云端虚拟共享实践教学平台及远程控制方法与流程

本发明涉及远程实践教学平台，具体涉及云端虚拟共享实践教学平台及远程控制方法。

背景技术：

建设互联网+共享装置平台实现虚实结合远程预约实验室是提高高校实验室利用效率和减少实验维护费用的一条切实可行的途径。引入当今发展较为成熟的物联网技术、云计算技术,针对部分高校工业控制实验室的现状，结合共享预约、智能网关和视频监控，应用于校内和校外学生的培训，提供工业自动化设备远程技术培训教学实验功能,同时还有助于解决工业数据在公共网络上的安全传输难题。将工业自动化设备远程技术用于实验室可增强学生的积极性、趣味性、实验的灵活性,同时极大缓解传统实验室场地、时间方面的制约。

传统实验方式下，设备种类不丰富，无法满足学习实验和实训需求；传统实验方式受到实验室空间、学生数量和实验设备数量等限制；传统实验方式硬件购置成本高，设备利用率低，解决不了资源共享问题。

技术实现要素：

本申请提供一种云端虚拟共享实践教学平台，采用共享预约实验室，利用无人管理的远程实验模式，解决了传统方式中，由于实验室空间及实验设备的成本问题，及教学资源问题，实现资源利用最大化。

本发明目的在于克服上述技术方案的不足而提供一种可以提高高校实验室利用效率和减少实验维护费用的建设互联网+共享装置平台实现虚实结合远程预约实验室方案。该系统方案成本低,柔性强,网络层次丰富,是一个可激发学生创新动手能力、更加贴近工业自动化发展趋势的现代综合实验室平台。

本申请提供的技术方案如下：

一种云端虚拟共享实践教学平台，包括：

用户端、云服务器、管理端、实验室；

所述实验室内包括智能网关、以及至少一个实验设备；所述实验设备配置有plc控制器；

所述plc控制器与所述智能网关配置有局域网环境，所述plc控制器通过所述智能网关与所述云服务器网络连接；

所述管理端、所述用户端通过b/s方式与所述云服务器网络连接；

所述管理端用于通过web方式，进行发布可预约的所述实验设备及其开放时间；

所述用户端用于通过web方式对所述实验设备的开放时间进行预约；

所述云服务器获取所述用户端发送的预约信息，并根据预约信息，建立所述用户端与所述plc控制器之间的vpn网络连接关系，以使所述用户端基于vpn网络连接对所述plc控制器进行远程组态编程，从而实现所述用户端对所述实验设备的远程控制。

在本实施例中，所述实验室还包括：网络视频监控；

所述网络视频监控与所述云服务器网络连接；

所述网络视频监控用于获取所述实验设备的现场实时的实验视频或实验教学视频，并上传至所述云服务器，以便所述云服务器将所述实验视频或实验教学视频经过处理后通过web方式发布。

在本实施例中，所述智能网关配置有用于远程控制的json通道，并且所述json通道配合设置有所述plc控制器的账号密码。

在本实施例中，所述用户端通过注册账户进行预约，并在预约成功后，接收所述云服务器反馈的所预约的所述plc控制器的账号密码及验证码，通过所述plc控制器的账号密码及验证码实现网络配置，以便与所述plc控制器vpn网络连接。

在本实施例中，所述管理端包括实验室管理端和网关管理端；

所述实验室管理端用于对所述实验设备及其开放时间、所述用户端进行管理；

所述网关管理端用于对连接所述云服务器的所述智能网关进行管理，进一步包括对连接所述智能网关的设备、ip地址、网关连接账号密码进行管理。

在本实施例中，所述云服务器包括web服务器、数据库服务器、b/s服务器、流媒体服务器；

所述web服务器与所述数据库服务器双向通讯；

所述b/s服务器将实验视频或实验教学视频数据、实验设备的运行参数集成在一起进行组态；

所述web服务器将所述b/s服务器组态后的数据以web方式发布。

在本实施例中，所述用户端包括但不限于移动端、pc端；

所述移动端、所述pc端与所述web服务器连接，通过所述web服务器对所述实验设备进行预约，以及通过所述web服务器连接所述智能网关进行远程实验。

在本实施例中，多个所述实验设备与所述云服务器连接，每个所述实验设备对应配备一个所述智能网关，多个所述用户端与所述云服务器连接，多个所述管理端与所述云服务器连接，形成一个所述云服务器对应多用户端、多管理端、多实验设备、多智能网关的架构。

