遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)儀器接入接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)范文

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關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)；接口設(shè)計(jì)；儀器管理；GUID；JSON

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟以及教育信息化與現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，信息化教育成為未來(lái)教育事業(yè)一個(gè)可觀的發(fā)展方向[1-2]。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是推廣信息化教育的一個(gè)重要研究手段，是遠(yuǎn)程教學(xué)發(fā)展中不可缺少的重要組成部分[3-4]。目前國(guó)內(nèi)外有眾多高校都建立了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，但現(xiàn)有的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)多是接入本校實(shí)驗(yàn)儀器，對(duì)于如何接入并管理其他學(xué)校儀器設(shè)備的情況，未作進(jìn)一步研究，而這些問(wèn)題也限制了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的發(fā)展與推廣[5-7]。鑒于此，本文針對(duì)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)外開(kāi)放難的問(wèn)題，研究實(shí)驗(yàn)儀器與遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的接入接口的管理與控制，為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的對(duì)外開(kāi)放提供了新思路。

1總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的基礎(chǔ)——遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)對(duì)社會(huì)開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)服務(wù)平臺(tái)。用戶登錄遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，可通過(guò)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)儀器，可進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理員可通過(guò)本接口系統(tǒng)，將外校實(shí)驗(yàn)儀器接入遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。大量實(shí)驗(yàn)儀器接入遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的情況下主要存在以下兩個(gè)問(wèn)題：1）實(shí)驗(yàn)儀器身份唯一性無(wú)法保證而導(dǎo)致的安全隱患；2）實(shí)驗(yàn)控制參數(shù)不一致而導(dǎo)致的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)外開(kāi)放困難。為解決遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在對(duì)外開(kāi)放過(guò)程中的這些問(wèn)題，系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器ID申請(qǐng)審核、儀器ID管理、儀器接入配置、儀器管理等功能。系統(tǒng)功能模塊劃分如圖1所示。

2核心功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的核心是實(shí)驗(yàn)儀器身份標(biāo)識(shí)與接入配置模塊。實(shí)驗(yàn)儀器身份標(biāo)識(shí)機(jī)制是保證實(shí)驗(yàn)儀器在接入遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后身份唯一的重要一步，其保障了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的通信安全。該模塊主要分為基本信息配置和參數(shù)配置兩個(gè)部分。基本信息配置描述了實(shí)驗(yàn)儀器的狀態(tài)，包括儀器價(jià)格、購(gòu)買(mǎi)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)等。參數(shù)配置模塊主要的目的是賦予實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之間的通信權(quán)限，生成控制頁(yè)面，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器接入遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2.1儀器ID模塊設(shè)計(jì)

