远程硬件实验控制平台的架构设计

• 182•随着网络技术的发展，网络技术在传统行业的应用逐渐成为了热点，远程实验室便是网络技术在教育领域的应用。

基于此，本文介绍了一种模拟电子实验箱远程控制的硬件设计方案。

它不同于传统模拟电子实验箱的是，学生可以不受空间与时间的限制，根据自己的学习时间和情况，通过网络对模拟电子实验箱进行远程操控从而完成模拟电子实验。

该系统以嵌入式STM32为核心板，配备其余扩展板以满足本科模拟电子实验的需求，为一些硬件资源不足的学校和无法在实验室完成实验的学生提供了一套可行的方案。

1.研究背景传统的模拟电子实验箱是将所有元器件焊在底板上，元器件尾部留有插口，这样的设计可方便学生进行导线插拔，但传统实验箱也有它缺乏实时远程互动可操作性的缺点。

网络技术的发展提出的远程实验技术很好的解决了这个问题。

远程实验技术是指学生通过网络，利用计算机技术、虚拟仪器技术、远程控制技术、数据采集技术等技术在远端计算机上进行实验操作，所得到的实验体验与实际去实验室进行实验相似。

本文依托长江大学国家级电子电工实验中心，针对模拟电子实验箱搭建远程控制的硬件平台提出了一套可行的方案。

2.模拟电子实验箱远程控制硬件总体设计2.1 总体功能需求本文的目的是作为本科生进行模拟电子实验的一个补充。

可满足5大实验需求：单管放大实验、集成运放基本应用实验、功率放大试验、信号产生与转换电路设计实验、集成直流稳压电源实验。

学生可通过网络对模拟电子实验箱进行远程操控，从而达到实验的目的。

2.2 模拟电子实验箱远程控制系统总体结构设计的模拟电子实验箱远程控制系统总体框图如图1所示。

系统总体分为硬件软件两部分，软件部分包括云端服务器的web设计和数据库设计。

硬件部分是由通信板、ARM板、模电实验板三大部分和可供插拔的底板组成的模拟电子实验箱。

用户的远程操作通过云端服务器传给模拟电子实验箱后，通过ARM板的控制来完成实验。

本文所介绍的就是该系统的硬件部分。

2.3 模拟电子实验箱远程控制硬件介绍2.3.1 通信板该系统拟采用以太网传输方式，通信板接收服务器传来的网络信息解析后传给ARM 板，接收ARM板传过来的反馈信息上传给服务器，由于传输的信息量不是特别大而且模拟电子实验箱需要长时间保持休眠状态必须选用低功耗型号，综合上述因素同时考虑成本问题决定选用LAN8720模块。

实验设备控制层用户层远程实验控制平台的设计与实现*谌建飞12,邓敏12,王永建12,刚煜12,唐立军12 (1.长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南长沙410114;2.近地空间电磁环境监测与建模湖南省普通高校重点实验室，湖南长沙410114)摘要:本文针对远程实验教学中实验仪器设备的远程控制、安全智能管理和实验对外开放等问题，采 用嵌入式技术、网络通信技术、W eb 应用技术结合教育身份号的实名认证技术设计和开发一个远程实验控 制平台。

实现对远程实验室实验项目的在线预约、远程操控、智能管理以及对远程实验设备的故障检测与用 户访问安全控制，为实验的远程操控和对外开放创造条件。

关键词：远程实验；实名认证;智能管理;安全控制中图分类号:TP 315 文献标志码:A 引言远程实验是远程教学发展中不可缺少的重要组成 部分，对于远程实验的控制管理更是远程实验模式的重 要研究方向11-\远程实验控制管理的实现主要包含了嵌 人式技术、物联网技术、仪器仪表控制技术、Web 技术和 实名制管理技术等，其目标在于打造一个统一而便捷的 远程实验教学和管理平台，帮助解决实验控制平台建 设、资源共享与对外开放问题14、5]遥目前世界各大高校和 研究机构已经投人大量资金对远程实验模式进行相关 的研究，并取得丰富的研究成果，如拉斯维亚斯中央大 学设计的关于自动化控制的远程实验系统，北京邮电大 学设计的基于ARM 的远程实验控制系统M 。

