(jìn)行相互通信。系統(tǒng)整體包括教務(wù)監(jiān)管服務(wù)端、教師端、學(xué)生端三大部分，教師端設(shè)計(jì)為兩個(gè)角色既面向?qū)嶒?yàn)室學(xué)生又接受教務(wù)處管理;在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)由教師機(jī)承擔(dān)主控Socket服務(wù)端，與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所有學(xué)生機(jī)進(jìn)行通信，獲得學(xué)生上課行為并根據(jù)系統(tǒng)智能處理相關(guān)行為;同時(shí)在教務(wù)監(jiān)理總服務(wù)端監(jiān)聽下，實(shí)驗(yàn)室教師機(jī)定時(shí)將學(xué)生上課行為匯總到教務(wù)端，對(duì)于異常行為的信息則立即發(fā)送到教務(wù)端，教務(wù)端根據(jù)該學(xué)生在不同實(shí)驗(yàn)室的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如異常行為次數(shù)過多則從教務(wù)處下達(dá)處罰通知至教師端，教師端再轉(zhuǎn)發(fā)到學(xué)生端，其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖2。如圖2所示，本系統(tǒng)采用分層模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以減輕教務(wù)服務(wù)器的負(fù)荷，減少網(wǎng)絡(luò)擁塞，有利于系統(tǒng)的實(shí)施。

1.3實(shí)驗(yàn)室教師機(jī)與學(xué)生機(jī)的通信設(shè)計(jì)Socket在不同主機(jī)的相關(guān)進(jìn)程之間的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其構(gòu)造函數(shù)有兩個(gè)參數(shù)，第一個(gè)參數(shù)是IP地址即依照TCP/IP協(xié)議要連接的目標(biāo)服務(wù)端計(jì)算機(jī)的IP地址;第二個(gè)參數(shù)是端口號(hào)即服務(wù)端計(jì)算機(jī)上提供通訊服務(wù)的端口號(hào)且該端口號(hào)在通訊前必須要分配一個(gè)沒有被訪問的;只有滿足這兩個(gè)參數(shù)才可能進(jìn)行連接，建立兩個(gè)進(jìn)程間的通訊鏈路［3］。同一實(shí)驗(yàn)室內(nèi)教師機(jī)和學(xué)生機(jī)的網(wǎng)絡(luò)布局都會(huì)設(shè)計(jì)為同一網(wǎng)段的局域網(wǎng)，教師機(jī)IP地址一般都是固定的，作為服務(wù)端進(jìn)行監(jiān)控學(xué)生計(jì)算機(jī)，而學(xué)生機(jī)的IP地址相對(duì)比較不固定，作為客戶端連接沒有影響。教師機(jī)與學(xué)生機(jī)的Socket通信設(shè)計(jì)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)室上課時(shí)，教師機(jī)作為Socket通信的服務(wù)端，首先建立Socket()把IP地址和端口號(hào)進(jìn)行綁定并啟動(dòng)監(jiān)聽，同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室教師規(guī)模設(shè)置本實(shí)驗(yàn)室服務(wù)端的請(qǐng)求隊(duì)列長度和實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)段規(guī)則，用于限制其它實(shí)驗(yàn)室學(xué)生機(jī)不正常的連接。學(xué)生機(jī)和教師機(jī)建立連接后，學(xué)生機(jī)就可以將本機(jī)上課操作行為發(fā)送到教師機(jī)，教師機(jī)接受學(xué)生信息后系統(tǒng)根據(jù)異常行為判斷，如學(xué)生存在不正常行為將給予警告，并記錄學(xué)生的異常行為，嚴(yán)重者教務(wù)處介入監(jiān)管。實(shí)驗(yàn)室下課時(shí)，關(guān)閉計(jì)算機(jī)時(shí)自動(dòng)關(guān)閉Socket所有連接。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是基于VisualStudio2010開發(fā)平臺(tái)，采用C#編程語言，實(shí)現(xiàn)Socket三級(jí)管理;將實(shí)驗(yàn)室教師和教務(wù)監(jiān)管人員聯(lián)合管理學(xué)生上課行為，糾正不良學(xué)風(fēng)，通過異常行為檢測和智能消息提醒輔助提升學(xué)習(xí)質(zhì)量，采用進(jìn)程偽裝技術(shù)防止學(xué)生逃離監(jiān)控范圍。

