基于遠程實驗平臺的儀器接入接口設計與實現(xiàn)

杜亞蘭 段俊杰 吳志忠

摘要：該文針對遠程實驗平臺對外開放難的問題，研究基于遠程實驗平臺的實驗儀器接入管理與控制的實現(xiàn)。實驗儀器與遠程實驗平臺的通信采用MQTT通信技術。利用GUID（全局唯一標識符）生成編碼作為實驗儀器唯一標識，確保實驗儀器身份在通信系統(tǒng)的唯一性，保障遠程實驗平臺的通信安全。通過JSON（JavaScript Object Notation）格式文件配置參數(shù)，為校外儀器接入遠程實驗平臺提供了實用的解決方案，推動遠程實驗平臺的對外開放。

關鍵詞：遠程實驗;接口設計;儀器管理;GUID;JSON

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）20-0047-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著計算機技術的發(fā)展和網(wǎng)絡技術的成熟以及教育信息化與現(xiàn)代信息技術的不斷發(fā)展，信息化教育成為未來教育事業(yè)一個可觀的發(fā)展方向[1-2]。遠程實驗平臺是推廣信息化教育的一個重要研究手段，是遠程教學發(fā)展中不可缺少的重要組成部分[3-4]。目前國內外有眾多高校都建立了遠程實驗平臺，但現(xiàn)有的遠程實驗平臺多是接入本校實驗儀器，對于如何接入并管理其他學校儀器設備的情況，未作進一步研究，而這些問題也限制了遠程實驗平臺的發(fā)展與推廣[5-7]。鑒于此，本文針對遠程實驗平臺對外開放難的問題，研究實驗儀器與遠程實驗平臺的接入接口的管理與控制，為遠程實驗平臺的對外開放提供了新思路。

1 總體設計

本系統(tǒng)的基礎——遠程實驗平臺是一個對社會開放的實驗服務平臺。用戶登錄遠程實驗平臺后，可通過遠程實驗平臺遠程控制實驗儀器，可進行遠程實驗。遠程實驗平臺管理員可通過本接口系統(tǒng)，將外校實驗儀器接入遠程實驗平臺。

大量實驗儀器接入遠程實驗平臺的情況下主要存在以下兩個問題：1）實驗儀器身份唯一性無法保證而導致的安全隱患;2）實驗控制參數(shù)不一致而導致的遠程實驗平臺對外開放困難。為解決遠程實驗平臺在對外開放過程中的這些問題，系統(tǒng)需實現(xiàn)實驗儀器ID申請審核、儀器ID管理、儀器接入配置、儀器管理等功能。系統(tǒng)功能模塊劃分如圖1所示。

2 核心功能模塊設計

系統(tǒng)的核心是實驗儀器身份標識與接入配置模塊。實驗儀器身份標識機制是保證實驗儀器在接入遠程實驗平臺后身份唯一的重要一步，其保障了遠程實驗平臺的通信安全。該模塊主要分為基本信息配置和參數(shù)配置兩個部分?；拘畔⑴渲妹枋隽藢嶒瀮x器的狀態(tài)，包括儀器價格、購買時間、實驗名稱等。參數(shù)配置模塊主要的目的是賦予實驗儀器與實驗平臺之間的通信權限，生成控制頁面，實現(xiàn)實驗儀器接入遠程實驗平臺。

2.1 儀器ID模塊設計

在遠程實驗平臺對外開放的過程中，將存在大量實驗儀器接入的情況。為確保遠程實驗平臺的通信安全，實驗儀器需要一個唯一的編碼值作為儀器ID。系統(tǒng)采用GUID生成實驗儀器ID，保證通信系統(tǒng)標識對應的實驗儀器身份唯一。

GUID是一種由加入了非隨機的參數(shù)的算法生成的二進制長度為128位的數(shù)字標識符，主要運用于擁有多個節(jié)點、多臺計算機的網(wǎng)絡或系統(tǒng)中，符合遠程實驗室平臺的大環(huán)境。GUID值由算法自動生成，不需要權威機構來管理。算法自動生成的GUID能產生全球唯一的值，能夠作為實驗儀器ID，用于遠程實驗平臺作為實驗儀器身份唯一標識。

