一种嵌入式Web控制终端的物联网移动E‑Laboratory平台的制作方法

本发明涉及一种嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台，尤其涉及一种利用“物联网”技术可以在移动端或网页端登录便捷的“课堂课外一体化”教学的远程控制实验室，属于物联网、智能校园及智能教学领域。

背景技术：

E-Laboratory平台的研究现状:

关于E-Laboratory平台的研究早已在世界范围内展开，1999年日本东京工科大学的Yasuhiro Ohyama等人使用简单的B/S模型搭建了一个网络实验系统的雏形。2001年，悉尼科技大学的David Lowe等人开始搭建Remote Laboratory，用于教育工作，并已经在世界范围内开放。2006年，北京理工大学的戴亚平等人基于MATLAB搭建了混合结构的远程控制实验室，2008年，中科院的袁克亚和刘国平使用嵌入式技术搭建了一个NetCon网络化控制系统。远程网络化实验室主要用于教学领域，能够让学生或老师不用因为实验资源紧缺或实验时间安排不方便等原因继续进行相关课程的实验；

与本发明相关的论文共两篇，下文分别对其进行剖析：

[1]呼玉东,武凯博,闫明朝.基于Web的实验室管理系统设计与实现[J]淮海工学院学报.2016.03:20-25.

此文揭示了对高校实验室管理系统进行分析、设计和开发,采用B/S架构和socket通讯方法，利用PHP网络编程语言设计出一套实验室管理系统，通过实际操作，验证了该实验室管理系统的准确性与高效性；然而，文中只是实现了B/S架构，对于目前广泛使用的C/S架构并没有实现；只是实现了实验管理系统，但依然解决不了目前大多数高校因实验资源缺乏而不能进行有效实验的弊端；存在对服务器的依耐性大、功耗高等技术缺陷；

[2]陆霞，田地.LA-ICP-MS网络虚拟实验室的研究与开发[J]实验室研究与探索.2015.11：120-123.

此文揭示了为了方便人们学习仪器的原理和分析方法，熟悉实验操作，采用PHP+MySQL+Apache技术构建基于B/S应用的网络模式，针对LA-ICP-MS仪器的特点，开发了网络虚拟实验室；然而，文中只是提供了可以网上学习的虚拟实验室，并不可以让实验者对实验进行实时的操作，实验者会缺乏对实验的深度学习与认识；文中只是实现了B/S架构，对于目前广泛使用的C/S架构并没有实现；对服务器有很强的依耐性，所有信息都需要经过服务器中转，造成延时增加，存在服务器工作压力大、功耗高等技术缺陷；

目前上述远程实验室系统或多或少存在着以下技术的不足：

(1)部分设计仅采用了单一的B/S模式，使得实验的操作过程比较复杂，同时系统的更新和维护成本较高；

(2)对服务器有很强的依耐性，所有信息都需要经过服务器中转，造成延时增加，同时服务器工作压力大、功耗大；

(3)部分设计采用了微软公司的.NET架构，即Windows Server+IIS(Internet Information Services，互联网服务)+SQL Server+ASP组合，使得系统的成本很高，不适合大面积的推广；

(4)进行实验的方式有限，用户大部分只能使用传统的计算机通过在宽带通信技术下进行实验，而很难使用移动智能终端进行实验。

需要解决的问题：

(1)用B/S与C/S混合模式在移动端APP或网页端登录后便捷的进行远程网络化实验；

(2)基于Linux+Apache+MySQL+PHP(LAMP)的Web框架，相对于.NET架构而言，所有组成软件均是开源的，降低了成本，并搭建低功耗、低成本和便携性好三大特点的嵌入式控制终端EWC_T，实现多种实验装置的网络化控制；

(3)Web架构在ARM处理器上应用，相对于应用在传统的X86处理器上，系统占用空间更小、成本更低以及功耗也更低。

总之，上述已有的远程网络化实验与虚拟实验室技术虽然都具有实验者对实验学习的效果，然而，在要求对实验操作实时性、便捷性与低成本等情况下，以及对服务器与登录模式等性能的改进，都还存在很大的优化空间；本发明的目的是致力于解决上述高成本、低效率、便捷性差与登录方式单一的技术缺陷，提出一种嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决大多数高校实验设备资源缺乏、现有的远程网络化实验平台成本高和模式单一化、以及教学实验时间安排不方便等主要因素导致无法有效的进行课程实验的技术问题，提出了一种嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台。