本文在远程实验操作平台设计19的基础上，探索基 于教育身份号的实名制远程实验控制平台，为远程 实验模式在控制管理方面提供新思路。

一、总体设计远程实验控制平台是一个对社会开放的实验服务 平台，目的在于整合有限的实验资源采用有偿或无偿方 式开放给高校和社会使用，提高实验资源的利用率，促 进教育手段的多样化发展。

为满足用户进行远程实验和 管理员管理平台事务需求，并大大提升平台服务能力、 对外开放能力和解决平台安全访问控制与高效率智能 管理问题，远程实验控制平台需实现实验在线预约、实验 远程操作、管理员平台事务管理、仪器设备安全控制和 用户安全访问控制，本平台系统结构和模块设计如下。

基于TCP/IP技术的远程教学实验平台系统设计作者：李睿佳丁睿曦丁子原田宇梁姚世选来源：《计算机与网络》2021年第20期为了适应当下教学模式与方法的转变，以实验室倒立摆实验为例，基于TCP/IP技术开发服务高校的远程教学实验平台系统，旨在打造一个可远程操控、实验数据精准、具有可视化界面的实验平台。

深入挖掘网络智控技术与教育领域融合的新动能，为现代数字化教学开拓新思维、新路线。

研究背景如今高科技领域快速发展，随着远程教育等新型教育模式的出现，加速了开放式教育的发展，高校学生的教育资源愈加优化。

由于疫情的影响，诸如钉钉、腾讯会议等此类线上网课模式更是在高校得到了快速普及，这给予了学习者更多的便利，使他们无论身处何地，都可以享受到同等的教育资源。

但对于一些理工科专业高校来说，对理论的理解仅仅是基础，现实中的“践”才更为重要，现如今的教学实验还面临着诸多问题：①实验器械短缺，高校无法开展大型实训项目；②人工操作失误率高，教学实验进度慢；③硬件设施磨损、消耗大，且维护费用高昂。

鉴于此，远程教学实验平台的出现可以有效提高教学的质量，经由可视化的界面为各层次、各种类型的学习者提供精准的数据、直观的实验结果，同时可以减少实验设备的损耗。

本文将构建一个实验平台的整体结构框架，阐述其程序功能的具体实现，最后通过系统运行来完整展现实验平台的效果。

系统框架远程实验平台构建的系统框架目的是为客户端的使用者提供可视的实验界面运动过程和运动参数，平台开发基于C/S的架构模型，可充分发挥客户端PC的高效处理能力，实现复杂的业务流程。

远程实验平台系统结构如图1所示。

在上图可以看到，内核程序是系统主控方式，通过一个虚拟网桥来实现网口的桥接；内核程序与虚拟动力学环境通过传递动力参数与状态参数实现双方交互；交换机与服务器及实物AI平台连接进行数据交互，二者通过UDP协议将实物运动数据分别传递给3D仿真平台和实物AI平台，使3D平台根据算法提供的数据与实物AI平台呈现同步运动过程。

