一种物联网远程测控教学实验系统平台

摘要

一种物联网远程测控教学实验系统平台，包括由若干个实验平台组成的实验平台群；与实验平台一一对应的用于获取实验平台的试验数据的实验平台监控端，每个实验平台监控端为Zig-Bee无线网络中的一个节点；通过GPRS无线网络与实验平台监控端通信的教学服务器；通过Internet有线网络与教学服务器通信的学生实验端；以及通过Internet有线网络与教学服务器通信的教学远程测控端，本发明利用三网互联的形式，组成了一套系统性强、信息通讯性能优越和功能丰富的完整物联网系统，实现对多个实验平台、监控端、服务器和实验端的高效连接，从而达到实验数据和操作信息的远程共享、动态建模、持久存储、实时视频监控、云计算处理和自动语音预警等功能。

说明书

技术领域

本发明属于教学装置领域，涉及一种教学实验系统平台，特别涉及一种 物联网远程测控教学实验系统平台。

背景技术

近些年来，随着科学技术的迅速发展以及课堂教学内容和形式的不断丰 富与完善，传统形式的课堂授课内容已经逐渐无法满足学生提高动手能力、 培养创新意识的要求。因此，近年来众多高校逐渐在课堂教学中引入了实验 类动手操作课程，将其作为课堂教学授课体系中不可或缺的一部分。

通过教师在课堂实验类教学过程中的授课和实验指导，学生不仅可以在 熟练使用各种实验仪器进行实验数据获取和操作的同时，还可以提升实际动 手操作能力并培养全方面的创新意识。因此，实验类课程教学在整个教学体 系的重要性日益突出，受到了教师和学生越来越多的关注。但是，目前在全 国范围内普遍使用的多种实验系统平台，越来越难以满足种类繁多、要求复 杂的课程实验内容和要求，同时成为了制约提高课堂教学效率和培养学生动 手实践及创新能力的关键因素。

目前被众多高校使用的实验系统平台，均存在功能单一、独立性强、数 据共享性差和使用限制条件多等缺陷。在授课过程中，每个实验平台必须频 繁地根据不同实验内容进行多次调整，具有很高的复杂性和独立性，对教师 资源和实验资源造成了极大的不便。此外，单个实验平台只能对自己的数据 进行简单处理，无法共享其他实验平台的实验数据，更无法利用互联网资源 对实验平台进行远程操作、数据采集和大型数据处理。因此，发明一种基于 物联网技术的教学实验系统，将多个实验平台、控制端和处理终端有机地组 织并连接到一起，形成一套实验功能丰富、操作简易、系统功能强大、数据 处理能力优越的实验系统平台，具有十分重要和深远的意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种物联网远程 测控教学实验系统平台，解决了背景中实验平台功能单一、独立性强、数据 共享性差和使用限制条件较多等问题，该教学实验系统平台具备多种模式的 信息传输能力，具有功能丰富、整体性能优越、可进行远程操作、数据共享 能力强等多个优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种物联网远程测控教学实验系统平台，包括：

由若干个实验平台6组成的实验平台群；

与所述若干个实验平台6一一对应的实验平台监控端5，所述实验平台 监控端5用于获取实验平台6的试验数据，每个实验平台监控端5为Zig-Bee 无线网络中的一个节点，实现对其余的实验平台监控端5进行数据访问；

通过GPRS无线网络与所述实验平台监控端5通信的教学服务器7，教 学服务器7定时、不间断地从各个实验平台监控端5获取实时和历史试验数 据；

通过Internet有线网络与所述教学服务器7通信的学生实验端8，所述学 生实验端8通过教学服务器7连接至与一个相对应的实验平台6，现场或者 远程进行实验操作；

以及，

通过Internet有线网络与所述教学服务器7通信的教学远程测控端9，所 述教学远程测控端9实时监控所有实验平台6，查询调取所述教学服务器7 中的实时和历史试验数据，主动或者在收到实验平台监控端5发送的实验异 常报警信号后对相应的实验平台6进行紧急制动，并进行通知。

所述实验平台6上集成有带远程控制功能的多种传感器以及相应的驱动 装置，由实验平台监控端5进行控制。学生实验端8通过Internet网络，将 实验操作指令发送至教学服务器7，教学服务器7通过GPRS无线网络，转 发实验操作指令至实验平台控制端5，控制相关传感器的驱动装置并获取实 时数据，从而实现对实验平台6的远程控制。

所述实验平台6采用塔吊式结构，在平台顶端安装GPS传感器1，平台 台臂中部安装长度传感器2，平台台臂后端安装回转传感器3，平台中部安装 倾斜传感器4。

所述实验平台监控端5中建立实时动态模型，对多个实验平台6的各种 传感器驱动装置的数据进行建模分析，当分析结果超出预设的规范范围，进 行语音报警，所述实时动态模型为：实验平台监控端5实时检测并更新多种 传感器及驱动装置的测量值和状态值，作为此动态模型的输入量，然后基于 不同实验要求对数据进行处理、分类、计算和融合，得到该模型的理论输出 量，并据此对实验数据及操作指令进行实验合理性及安全性分析，在实验数 据偏离理论值过大或实验操作危险系数过大时，进行自动报警操作。

