[发明专利]基于物联网的开放实验教学平台

说明书

本发明公开基于物联网的开放实验教学平台，其特征在于，包括有线下实验环境、物联网平台、云服务器和实验终端；线下实验环境由多个部署在不同位置的实验对象实体的物理运行环境组成；物联网平台一方面使用标准的MQTT协议通过通信网关与线下实验环境中的代理控制节点保持通信，利用MQTT的发布‑订阅机制转发来自实验用户的操作命令并收集各个实验对象实体的实时状态；云服务器具体由实验管理服务器、虚拟硬件服务器和云数据库服务器三部分组成。该平台解决了现有远程实验教学系统在“虚实结合”、系统开放性和可扩展性上不能同时兼顾的问题。

技术领域

本发明属于物联网技术领域，具体涉及基于物联网的开放实验教学平 台。

背景技术

以远程在线和虚拟仿真的方式面向社会开放优质的实验教育资源，是我 国教育信息化的重要方向。随着5G、云计算、人工智能、物联网等新概念 的逐步落地，人民群众获取教育资源的方式和途径也在发生转变。在这种背 景下，如何利用信息技术充分发挥教育资源的基础性作用，拓展优质教育资 源覆盖的深度和广度，是我国教育信息化的一个重要方向。

传统的实验教学一般是以实体教学资源和封闭的管理制度为基础展开 的，在实验教学过程中学生和指导教师面对实体实验资源进行操作，包括准 备软硬件环境、连接设备、安全防护、操作实验步骤和分析实验结果等环节， 并在规定的时间和地点完成实验任务。这种模式的不足包括，实验环境的准 备、组织和维护工作量大，学生实验的时间和地点较为受限，校外人员较难 参与实验活动，实验室资源利用率较低。另外，随着MOOC(大规模在线开 放课程)教学模式的兴起，很多实验室开始基于互联网面向公众提供远程虚 拟仿真服务。然而，基于模型的软件仿真有时并不能完全替代实体对象在实 验中的作用，比如器件的非理想性、延迟特性等。有的高校基于校园网和校 内的基础设施构建了远程实验系统。这类系统主要针对在校师生的实验教学 需求，提供实验资源的在线预约和远程控制服务，有效提高了实验室的资源 利用率和服务质量。考虑到校园内的网络安全、场地使用和管理制度等因素， 基于校园网的远程实验系统的建设周期一般较长，运行和维护的成本较高， 同时也难以面向全社会开放。此外，已有的系统多基于服务器和客户端模式， 并采用自建服务和私有通信接口构建远程实验教学信息系统。这种较为封闭 的系统架构不利于接入更多类型的远程实验设备，系统可扩展性不足。

由此可见，已有各种远程实验教学系统未能有效解决工科专业实验教学 中虚、实相结合问题，也未能在教学信息处理的过程中保持足够开放性和扩 展性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于物联网的开放实验教学平台，解决了现有 远程实验教学系统在“虚实结合”、系统开放性和可扩展性上不能同时兼顾 的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于物联网的开放实验教学平台，其特征 在于，包括有线下实验环境、物联网平台、云服务器和实验终端；

线下实验环境由多个部署在不同位置的实验对象实体的物理运行环境 组成，包括有若干组实验对象实体，每个实验对象实体均依次连接有代理控 制节点及通信网关；每个实验对象实体和其对应的虚拟实验对象之间在操作 和状态的同步是通过与之相连的代理控制节点实现的；代理控制节点通过有 线或无线方式与通信网关设备相连接，用于与物联网平台通信获得实验用户 下发的操作命令并上报实验对象实体的状态信息；

物联网平台一方面使用标准的MQTT协议通过通信网关与线下实验环 境中的代理控制节点保持通信，利用MQTT的发布-订阅机制转发来自实验 用户的操作命令并收集各个实验对象实体的实时状态；另一方面，使用标准 的AMQP协议对云服务器中的虚拟硬件服务器提供面向服务端的发布和订 阅接口，用于接收实验用户的操作并转发实验对象实体上报的状态信息；

云服务器具体由实验管理服务器、虚拟硬件服务器和云数据库服务器三 部分组成；