（控制理论与控制工程专业论文）电工电子网络实验室服务端设计.pdf

丫浙江大学硕1 毕业论文 摘要 浙江大学电工电子网络实验室( n e t l a b ) 是基于i n t e r a c t 的远程实验室。 实验室采用客户端- - n 务器一控制端( c s c ) 体系结构和浏览器一服务器一控制 端( b s c ) 体系结构，由用户、服务和实验三部分组成，整个平台具有良好的可 扩展性和安全性，允许多用户、多实验同时进行。目前网络实验室提供了5 大类 1 8 组6 0 多个电气工程学科相关实验，所有实验都基于真实物理设备。该平台力 求提供与在本地进行实验相同的效果，在国内外较具开放性和先进性。服务端软 硬件设计作为网络实验室的核心，是整个系统开发的关键。 本文共分为六章，第一章介绍了网络实验室的开发背景，对国内外远程实 验室的研究状况作了回顾。第二章简介了网络实验室，进行了服务端的软硬件需 求分析。第三章说明了服务端软硬件的具体设计和实现。第四章讨论了网络实验 室服务端的设计难点和关键技术，共包含以下方面：网络通讯的具体实现、多线 程技术的应用、数据库的设计与实现、服务端安全与系统安全。第五章对服务端 的改进作了探索，并展望了今后开发的方向。第六章进行了总结。 关键字：远程实验室，i n t e m e t ，网络通讯，多线程，数据库，系统安全 a b s t r a c t n e t l a bi sar e m o t el a b o r a t o r yb a s e do ni n t e r n e t i ti n c l u d e st h r e ep a r t s ：u s e r , s e r v e r , a n de x p e r i m e n t i ta d o p t sc l i e n t s e r v e r - c o n t r o l l e r ( c s c ) a r c h i t e c t u r ea n d b r o w s e r s e r v e r - c o n t r o l l e r ( b s c ) a r c h i t e c t u r e m u l t i u s e rc a nd oe x p e r i m e n t sa tt h e s a m et i m ev i an e t l a b i ti sf l e x i b l ea n dr o b u s t n e t l a bp r o v i d e sm o r et h a n5 c l a s s e s ，18g r o u p sw i t ho v e r6 0e x p e r i m e n t sf o re e s t u d e n t s a l lt h e s ee x p e r i m e n t s a r eb a s e do np h y s i c a l e q u i p m e n t s n e t l a bt r i e st o s i m u l a t et h et r a d i t i o n a l l a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t t l l i st h e s i ss u m m a r i z e st h es e r v e rs o f th a r d w a r ed e s i g no f n e t l a b i ti st h ek e ye l e m e n to f t h ee n t i r es y s t e md e v e l o p m e n t t 1 1 i st h e s i si sd i v i d e di n t os i xp a r t s c h a p t e r1i n t r o d u c e st h er e m o t el a b o r a t o r y d e v e l o p m e n ta b r o a da n dt h eb a c k g r o u n d o ft h en e t l a b c h a p t e r2b r i e f l y i n t r o d u c e st h en e t l a ba n dm a k e st h es o rh a r d w a r er e q t t i r e m e n t sa n a l y s i so ft h e s e r v e r c h a p t e r3e x p l a i n st h es o f th a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h e s e r v e r c h a p t e r4d e t a i l sf o u rk e yq u e s t i o n s ：t h ec o m m u n i c a t i o ni m p l e m e n t a t i o n ，t h e u s eo f m u l t i t h r e a d ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f d a t a b a s e ，t h es g a v e rs e c u r i t ya n d s y s t e ms e c u r i t y c h a p t e r5d i s c u s s e ss o m ei m p r o v e m e n t so ft h es e r v e rd e s i g na n d p r e s e n t ss o m es u g g e s t i o n sf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n t c h a p t e r6g i v e st h ec o n c l u s i o n s k e yw o r d s ：r e m o t el a b o r a t o r y , i n t e r n e t ，n e tc o m m u n i c a t i o n ，m u l t i t h r e a d ， d a t a b a s e ，s y s t e ms e c u r i t y 1 丫浙江大学硕士毕业论文 1 1 引言 第一章概述 在工科教学中，实验教学是必不可少的组成部分，可以最为有效地提高学 生的创造性和实践能力。同时，在科学研究中，所有新思路和新想法，都要经过 实践的检验，才能成为理论。可以说，如果没有实验的支持，工科领域的科研和 教学就无法进行。 实验系统是一个资源高度密集的系统，受到设备资金的投入、管理和维护 人力成本投入、教学需求教师资源投入等方面的限制。 随着高等教育的不断普及，学生规模不断地扩大，实验系统短缺的状况日 益加剧。工科教学科研很大程度上是为生产服务，随着生产科技的发展，对实验 教学设备提出了更高的要求，符合条件的系统变得更加昂贵和稀缺。同时，现代 继续教育和远程教育等多种教育模式不断推出，教学的远程化、教学之间交互的 同步与异步方式的并存，对实验教学提出了更高的要求，要求实验教学可以在任 意地点、任意时间完成。这些与通常教学模式不同的特征，使以往的实验模式无 法满足要求，必须寻求新的解决方案。 因此，从2 0 世纪9 0 年代以来，国内外学者对远程实验教学进行了广泛的 研究与探索，网络实验室就是在这种状况下应运而生。 远程实验室及远程实验技术是近年来信息技术迅速发展的产物。远程实验 室综合使用虚拟仪器、虚拟现实、数据库、网络和计算机实时控制等多种技术， 为实验者营造虚拟的实验环境。实验者的指令通过网络发送给实际的设备或者仿 真对象，实验的结果以图表、示意图、动画等形式反馈给用户，以达到与在普通 实验室中实验相同的效果。学生可以在计算机终端自助浏览、学习有关实验内容 并进行实验。通过远程实验系统可以解除传统实验所无法克服的场地和时间的限 制，同时大大地提高设备的利用率，有效地降低实验成本，在相同经费的情况下， 提供更加丰富的实验内容和更加先进的实验设施。 远程实验室一般可以分为三种类型： 1 、提供用户浏览、检索的功能，用户可以自行查找需要的内容，从严格意义 第1 页 丫浙江大学硕，毕业论文 上说，它不是一个实验系统。 2 、提供仿真训练功能，如电路的仿真、控制的仿真、训练环境的仿真等等， 是一个完全虚拟的实验系统。 3 、提供访问远程真实设备，进行实验。 前两种远程实验室，没有绝对的必要进行远程访问。所以在实现的形式上， 通常有单机或者网络两种方式，但是仿真的实验无法替代真实的实验，现代工业 中的系统越来越复杂，仿真无法模拟出整个过程的真实情况；其次，学生只有通 过实际的系统才能建立信心。第三种方式是目前研究最多的远程实验室形式，它 可以提供真实的实验数据，提供一个几乎真实的实验环境，几乎可以完全替代传 统的实验系统。在这种模式中，远程实验室必须通过网络等途径访问和控制远程 的设备。远程实验室涉及的领域通常以电子类实验和控制类实验为主。电子类最 为典型的是晶体管特性测试，控制类最为典型的是机器人实验。 本文主要讨论第三种模式下的实验室的服务端软硬件设计和实现。 1 2 国内外研究状况 远程实验室的研究是随着个人微机和网络的发展而随之出现并发展的。远 程实验室的最初概念在2 0 世纪9 0 年代初提出，到2 0 世纪末2 1 世纪初，国内外 开始大量出现远程实验系统的研究和介绍。 远程实验室最初概念以及它的发展在文 1 卜 3 中得到了阐述，远程实验室 的发展是一个从控制虚拟设备到控制物理设备的过程。 目前多数的远程实验室按照图卜1 所示的架构，客户端通常基于w e b ，通过 w e b 服务器自动下载客户端软件，然后客户端程序与真正的服务器建立通讯，进 行实验。整个系统由客户端、服务端和控制端( 实验设备) 组成，本文主要研究 服务端，故按照服务端的不同来划分各类虚拟实验室。 客户墙服务端 控制端 图卜1 ：远程实验室典型结构图 第2 页 1 节浙江大学硕上毕业论文 按照服务端的不同，远程实验室大致可以分为以下3 类： 1 基于l a b v i e w 构造的虚拟实验室。 2 基于m a t l a b 的s i m u li n k ，r t w 等工具构造的虚拟实验室。 3 自行进行软硬件设计实现。 