2.1異常行為處理系統(tǒng)對(duì)異常行為進(jìn)行分類，并預(yù)設(shè)了各種行為表現(xiàn)和相應(yīng)的處理機(jī)制，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室上課過程中系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)登記學(xué)生上課行為，并根據(jù)學(xué)生行為進(jìn)行相關(guān)處理。計(jì)算機(jī)當(dāng)前各種操作都會(huì)記錄到系統(tǒng)進(jìn)程中，每個(gè)進(jìn)程都對(duì)應(yīng)某一種應(yīng)用［7］，通過監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)程可以獲取學(xué)生當(dāng)前操作的應(yīng)用程序。其中打開網(wǎng)頁操作所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)進(jìn)程比較特殊，在系統(tǒng)進(jìn)程中只能獲取其是否打開網(wǎng)頁的進(jìn)程，而瀏覽的網(wǎng)址是否合法還需要在網(wǎng)頁進(jìn)程中挖掘，獲得網(wǎng)址步驟為。

2.2智能處理教師機(jī)接受到學(xué)生的上課行為信息，系統(tǒng)根據(jù)行為庫將學(xué)生上課行為按不同等級(jí)進(jìn)行劃分，進(jìn)行相關(guān)處理，如警告信息提示、遠(yuǎn)程強(qiáng)制關(guān)閉、上報(bào)教務(wù)處等，具體行為庫維護(hù)如圖4所示。行為庫的健全直接影響本系統(tǒng)的智能程度，當(dāng)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)進(jìn)程在行為庫中不匹配時(shí)，系統(tǒng)會(huì)智能檢測學(xué)生機(jī)CPU、內(nèi)存使用率。當(dāng)該學(xué)生機(jī)的CPU、內(nèi)存使用率連續(xù)比較長時(shí)間處于較高狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)將該進(jìn)程列為C類警告，并發(fā)送消息提示學(xué)生注意上課。系統(tǒng)管理員定期檢查C類警告進(jìn)程，根據(jù)該進(jìn)程對(duì)上課影響程度調(diào)整警告等級(jí)和設(shè)置相關(guān)處理辦法。學(xué)生在上課過程中可能需要通過網(wǎng)頁查詢資料，在行為庫中只能檢測到學(xué)生是否打開網(wǎng)頁而具體打開網(wǎng)址是否符合上課要求，則需要在行為庫中對(duì)網(wǎng)址合法化進(jìn)行維護(hù)。互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)站很多，維護(hù)比較麻煩，系統(tǒng)提供智能的處理方式，通過網(wǎng)站打開次數(shù)和時(shí)長判定該網(wǎng)站是否介入審查，當(dāng)教師或教務(wù)管理人員審查后對(duì)該網(wǎng)站進(jìn)行評(píng)定行為等級(jí)。學(xué)生在上課過程中發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)被監(jiān)控，可能會(huì)玩手機(jī)或進(jìn)行其它與計(jì)算機(jī)無關(guān)的操作等，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)智能判定學(xué)生機(jī)是否出現(xiàn)不作為的情況。當(dāng)CPU、內(nèi)存使用率在一定時(shí)間段處于基本不變或較長時(shí)間網(wǎng)絡(luò)處于監(jiān)測之外則視為學(xué)生上課不作為，系統(tǒng)登記后自動(dòng)發(fā)送消息對(duì)學(xué)生機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)檢測到學(xué)生的異常行為，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用警告函數(shù)sendWarning(″10.2.22.18″，“警告:林興杰同學(xué)上課玩游戲已被登記，請(qǐng)立即關(guān)閉游戲!”);學(xué)生機(jī)彈出如圖5提示框。如果系統(tǒng)警告3次及以上仍不改正，系統(tǒng)將調(diào)用函數(shù)kill-Process(“10.2.7.33”，pID，pHandle，“關(guān)閉:陳超同學(xué)已經(jīng)警告三次仍然繼續(xù)玩游戲，系統(tǒng)將強(qiáng)制關(guān)閉!”);進(jìn)行遠(yuǎn)程關(guān)閉學(xué)生機(jī)。

