遠程嵌入式系統實驗室設計

中圖分類號：TP311.5 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）12-0119-05

Design of Remote Embedded System Laboratory

LI Xiang1， FAN Meihua1， ZHANG Haopeng2.3 （1.School ofMechanical and Electrical Engineering，Qiqihar University，Qiqihar161oo6，China; 2.School of Computer and Control Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 16loo6，China; 3.Heilongjiang KeyLaboratory of Big Data Network Security Detection and Analysis，Qiqihar 161006， China）

Abstract： Inorder toovercomethedisadvantages oftraditional embedded system laboratory，suchaslarge investment，igh maintenancecostandlimitedexpermentalproce，emoteembeddedsystemlaboratorywithnowledgeverifcationisevelopedby integratingembeddedLiuxdriverdevelopment，mobileterminalsofwaredevelopment，Webapplicationdesignandoterproeial coreskill.Thelboratoryonsstsofdeviceside，srversideandclientside，ndthedevicesidecontrolstheRK3568partoughthe PCparttorealizemirorbuminganddriveandapplicationloading.TheserversideusesthecloudserverandtheRuoyiframework torealizethe informationtransferbetweentheclientandthedevieside.Thecientaccesss theserverthroughthebrowsertoupload images，driversndapliations.Thelaboratorycanenablestudents tocarryoutverfcationexperimentsandobseetheoeration resultsoftheequipmentsidanytimeandnywhere，improvetheutilizationrateofequipment，educeinvestmentandmaintenance costs，improve thequalityofexperimentalteaching，andprovide reference forthe laboratorydesignofsimilarcourses.

Keywords： verification experiment; embedded system; remote laboratory

0 引言

嵌入式方向課程為適應社會發(fā)展需求，應以學生實踐能力培養(yǎng)為主要目標[1。實驗在嵌入式方向課程中占據舉足輕重的地位，與理論教學相比，它更能培養(yǎng)學生實踐能力，體現學以致用的工程實踐內容，引導學生開展以工程應用為目標的科技創(chuàng)新。

傳統嵌入式系統實驗室存在投資大、維護成本高的問題，且實驗過程受場地、時間、設備、師資等因素限制[2-7]。為克服傳統實驗教學模式的弊端，本文融合嵌入式Linux驅動開發(fā)、移動終端軟件開發(fā)、Web應用程序設計等專業(yè)核心技能，建立遠程嵌入式系統實驗室。該實驗室面向高年級計算機科學與技術專業(yè)學生，設計功能齊全的平臺硬件結構，融會貫通專業(yè)知識，形成專業(yè)特色。學生可隨時隨地通過互聯網訪問遠程實驗室進行驗證性實驗，既能提高設備使用率，又能降低投資和維護成本。此外，學生還可通過視頻觀察設備運行結果，獲得身臨其境的感受，這大大提升了實驗教學質量，為培養(yǎng)計算機科學與技術嵌入式方向特色鮮明的高水平應用型綜合人才提供有力支撐。

1 總體設計

為培養(yǎng)特色鮮明的高水平應用型綜合人才，該實驗室在滿足畢業(yè)要求指標的基礎上，著重倡導培養(yǎng)學生自學能力的教學目標。為此，平臺基于OBE（成果導向教育）理念，圍繞明確的學習成果組織與實施教學活動，確保教學質量和效果與既定目標一致。在OBE理念下，學習成果是教學核心。以該實驗室為例，學生完成學習后應掌握嵌入式Linux驅動開發(fā)的關鍵技術。

OBE強調以學生為中心，聚焦實際學習效果，而非單純關注教學過程。同時，OBE要求清晰、具體地描述學生預期達成的學習成果，這些成果需可衡量、具體化，并與學科核心知識和能力緊密關聯。

該平臺的學習內容及成果包括：1GPIO：控制LED燈；中斷：高電平觸發(fā)控制LED燈；單總線：控制DS18B20；IC：控制LM75；SPI：控制31865；ADC：控制LM35；PWM：控制直流電機；UART：實現串口通信。其中，DS18B20、LM75、31865和LM35均用于溫度測量。隨著經驗的積累，學生的眼界會越來越開闊，解決問題的能力越來越強。

根據需求，該實驗室分為客戶端、服務器端、設備端3大部分，其系統框圖如圖1所示。實驗室采用全天運行模式，學生可通過客戶端遠程操控設備端，并借助實驗界面實時獲取實驗數據，利用碎片化時間開展自主學習，完成驗證性實驗，為后續(xù)綜合性實驗奠定基礎。