由于l a b v i e w 软件提供了便利的设备访问能力和强大的实时控制能力，尤 其是对虚拟仪器技术的强大支持，使得仅仅使用l a b v i e w 就可以构建一个完整的 虚拟实验室，其组件提供的界面不仅功能强大，而且外观与真实仪器仪表近乎一 样，不但可以进行实验，而且可以作为训练学生掌握仪器仪表的辅助工具，因而 成为虚拟实验室中设备访问的首选标准。 m a t l a b 软件由于强大的仿真和计算能力，一直是控制领域最为重要的工具， 自然也被广泛地用于虚拟实验室的开发，尤其是对于控制类实验的开发。 但是，为数更多的系统采用开发者自行设计并实现的控制系统。自行开发 可以最大程度地适应设备的性能，但是在实现与前两种方式相同的功能时，难度 也是最大的。常见的做法是使用c c + + 开发具体的控制程序，通过c g i 或者s o c k e t 直接与客户端程序进行交互。 远程实验室在功能上正快速地向传统实验室逼近，目前的远程实验室通常 有着以下的一些特点： 1 大多数远程实验室客户端基于w e b 浏览器实现，其原因是很多人认为安 装客户端程序通常会引起兼容性问题，同时程序的安装也会吓跑很大一 部分潜在的用户；此外，w e b 浏览器的平台无关性使得系统不必为多个 操作系统开发客户端。 2 大多数远程实验室配置了不止一种的信息获取方式，最常见的是实验室 数据+ 实验室现场视频，这是为了使实验者尽量获得逼真的实验感受，为 了进一步提升效果。部分实验室使用虚拟现实软件模拟真实的实验环境， 如a u t h o r w a r e 和v r m i 。 3 实验者对实验的掌握程度也越来越逼近真实的传统实验，如通过g p i b 总 线，用户可以操纵仪表的所有功能。控制类实验中，用户也可以将自己 的算法加入控制系统中，进行实际的控制，不再仅仅是参数的修改。在 单片机实验室中，实验者已经可以对自己的程序进行在线的调试。 第3 页 1 节浙江大学硕七毕业论文 4 拥有一定的安全措施，通常会对用户口令进行校验，某些控制实验已经 具有对具体控制算法及控制参数进行校验的功能。整个系统的安全由于 整体结构的成熟，不再是一个十分突出的问题。 5 对传统实验教学中的各种手段，在远程实验室中也都有了相应的实现， 如实验者与教师之间的交流、实验报告、实验演示与实验旁观，都有了 实现的范例。 6 简单的实验管理也开始被实现，对多用户的支持也在不断的改进中。 但是当前的远程实验室还是存在着很大的缺陷：大多数大型的远程实验室都 是基于仿真实现，上面提到的基于实际系统的远程实验大多是基于单个对象，最 多是一类对象，没有一个全面系统的实现；由于设计时就是面向单个实验，所以 其管理系统也是单一的，实验系统仅仅是多个实验的简单加成，缺少综合实验管 理系统，用户实验时面对的是一个个分散的实验，而不是一个统一的实验室，使 用复杂；开发者要重复地开发单个实验，面对的是繁重的学习任务。为此开发一 个综合的远程实验系统有着重要的意义。 1 3 课题背景及本文研究内容 电工电子网络实验室是由浙江大学9 8 5 振兴计划进行投资，自主研发兴建 的综合性远程实验室，以研制适合理工科电工电子类实验教学的远程实验室为目 标。自策划至今，每年平均2 0 位师生为其努力，历时近7 年。目前网络实验室 已经初具规模，主要包括5 大类，1 8 组，6 0 多个实验。这5 大类分别为控制类 实验，电路类实验，电力电子类实验，电机控制类实验，以及嵌入式技术类实验。 所有实验都基于真实物理对象，涵盖大部分电气工程本科生和部分研究生教学研 究的相关课题。整个系统采用c s c 和b s c 两重架构，由客户端、服务端和控制端 三部分组成，允许多用户、多实验同时进行，整个平台具有良好的可扩展性和安 全性。 本论文就电工电子网络实验室服务端的软硬件设计与实现以及相关问题的 研究进行了论述。 第一部分介绍了网络实验室的开发背景，对国内外远程实验室的研究状况 作了回顾。 第4 页 = 亨浙江大学硕士毕业论文 第二部分总体介绍网络实验室，重点进行了服务端的需求分析。 第三部分详细说明了网络实验室服务端的硬件拓朴关系与硬件系统的搭建 与实现，以及服务端软件体系结构的设计与具体实现。 第四部分是服务端的关键技术讨论，包含四个要点：网络通讯的具体实现， 多线程与线程池技术，数据库技术和设计，服务端安全与系统安全。介绍这四个 关键技术的由来和重要性，以及网络实验室的解决方案。 第五部分介绍了为课题继续开发所做的一些探索性工作和建议。首先就网 络通讯技术的改进做了建议，然后介绍了基于w e b 的服务端架构改进方案和基于 j 2 e e 技术的服务端架构改进方案，并给出方案选择和开发建议，最后对i p v 6 技 术做了介绍，并建议在网络实验室进行基于i p v 6 的研究和应用。 论文最后作了总结，并描述了网络实验室服务端进一步开发的前景。 第5 页 1 甲浙江大学硕士毕业论文 第二章实验室总体介绍和服务端需求分析 电工电子网络实验室的功能要求是使用者无论何时何地，只要他的计算机软 硬件符合要求、能通过i n t e r n e t 连入实验室服务器、同时拥有实验室的使用权 限，即可安全、稳定、正常地进行实验，达到在多用户和多实验的环境下充分利 用资源的目的。 