一种如上述的云端虚拟共享实践教学平台的远程控制方法，该方法包括：

s1：管理端通过web方式向云服务器发布可预约的实验设备及其开放时间；

s2：用户端通过web方式向所述云服务器发送所述实验设备的预约申请；

s3：所述云服务器接收预约申请后，根据预约信息建立所述用户端与所述plc控制器之间的连接关系，并向所述用户端反馈所述plc控制器的账号密码及验证码；

s4：所述用户端通过账号密码及验证码实现网络配置，以便与所述plc控制器实现vpn网络连接；

s5：所述云服务器根据所述用户端的访问，并接收所述用户端对所述plc控制器进行控制的控制信息；

s6：所述云服务器将获取的控制信息转换成控制指令，并将控制指令传输给智能网关；

s7：所述智能网关获取控制指令，并实时传输给所述plc控制器，所述plc控制器根据控制指令控制所述实验设备运行；

s8：所述plc控制器获取所述实验设备的运行参数，并发送给所述智能网关；

s9：所述智能网关将获取的运行参数上传至所述云服务器；

s10：所述网络视频监控获取现场实时的实验视频数据，并发送给所述云服务器；

s11：所述云服务器将实验视频数据、运行参数进行处理后通过发送给所述web服务器发布。

附图说明

图1为本发明的一种实施例的远程实践操作示意图；

图2为本发明的一种实施例的实践教学平台示意图；

图3为本发明的一种实施例的预约操作示意图；

图4为本发明的实践教学平台使用示意图。

附图标号：1-用户端，2-云服务器，3-管理端，4-实验室，5-实验设备，6-plc控制器，7-智能网关，8-网络视频监控。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施方式1

本申请提供的一种云端虚拟共享实践教学平台，用户可预约实验设备5，以便远程连接实验设备5进行实验操作。同时本技术方案提供实验现场视频监控，实验前预习资源，实验后查看实验记录等学习功能。

本发明的一种云端虚拟共享实践教学平台，包括：用户端1、云服务器2、管理端3、实验室4；用户端1为需要进行实验或实验学习的用户的pc端、移动端等设备，实验室4为可预约的实验室4，实验室4内包括智能网关7、以及至少一个供用户预约的实验设备5，实验设备5配置有plc控制器6。

其中，plc控制器6与智能网关7配置有局域网环境，plc控制器6通过智能网关7与云服务器2网络连接。

管理端3、用户端1通过b/s方式与云服务器2网络连接。进一步地，管理端3用于通过web方式，进行发布可预约的实验设备5及其开放时间，当然还发布有与实验设备5有关的学习资源。用户端1用于通过web方式，对实验设备5的开放时间进行预约。

云服务器2获取用户端1发送的预约信息，并根据预约信息，建立用户1与plc控制器6之间的vpn网络连接关系，以使用户端1基于vpn网络连接对plc控制器6进行远程组态编程，从而实现用户端1对实验设备5的远程操作。

本实施例中的预约方式可采用微信端公众号和web网站预约。

实施方式2

一种云端虚拟共享实践教学平台，包括：用户端1、云服务器2、管理端3、实验室4；管理端3、用户端1通信通过b/s方式与云服务器2网络连接。实验室4包括：智能网关7、网络视频监控8，至少一个实验设备5，实验设备5配置有plc控制器6。

plc控制器6与智能网关7配置有局域网环境；plc控制器6与智能网关7双向通讯，智能网关7与云服务器2网络连接，plc控制器6用于获取智能网关7发送的控制指令以及获取实验设备5的运行参数，并通过智能网关7上传至云服务器2。

本实施例中的智能网关7通过4g/wifi/有线网络与云服务器2连接；智能网关7为一集成有多种互联网通讯技术，面向工业领域的设备通讯终端产品。本实施例中的智能网关7包含4g/wifi/有线网络等互联网接入方式，为实验设备5的信息化管理提供高速的数据通道，且为整个平台的各个功能的得以实现提供安全可靠的保障及坚实的基础，本实施例中的智能网关7包括微处理器、存储器、通讯接口、4g/wifi/有线网络通讯模块。

本实施例中的网络视频监控8与云服务器2网络连接，本实施例中的网络视频监控8通过有线/无线ip网络/电力网络与云服务器2连接；进一步地，网络视频监控8通过有线/无线ip/电力网络把视频信息以数字化的形式来进行传输。网络视频监控8获取实验设备5现场实时的实验视频或者实验教学视频，并将实验视频或者实验教学视频上传至云服务器2，进一步地，网络视频监控8包括视频采集模块、视频压缩模块、有线/无线ip网络/电力网络通讯模块。其中，本实施例中的网络可到达的地方即可实现视频监控和记录，且本实施例中网络视频监控8还可以与很多其它类型的系统进行结合。