2.3智能偽裝實(shí)驗(yàn)室智能控制系統(tǒng)可以減少學(xué)生玩游戲、看電影等現(xiàn)象，但有些學(xué)生就會(huì)嘗試擺脫監(jiān)控，在上課時(shí)斷開網(wǎng)絡(luò)或結(jié)束實(shí)驗(yàn)室智能控制系統(tǒng)的進(jìn)程。當(dāng)正常網(wǎng)絡(luò)斷開3分鐘以上，教師機(jī)會(huì)出現(xiàn)未正常連接的提示信息，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)調(diào)用網(wǎng)絡(luò)ping命令，如網(wǎng)絡(luò)連接正常則表示學(xué)生結(jié)束了系統(tǒng)控制進(jìn)程，此時(shí)通過教師機(jī)遠(yuǎn)程啟動(dòng)該控制系統(tǒng)。為了使保護(hù)控制系統(tǒng)的進(jìn)程不被發(fā)現(xiàn)，可采用進(jìn)程偽裝為操作系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)程，如:svchost，system，rundll32等［8］。經(jīng)過偽裝的進(jìn)程，看起來就像正常的系統(tǒng)進(jìn)程，不易被察覺，但在系統(tǒng)更新時(shí)要分別進(jìn)行。進(jìn)程保護(hù)不允許計(jì)算機(jī)用戶強(qiáng)制結(jié)束任務(wù)或關(guān)閉進(jìn)程，以達(dá)到應(yīng)用程序或服務(wù)穩(wěn)定運(yùn)行。進(jìn)程偽裝方法結(jié)合進(jìn)程保護(hù)技術(shù)，其保護(hù)效果將會(huì)更好，一方面可以保護(hù)自身不被惡意軟件破壞，另一方面系統(tǒng)安全防護(hù)軟件不易檢測出來［9］。

2.4智能監(jiān)管為了加強(qiáng)教務(wù)管理，教務(wù)部門會(huì)定期抽查或巡視課堂，但教室、學(xué)生數(shù)多且巡視會(huì)影響課堂教學(xué)，這給教務(wù)監(jiān)管帶來不少麻煩，基于Socket的實(shí)驗(yàn)室智能控制系統(tǒng)可以輔助教務(wù)部門監(jiān)管教學(xué)，實(shí)現(xiàn)智能管理。系統(tǒng)從各實(shí)驗(yàn)室教師機(jī)接收學(xué)生上課行為，每個(gè)月統(tǒng)計(jì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)室上課情況，對(duì)學(xué)生行為進(jìn)行綜合分析，將學(xué)生上課情況定期生成實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量檢查報(bào)告，并分發(fā)至輔導(dǎo)員，對(duì)經(jīng)常玩游戲、看電影、曠課等現(xiàn)象的學(xué)生進(jìn)行批評(píng)處理。經(jīng)教務(wù)智能監(jiān)管后，學(xué)生上課異常行為明顯減少，尤其是玩游戲、看電影等明顯減少，但曠課改進(jìn)比較小，如圖6所示(數(shù)據(jù)以出現(xiàn)警告信息人次進(jìn)行統(tǒng)計(jì))。系統(tǒng)按學(xué)期統(tǒng)計(jì)出各個(gè)學(xué)生上課各種行為，一方面為批評(píng)和指正學(xué)生提供依據(jù)，另一方面也能警示教師維護(hù)好上課課堂秩序。優(yōu)差學(xué)生上課行為的對(duì)比如圖7所示，教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂行為控制區(qū)別如圖8所示。

3結(jié)論

基于Socket的實(shí)驗(yàn)室智能控制系統(tǒng)一方面能及時(shí)提示學(xué)生上課避免出現(xiàn)異常行為，并進(jìn)行糾正;另一方面也能督促教師提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂控制。同時(shí)對(duì)于位置固定的計(jì)算機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不能正常連接，則能提示實(shí)驗(yàn)室管理人員進(jìn)行檢測和維修，保證網(wǎng)絡(luò)正常工作。從兩個(gè)學(xué)期實(shí)驗(yàn)上課行為觀察，學(xué)生異常行為有一定的改善。但系統(tǒng)智能控制主要基于行為庫，而行為庫的完善程度直接影響系統(tǒng)的智能程度。這也加大了系統(tǒng)維護(hù)的工作量，且需進(jìn)一步提升系統(tǒng)的自我維護(hù)的智能程度。另外，游戲應(yīng)用層出不窮尤其是網(wǎng)頁游戲，難以有效監(jiān)控。運(yùn)行基于Socket的實(shí)驗(yàn)室智能控制系統(tǒng)后，確實(shí)能明顯降低學(xué)生玩游戲、看電影等現(xiàn)象，有效提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，從技術(shù)上為教務(wù)部門監(jiān)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供新的手段，該方案具有一定的推廣價(jià)值。

作者：盧民榮單位：江夏學(xué)院