2 1 电工电子网络实验室总体介绍 浙江大学电工电子网络实验室主要包括控制、电路、电机、应用电子及嵌 入式技术这5 大类1 8 组共6 0 多个实验，都基于真实物理对象，目前还在继续开 发扩充。 控制类实验指控制具体对象的实验和考查控制理论基础知识的实验，目前 共有8 组，包括倒立摆实验、吹摆实验、随动系统和步进马达实验、控制理论实 验( 包括典型环节时域响应实验和典型环节频域响应实验) 、电梯控制实验、液位 实验等。电路类实验主要是考察基础电路知识的实验，包括模电实验和数电实验。 电力电子类实验为重点考察整流逆变等电力电子电路及器件性能的实验，目前包 括整流逆变实验和零电压转移实验。电机类实验以考察电机特性为主要目标。嵌 入式技术类研究单片机与嵌入式硬件的远程控制。这五类实验中以控制类实验内 容最为丰富。图2 - 1 是电工电子网络实验室控制端实验设备的一部分。 图2 - 1 电工电子网络实验室部分设备 图2 2 液位实验控制端 系统在客户端模拟真实的实验环境，实验结果除了返回数据所生成的曲线图 表，还使用了现场视频，可以使实验者获得真实的实验感受。在控制类实验中， 用户可以将自己的算法上传到实验端进行实验的控制，验证它的可行性和可靠 第6 页 丫浙江大学硕士毕业论文 性。实验室安全性也随着整体结构的成熟，得到了较好的解决。下面简述的液位 实验是网络实验室具体实现的一个直观例子。 图2 2 所示的液位实验通过系统所带的p i d 算法或用户自行编写的控制算法 控制液位高度，这是一个非线性系统。该实验装置共有三个水箱，左右两个水箱 分别连接着水泵和电磁阀，用户使用客户端软件选择控制某个水箱的液位高度。 通过软件自带的p i d 算法或用户自定义的算法给电磁阀发送控制信号，控制进水 量，从而使目标水箱达到要求水位。 网络实验室的实验界面见图2 - 3 ，主要包括四个部分：操作按钮、实验状态 列表、视频窗口和实验窗口。操作按钮完成用户登陆、注销、申请实验、开始实 验、停止实验、用户管理等常用的系统操作。从实验状态列表中，用户可以了解 所有实验的当前状态，这些状态包括可用、排队、锁定、离线等，用户通过此列 表可以选择实验，之后该实验的界面将反映在右边的实验窗口中。实验窗口是用 户进行实验的主要环境，所有与当前实验相关的设置和操作均在此窗口中完成， 该窗口的内容将随用户选择的实验不同而不同。在界面的左下角还包含了一个视 频窗口，可以实时地向用户提供当前实验的视频。图2 3 显示用户正在进行倒立 摆的控制实验，从左下的视频窗口可以监控实验设备的现场运行情况。 图2 - 3 客户端实验界面 第7 页 1 丫浙江大学硕1 一毕业论文 2 2 软件需求分析和结论 本节介绍网络实验室主要功能的内部实现，同时由于大部分是关于同步实 验或者异步实验，所以主要介绍在真实情况下的各类操作，以及典型的同步实验 流程和典型的异步实验流程。然后进行软件需求分析，提出设计方案。 2 2 1 用户登录注销操作流程 登录 登录操作通过两个命令完成，即登录命令和用户查询命令。登录命令用于 登录服务器，创建用户线程；查询命令用于查询用户权限，合理设置限制值。登 录命令拥有一个模式参数，用于指定登录模式，强制模式允许用户剔除用相同名 字登录的用户。 用户注销 用户注销发生在程序退出或者通过菜单进行注销操作时，发送注销命令后， 通讯线程受到服务器反馈，则直接关闭s o c k e t ，主线程等待3 秒后，检查s o c k e t 状态，或s o c k e t 未关闭，则直接关闭s o c k e t 。 服务器受到注销命令，则立即进行用户注销处理，如实验中止、线程中止、 关闭s o c k e t 等。若服务器未收到注销命令，但检测到s o c k e t 连接已经被断开， 同样执行注销操作。若未收到注销命令，也未及时发现s o c k e t 被断开，则用户 下次登录时，可能提示重复登录，这时只需选择强制模式即可。 2 2 2 真实环境下的同步实验流程 同步实验指在客户端和控制端之间建立虚链路连接，客户端可与控制端直 接交互。同步实验允许用户与实验设备直接的实时交互，可以获得最佳的实验感 受，但是不利于实验设备利用率的提高。用户可以直接排队等待实验安排或者通 过预约系统，预约具体实验时间。同步实验简化后的流程如图2 - 4 所示： 第b 页 1 l r 浙江大学硕| = 毕业论文 图2 - 4 同步实验流程 步骤1 ：用户通过客户端软件完成实验设计；在服务器上登记实验，服务 器把实验请求放入队列中。 步骤2 ：当轮到该用户时，服务器通知用户就绪，当用户在指定时问内启动 实验，服务器即建立该实验控制机与客户端的双向自动转发通道( 即实验虚链 路) 。 步骤3 ：客户端可以自由地给控制机发送实验命令，控制机也可实时地响应 命令，返回实验数据。 步骤4 ：当用户主动向服务器发出停止实验的指令或者达到最长试验时间 时，实验结束。然后服务器自动启动队列中的下一个实验。 同步实验功能具体包括实验注册、实验启动、实验停止、实验注销和实验 预定。 同步实验注册 相当于步骤1 ，实验注册只能对在线实验执行，每个用户同时最多只能注册 一个试验。注册操作中，在向服务器发送注册命令前，先进行一系列本地的检查 工作，从而尽可能地提高在服务器上注册的成功率，减少网络通讯。服务器收到 注册命令后，首先进行与本地检查类似的检查，检查通过则将该用户添加到实验 队列，返回注册成功信息。 