在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)外開(kāi)放的過(guò)程中，將存在大量實(shí)驗(yàn)儀器接入的情況。為確保遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的通信安全，實(shí)驗(yàn)儀器需要一個(gè)唯一的編碼值作為儀器ID。系統(tǒng)采用GUID生成實(shí)驗(yàn)儀器ID，保證通信系統(tǒng)標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器身份唯一。GUID是一種由加入了非隨機(jī)的參數(shù)的算法生成的二進(jìn)制長(zhǎng)度為128位的數(shù)字標(biāo)識(shí)符，主要運(yùn)用于擁有多個(gè)節(jié)點(diǎn)、多臺(tái)計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)中，符合遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的大環(huán)境。GUID值由算法自動(dòng)生成，不需要權(quán)威機(jī)構(gòu)來(lái)管理。算法自動(dòng)生成的GUID能產(chǎn)生全球唯一的值，能夠作為實(shí)驗(yàn)儀器ID，用于遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)儀器身份唯一標(biāo)識(shí)。系統(tǒng)通過(guò)儀器ID的申請(qǐng)、審核機(jī)制，賦予接入設(shè)備唯一身份標(biāo)識(shí)。儀器ID申請(qǐng)時(shí)，管理員用戶需要填寫(xiě)申請(qǐng)人名稱(chēng)，申請(qǐng)人手機(jī)號(hào)碼以及申請(qǐng)理由。儀器ID的審核采用人工審核機(jī)制，只有超級(jí)管理員具備審核權(quán)限，超級(jí)管理員通過(guò)查看用戶的申請(qǐng)資料，并核對(duì)用戶的申請(qǐng)資料進(jìn)行審核。超級(jí)管理員可以查看申請(qǐng)人名稱(chēng)、申請(qǐng)時(shí)間、申請(qǐng)人所屬機(jī)構(gòu)、申請(qǐng)狀態(tài)等信息。審核通過(guò)后方可生成儀器ID，在接入配置與今后的實(shí)驗(yàn)通信中，ID號(hào)將作為這臺(tái)儀器在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的身份證。用戶可將儀器ID生成二維碼，打印后貼于儀器上。用戶可通過(guò)移動(dòng)端掃描二維碼，直接管理對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀器。編號(hào)申請(qǐng)審核流程設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2參數(shù)配置方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的調(diào)研分析，將部分實(shí)驗(yàn)所需參數(shù)類(lèi)型分為：1）開(kāi)關(guān)類(lèi)。顧名思義，即開(kāi)關(guān)模式的變量，如啟動(dòng)、暫停、結(jié)束等只用兩種狀態(tài)的控制型參數(shù)。2）方向類(lèi)。即方向控制參數(shù)，如上、下、左、右、前、后等。3）范圍變化類(lèi)。如增大/減小，或直接寫(xiě)入控制參數(shù)數(shù)據(jù)值。4）實(shí)驗(yàn)反饋類(lèi)。如各類(lèi)傳感器讀數(shù)。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通信采用MQTT（MessageQueuingTelemetryTransport）通信服務(wù)技術(shù)，具有簡(jiǎn)潔、輕量級(jí)、易于實(shí)現(xiàn)的特性。MQTT采用“/訂閱”模式，按照協(xié)議設(shè)定三種消息服務(wù)質(zhì)量。1）“至多一次”，消息依賴底層網(wǎng)絡(luò)的通信能力，有可能會(huì)出現(xiàn)消息丟失、消息重復(fù)的情況。此級(jí)別可用于傳感器數(shù)據(jù)傳輸，這類(lèi)數(shù)據(jù)丟失一次消息也影響不大。2）“至少一次”，確保消息到達(dá)，但消息重復(fù)可能會(huì)發(fā)生。3）“只有一次”，確保消息到達(dá)一次。如在計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中，消息重復(fù)或丟失會(huì)導(dǎo)致不正確的結(jié)果。本系統(tǒng)采用JSON作為參數(shù)提交格式。JSON是一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式，易于人閱讀和編寫(xiě)，同時(shí)也易于機(jī)器解析和生成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)用戶JSON編輯區(qū)塊，由用戶填寫(xiě)所需參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)分類(lèi)選擇對(duì)應(yīng)參數(shù)類(lèi)型，根據(jù)所填參數(shù)通信服務(wù)質(zhì)量要求選擇訂閱對(duì)應(yīng)的通信服務(wù)。確認(rèn)無(wú)誤提交后，系統(tǒng)審核驗(yàn)證合法性，如通過(guò)驗(yàn)證，將在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與通信系統(tǒng)中注冊(cè)控制參數(shù)，并根據(jù)用戶填寫(xiě)參數(shù)生成實(shí)驗(yàn)操作頁(yè)面。參數(shù)分為參數(shù)配置流程圖如圖4所示。

2.3儀器管理模塊方案設(shè)計(jì)

儀器管理模塊分Web端與移動(dòng)端，管理員用戶可直接通過(guò)Web網(wǎng)頁(yè)，完成對(duì)儀器的管理：信息查看、信息修改、刪除儀器。這里的信息是指用戶通過(guò)基本信息配置填寫(xiě)的儀器基本信息（主要內(nèi)容有設(shè)備名稱(chēng)、實(shí)驗(yàn)室標(biāo)識(shí)、實(shí)驗(yàn)標(biāo)識(shí)、上傳圖像、購(gòu)買(mǎi)日期、設(shè)備價(jià)格、設(shè)備狀態(tài)、使用權(quán)重、設(shè)備描述）。移動(dòng)端的管理模塊設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)儀器的便捷管理。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)室中，并非所有的實(shí)驗(yàn)室都會(huì)配備電腦，如果在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備維護(hù)檢查過(guò)程中，想要管理遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)應(yīng)的儀器，還需要抄寫(xiě)下對(duì)應(yīng)儀器ID，再到PC端查詢管理，這樣對(duì)用戶管理儀器十分不方便。通過(guò)移動(dòng)端掃描管理，用戶只需要用手機(jī)掃描儀器ID二維碼，就可以直接查看和管理儀器。移動(dòng)端二維碼掃描流程設(shè)計(jì)如圖5所示。用戶掃描二維碼后，判斷用戶的身份角色，普通用戶只能查看儀器信息，管理員用戶方可管理儀器。

3系統(tǒng)功能測(cè)試

測(cè)試功能包括儀器ID的申請(qǐng)與審核、儀器ID唯一性驗(yàn)證、基本信息配置、儀器管理功能（儀器管理包括：信息查看、信息修改、刪除儀器、掃碼管理），系統(tǒng)功能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

4結(jié)論

本系統(tǒng)是遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)外開(kāi)放的接口，在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，結(jié)合GUID與JSON文件傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的儀器接口配置及管理，進(jìn)一步完善了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。推動(dòng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的對(duì)外開(kāi)放，提高實(shí)驗(yàn)資源的利用率，促進(jìn)信息化教育發(fā)展。

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作者：杜亞蘭 段俊杰 吳志忠 單位：長(zhǎng)沙理工大學(xué)