远程教育平台的技术架构及实现方案随着科技的不断发展，教育领域也愈加注重创新和变革。

特别是在新冠肺炎疫情期间，远程教育平台成为了重中之重。

远程教育平台是一种将教育资源进行数字化，并通过网络和云技术实现教育内容的教学和学习的平台。

那么，如何构建一套稳定可靠的远程教育平台技术架构呢？一、远程教育平台的技术架构1.基础架构远程教育平台的基础架构主要包括服务器、存储设备和网络设备。

这些设备需要采用高可用、高性能、高可扩展等技术，从而保证平台的稳定性和可靠性。

2.平台建设远程教育平台的平台建设是建立在基础架构之上的，主要包括数据的采集、存储和管理。

平台需要采用大数据分析、人工智能等技术，对学生的学习情况进行分析、评估和反馈，同时支持实时教学和远程授课。

3.教育资源教育资源是远程教育平台的核心，包括课程内容、教材、案例等。

这些资源需要进行数字化处理，并进行分类、管理和组织，方便学生进行学习并提高学习效率。

4.运营管理平台的运营管理是保障平台可持续发展和用户使用的重要环节。

平台需要支持在线学生管理、课程计划和安排、教学质量监控等功能，同时对平台出现的问题进行随时解决和处理。

二、远程教育平台的实现方案1.技术架构方案远程教育平台的技术架构方案需要考虑平台的稳定性、高性能和高可用性。

可采用云计算技术，将教育资源和数据存储在云端，通过弹性计算实现根据用户量进行资源的自动分配，从而确保平台的高效、稳定和可靠性。

2.开发方案开发方案主要是针对不同的应用场景和用户需求进行开发，包括学生端、教师端、管理员端等。

开发应采用前后端分离、微服务架构、容器化技术等，从而实现应用的高并发响应和快速扩容。

3.数据安全方案远程教育平台需要重视用户数据的安全。

可采用加密传输、数据备份和恢复、数据隐私保护等技术，从而确保用户数据的安全性和保密性。

4.教学资源方案教学资源方案是远程教育平台的关键环节，需要有完整的教学资源体系和管理体系。

对于课程内容，可采用自主研发和合作开发相结合的方式，将优质教育资源整合到远程教育平台上，为学生提供优质的教育资源。

29科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald I T 技 术引言随着计算机在各个领域的广泛应用与普及,计算机俨然已成为现代社会运行与发展必不可少的部分,这就使得高校教育对计算机方面的教学愈加重视。

计算机硬件实验是计算机教学中至关重要的一部分,然而如今的高校计算机硬件实验教学正面临着各样的问题:硬件设施不齐全;实验室仪器成本和维护费用昂贵;学生得不到充分利用实验室设备的机会等。

网络虚拟实验室通过计算机网络系统,使得学生或研究人员不受时空的限制,随时随地共享仪器设备、数据和计算机资源,可以有效地解决如今高校实验教学面临的困境。

网络虚拟实验室按实现功能可分为3类:(1)软件共享网络虚拟实验室:其特点为,服务端共享本地的虚拟实验室模拟软件平台,接受客户端发送的实验请求,分析和处理实验参数,经过计算模拟最终将结果返回客户端。

整个系统不涉及具体的实验仪器硬件设备,只是利用软件模拟实验的过程。

(2)仪器共享网络虚拟实验室:服务端同样接受客户端的实验请求和实验参数,使用实验参数配置与之连接的实验仪器硬件设备,由实验仪器硬件设备进行实验,并将实验结果返回服务端,最后返回到用户端,实现实验仪器和实验数据的共享。