系統(tǒng)通過儀器ID的申請、審核機制，賦予接入設備唯一身份標識。儀器ID申請時，管理員用戶需要填寫申請人名稱，申請人手機號碼以及申請理由。儀器ID的審核采用人工審核機制，只有超級管理員具備審核權限，超級管理員通過查看用戶的申請資料，并核對用戶的申請資料進行審核。超級管理員可以查看申請人名稱、申請時間、申請人所屬機構、申請狀態(tài)等信息。審核通過后方可生成儀器ID，在接入配置與今后的實驗通信中，ID號將作為這臺儀器在遠程實驗平臺的身份證。用戶可將儀器ID生成二維碼，打印后貼于儀器上。用戶可通過移動端掃描二維碼，直接管理對應實驗儀器。編號申請審核流程設計如圖3所示。

2.2 參數(shù)配置方案設計

通過對遠程實驗的調研分析，將部分實驗所需參數(shù)類型分為：1）開關類。顧名思義，即開關模式的變量，如啟動、暫停、結束等只用兩種狀態(tài)的控制型參數(shù)。2）方向類。即方向控制參數(shù)，如上、下、左、右、前、后等。3）范圍變化類。如增大/減小，或直接寫入控制參數(shù)數(shù)據(jù)值。4）實驗反饋類。如各類傳感器讀數(shù)。

遠程實驗平臺通信采用MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）通信服務技術，具有簡潔、輕量級、易于實現(xiàn)的特性。MQTT采用“發(fā)布/訂閱”模式，按照協(xié)議設定三種消息發(fā)布服務質量。1）“至多一次”，消息發(fā)布依賴底層網(wǎng)絡的通信能力，有可能會出現(xiàn)消息丟失、消息重復的情況。此級別可用于傳感器數(shù)據(jù)傳輸，這類數(shù)據(jù)丟失一次消息也影響不大。2）“至少一次”，確保消息到達，但消息重復可能會發(fā)生。3）“只有一次”，確保消息到達一次。如在計費系統(tǒng)中，消息重復或丟失會導致不正確的結果。

本系統(tǒng)采用JSON作為參數(shù)提交格式。JSON是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，易于人閱讀和編寫，同時也易于機器解析和生成。系統(tǒng)設計一個用戶JSON編輯區(qū)塊，由用戶填寫所需參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)分類選擇對應參數(shù)類型，根據(jù)所填參數(shù)通信服務質量要求選擇訂閱對應的通信服務。確認無誤提交后，系統(tǒng)審核驗證合法性，如通過驗證，將在遠程實驗平臺與通信系統(tǒng)中注冊控制參數(shù)，并根據(jù)用戶填寫參數(shù)生成實驗操作頁面。參數(shù)分為參數(shù)配置流程圖如圖4所示。

2.3 儀器管理模塊方案設計

儀器管理模塊分Web端與移動端，管理員用戶可直接通過Web網(wǎng)頁，完成對儀器的管理：信息查看、信息修改、刪除儀器。這里的信息是指用戶通過基本信息配置填寫的儀器基本信息（主要內容有設備名稱、實驗室標識、實驗標識、上傳圖像、購買日期、設備價格、設備狀態(tài)、使用權重、設備描述）。

移動端的管理模塊設計是為了實現(xiàn)儀器的便捷管理。在實際實驗室中，并非所有的實驗室都會配備電腦，如果在實驗室設備維護檢查過程中，想要管理遠程實驗平臺對應的儀器，還需要抄寫下對應儀器ID，再到PC端查詢管理，這樣對用戶管理儀器十分不方便。通過移動端掃描管理，用戶只需要用手機掃描儀器ID二維碼，就可以直接查看和管理儀器。

移動端二維碼掃描流程設計如圖5所示。用戶掃描二維碼后，判斷用戶的身份角色，普通用戶只能查看儀器信息，管理員用戶方可管理儀器。

3 系統(tǒng)功能測試

測試功能包括儀器ID的申請與審核、儀器ID唯一性驗證、基本信息配置、儀器管理功能（儀器管理包括：信息查看、信息修改、刪除儀器、掃碼管理），系統(tǒng)功能測試結果見表1。

4 結論

本系統(tǒng)是遠程實驗平臺對外開放的接口，在遠程實驗平臺的基礎上，結合GUID與JSON文件傳輸技術，實現(xiàn)了遠程實驗平臺的儀器接口配置及管理，進一步完善了遠程實驗平臺。推動實現(xiàn)遠程實驗平臺的對外開放，提高實驗資源的利用率，促進信息化教育發(fā)展。

參考文獻：

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