一种嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台，包括物联网移动E-Laboratory平台系统和基于LAMP架构搭建嵌入式EWC_T的方法两部分；

其中，物联网移动E-Laboratory平台系统，简称本系统，包括感知传感层模块、传输网络层模块、服务应用层模块、嵌入式EWC_T以及数据库服务器；其中，嵌入式EWC_T的硬件模块包括：ARM处理器、SDRAM存储器、外部设备RS-485串行通信接口以及外接网络协议芯片HR911103A和RJ-445标准的以太网通信接口；

其中，ARM处理器选择的是三星公司的32位嵌入式中央处理器S3C2440A；

本系统中也可根据实际情况增加一台或多台数据库服务器，主要用于对一些共有的用户信息、实验记录和复杂实验算法进行存储；

各模块的功能是：

感知传感层模块在本系统中有以下功能：

(1)通过有线网络或无线网络技术与n个被控对象组成小型网络，并对该网络内的设备进行控制；

(2)作为一个精简版的Web服务器，通过传输网络层与服务应用层的用户通信并提供Web服务；

(3)与另一台EWC_T进行通信，实现在无人干预情况下，感知传感层模块间的相互感知和信息的收集；

传输网络层模块在本系统中的功能：

通过有线网络或无线网络的两种方式对实验室的本地局域网、校园网和互联网进行网络传输；

服务应用层模块在本系统中的功能：

服务应用层的用户既可通过传统的个人计算机，也可通过现在生活中随处可见的移动智能终端，实现B/S模型，即浏览器/服务器模型，和C/S模型，即客户端/服务器端，登录EWC_T进行Mobile Experiment；

物联网移动E-Laboratory平台系统中各模块的连接关系是：

感知传感层模块与传输网络层模块相连，传输网络层模块与服务应用层模块相连；服务应用层模块与数据库服务器相连；

基于LAMP架构搭建嵌入式EWC_T的方法，通过以下步骤实现：

步骤1、EWC_T引入开源的Web开发平台LAMP架构中的各个组成软件；

其中，LAMP架构包含Linux操作系统、Apache服务器、MySQL数据库管理系统和PHP超级文本预处理语言；

步骤2、基于LAMP架构搭建嵌入式EWC_T；

步骤3、EWC_T依次移植LAMP框架的各个组成部分，具体为：

步骤3.1、移植Linux操作系统，具体又包括：

步骤3.1.1、Linux操作系统移植时先引导加载程序Bootloader；

步骤3.1.2、移植Linux操作系统的Linux内核；

步骤3.1.3、基于Linux操作系统移植文件系统；

步骤3.1.4、基于Linux操作系统移植应用程序；

步骤3.2、移植Linux操作系统后，基于LAMP架构移植Apache服务器；

步骤3.3、移植Apache服务器后，基于LAMP架构移植MySQL数据库管理系统；

步骤3.4、移植MySQL数据库管理系统后，基于LAMP架构移植PHP超级文本预处理语言；

步骤4、在ARM处理器上运行LAMP架构，具体过程为：

步骤4.1、建立LAMP交叉编译环境；

其中，LAMP交叉编译环境可使用GCC编译器建立；

步骤4.2、下载Apache1.3.42、MySOL5.1.32和PHP5.3.19的源码；

步骤4.3、分别移植步骤4.2下载的Apache1.3.42、MySOL5.1.32和PHP5.3.19源码配置LAMP；

至此，经过步骤1到步骤4，完成了基于LAMP架构搭建嵌入式EWC_T的方法。

有益效果

一种嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台，与现有远程网络化实验系统与方法相比，具有如下有益效果：

1.本发明所提平台采用最主流的Linux+Apache+MySQL+PHP(LAMP)的Web框架，其所有组成软件均是开源的，成功地搭建了具有低功耗、低成本和便携性好三大特点的EWC_T，可实现多种实验装置的网络化控制；

2.本发明所提平台采用B/S与C/S的混合模式，可以在移动端APP或网页端登录后便捷的进行“课堂课外一体化”的远程网络化实验；

3.本发明所提平台将Linux+Apache+MySQL+PHP(LAMP)的Web框架在ARM处理器上应用，降低了系统的成本，节省了Web系统的空间；

4.本发明所提平台系统的体积小，现场展示时移动性好、便捷性好。

附图说明

图1是本发明一种嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台较佳实施例的立体结构示意图；

图2是本发明一种嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台的流程示意图；

图3是本发明一种嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台实施例2所依托的“移动实验”的结构图；