同步实验启动 相当于步骤2 ，只有当设备就绪时，实验启动才可以成功，换言之，只有当 客户端收到服务器启动通知后，才可以进行实验启动操作。实验启动主要由三部 分组成，先本地状态检查，以提高服务器启动实验的成功率；然后发送启动命令， 服务器首先进行与本地检查类似的检查，然后察看实验状态，当实验处于就绪状 态时，服务器建立虚链路，返回实验启动成功；最后，是实验对象启动。 同步实验停止 第9 页 1 甲浙江大学硕l 毕业论文 当用户主动停止正在进行的实验、出现异常情况或者用户实验超时的时候， 服务器停止实验，同时通知客户端实验已停止。实验停止操作与实验启动操作刚 好相反，首先是调用实验对象停止实验，实验对象正常停止后，往服务器发送实 验停止命令，服务器接收到停止命令后，仅检查实验是否在线，如在线则始终返 回成功。 同步实验注销 注销实验后，用户即可重新注册实验。步骤4 相当于实验停止和实验注销 两项操作。实验注销操作通过向服务器发送注销命令完成，服务器收到注销命令， 检查通过后，返回实验注销成功的消息，同时向控制端发送实验初始化命令，准 备下一轮实验。 同步实验预订 用户可以通过实验预订系统预订当日第二天起一周内的实验。对于每个实 验，每个用户只能拥有一个预定项，即对于同一实验，不允许用户预定两个以上 时间。为了便于用户使用，允许用户预定的实验在对话框中列出，用户直接选择 即可。同时兼顾排队用户的公平性，每半个小时最多安排一个预定实验。 一个典型的实验预订共包含四次与服务器交互。第1 次查询用户已预订的 实验列表，避免用户重复预定：第2 次查询可以预订的实验列表，供用户选择； 第3 次预订实验；第4 次更新用户己预订实验列表，确认预定成功。 2 2 3 真实环境下的异步实验流程 异步实验指客户端和控制端之间没有虚链路连接，用户不能预约实验，只能 一次性设计完成整个实验后，提交给服务器，由服务器在实验设备空闲时安排实 验进行。该方式可获得最大的设备利用率，同时大大降低对网络的依赖性，用户 可以在任何时候提交异步实验设计。异步实验简化后的流程如图2 5 所示： 图2 - 5 异步实验流程 第1 0 页 1 节浙江大学硕士毕业论文 步骤l ：客户端在本地完成整个实验设计后，所有实验参数作为一个数据包 发送给服务器。 一 一 步骤2 ：服务器在设备空闲时，将数据包发给控制机，控制机按照实验参数， 自动进行实验。 步骤3 ：实验完成后，控制机将实验数据返回给服务器。 步骤4 ：服务器收到实验数据后，当检测到该实验用户在线时，将数据返回 给该用户；如果该用户不在线，则用e m a i l 方式将数据发送到用户的电子邮箱。 用户接收到实验数据后，通过客户端软件察看和分析结果。 发送异步实验设计 发送异步实验设计即上文中的步骤1 ，将用户的实验设计打成协议包，发送 到服务端。异步实验发送流程首先调用对象异步发送命令s e n d a s y n c e x p e r i m e n t ， 获得异步实验设计数据包，以通用网络实验室命令包的格式给出，然后给命令包 头部添加包头，包头由4 条命令组成：用户名、实验时间、实验号和子实验号。 最后将数据包发送至服务器，不等待任何返回值。 异步实验结果返回操作流程 异步实验返回操作即上文中的步骤4 ，协议包接收到以后的处理流程会被两 处调用：a 、主动下载；b 、服务器主动发送实验数据。对于a ，由于可能一次性 下载多个实验结果，所以不能弹出选择对话框；对于b ，为了提醒用户，必须有 提示对话框出现。在弹出的选择对话框中，有三个选择，即立即显示、稍后显示 和放弃。对于前二者，先保存数据包，即将数据包添加到对应实验对象的异步实 验结果列表中，同时更新树状列表，添加实验结果项。如果需要立即显示实验结 果，则切换到该实验窗口显示具体实验数据。 管理和查询系统 客户端集成了简单的实验管理系统，包括对用户的管理和异步实验的管理。 在用户管理器中，用户可以依据权限进行查询、创建、修改、删除等各种用户操 作。实验管理包括了对实验设计和实验结果的管理。用户可以查询、下载和删除 实验纪录。管理系统提供了强大的查询功能。用户既可以简单地设置查询条件， 也可以自行编辑标准的s q l 语言，满足各种层次、各种要求的查询。 网络实验室客户端中共有三处使用了类似的查询系统：异步实验结果查询， 第l i 页 1 甲浙江大学硕上毕业论文 异步实验设计查询和用户查询。其中异步实验结果查询最为复杂，以下就以它为 例进行说明，查询界面如图2 - 6 所示。 图2 - 6 异步实验结果查询界面 普通查询模式：用户通过界面设置，简单的窗口操作进行查询。用户需要 设置查询属性、关系和值，其中属性可以是实验属性，也可以是相关的用户属性。 实验属性包括：实验号、子实验号、实验设计提交时间、实验完成时间。用户属 性包括：用户名、用户的管理权限、用户所在部门、用户e m a i l 等。查询关系指 各种操作符，包括： 、 = 、( = 、! _ 、= 、b e t w e e n 和l i k e 。例如当属性选 择用户名，查询关系为= ，值为v a x 时，表示查询用户名为v a x 的所有异步实验 结果。