一种远程网络实验室系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型属于实验设备技术领域，涉及一种远程网络实验室系统，由至少一台的客户端计算机和实验仪器、主控端计算机、服务器、仪器工作站屏幕图像采集装置、现场图像采集装置、便携式视频控制终端、网络配置模块、音频采集模块、音视频控件、Web服务器模块和数据库组成，Web服务器连接数据库并对数据信息和控制信息进行统筹处理，实现实验仪器与用户的多对多连接。本实用新型的远程网络实验室可以进行远程协同实验，节约异地做样成本，缩短实验周期；网络教学改变仪器实验课程教授方式，提高教学效率，节约仪器机时，打破了课程学习地域限制；方便仪器管理，可以使得仪器以及课程资源合理利用，学生学习课程的形式与时间更加灵活。
【专利说明】
一种远程网络实验室系统
技术领域
[0001]本实用新型属于实验设备技术领域，具体涉及一种远程网络实验室系统。
【背景技术】
[0002]大型科学仪器设备是高校、科研院所进行实验教学、科学研究及生产试验的平台，也是科技创新和人才培养的基础。目前，我国大型仪器设备的数量已经具备了相当规模，但是与我国高校教学、科研发展需要相比，大型科学仪器资源不足的问题仍然十分突出，主要表现为以下三个方面:(I)分布不均衡，并且还存在重复购置的现象；(2)利用率较低，广大科研人员可能找不到合适的仪器进行测样，或者需要舟车劳顿远赴异地进行测样；(3)实验教学受到限制，大型科学仪器的实验教学采用小班轮换上课，增加教师工作量并且浪费宝贵仪器机时。
[0003]为了解决这些问题，国内外的研究学者对大型仪器的远程共享技术的发展进行了积极探索，各个高校也相继建立了信息系统，如高校的仪器信息网。但是它们均是以信息发布为主的系统，仅仅提供了仪器信息、预约服务等功能。
[0004]CN102592018 B公开了一种《远程实验系统和远程实验方法》实现了对于示波器、信号源等实验部件和实验电路板的远程监控与控制。该方法为课后实验提供了便利，但是该专利不能够提供现场音视频互动服务于实验教学、系统仅提供与实验相关的页面缺乏教学管理功能。
[0005]CN204291223 U公开了一种《实验室监管及防篡改信息系统》，采用视频监控及屏幕录像结合的方式对实验人员及实验数据进行监控。但是该专利仅实现了监控功能，不具备现场沟通交流功能，并且还缺乏实验室管理平台，不能对实验室实现信息化管理。
[0006]CN201750442 U公开了一种《实验室仪器共享系统》，其软件平台具有计费预约等功能，但是其通过安装门禁控制器等硬件对大型仪器进行监管。硬件设备的安装这容易引入电流、电压等因素产生改变影响仪器工作。
[0007]CN 204375215 U公开了《一种实验室远程互动教学系统》，其可以对实验室内的教学实际情况进行实时录制，听课者可以对真实的实验设备进行了解，并进一步通过控制装置对实验设备进行控制，以达到体验真实实验的目的。但是，该系统每个授课终端都需要配置相应的通讯装置、摄像装置等等大量硬件设备，系统硬件成本大不便于广域推广。
[0008]CN101661535 A公开了《一种远程试验系统及其实现方法》，其具有较健全的网络管理平台与现场视频的采集装置，但是该发明需要对于仪器进行数字化改进，并且无法采集到仪器工作站屏幕图像的实时状况。
[0009]综上，大型科学仪器由于其价格昂贵、精密程度高，从安全的角度考虑，远程控制不当可能对仪器造成危害，并且网络的不确定性因素(例如病毒、网络攻击等)增加了远程控制的危险性;而且，对大多数专业的学生或者异地专家而言，他们关心的重点是样品的分析过程以及样品定位的结果。因此，大型科学仪器网络实验室的建设应当侧重于协同实验以及实验现场教学功能并且需要相应的信息管理系统进行信息综合辅助管理。
【发明内容】
[0010]本实用新型的目的就在于针对现有技术的不足提出一种远程网络实验室系统，其克服了大型科学仪器学习受时间、地点及仪器使用状况的限制，使教师与仪器管理员能够综合地通过网络远程教学以及管理。