圖1遠程嵌入式系統實驗室系統框圖

具體介紹如下：

1）設備端的PC部分接收服務器端推送的鏡像、驅動和應用，通過RKDevTool將鏡像燒寫到RK3568控制板，利用ADB把驅動和應用推送到RK3568控制板，通過串口調試該控制板；同時，通過USB連接內置麥克風的攝像頭，監(jiān)視RK3568部分運行狀況，并將其音視頻、UART打印信息、CMD打印信息上傳至服務器端。設備端的RK3568部分在完成鏡像、驅動和應用燒寫后，通過功能擴展板作用于功能模塊，包括LED、DS18B20、LM75、31865、LM35、直流電機、UART。

其中，RK3568是瑞芯微（Rockchip）公司推出的中高端通用型SoC（系統級芯片）。它采用 22nm 制程工藝，集成四核ARMCortex-A55處理器，主頻最高達 2.0GHz ，CPU性能高效。同時，集成Mali-G522EE GPU，支持OpenGLES、Vulkan 和OpenCL等圖形處理接口，為圖形與視頻渲染提供強力支持。在視頻處理上，RK3568支持4K視頻解碼和1080P編碼，能處理H.264、H.265等多種格式；內置NPU（神經網絡處理單元），算力達1TOPS，適用于圖像和語音識別等輕量級人工智能應用。

此外，RK3568接口資源豐富，涵蓋USB3.0、SATA3.0、PCIe3.0、千兆以太網、HDMI等，便于連接各類外部設備；還支持Linux和Android等操作系統，為開發(fā)者提供靈活環(huán)境。憑借強大性能、豐富接口和高效功耗比，RK3568廣泛應用于智能顯示、工業(yè)控制、物聯網（IoT）終端、車載信息娛樂系統等領域，無論是高性能計算與圖形顯示場景，還是低功耗嵌入式設備，都能提供卓越性能與穩(wěn)定運行體驗。學生完成基礎實驗后，可結合RK3568的NPU和Android操作系統，實現更復雜的輕量級人工智能應用，如基于YOLOv11的物體識別與關鍵點檢測，或借助語音識別和文心一言實現人機交互。

2）服務器端采用前后端分離模式：

后端基于SpringBoot、Ajax、MyBatis、MySQL、GoEasy構建。后端運行SpringBoot應用框架，設備端通過Retrofit訪問后端API；客戶端采用B/S架構，通過瀏覽器訪問前端，前端則借助Axios與后端交互。其中，SpringBoot通過Ajax響應網絡請求，MyBatis操作MySQL數據庫，完成數據的增刪改查；GoEasy實現服務器消息推送功能，負責下發(fā)鏡像、驅動、應用至設備端，同時將設備端運行狀態(tài)的音視頻、UART打印信息、CMD打印信息轉發(fā)至客戶端。

前端基于Vue、ElementUI、Axios構建。服務器前端運行Vue2框架，采用組件化開發(fā)，提升代碼模塊化程度與可維護性。ElementUI提供豐富UI組件，Vue2調用該組件快速搭建美觀用戶界面，實現視圖層；Axios用于訪問服務器后端API，完成信息交互。3）客戶端通過瀏覽器訪問服務器前端，展示用戶界面，借助Axios實現設備端選擇、鏡像/驅動/應用上傳至服務器端的操作；通過GoEasy接收服務器端轉發(fā)的設備端運行狀態(tài)音視頻、UART打印信息、CMD打印信息。

2 詳細設計

2.1設備端的設計

設備端是該實驗室實現的核心部分，分為PC部分和RK3568部分。

PC部分由PC和帶內置麥克風的攝像頭組成，PC運行信息中轉應用程序，如圖2所示。該程序采用多線程設計：線程1負責從服務器端下載鏡像、驅動和應用；線程2通過RKDevTool將鏡像燒寫到RK3568控制板；線程3通過ADB推送驅動和應用至RK3568控制板，并上傳CMD打印信息到服務器端；線程4上傳音視頻到服務器端；線程5通過UART調試RK3568，并上傳UART打印信息到服務器端。

圖2中轉應用程序

圖3RK3568部分

2.2服務器端的設計

服務器端依托云服務器搭建，作為設備端和客戶端的中間樞紐，其設計流程為：購買云服務器；創(chuàng)建實例；登錄寶塔面板；安裝MySQL、Redis、Nginx和Java；添加放行所有端口的防火墻規(guī)則；配置MySQL；配置Redis；將后端項目部署至云服務器；將前端項目部署至云服務器。

前后端項目均采用若依框架開發(fā)。若依框架是JavaEE企業(yè)級快速開發(fā)平臺，屬于前后端分離的后臺管理系 統，基于SpringBoot、Spring Security、MyBatis、Jwt、Vue等經典技術組合構建，內置角色用戶、菜單及按鈕授權、數據權限、系統參數、代碼生成等模塊[8-1o]。前端基于Vue、Axios、ElementUI實現視圖層，通過Axios訪問后端API，完成鏡像、驅動、應用的上傳，以及音視頻、UART打印信息、CMD打印信息的獲取。