(3)远程控制网络虚拟实验室:与仪器共享网络虚拟实验室最大的区别在于,除了实验仪器实验数据的共享之外,还要实现客户端对实验仪器设备的远程控制。

本文所描述的远程硬件实验控制平台属于第三类网络虚拟实验,应用于高校计算机硬件实验教学。

其优点是:(1)集组成原理课程实验、数字逻辑设计课程实验、系统结构课程实验于一体的计算机硬件实验统一平台。

通过此硬件平台可以选择所包含的多类学科的课程实验,不必为不同的实验选择不同的硬件仪器。

(2)学生远程使用客户端软件通过互联网连接服务器即可进行实验操作,不必专程去实验室做实验,不仅方便了学生,又节约了学校的实验室资源。

(3)友好的人机交互界面,虚拟的实验平台界面,操作方便又有真实感。

远程实验系统是一个不受地域和时间限制的远程在线操作仪器并返回实时测量数据的系统，并且远程操作人员可以实时看到远程的现场画面。

远程实验系统在很多高校中都有使用，教师可以在线布置实验任务，然后学生可以先预约实验，并在约定的时间进行实验，完成并提交实验报告，然后教师可以在线批改实验报告。

这样教师和学生都可以更方便地安排自己的时间来完成自己的教学任务和实验。

对于比较昂贵的设备可以提高使用率。

整个系统主要分为三大部分：现场仪器、服务器和操作的客户端。

我们的服务器和客户端是基于B ／S 架构。

因此，本文研究的远程实验系统主要解决这三个模块之间的数据通信及网络结构的设计。

1系统架构远程实验平台软件架构如图1所示，现场仪器嵌入式软件、服务器、远程客户端。

以下分别介绍每一部分的作用与功能：1）现场仪器平台：现场各个仪表的数据采集、数据发送、远程指令的接收和解析。

并且仪器本身有自我保护功能，当某一数据超过仪器本身最大的承受范围则自动开启保护功能，以防止仪器损坏。

2）服务器处理程序：能够接收现场仪器发送过来的数据包，并且解析数据包发送给对应的远程浏览器客户端。

接收客户端的发送过来的指令并且解析后发送给对应的实验设备。

处理用户的登录注册、学生的实验预约、实验报告的提交、教师的报告批改。

3）远程实验平台数据库：用于存储教师、学生、管理员的信息，以及学生实验报告的操作日志、实验数据、实验预约时间、实验分数。

2网络通信结构远程实验平台整个通信过程比较长，从数据采集到服务器接收一直到客户端，并且客户端也可以发送指令到服务器再到现场仪器，整个通信需要有一定的实时性。

整个通信过程根据需要主要使用了三种通信方式，TCP 、HTTP 和WebSocket 。

通信的结构图如图2所示。

主要有三个通信协议线路：现场仪器设备与服务器的双向TCP 通信，Web 服务器的HTTP 通信，客户端与服务器之间的数据实时接收和发送的WebSocket 通信。

基于单片机的远程监测系统硬件架构设计远程监测系统是一种常见的应用系统，其对于实时数据的采集、传输和处理具有重要意义。

基于单片机的远程监测系统是一种较为常见的设计方案，其硬件架构设计是保证系统稳定可靠、功能正常运行的基础。

一、硬件架构设计概述基于单片机的远程监测系统硬件架构设计主要包括以下几个关键部分：1. 传感器模块：用于采集待监测物理量的传感器，如温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。

2. 单片机：作为系统的核心控制器，负责对传感器模块进行控制和采集，并与其他模块进行数据交换。

3. 通信模块：用于与远程监测系统的上位机或其他远程设备进行数据传输和通信，主要包括无线通信模块（如Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等）和有线通信模块（如以太网、串口等）。

4. 数据存储模块：用于存储采集到的传感器数据，一般包括非易失性存储器（如Flash）和易失性存储器（如RAM）。

5. 电源模块：提供系统所需的电源，一般包括稳压电源模块、电源管理模块等。

6. 显示模块：用于将监测数据以可视化形式展示给用户，一般为液晶显示屏、LED显示灯等。

二、传感器模块设计传感器模块作为远程监测系统的核心组成部分，需要根据具体监测需求选择相应的传感器。

在设计传感器模块时需要注意以下几点：1. 硬件接口设计：根据传感器的通信方式选择合适的硬件接口，如模拟接口（如电压输入）、数字接口（如I2C、SPI）等。

2. 数据采集精度：根据要求选择合适的传感器，保证所测量的数据精度满足系统需求。

3. 传感器供电设计：根据传感器的供电特性，设计合适的供电电路，确保传感器正常运行。

三、单片机设计单片机作为系统的核心控制器，其硬件设计需要考虑以下几点：1. 处理器选择：根据系统需求选择合适的单片机处理器，一般考虑处理能力、存储容量、供电电压等因素。

2. 引脚分配：根据外围硬件模块的需求，合理规划单片机引脚的使用，确保各硬件模块的正常连接与通信。

3. 时钟和复位电路设计：保证单片机的时钟稳定和复位功能正常，确保系统可靠工作。