[0011 ]本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的:
[0012]—种远程网络实验室系统，由至少一台的客户端计算机I和实验仪器3、主控端计算机2、服务器4、仪器工作站屏幕图像采集装置5、现场图像采集装置6、便携式视频控制终端7、网络配置模块8、音频采集模块9、音视频控件、安装在服务器4中的Web服务器模块和数据库组成；
[0013]所述仪器工作站屏幕图像采集装置5、现场图像采集装置6与网络配置模块8连接，用于将采集到实验仪器3的图像视频流传输至网络；
[0014]所述音频采集模块9与主控端计算机2无线连接，用于将采集到的音频流传输至网络;
[0015]所述音视频控件用于在网络中调取图像视频流与音频流，实现音视频互动、视频转发和视频流的切换控制；
[0016]所述Web服务器模块用于将音视频控件转发的视频流、音频流数据传输并存储在数据库中；
[0017]所述数据库用于对数据进行统筹处理，实现实验仪器3与客户端计算机I的多对多连接。
[0018]所述仪器工作站屏幕图像采集装置5由VGA分配器和VGA视频采集盒组成，仪器工作站显卡连接VGA分配器视频输入端，VGA分配器视频输出端连接仪器工作站显示器用于仪器工作状况的显示，VGA分配器的视频输出端连接至VGA视频采集盒信号输入端，VGA视频采集盒接入网络将采集到的视频流进行控制转发用于音视频控件调取。
[0019]所述现场图像采集装置6为高清加密网络摄像头。
[0020]所述网络配置模块8由交换机和无线路由器组成，交换机与无线路由器有线连接。
[0021]所述音频采集模块9由无线麦克及话筒组成。
[0022]所述音视频控件由用户视频同步观看控件和视频流切换主控控件组成，用户同步观看控件安装在客户端计算机I中，视频流切换主控控件安装在主控端计算机2和便携式视频控制终端7中。
[0023]所述便携式视频控制终端7为手机或者平板电脑。
[0024]所述远程网络实验室系统的实现方法，是通过仪器工作站屏幕图像采集装置5、现场图像采集装置6和音频采集模块9采集现场实验信息，通过音视频控件的控制与转发以视频流、音频流的方式与Web服务器模块互通数据信息，Web服务器模块连接数据库并通过异步Javascript、HTML、Ajax动态网页技术对数据信息和控制信息进行统筹处理，实现实验仪器设备与用户的多对多连接；用户在客户端通过浏览器浏览页面，通过安装音视频控件调用音视频流在浏览页面进行远程学习或者远程协同实验。
[0025]本实用新型产生的有益效果为:
[0026]1、远程网络实验室系统可以实现样品图像以及做样过程的远程实时传输，配以音频通信技术，可以使异地专家同时在线讨论，增强协作关系；异地样品测试时，只需要将样品邮寄到实验室，在现场仪器操作人员的配合下，无需亲赴实验现场，通过互联网便可以完成对样品图像的分析工作，其打破时空界限，降低成本，并且提高了仪器的利用率；
[0027]2、远程协同实验避免了远程控制不当对于大型科学仪器造成危害，以及网络的不确定性因素(例如病毒、网络攻击等)的危险性;通过远程协同实验系统中的虚拟操作模块可以使学生了解科学仪器操作过程；
[0028]3、选用具有代表性的样品以及经典的测试方法，通过大型仪器网络实验室开展统一的远程教学工作;替换传统的小班轮换制授课的方式，避免了教师重复教学，提高了教学效率，节约仪器机时，而且提高了实验课的整体教学质量；
[0029]4、建立具有通知公告、课程预约、案例点播、虚拟操作、下载中心等功能的网络管理平台，为网络教学提供管理服务，学生在开课时间范围内依据个人情况选择上课时间、作业提交，打破了课程学习地域的限制，方便了教师及仪器管理员对于仪器的管理，可以使得仪器以及课程资源合理利用，学生学习课程的形式与时间更加灵活。
【附图说明】
[0030]图1为本实用新型远程网络实验室系统的框图。
[0031]图2为本实用新型远程网络实验室系统的音视频控件、Web服务器模块和数据库的功能结构图。