本实施例中的管理端3用于发布实验设备5及其开放时间，还发布实验设备5的学习资源，本实施例中，管理端3通过web方式发布。

本实施例中，管理端3包括实验室管理端和网关管理端；实验室管理端对实验设备5及其开放时间、用户端1、实验设备5的学习资源进行管理；网关管理端对连接云服务器2的智能网关7进行管理，包括连接智能网关7的设备、ip地址、网关连接账号密码进行管理，以便智能网关7与用户端1之间建立网络连接关系，以使用户端1通过云服务器2连接智能网关7，从而连接plc控制器6。

在本实施例中，实验室管理端供开发者以及管理员使用，用于对学校、实验室4、实验设备5等信息进行管理，用于对预约人员身份信息进行管理，用于分配实验设备5的开放时间安排，以及对各实验设备5相关资源管理。

网关管理端用于对进行远程实验的智能网关7进行管理，因此，远程实验需要通过智能网关7联网，用户端1通过云服务器2连接带智能网关7，从而连接plc控制器6等设备。本实施例中的网关管理端对网关的网络、网关连接的设备、ip地址、网关连接账号密码等信息进行管理设置。

本实施例中，用户端1用于对实验设备5进行预约。本实施例中的用户端1包括移动端和pc端；移动端、pc端与云服务器2连接。当然，也可以进一步地，pc机、mac机、安卓或ios移动设备。通过浏览器或移动app接口访问云服务器2发布的组态画面。用户端1通过云服务器2对开放时间的实验设备5进行预约，用户端1预约成功后，到达预约时间段时，用户端1通过授权可在线修改实验设备5的b/s组态画面、设备运行参数、控制设备暂停灯，通过查询现场实时视频直观了解现场实验设备5的运行情况，以及查询历史数据，从而实现用户端1通过云服务器2连接智能网关7进行远程实验。

本实施例中，云服务器2用于获取用户端1发送的预约信息，并根据预约信息，建立用户端1与plc控制器6之间的vpn网络连接关系；云服务器2用于获取用户端1对plc控制器6的控制信息，以便用户端1对实验设备5的远程控制。本实施例中，云服务器2还用于将获取的实验视频以及实验设备5的运行参数进行处理后通过web方式发布；云服务器2将用户端1对实验设备5的控制信息，通过智能网关7传输给plc控制器6，并通过plc控制器6对实验设备5进行远程控制。

进一步地，本实施例中的云服务器2包括web服务器、数据库服务器、b/s服务器、流媒体服务器；web服务器与数据库服务器双向通讯；web服务器用于用户端1及管理端3的访问；数据库服务器用于存储实验视频数据、预约信息、实验设备5以及实验设备5的学习资源；流媒体服务器用于同步现场实验视频数据；b/s服务器用于将实验视频数据、运行参数集成在一起进行组态；web服务器将b/s服务器组态后的数据以web方式发布。其中，b/s服务器包括b/s组态控件、视频控件、数据库接口。

本实施例中，通过b/s架构以及云平台，实现多个实验设备5与云服务器2连接，各实验设备5对应配备一个智能网关7，形成一个云服务器2对应多实验设备5、多智能网关7的架构。

实施方式3

一种利用云端虚拟共享实践教学平台的远程控制方法，该方法包括：

s1：管理端3通过web方式向云服务器2发布可预约的实验设备5及其开放时间；

s2：用户端1通过web方式向云服务器2发送实验设备5的预约申请；

s3：云服务器2接收预约申请后，根据预约信息，建立用户端1与plc控制器6之间的连接关系，并向用户端1反馈plc控制器6的账号密码及验证码；

s4：用户端1通过账号密码及验证码实现网络配置，以便与plc控制器6实现vpn网络连接；

s5：云服务器2根据用户端1的访问，接收用户端1对plc控制器6进行控制的控制信息；

s6：云服务器2将获取的控制信息转换成控制指令，并将控制指令传输给智能网关7；

s7：智能网关7获取控制指令，并实时传输给plc控制器6，plc控制器6根据控制指令控制实验设备5运行；

s8：plc控制器6获取实验设备5的运行参数，并发送给智能网关7；

s9：智能网关7将获取的运行参数上传至云服务器2；

s10：网络视频监控8获取现场实时的实验视频数据，并发送给云服务器2；

s11：云服务器2将实验视频数据、运行参数进行处理后通过发送给web服务器发布。

其中，智能网关7和云服务器2之间配置有用于远程控制的json通道，以及与json通道配合的plc控制器6的账号密码。进一步地，智能网关7和云服务器2之间建立json通道，以及设置有配合json通道的plc控制器6的账号密码，用户端1预约成功后，到达预约时间段前夕，获取plc控制器6的账号密码以及验证码，用户端1通过plc控制器6的账号密码以及验证码生成鉴权请求，并将鉴权请求发送给智能网关7，智能网关7根据鉴权请求实现用户端1的网络配置，进一步地，根据用户端1发送的控制信息生成相应的控制指令，从而控制智能网关7对plc控制器6进行相应的控制操作，以使plc控制器6控制实验设备5进行远程实验。