2.3 客戶端的設計

客戶端通過瀏覽器訪問服務器端前端項目，如圖4所示。學生可在客戶端選擇設備端，并進行鏡像、驅動和應用的上傳操作；其中，CMD操作區(qū)域對應設備端PC的CMD操作，UART操作區(qū)域對應設備端PC的Putty操作，攝像頭遠程觀察區(qū)域則展示設備端PC部分攝像頭采集的音視頻。

圖4客戶端

3 功能測試

實驗室的基礎功能測試包括：

1）上傳鏡像測試：在設備樹中配置UART9，生成新的內核鏡像boot.img；通過客戶端上傳bootimg，隨后在UART操作區(qū)域查看RK3568部分是否生成設備節(jié)點“/dev/ttyS9”。若生成該設備節(jié)點，則實驗成功，如圖5所示。

圖5上傳鏡像實驗

圖6上傳驅動實驗

2）上傳驅動測試：通過客戶端上傳驅動，在CMD操作區(qū)域執(zhí)行“adbpush驅動名稱/data”命令，將驅動推送至Android文件系統的“/data”目錄；接著在UART操作區(qū)域運行“insmod驅動名稱”命令加載驅動。若驅動成功加載，則實驗成功，如圖6所示。

3）上傳應用測試：通過客戶端上傳應用，在CMD操作區(qū)域執(zhí)行“adbpush應用名稱/data”命令，將應用推送至Android文件系統的“/data”目錄；在UART操作區(qū)域運行“/應用名稱”命令加載應用；最后在攝像頭遠程觀察區(qū)域通過音視頻驗證運行結果，若驗證通過，則實驗成功，如圖7所示。

圖7上傳應用實驗

4結論

本文將Web應用程序設計、移動終端軟件開發(fā)融入嵌入式Linux驅動開發(fā)課程，為計算機科學與技術專業(yè)學生打造知識驗證的遠程嵌入式系統實驗室。該實驗室由設備端、服務器端和客戶端構成：設備端通過PC部分控制RK3568部分，實現鏡像燒寫及驅動、應用加載；服務器端基于云服務器和若依框架搭建，承擔客戶端與設備端間的信息中轉任務；客戶端通過瀏覽器訪問服務器前端，完成鏡像、驅動和應用的上傳操作。該實驗室支持學生隨時隨地開展驗證性實驗，有效提升設備使用率，降低投資與維護成本，可為相似課程的實驗室設計提供參考借鑒。

參考文獻：

[1]王自珍，汪洋堃，胡岳，等.智能種養(yǎng)實驗教學平臺

的設計與實踐[J].實驗室研究與探索，2024，43（7）：44-48.

[2]范云生，陳欣宇，趙永生，等.四旋翼飛行器控制算

法遠程教學實驗平臺設計[J].實驗室研究與探索，2022，41（10）：81-86.

[3]馮濤，楊旭，崔家瑞，等.電路實驗遠程在線教學模

式探索[J].實驗室研究與探索，2022，41（5）：179-187+206.

[4]羅海文，胡文山，薛莉瑋，等.自動化專業(yè)遠程實驗

室在線算法設計系統的實現[J].實驗技術與管理，2021，38（8）：

127-133.

[5]厲旭杰，顧雨辰，姚持恩.集成AI大語言模型的在線

編程實驗平臺設計與實現[J].實驗技術與管理，2024，41（8）：

215-221.

[6]王青元，張坤，茍斌.單相脈沖整流器故障在線智能

診斷實驗設計[J].實驗室研究與探索，2024，43（5）：36-41.

[7]胡鵬飛，于強.基于B/S的空間站高溫柜地基實驗遠程

操控系統[J].計算機應用與軟件，2023，40（12）：

[8]韓佳彤，杜芳，甄必鑫，等.基于SpringBoot的分

布式市政運維分析平臺[J].內蒙古大學學報：自然科學版，

2022，53（3）：309-316.

[9]余鵬翔，石軍鋒.基于SpringBoot框架的群養(yǎng)母豬飼喂站管理系統設計與試驗[J].中國農機化學報，2023，44（3）：149-155+241

[10]徐小輝，劉江濤，高涵，等.基于SpringBoot+Vue框架的采氣方案系統開發(fā)[J].計算機仿真，2021，38（6）：

作者簡介：李響（2004—），男，漢族，黑龍江大慶人，本科在讀，研究方向：嵌入式應用開發(fā)；通信作者：范梅花（1981一），女，漢族，山東菏澤人，講師，碩士，研究方向：嵌入式應用開發(fā)。