不同的查询条件用a n d 相联接，用0 r 进行分组，即：( ( 条件1 ) a n d ( 条件 2 ) a n d ( ) ) 0 r ( ( 条件2 1 ) a n d ( 条件2 2 ) a n d ( ) ) o r ( ) ，理论上可以表示任 意一种逻辑关系。但是在实际使用中，硬性的格式规定还是会带来使用的不便， 此时可以使用高级模式规避该问题。 高级查询模式：用户直接输入标准的s q l 语句，这里提供从普通模式到高 级模式的语句翻译功能，当用户从普通模式切换到高级模式时，自动将当前编辑 第1 2 页 1 r 浙江大学硕士毕业论文 好的普通模式查询语句翻译为s q l 语句。 查询流程：首先设置查询条件，对于普通模式，客户瑞将其转化为s q l 语 句，对于高级模式，直接获取用户编辑的字符串即可；然后将s q l 语句打包发送 到服务器；服务器对查询语句附加限制条件，如用户名必须和当前登陆用户相同 等等，随后进行查询操作；最后服务端将查询结果和数据库操作错误信息一起返 回给客户端，客户端解析后得到查询结果。 2 2 4 模块管理操作流程 模块添加： 模块添加流程中，首先检查状态，如果正在实验中，则不允许模块添加；然 后，调用一系列a p i 函数，动态导入d l l ，生成实验模块对象，更新树状列表， 保存列表，完成添加过程。 模块删除： 模块删除流程中，首先检查实验状态，如未进行实验，同时也未注册实验， 则检查通过；然后检查用户是否选择具体实验模块，检查通过后，开始删除，首 先窗口切换到显示欢迎界面，所有的实验菜单，实验工具条都被销毁，然后销毁 实验对象，释放d l l ，从列表中移除该模块，保存新的实验模块列表至数据库， 完成删除。 2 2 5 软件需求分析结论 网络实验室整体结构清楚，采用面向对象设计，系统具有很高的重用性和 开放性。实验按照两层结构配置，实验模块一具体实验，每个实验模块都是一个 独立的项目，可以被单独开发、安装和卸载，所以实验规模可以随着今后的开发 不断地被扩大。实验内容与实验系统相脱离，实验模块仅需要负责具体实验的内 容，所有公共的东西都被置于实验框架之中，各个实验模块不必重复开发那些公 共的元素，设计上达到了高度重用。上面所述网络实验室流程、功能的设计和实 现是多位同学共同合作的成果，主要是由林群同学完成的，在这里参考了他的研 究资料 5 8 】来进行了服务端软件需求分析，谨在此表示诚挚的谢意。 第1 3 页 1 节浙江大学硕t 毕业论文 要满足实验流程和功能的要求，在只有单一实验的情况下，采用简单的c s 模式是可行的，用户为c l i e n t ，实验为s e r v e r 。但是当有大量实验时如果都 单独作为s e r v e r ，由于用户选择进行实验的随机性，任何一个实验都有可能在 某一时刻拥有大量用户，这样每个实验都必须配置满足服务器要求的、足以承载 大量用户登录和操作并正常控制实验设备的软硬件资源，会造成很大的冗余浪 费。只有使用c s c 和b s c 类型的三层体系结构，才能达到资源的充分利用。 c s c 结构采用客户端应用程序的方式直接与服务器建立t c p i p 连接，进行 实验。b s c 结构则在客户端使用浏览器连接服务端的网页服务器，进入实验页面 后下载a p p l e t 模块，a p p l e t 在客户端浏览器中运行后，用户通过a p p l e t 与服 务器交互，进行实验。b s c 的优点是客户端具有平台无关性，不必为不同操作系 统开发多个客户端，也免除了客户端升级的麻烦，缺点是程序的载入和运行速度 相对较慢。在这两种结构中，服务端都是核心，负责用户管理、实验管理、客户 端和控制端的通讯转接、各类数据在数据库的操作和存储等，同时还起着网络防 火墙的作用。 用户登录系统后进行实验的方式根据不同的实验有所不同，具体分为同步和 异步两种，服务端必须具备应用服务器对这两种方式做出相应的处理。c s c 模式 的客户端软件下载，b s c 模式的实验操作，都需要服务端提供网页( w e b ) 服务， 应设立合适的w e b 站点。服务器系统应该能够进行用户管理和数据管理，以保证 实用性和安全性，这就需要使用数据库。同时为了增强使用者对实验设备运行情 况的观察，还需配置视频服务。 第j 4 页 1 甲浙江大学硕士毕业论文 2 3 硬件需求分析和选择 硬件需求主要包括内存需求、计算需求、存储需求、网络需求和视频需求。 2 3 i 内存需求 服务端内存需求取决于服务端操作系统运行需要的内存和网络实验室服务 器程序运行需要的内存。根据操作系统使用的经验，无论w i n d o w s ，u n i x ，还是 l i n u x 系统，系统本身运行所需的网络服务、图形界面以及各类缓存综合起来， 内存大于2 5 6 m b 即可高效运行，这里定为5 1 2 m b 。为了达到实验资源的充分利用， 最佳状态是任何时间所有设备都在运转中。这样需要每个实验对象都有1 个正在 进行实验的用户和1 个在实验等待队列中的用户与2 个在准备实验过程的用户， 这样应有4 倍于实验个数的用户在服务端活动。考虑到实验进行中的网络连接和 大数据量传递，每个实验对象平均分配l o m b 内存，每个用户对象平均分配5 m b 内存，如果实验个数为5 0 ，则需要内存5 4 x 5 0 + 1 0 5 0 - - - - 1 5 0 0 m b ，以上两项相 加为2 g b 。