本实施例中的根据智能网关7与云服务之间的json通道生成的验证码，包括通过微信扫描或手机号的方式向智能网关7发送连接请求，以使智能网关7根据连接请求返回随机数，根据该随机数生成验证码。

实施方式4

本实施例中的云端虚拟共享实践教学平台应用于高校实验室的共享，对全国同类专业学生及培训机构共享开放，实现在线直播实验教学，学生随时随地(移动端)在线预约开展实验和实训，充分利用领域导师资源。

管理端3用于发布实验设备5、实验设备5的开放时间及其学习资源；用户端1对实验设备5或实验设备5的课程进行预约；云服务器2获取用户端1发送的预约信息，并传输给管理端3；管理端3根据预约信息建立用户端1与实验设备5之间的连接关系。

进一步地，管理端3通过b/s与云服务器2通信，管理端3通过web方式发布可预约的实验设备5、实验设备5的开放时间及其学习资源；供学生随时随地在线预约开展实验和实训。

通过管理端3设置角色管理，通过对不同角色分配不同权限，角色和权限设置一对多的关系，一个角色可以拥有多种权限，且可以编辑、删除权限信息。本实施例中包括：管理员、用户。

管理员通过管理端3设置预共享的实验设备5信息，进一步，实验设备5信息包括实验设备5所属的学校及院系，进一步地，对实验设备5信息中的学校/院系代码、学校/院系名称、学校/院系预约次数，学校/院系设备数量，预约开始段，预约的实验室名称，负责人信息(姓名、电话)等，管理员可添加/编辑/禁用/启动/删除学校信息，包括其学校/院系代码、名称、设备数量、实验室名称、开放时间段负责人信息等进行管理。

进一步地，管理员通过管理端3提交实验设备5的开放时间信息，包括实验设备5所述的学校或者管理预约的学校院系，方便管理端3对学校/学校院系的实验设备5开放时间调整管理。

本实施例中，还通过管理端3提交实验室的开放时间，以便通过用户端1预约。进一步地，还包括对已经被预约的实验室进行管理，包括预约时间段，实验室类型、实验室名称、预约人信息等。管理员通过管理端3设置可预约的实验室信息，也可以对可预约的实验室进行编辑/禁用/启用/删除等操作。

当然，还可以通过管理端3对实验设备5进行管理，包括实验设备5的基础信息的管理、实验设备5所关联学校的管理。其中，实验设备5的基础信息的管理包括实验设备5的使用周期、实际使用周期、使用次数等。实验设备5所关联学校的管理，包括学校名称、学校实验设备5数量、实验设备5名称、实验设备5绑定时间、实验设备5的维护时间。每个学校可添加多个可共享的实验设备5。

用户通过用户端1对各个实验设备5的使用率进行查看，本实施例中，采用柱状图展示。

实施方式5

本实施例中的云端虚拟共享实践教学平台，通过管理端3连接云服务器2后的使用方法包括：

s11：管理端3通过b/s方式连接云服务器2的web服务器，登陆管理员账户；

s12：添加实验室4；

s13：添加实验室4中的实验设备5的开放时间；

s14：添加题库；为便于远程实验的用户具有一定的理论基础，本实施例中设置有与实验设备5有关的题库，在满足答题要求的前提下，用于可预约成功。

s15：添加预约账户密码。

本实施例中的云端虚拟共享实践教学平台，通过用户端1连接云服务器2后的使用方法包括：

s21：用户端1通过b/s方式连接云服务器2的web服务器；

s22：选择实验室4；

s23：选择实验设备5的空闲预约时间段；

s24：答题通过后，预约填写手机号信息，预约成功；

s25：预约时间段前实验设备5上电，预约账户密码登入验证码发送到手机；

s26：用户端1从web服务器进入实验，输入账号密码验证码连接实验设备5；

s27：进入实验状态，通过web服务器观看现场同步视频监控，检测实验设备5状态。

s28：利用plc控制器编程远程下载，以及利用plc控制器6组态远程控制。

本实施例的云端虚拟共享实践教学平台用于面向全国实验室空间及优秀导师，通过导师的在线直播教学以及学生的远程实践操作，使得学生在接收不同的教学理念和专业知识，本云端虚拟共享实践教学平台采用云计算技术、物联网技术，为此类新工科专业实训平台的建设奠定基础。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。