所述实验平台监控端5向教学服务器7发送注册信息，申请连入教学服 务器7，教学服务器7采用心跳轮询机制，为所有实验平台控制端5自动分 配独立IP，并按照一定时间间隔不断获取、存储和校验实验控制端5的实时 实验状态及实验数据，建立动态实验系统平台模型收集数据，并将去冗余和 融合过后的有效数据，转发至学生实验端8，同时存储到SD卡的数据库系 统中进行备份。

所述实验平台监控端5配置监控探头，实时获取实验平台6的操作图像。

所述教学远程测控端9将所获取的实时和历史试验数据上传至云平台进 行远程运算和数据处理，并对多组实验结果进行评分和比较，得到分析报告。

所述教学服务器7对学生实验端8和教学远程测控端9的所有控制操作， 设置了不同的事务优先级并采取了优先级事务调度策略。调度策略为教学远 程测控端9发出操作的事务优先级最高，可以获得服务器的优先处理权；学 生实验端8发出操作的事务优先级较低，可以被优先级较高的事务中断或取 消。通过设置教学服务器7中的事务优先级列表，将所有事务操作规定为不 同的优先级，从而实现实验系统平台对所有操作的合理、有序调度。

与现有技术相比，本发明采取了软硬件相结合的设计思想，采用“三网 互联”的实现方法，将多种实验平台装置、系统控制装置和信息处理装置集 成为一个系统性能优越、信息交互性能较强的实验系统平台，从而实现了培 养学生动手能力和创新协调意识的教学目的。

附图说明

图1是物联网远程测控教学实验系统平台示意图。

图2是物联网远程测控教学实验系统平台的系统流程图。

图3是一种实验平台上的多种传感器部署图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，一种物联网远程测控教学实验系统平台，包括以下主要组 成部分：实验平台群、实验平台监控端5、教学服务器7、学生实验端8和教 学远程测控端9。实验平台群由若干个实验平台6组成，实验平台监控端5 与实验平台6一一对应。

如图2所示，本发明采用“三网互联”的组成方式，形成了一套完整的 物联网系统。其中，各个实验平台监控端5之间通过Zig-Bee无线网络进行 信息交互与共享，教学服务器7通过GPRS无线网络对所有实验系统平台监 控端5进行连接与控制，学生实验端8和教学远程测控端9则通过Internet 有线网络与教学服务器进行交互。

本发明实验平台群，其中包括了具备多自由度、可自由组装和拆卸、具 备机器视觉等功能的多种实验平台6。每个独立的实验平台6根据不同实验 内容及要求，装备了多种传感器以及相应驱动装置，具备同一端口兼容多种 传感器功能，连接到与之相对应的实验平台控制端5，并且可以根据不同的 实验要求进行形式多样的设计和改装。

一个具体的例子，如图3所示，实验平台6采用塔吊式结构，在平台顶 端安装GPS传感器1，平台台臂中部安装长度传感器2，平台台臂后端安装 回转传感器3，平台中部安装倾斜传感器4。

本发明实验平台监控端5，具备信息获取、显示和处理模块以及GPRS 和Zig-Bee信息传输模块。实验平台监控端5可以实时自动识别实验平台6 的多样性，显示实验平台6上传感器实时信息，并且具备对不安全操作和危 险实验状态的自动语音报警功能。同时，每个实验平台控制端5作为Zig-Bee 无线网络的一个分节点，通过Zig-Bee中的独立中心节点进行相互间的无线 通讯，对其他所有监控端进行数据访问和比较。并向教学服务器7发送注册 信息，申请连入教学服务器7并建立自动语音预警模型。此外，实验平台监 控端5具备利用不同算法模型对多种传感器信息进行融合、去噪、去冗余和 自动剔除脏数据的功能。

本发明实验平台监控端5，具备建立动态模型并自动预警的功能。实验 平台监控端5通过实时监测实验平台6上的多种传感器及其驱动装置，获取 到不同传感器的种类、数量、测量值、状态值及上述四种数据的变化量，作 为此动态模型的输入量。随后针对不同实验的内容及要求，结合相关算法及 理论，对输入量进行数据处理、分类和融合等计算，得到此模型的理论输出 量。根据此理论输出量与预期实验结果进行对比和分析，判断实验操作的合 理性及正确性。若实验值较理论值在合理范围内，且此系列操作对实验台6 的安全性无重大影响，则程序继续正常运行。否则，系统将触发报警装置， 进行自动语音报警并将报警信号传送至教学远程测控端9。