同时实验扩展采用冗余1 0 0 ，也就是最大实验个数定为i 0 0 ，则需 要4 g b 的内存。考虑进一步扩展能力，需要系统能加装超过4 g 内存。 2 3 2 计算需求 多线程编程方式可以充分利用c p u 运算资源，因此把每个实验对象和用户对 象都作为一个线程，以最大实验个数1 0 0 来计算，就有总计超过5 0 0 个线程在同 时运行，考虑到数据流动和操作，这些线程需要大量的计算资源。这里可采用对 称多处理器结构，配备高主频和大缓存的服务器级c p u 来满足要求。 2 3 3 存储需求 全天候不间断运行需要磁盘有良好的性能和容错技术，应使用高速s c s i 磁 盘阵列，同时具备硬件r a i d 功能，除去操作系统等占用，应在允许范围内采用 尽可能大的容量。 第1 5 页 1 丫浙江大学硕t 毕业论文 2 3 4 网络需求 服务端需要采用真实i p ，同时为了性能，实验控制机应在局域网内跟服务 端相连，因为有视频流，需要大的带宽，所以应采用最小l o o m b p s 、最佳1 g b p s 带宽的网络设备。 2 3 5 视频需求 网络实验室致力于提供一个真实的实验环境，弥补远程实验的缺陷。为了 能够让用户得到真实的实验体验，对实验的运行过程有充分的临场感，需要为实 验室配备网络视频系统。视频提供给实验者的直观感受是任何动画所无法比拟 的，可以给实验者最真实的感受，尤其对于存在运动的控制实验。对于不同的实 验，由于实时性要求不同，可以采用不同的硬件实现网络视频功能。 第1 6 页 1 r 浙江大学硕士毕业论文 第三章服务端的软硬件具体实现 3 1 服务端的硬件实现 实验室的硬件结构如图3 一l 所示。应用服务器和数据库服务器用u p s 电源供 电，通过百兆交换机为节点与视频服务器、控制端的各实验系统连接在一起，处 于同一高速局域网内，同时交换机上连高速路由器，再接入浙大校园网，然后连 接到i n t e r n e t 网络。 图3 - 1电工电子网络实验室硬件结构图 3 1 1 服务器硬件配置 根据需求分析，综合考虑性价比，应用服务器( 运行应用服务软件和h t t p 服务软件) 使用d e l l 的p o w e r e d g e “6 6 0 0 企业服务器，带2 颗服务器专用的i n t e l x e o nc p u ( 主频2 g h z ，每颗带2 m b 全速缓存) ，对称多处理器结构，最多可扩充 到4 颗；配置4 g b 的e c c 服务器专用内存，最大可到1 6 g b ；采用硬件r a i d 5 数 据冗余方式的s c s i 磁盘阵列，包括6 个7 3 g b 的1 0 0 0 0 r p m 高速s c s i 磁盘，还可 通过内置和外接方式支持超过1 t b 的扩充，支持热插拔。主板自带2 个i g b p s 的 网络接口，提供充分的带宽。数据库服务器选择i b m 的x 2 2 5 型p c 服务器。 第1 7 页 1 节浙江大学硕士毕业论文 3 1 2 电源设备配置 系统采用山特牌u p s 电源( 容量为2 0 0 0 瓦小时) 为上述服务器供电，可 有效过滤电源不稳如瞬时断电引起的系统重启问题，也能保证环境断电时系统有 时间保存重要数据后再关机，降低服务器的故障率和数据的安全性。 3 1 3 网络设备配置 路由器和交换机的带宽都选用l o o m b p s ，以满足传输时的大带宽要求。实际 使用d - l i n k 与c i s c o 的l o l o o m b p s 自适应网络路由器和交换机，性能上能够满 足系统要求。 3 1 4 视频设备配置 为了适应不同实验要求下的最佳性价比和研究学习的目的，网络实验室对 多种视频实现方案都进行了开发尝试。所有这些视频服务都内嵌在网络实验室客 户端框架中，用户可以自行决定是否启用，从而合理利用网络带宽。 一、从开发的难度、时间以及部分实验的要求考虑，使用c c d 摄像机采集 视频，选购商业化的嵌入式视频服务器构建系统。网络实验室控制端的主要任务 是完成对物理设备的控制，而非视频采集与编码。当控制端的应用程序较复杂， 或对实时性要求较高( 如倒立摆实验) 时，基于p c 的视频采集显然无法满足实 际的需要，这时采用专用的嵌入式视频处理系统就显得非常必要。所谓嵌入式系 统，是一种以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统 对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。我们选用荷兰 的a x i s 2 4 0 0 ( 四通道m p e g i 格式) 嵌入式视频服务器提供独立的视频服务， a x i s 一2 4 0 0 上电后即可稳定工作，可以完全不用编程。用户可通过用网页直接连 接到该服务器，查看视频，也可以在指定的网站或者客户端程序中利用a x i s 一2 4 0 0 提供的a c t i v e x 对象嵌入的视频服务来观察实验运行。下图3 - 2 是该系统在网络 倒立摆实验应用的实物图，摄像头边的黑色盒子即a x i s 2 4 0 0 硬件。 第1 8 丽 1 甲浙江大学硕士毕业论文 图3 - 2a x i s 2 4 0 0 嵌入式视频服务系统应用的实物图 二、使用p c 机加u s b 摄像头的方案，能够大大降低视频服务的成本。