图4是本发明一种嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台实施例2所依托的LAMP架构的工作原理图；

图5是本发明一种嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台的实物立体图；

图6是本发明一种嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台实施例3中北京理工大学自动化学院远程控制实验室网页图；

图7是本发明一种嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台实施例3中北京理工大学自动化学院远程控制实验室APP客户端图；

附图标记：

图1中1、被控对象；2、嵌入式Web控制终端；3、局域网；4、BIT校园网；5、用户；

图2中1、被控对象；2、Wi-Fi、蓝牙；3、RS485串行通信总线；4、基于LAMP架构的Web控制终端应用在ARM上；5、TCP/IP、HTTP、Socket通信协议；6、PC客户端、手机客户端、平板客户端；

图3中1、客户终端；2、EWC_T；3、实验对象；4、局域网；

图4中1、Linux操作系统；2、Apache服务器；3、MySQL数据库管理系统；4、PHP超级文本预处理语言；

图5中1、单自由度机械臂实验装置；2、嵌入式Web服务器EWC_T；

图6中1、E-Laboratory平台的网页端控制界面；

图7中1、E-Laboratory平台的Android应用控制界面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做具体阐述。

实施例1

本实施例详细阐述了本发明一种嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台在利用物联网移动E-Laboratory平台系统和基于LAMP架构搭建嵌入式EWC_T的方法应用在远程网络化控制实验室的“课堂课外一体化”教学中的结构图及具体实施方法。

图1为本发明一种嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台的结构图。

从图1中可以看出，本发明及实施例所依托的嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台，包括感知传感层、传输网络层和服务应用层；其中，感知传感层包括被控对象、设备、管理员用户和Web控制终端，可以有n个被控对象、n个设备、n个管理员用户和n个Web控制终端；传输网络层包括路由器、Internet、BIT校园网和局域网，可以有n个路由器；服务应用层包括用户和数据库服务器，可以有i个无线网端PC用户、n个平板端用户、m个移动端用户和j个局域网端用户和n个数据库服务器；从图1可以看出，被控对象与Web控制终端相连，完成本地通信功能，管理员用户与Web控制终端相连，完成后台管理功能，Web控制终端分别与BIT校园网、局域网连接，完成网络通信功能，路由器分别与BIT校园网、局域网相连，完成无线网络的传输功能，BIT校园网、局域网与用户连接，完成提供用户应用服务的功能，数据库服务器与局域网相连，完成各类数据存储的功能；

本实施例具体阐述在参照物联网的模型下，设计了一个三层结构的E-Laboratory平台，其系统架构如图1所示；其中，感知传感层主要包括各式各样的被控对象和EWC_T；其中EWC_T在系统中有以下功能：

(1)通过有线网络或无线网络技术与n个被控对象组成小型网络，并对该网络内的设备进行控制；

(2)作为一个精简版的Web服务器，通过传输网络层与服务应用层的用户通信并提供Web服务；

(3)与另一台EWC_T进行通信，实现在无人干预的情况下，感知传感层的设备相互感知和信息的收集。

传输网络层包括实验室的本地局域网、校园网和互联网；根据传输方法，主要分为有线网络传输和无线网络传输两类。

服务应用层包括来源于各地的互联网用户和实验室的数据库服务器；用户既可通过传统的个人计算机，也可通过现在生活中随处可见的移动智能终端，如智能手机、平板电脑登录EWC_T，随时随地的进行Mobile Experiment；同时，为了更高效的管理数据，可根据实际情况增加多台数据库服务器，主要用于对一些共有的数据进行存储，例如，用户信息、实验记录和一些复杂实验的算法。

在网络服务实现领域主要存在两种网络结构模型：B/S模型和C/S模型，其中C/S模型，即客户端/服务器模型，是如今在桌面互联网时代中被广泛使用的模型，这种模型统一了客户端，将系统功能的核心实现集中到了服务器上，可大大地简化系统的开发、维护及使用；而B/S模型，即浏览器/服务器模型，使得用户进行实验十分方便，只需要使用普通的浏览器就可直接进行实验，而不需要关心客户端软件的维护或升级。

C/S模型，即客户端/服务器端模型，在如今的桌面互联网服务中，虽然它的处理效率很高，但是因为其安装、维护和升级的成本很高而导致其在现在的桌面互联网服务领域中的使用范围相对较小；然而，刚刚起步的移动互联网时代有几个特点：(1)流量计费比较昂贵，(2)网络传输速度不够快，(3)网络不够稳定；以上特点使得基于C/S模型的APP模式将成为目前桌面化移动互联网提供服务的主流形式。

