一种远程电工电子在线实验系统平台

马超伟，王平安，张佳丽，王学力

（1.河南惠思通电子科技有限公司，河南 郑州 450001；
2.郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 451460）

随着物联网和电子技术的飞速发展，在线实验系统的应用对电子设备的教育和学习产生了重大影响。在常用的实验模式中，学生在常规实验室动手进行实验操作，期间可能会遇到设备故障、外界干扰或其他不确定因素的影响，造成实验结果数据的偏差。并且，由于实验室维护成本较高和学生使用时间受限等因素，无法与不断上升的工程实验教学需求相适应[1]。而仿真实验虽因其灵活方便在一定程度上满足了实验需求，但其因缺乏实验数据的准确性而备受诟病[2]。

因此，开发一套基于浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）架构的电工电子在线实验室系统是大势所趋。系统通过网络远程控制真实实验设备，远程测量实验设备信号数据，并通过网络反馈给用户，实现远距离做实验。

1.1 系统架构

电工电子在线实验室系统平台采用三级架构模式设计，拓扑结构如图1 所示，包含客户端、服务器端及实验端3 部分，其中前台为用户提供统一的图形界面，后台按实物平台和虚拟平台进行统一管理和数据传输与处理等功能，实验端为实验操作用户提供真实有效的实验数据，具有良好的可扩展性。

图1 电工电子在线实验室系统物理拓扑结构图

1.2 客户端

客户端分为2 个角色，分别为学生用户和教师用户，用户可以直接通过浏览器登录实验系统。学生角色具有用户注册、登录、浏览实验步骤、查看实验指导、远程操作实验、在线填写实验报告等功能，教师角色主要完成实现项目的发布、实验报告的批阅、成绩统计、学生信息统计等功能。

客户端页面使用HTML5、CSS3、Vue2.0 脚本语言进行开发，通过WebSocket 全双工通信协议和服务器端进行数据交互通信。页面采用虚拟仪器仪表、真实电路、真实数据反馈记录学生的实验过程，让用户在实验过程中身临其境。

1.3 服务器端

服务器端主要包括主服务器、Web 服务器、数据库服务器以及消息分发服务器等部分。

（1）主服务器。主要完成用户注册、实验交互数据转发等工作，是电工电子在线实验室系统的核心。主服务器主要运行基于Java EE 开发的后台接口服务器，为客户端前台页面提供业务逻辑数据处理和资源管理[3]，主要功能有实验课程的添加和修改管理，实验内容、实验报告、实验指导书的上传和修改管理，班级学生管理，学生用户批量导入导出功能、在线用户监控、实验室环境监控，系统参数配置管理等。

（2）Web 服务器。为通过浏览器登录的用户提供网页浏览、界面交互等功能，使用开源服务器Nginx 部署运行，主要功能有域名绑定、访问限制、流量限制、SSL 安全访问证书管理、重定向、反向代理设置以及防盗链的设置等[4]。

（3）数据库服务器。存储用户信息和实验数据记录等，使用MySQL 数据库，对实验过程中的用户数据进行动态存储、管理和维护[5]。

（4）消息分发服务器。为完成主服务器端程序和实验装置之间的数据通信交互，使用了基于发布/订阅模型的物联网通信协议MQTT。因为它轻量可靠、报文数量密集，能在低带宽、高延时的互联网上进行稳定数据传输[6]。消息分发服务器的主要功能有心跳机制、遗嘱消息、QoS 质量等级+离线消息、主题和安全管理功能等，将给整个实验过程的数据传输带来较为全面的应用特点。

1.4 实验端

实验端为用户的实验操作提供对应的真实实验数据，根据各个实验课程的不同，实验端所进行的数据采集方式也有所不同，主要有两种实现方式。

（1）数字电子电路。Quartus 是一种功能强大的EDA 软件，提供了完善的用户图形界面设计方式、逻辑电路的可视化设计以及向量波形的仿真等功能，可以使抽象的理论形象化和直观化，在数字电路的设计过程中有着广泛的应用[7]。因此，数字电路采用真实电路与虚拟仿真电路相结合的方法，远程数据采集需要控制端服务器安装Quartus 并运行相应的程序设计，远程服务器端传递过来的处理命令下载接收后按照对应指令采集实验设备数据并返回给主服务器程序。

（2）模拟电子电路。模拟电子电路由负责消息接收处理的主控板和进行数据采集工作的被测板组成。主控板接收到数据指令后与被测板进行通信，通过串口操控继电器控制被测板进行数据采集工作。主控板则通过网口与MQTT服务器获取连接，进行命令和数据的分发处理。

2.1 实验页面详情

目前系统已实现电工电子课程体系中的模拟电子电路、数字电子电路、电路原理、电工技术、电气控制技术五门实验课程。其中模拟电子电路为用户提供了单级放大电路、共射共集放大电路、差动放大电路、运放的线性应用、运放的非线性应用、OTL 功率放大电路、整流滤波稳压电源、正弦波发生器共8 门实验电路的训练。以单级放大电路为例介绍整个实验过程的数据交互以及操作流程问题。

用户通过点击相对应的实验项目进入实验详情页面。用户在进行远程实验之前可以先浏览实验描述和实验步骤，在对实验有了一定的了解认识之后方可进入远程实验进行实验操作。

进入实验页面，按照相应要求完成线路连接后，点击测试按钮即可发送数据采集请求。在此过程中，Web 端服务器首先对用户的连线请求进行判断，如有重大连线失误则直接返回并告知用户连线错误，避免因误操作造成对实际电路的损坏，如图2 所示。

图2 实验操作页面详情图

2.2 实验流程分析

连接正确后，Web 服务器将用户对应的电路发送给主服务器程序进行数据命令分析处理，主服务器将用户命令转换为机器指令后将其发送给MQTT 消息分发服务器，MQTT 服务器通过数据报文将命令发送给指定的硬件设备，硬件设备根据指令进行数据采集后再将结果返回给MQTT 消息分发服务器，MQTT 服务器再将实验结果数据按照原路径返回给实验操作用户。整个数据采集过程时长约为1～3 s，数据采集传递过程如图3 所示。

图3 通信流程图

2.3 实验结果分析

经比较，同样的电路在远程实验和真实实验室环境中用示波器观测的波形情况基本一致，符合教育教学要求。

防疫常态化形势下，电工电子远程在线实验室在教学工作中发挥着越来越重要的作用。虽然疫情是暂时的，但是在线开放课程的影响已经深深融入了教学中。使用互联网远程电子电气实验系统的优势是非常明显的，是未来教学发展的重要趋势，但对于学生而言，仍存在着亲身体验不足、操作感弱、意识需求增加等问题。因此，不能仅仅简单地以互联网上的远程实验代替传统实验，应当相互交替使用，实现优势互补。