本发明教学服务器7，具备多所有实验平台6信息获取、存储、处理的 数据库模块和GPRS以及Internet信息传输模块。教学服务器7通过覆盖范 围较大、产生数据流量小及传输速度较快的GPRS无线网络，采用“心跳轮 询”机制，为所有实验平台控制端5自动分配独立IP，并按照一定时间间隔 定时、不断获取存储和校验实验控制端5的实时实验状态及数据信息，即所 有已向服务器注册的实验平台6的多种传感器信息，并且将所有历史实验数 据储存至数据库。教学服务器7还可建立动态实验系统平台模型收集数据， 并将去冗余和融合过后的有效数据，转发至学生实验端8，并存储到SD卡 的数据库系统中进行备份。此外，教学服务器7可以连接到云服务平台，对 大型复杂数据进行高速和大范围的精确运算。教学服务器7的软件参考拓扑 结构进行实现，设置了不同的事务优先级并采取了优先级事务调度策略，具 备冲突处理管理机制。

本发明学生实验端8，由参加实验的学生进行实际操作，具有远程测控 功能、信息处理和Internet信息传输等功能。学生实验端8支持现场操作， 同时也支持利用Internet网络远程操作功能。学生实验端8通过Internet有线 网络连接教学服务器7，对实验平台6每一种传感器的驱动装置进行操作并 获取实时传感器数据和实验数据。此外，学生实验端8具有动态建立实验模 型和数据仿真功能，可以根据实时实验数据对学生提出操作提示和合理性建 议。

本发明教学远程测控端9，连接到Internet有线网络，由参与实验的教师 使用，具有远程控制、数据处理、视频监控等人机交互功能。教学远程测控 端9可通过多线程并行技术，查询教学服务器7中的数据库系统，调取历史 实验数据和实时实验数据，可以通过视频探头实时监控所有实验平台6，也 可以主动或收到实验平台监控端报警信号后对相关的实验平台6进行紧急制 动，并通过GPRS网络以短信、彩信等形式进行快速通知。

在实验结束后，教师可以通过教学远程测控端9获取到教学服务器7中 的所有实验数据，并上传至云平台进行远程运算和数据处理，也支持教师输 入评分规范和模型，自动对多组实验结果进行评分和比较，并得到分析报告。

本发明学实验系统平台，引入了拓扑结构的设计理念和嵌入式组态设计 技术，对学生实验端8和教学远程测控端9的所有控制操作，设置了不同的 事务优先级并采取了优先级事务调度策略，合理解决了系统在运行过程中可 能引发的各种冲突以及异常现象。此外，系统内置备用电源，可防止由于断 电等原因产生的数据丢失现象。

上述优先级事务调度策略包括，将教学远程测控端9发出操作的事务优 先级设置为最高的一组，将学生实验端8发出操作的事务优先级设置为较低 的一组。事务优先级较高的操作，可以获得服务器的优先处理，并在操作实 现过程中不受优先级较低的事务操作影响。只有当优先级较高的操作完成后， 优先级较低的操作才能得到服务器响应，并且在运行过程中可以被优先级较 高的事务中断或取消。由教学远程测控端9和学生实验端8发出的所有操作 都被设置为不同事务优先级，并存储在事务优先级列表中。服务器根据事务 优先级列表，对不同的操作进行不同的响应及操作，从而实现对所有操作的 合理和有序调度。

本发明的教学实验系统平台，提供13个难易程度不同的创新型操作实 验，分别是：实验一，旋转角度值测量实验；实验二，直线长度值测量实验； 实验三，高度值测量实验；实验四，物体倾斜角度测量实验；实验五，实验 平台经纬度值测量实验；实验六，Zig-Bee无线网络组网实验；实验七：GPRS 无线网络组网实验；实验八：Internet网络组网实验；实验九：电子地图开发 实验；实验十：实验数据建模及仿真开发实验；实验十一：视频软件开发实 验；实验十二：图像识别算法的设计与开发；实验十三：多实验平台的搭建 及组网实验。

上述13个创新型操作实验可以分为四种类型。第一到第五个实验，属于 简单物理量测量基础实验，主要面向本科生开设，使学生通过学生实验端8 对实验平台监控端5和实验平台6进行远程控制，通过物联网系统远程操作 传感器驱动装置，获得简单物理量的测量值；第六到第八个实验，属于信息 通讯网络搭建实验，主要面向本科生和研究所开设，使学生通过对实验平台 监控端5、教学服务器7和学生实验端8的软件操作，实现三种网络的基本 搭建和相关设置，实现物联网上的“三网互联”功能；第九到第十二个实验， 属于软件开发类实验，主要面向研究生开设，使学生通过对教学服务器7的 二次开发，熟练使用此物联网系统并拓宽其附件功能；第十三个实验，属于 物联网系统搭建实验，主要面向研究生开设，使学生通过对整套物联网系统 硬件及软件部分的拼装及调试，实现对整个物联网系统的搭建和使用。

本发明物联网远程测控教学实验系统平台，功能丰富、应用范围广泛、 操作方法简易、系统联系性强、数据通讯及处理能力优越，不仅可以极大地 提升课堂效率和效果，还可以使学生在实验类教学课堂中对理论和方法进行 更加深入的学习和研究，从而逐步提高动手实践能力、培养创新意识和增强 学生对未知难题的探索和解决兴趣。