为了给实验人员提供具有最佳体验的“移动实验”服务，本实施例的E-Laboratory平台采用了B/S和C/S的混合结构；用户可以根据自身情况选择合适模式进行网络实验，既可以通过浏览器登录系统，在网页端进行B/S模式的操作，也可以通过移动智能终端直接连接Mobile Experiment系统，通过登录APP客户端的形式进行C/S模式的移动实验。

实施例2

本实施例详细阐述了本发明一种嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台的流程图，以及采用的LAMP原理具体介绍、本地通信和网络通信原理具体介绍。

从图2中可以看出，本发明及实施例所依托的嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台的流程图，包括被控对象、Wi-Fi、RS485串行通信总线、嵌入式Web控制终端EWC_T、TCP/IP协议、HTTP协议、Socket接口和客户端，其中，客户端包括PC端、平板端和手机端；从图2可以看出，被控对象与Wi-Fi或RS485串行通信总线相连，Wi-Fi或RS485串行通信总线与嵌入式Web控制终端EWC_T相连，共同完成被控对象与嵌入式Web控制终端EWC_T的本地通信功能，Web控制终端EWC_T与TCP/IP协议、HTTP协议和Socket接口相连，TCP/IP协议、HTTP协议和Socket接口与客户端相连，共同完成嵌入式Web控制终端EWC_T与客户端的网络通信。

本实施例具体阐述在参照物联网的场景下，设计了嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台的流程图，从图2中可以看出，本方法包含如下步骤：

步骤A:选择被控对象；

具体到本实施例，被控对象是步进电机控制的单自由度机械臂；

步骤B:实现被控对象与嵌入式Web控制终端EWC_T之间的通信，可以选择Wi-Fi、蓝牙、RS485串行通信总线等通信方式；

具体到本实施例，选择了RS485串行通信总线的通信方式；

步骤C：嵌入式Web控制终端EWC_T所采用的架构，可以选择基于不同环境下的Web架构，如.NET架构、LAMP架构等，以及可采用不同的处理器，如X86处理器、ARM处理器等；

具体到本实施例，嵌入式Web控制终端EWC_T采用了LAMP架构和ARM处理器；

步骤D:嵌入式Web控制终端EWC_T与客户端的通信；

具体到本实施例，嵌入式Web控制终端EWC_T与客户端的通信主要采用了TCP/IP协议、HTTP协议和Socket接口来实现；

步骤E：客户端的实现，可以实现单一的网页端，或APP的客户端；

具体到本实施例，实现了网页端、基于Android操作系统开发的APP客户端以及基于Android操作系统开发的平板端。

从图3中可以看出，本发明及实施例所依托“移动实验”的结构图，包括实验对象Plant、嵌入式EWC_T、局域网LAN、Wi-Fi无线网络信号发生器和客户终端User，其中，包括n个实验对象Plant，n个嵌入式EWC_T，n个客户终端User；从图3可以看出，实验对象Plant与嵌入式EWC_T相连，完成本地通信功能，嵌入式EWC_T与局域网LAN相连，局域网LAN、Wi-Fi无线网络与客户终端User相连，共同完成嵌入式EWC_T和客户终端User的网络通信功能。

图3是“移动实验”的结构图，在实际的实验实施方面，本发明设计了一个基于EWC_T服务器的Mobile Experiment系统；它既是E-Laboratory平台的一个组成部分，也是一个可独立使用便携式实验系统，提供简单的移动实验服务；它主要包括图3中所示的三个部分：客户终端、EWC_T服务器和实验对象。

其中，用户可通过使用各式各样的智能终端设备(如个人电脑、智能手机、平板电脑等)，通过网线或Wi-Fi连入互联网中，登录到互联网中的EWC_T服务器，而EWC_T服务器在本地使用RS485总线与实验对象进行通信连接并控制实验过程；Mobile Experiment系统通过这种连接方式实现对实验对象的网络化控制，并提供“移动实验”服务。

从图4中可以看出，本发明及实施例所依托的LAMP架构的工作原理图，包括客户、基于Apache的Web服务器、MySQL数据库管理系统、PHP超级文本预处理语言和Linux操作系统；从图4可以看出，客户与Web服务器相连，完成网络通信与提供应用服务的功能，Web服务器与PHP超级文本预处理语言相连，完成将程序嵌入到HTML文档中去执行的功能，PHP超级文本预处理语言与MySQL数据库管理系统相连，完成实验数据处理和用户权限管理的功能。