[0032]图3为本实用新型远程网络实验室系统的实现方法流程图。
[0033]图中，1.客户端计算机2.主控端计算机3.实验仪器4.服务器5.仪器工作站屏幕图像采集装置6.现场图像采集装置7.便携式视频控制终端8.网络配置模块9.音频采集模块。
【具体实施方式】
[0034]下面结合实施例对本实用新型作进一步的详细说明:
[0035]如图1-图2所示，一种远程网络实验室系统，至少一台的客户端计算机I和实验仪器3、主控端计算机2、服务器4、仪器工作站屏幕图像采集装置5、现场图像采集装置6、便携式视频控制终端7、网络配置模块8、音频采集模块9以及B/S架构模式的音视频控件、Web服务器模块和数据库组成;所述Web服务器模块和数据库安装在服务器4中，服务器4有线连接至网络；
[0036]所述仪器工作站屏幕图像采集装置5、现场图像采集装置6与网络配置模块8连接，用于将采集到实验仪器3的图像视频流传输至网络；
[0037]所述音频采集模块9与主控端计算机2无线连接，用于将采集到的音频流传输至网络;
[0038]所述音视频控件用于在网络中调取图像视频流与音频流，实现音视频互动、视频转发和视频流的切换控制；
[0039]所述Web服务器模块用于将音视频控件转发的视频流、音频流数据传输并存储在数据库中；
[0040]所述数据库用于对数据进行统筹处理，实现实验仪器3与客户端计算机I的多对多连接。
[0041]所述仪器工作站屏幕图像采集装置5由VGA分配器和VGA视频采集盒组成，仪器工作站显卡连接VGA分配器视频输入端，VGA分配器视频输出端连接仪器工作站显示器用于仪器工作状况的显示，VGA分配器的视频输出端连接至VGA视频采集盒信号输入端，VGA视频采集盒接入网络将采集到的视频流进行控制转发用于音视频控件调取。
[0042]所述现场图像采集装置6为高清加密网络摄像头。
[0043]所述网络配置模块8由交换机和无线路由器组成，交换机与无线路由器有线连接。
[0044]所述音频采集模块9由无线麦克及话筒组成。
[0045]所述音视频控件由用户视频同步观看控件和视频流切换主控控件组成，用户同步观看控件安装在客户端计算机I中，视频流切换主控控件安装在主控端计算机2和便携式视频控制终端7中。
[0046]所述便携式视频控制终端7为手机或者平板电脑，无线连接至网络。
[0047]所述客户端计算机I连接至网络。
[0048]所述web服务器模块用Tomcat软件搭建，在Web服务器模块中运行远程网络实验室系统网站，是整个远程实验系统中重要的组成部分，网站模块划分为新闻公告模块、注册登录模块、用户管理模块、资料下载模块、网上答疑模块、仪器课程信息模块、实验课程预约模块、实验课程查询模块、现场视频模块、案例点播模块、成绩考核模块、虚拟操作模块、使用帮助模块。
[0049]所述数据库使用MySQL软件进行开发，并从逻辑结构设计和物理设计两方面进行设计，存放用户信息、实验设备相关信息以及实验数据、教学资料、运行日志等信息。并且数据库中为每个用户开辟单独的文件存储空间，赋予不同权限，以保证实验数据、提交作业的安全与保密。
[0050]依据用户使用系统的目的将用户划分为专家用户、学生用户、教师用户、仪器管理员用户以及超级管理员用户共5类。专家用户主要包括参与协同实验的专家以及异地测样人员，学生用户主要为大型科学仪器课程学习的学生或者相关培训人员，教师用户的主体为授课教师，仪器管理员主要为大型科学仪器的管理者或者大型科学仪器实验的实验员，超级管理员为大型科学仪器的总负责人。
[0051]所述远程网络实验室系统的实现方法，是通过仪器工作站屏幕图像采集装置5、现场图像采集装置6和音频采集模块9采集现场实验信息，通过音视频控件的控制与转发以视频流、音频流的方式与Web服务器模块互通数据信息，Web服务器模块连接数据库并通过异步Javascript、HTML、Ajax动态网页技术对数据信息和控制信息进行统筹处理，实现实验仪器设备与用户的多对多连接；用户在客户端通过浏览器浏览页面，通过安装音视频控件调用音视频流在浏览页面进行远程学习或者远程协同实验。