此时 整个视频系统须完全自主开发，具体包括视频采集、视频压缩、视频传输，都由 控制端p c 机完成。在网络实验室中，每个实验都有相应的控制端计算机，可以 用它做为视频信号采集和压缩的终端，采用u s b 摄像头实现了视频信号的采集， 并使用相应的编码库函数实现对视频信号的压缩。这样只需要购置合适的u s b 摄 像头和开发w i n d o w s 应用程序即可，具有成本低、开发方便的优点。 三、从进行嵌入式视频系统的设计学习以及性价比控制的角度考虑，可以 采用基于a s i c 芯片和d s p 芯片自行开发视频设备。本方案相当于自行开发方案 一中购买获得的嵌入式视频服务器，具有相当的应用灵活度。 对于a s i c 芯片来说，目前已有i n t i m e 公司的i m e 6 4 0 0 、p e n t a m i c r o 公司 的a t 2 0 2 1 a t 2 0 4 l a t 2 0 4 2 a t 2 0 4 3 系列等等，都是符合m p e g 一2 4 、m j p e g 等标 准的压缩芯片。对于d s p 芯片来说，目前有t i 公司的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 方案、p h i l i p s 公司的p n x l 3 x x 、p n x l 5 x x 方案和a d i 公司的b l a c k f i nd s p 方案等。 基于d s p 软件压缩方案的系统，以其强大的功能、优秀的视频质量、灵活 的系统配置成为同类产品中的高端选择；而基于a s i c 硬件压缩的视频服务器则 以其简单的系统结构、较低的成本成为中低端首选。下表3 - 1 给出了两种方案的 第1 9 页 丫浙江大学硕 毕业论文 性能对比： 表3 - 1 基于d s p 方案和 s i f 方案的嵌入式视频系统的性能对比 方案嵌入式视频系统的性能对比 d s p优点：软件实现视频压缩，算法灵活性好，画面质量优， 系统升级维护容易 缺点：系统开发周期较长，难度较大，成本较高 a s i c优点：硬件实现压缩，开发难得较小，成本较低 缺点：算法灵活性小，画面质量一般，系统升级困难 考虑到今后系统升级的方便以及能够继续加入运动检测等其他功能，在网 络实验室的视频监控系统中，我们采用d s p 方案，选用了t i 公司的d s p 芯片 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 进行开发尝试。设计的视频系统支持4 路网络视频监控，每个摄像 头采集的视频信号经过视频采集芯片转化为d m 6 4 2 视频口识别的b t 6 5 6 视频流 格式，视频流在d m 6 4 2 中经过运动检测，检测后通过视频数模转换芯片在本地视 频回放。d m 6 4 2 还能进行视频流的m p e g 一4 编码，编码后的视频数据通过以太网 口( e m a c ) 传送到远端的上位机，实现远程监控。下图3 - 3 是系统硬件框图，以 d m 6 4 2 为核心，由存储模块、视频输入模块、视频输出模块、通讯模块以及电源 模块等构成。 图3 - 3 基于d m 6 4 2 的嵌入式视频系统 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 具有三个视频口( v i d e op o r t2 0 b i t ) ，视频口o 和1 ( v p 0 v p l ) 分别被分成2 个8 位的视频输入接口，连接4 片视频解码芯片t v p 5 1 5 0 ， 实现4 路的视频采集功能。视频口2 ( v p 2 ) 用作视频回放，连接p h i l i p s 公司 的s a a 7 1 0 5 h 作为本地回放的视频编码芯片。s a a 7 1 0 s h 可以将数字视频信号 第2 0 页 1 丫浙江大学硕 毕业论文 ( i t u rb t 6 5 6 ) 编码成普通电视所能接收的n t s c 或p a l 制式的复合电视信号 ( c v b s ) 。s a a 7 1 0 5 h 还支持v g a 输出，通过1 2 c 总线对其内部寄存器进行设置就 可以实现不同的输出。 此外，d m 6 4 2 的e m a c 提供了数据链路层的功能，所以只需要利用一块物理 层的网络芯片一一以太网物理收发器l x t 9 7 1 a 转换信号，经网络变压器与 i n t e r n e t 相连，便构成了i o i o o m 自适应的以太网接口。 考虑到d s p 系统需要高精度、稳定的双电源供电，来保证系统的正常运行。 系统采用了一个5 v 电源驱动2 个m o s f e t 的d c d c 调整器( t p s 5 4 3 1 0 ) 分别供给 d s p 核心电压c v d d ( 1 4 v ) 和外围电压d v d d ( 3 3 v ) 。t i 公司推出的电源芯片 t p s 5 4 3 1 0 的输出精度是1 ，完全满足d s p 工作要求。系统还设计了t p s 3 3 0 7 - 1 8 d 电源监控芯片监控板上的多个电源，一旦某个电源的电压降到一定的门限值( 8 8 ) 以下时，就强制进入复位状态。 四路模拟视