图4是LAMP工作的原理图，对步骤C的LAMP架构进行补充，LAMP分别代表了Linux操作系统、Apache服务器、MySQL数据库管理系统和PHP超级文本预处理语言。

Linux系统的移植过程几乎可以运行在所有被广泛使用的操作系统上；Apache是LAMP架构上层软件中的核心组件，具有开源、快速、性能稳定、模块丰富和简单AP扩展的优点，是负载PHP的最佳选择；移植Apache可以使控制终端拥有独立发布网站的能力，实现对网页和用户的访问并进行统一的管理；MySQL是一款开源的关系型数据库管理系统，因为拥有体积小、速度快、成本低和可移植性强的特点，EWC_T移植MySQL可以增强其实验数据处理和用户权限管理的能力；PHP是一种在服务器端运行的脚本语言，它将程序嵌入到HTML文档中去执行，因此执行效率比完全生成HTML标记的公共网关接口(Common Gateway Interface，CGI)要高许多，同时因为该语言的风格类似于C语言，支持几乎所有流行的数据库以及操作系统而被广泛地运用；LAMP架构是EWC_T服务器软件架构的核心，他们的业务逻辑如图4所示，其中Linux操作系统可为其提供一个可靠、安全、稳定和丰富的网络支持的工作环境，Apache使其具备了独立提供网页服务能力，MySQL极大地增强其用户和数据的管理能力，PHP可优化和加速其网页处理能力。

实施例3

本实施例详细阐述了本发明一种嵌入式Web控制终端的物联网移动E-Laboratory平台已经实现的实物图。

从图5中可以看出，本发明及实施例所依托的Mobile Experiment系统实物图的结构图，包括，嵌入式控制终端EWC_T和单机械臂被控对象；从图5可以看出，嵌入式控制终端EWC_T与单机械臂被控对象相连，完成被控对象与嵌入式控制终端EWC_T的本地通信功能。

本实施例具体阐述在参照Mobile Experiment的场景下，设计了Mobile Experiment系统实物图的结构图，由图5可见，嵌入式控制终端EWC_T与单机械臂被控对象相连接，嵌入式控制终端EWC_T通过RS485串行通信总线的通信方式与单机械臂被控对象组成小型网络，并对该网络内的设备进行控制，被控对象又给嵌入式控制终端EWC_T实时的反馈信息，通过信息的实时性和双向性共同传递，就可以控制不同的实验操作，然后通过嵌入式EWC_T连接本地局域网或互联网输出用户信息并提供Web服务，最后互联网用户信息、实验记录和一些复杂实验算法都通过嵌入式控制终端EWC_T的进行存储。

从图6中可以看出，本发明及实施例所依托的北京理工大学自动化学院远程网络化控制实验室网页图的结构图，包括不同实验选择模块、位置控制模块、步进电机参数设置模块、电机地址设置模块和注意事项模块；从图6可以看出，步进电机参数设置模块和位置控制模块与实验选择模块相连，完成对不同实验控制的功能。

图6是北京理工大学自动化学院远程控制实验室网页图的结构图，由图6可见，网页图中提供了实验平台的操作界面，包括PID控制、Fuzzy控制等实验操作，通过控制步进电机，就可以使得单机械臂获得不同的角度和位置信息，通过选择不同的实验操作，输入不同的P、I、D实验参数，就可以在网页上输出不同实验的效果图。

从图7中可以看出，本发明及实施例所依托的基于Android操作系统开发了一款进行“移动实验”的APP，包括IP地址输入模块、参数设定模块、方向设定模块、端口号模块、目标位置设定模块、服务器数据连接模块、服务器数据发送模块和实验图形获取模块；从图7可以看出，IP地址输入模块、服务器数据连接模块和服务器数据发送模块与服务器相连，完成数据的上传与接收功能，参数设定模块、方向设定模块、端口号模块和目标位置设定模块与服务器相连，完成实验参数的设置功能，实验图形获取模块与服务器相连，完成实验结果的绘制功能。

图7是基于Android操作系统开发了一款进行“移动实验”的APP，采用C/S模型的通信模式与AChartEngine图形库，允许用户在无线网络环境下，登录APP以后，连接到嵌入式EWC_T，可以先选择不同的实验类型，然后对选择的实验输入不同的P、I、D实验参数，就可以在APP的界面上自动生成不同实验的效果图。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。