[0052]如图3所示，以X射线衍射仪远程网络实验室为例，对远程网络实验室整体操作，主要包括以下步骤:
[0053]A、用户在客户端登陆远程网络实验室系统网站，注册账户；
[0054]B、教师或仪器管理员对用户进行审核并激活；
[0055]C、用户查看开放课程以及仪器相关信息；
[0056]D、用户查询课程预约或仪器预约情况，提交预约申请;等待申请审核以及安排时间；
[0057]E、教师或仪器管理员用户审核预约申请，对于通过审核的预约进行时间安排；
[0058]F、用户查询预约申请审核状态，通过审核后，用户在规定时间内通过现场视频功能，进行课程学习或者远程协同做样；
[0059]G、课程结束或远程协同实验后进行资料下载或提交作业以及相关反馈。
[0060]所述步骤C主要包括以下步骤:
[0061]Cl、通知公告的查看，通知公告中包含课程开放时间相关信息、仪器运行状态相关信息、相关使用说明以及规章制度。
[0062]C2、课程仪器信息介绍，用户通过信息介绍对课程以及仪器进行了解，以此进行课程预约或者做样预约。
[0063]C3、经典案例查看，经典案例以视频的方式呈现给用户，便于用户对于仪器有直观的了解。
[0064]C4、资料下载，用户可以下载课程或仪器相关资料进行了解。
[0065]所述步骤G主要包括以下步骤:
[0066]G1、网上答疑，用户进行在线沟通，通过电子白板的方式进行留言以及提问。
[0067]G2、虚拟仪器操作，通过课程学习后进入模拟操作页面对仪器整个操作流行进行模拟操作，对于学生用户来说可以加深对仪器使用过程的理解。
[0068]G3、资料下载，用户对于实验数据与图像的下载。
[0069]G4、作业上传，无纸化作业通过系统上传至自己的存储空间，以供教师进行成绩考核。
【主权项】
1.一种远程网络实验室系统，其特征在于:由至少一台的客户端计算机(I)和实验仪器(3)、主控端计算机(2)、服务器(4)、仪器工作站屏幕图像采集装置(5)、现场图像采集装置(6)、便携式视频控制终端(7)、网络配置模块(8)、音频采集模块(9)、音视频控件和安装在服务器(4)中的Web服务器模块组成； 所述仪器工作站屏幕图像采集装置(5)和现场图像采集装置(6)分别与网络配置模块(8)连接; 所述音频采集模块(9)与主控端计算机(2)无线连接。2.根据权利要求1所述的一种远程网络实验室系统，其特征在于:所述仪器工作站屏幕图像采集装置(5)由VGA分配器和VGA视频采集盒组成，仪器工作站显卡连接VGA分配器视频输入端，VGA分配器视频输出端连接仪器工作站显示器用于仪器工作状况的显示，VGA分配器的视频输出端连接至VGA视频采集盒信号输入端，VGA视频采集盒接入网络将采集到的视频流进行控制转发用于音视频控件调取。3.根据权利要求1所述的一种远程网络实验室系统，其特征在于:所述现场图像采集装置(6)为高清加密网络摄像头。4.根据权利要求1所述的一种远程网络实验室系统，其特征在于:所述网络配置模块(8)由交换机和无线路由器组成，交换机与无线路由器有线连接。5.根据权利要求1所述的一种远程网络实验室系统，其特征在于:所述音频采集模块(9)由无线麦克及话筒组成。6.根据权利要求1所述的一种远程网络实验室系统，其特征在于:所述音视频控件由用户视频同步观看控件和视频流切换主控控件组成，用户同步观看控件安装在客户端计算机(I)中，视频流切换主控控件安装在主控端计算机(2)和便携式视频控制终端(7)中。7.根据权利要求1所述的一种远程网络实验室系统，其特征在于:所述便携式视频控制终端(7)为手机或者平板电脑。
【文档编号】H04N5/268GK205453957SQ201620156456
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月1日
【发明人】徐倩, 杨景贺, 田地, 杨光, 姚立, 何禹潼, 刘含, 刘一含
【申请人】吉林大学