CN109064816A - 一种面向虚拟现实混合实验室的教育通讯平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向虚拟现实混合实验室的教育通讯平台。本发明包括多个网络单元、云服务器；同时设置有局域网管理员和局域网用户；所述的网络单元均包括一台工控机和多台实验设备，且多台实验设备与工控机通过总线连接；一台工控机和多台实验设备通过通信线路互联组成星型网络。工控机能够实时的监管实验设备的当前状态；同时工控机与实验设备之间进行信息交换和信息处理；局域网管理员和局域网用户能够通过局域以太网控制网络单元内的工控机，进而操作实验设备；实现虚拟控制实体设备，完成虚拟现实混合实验室的操作。本发明是一种全新的虚拟与现实混合实验室网络架构，弥补了现有虚拟与现实实验室分离的局面。

Description

一种面向虚拟现实混合实验室的教育通讯平台

技术领域

本发明属于智能化控制技术领域，本发明提供一种面向虚拟现实混合实验室的教育通讯平台。

背景技术

实验室即进行试验的场所。实验室是科学的摇篮，是科学研究的基地，科技发展的源泉，对科技发展起着非常重要的作用。

虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成。虚拟实验室为开设各种虚拟实验课程提供了全新的教学环境。虚拟实验台与真实实验台类似，可供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备。教师利用虚拟器材库中的器材自由搭建任意合理的典型实验，或实验案例，这一点是虚拟实验室有别于一般实验教学课件的重要特征。

虚拟实验室虽然有很多好处，但是虚拟和现实始终是有差距的。模仿的过程中出现失真也是不可避免的。长期使用虚拟器材，会使学生对现实器材感到陌生，在以后接触更深层次物理研究时，还是需要使用真实的实验室，并且虚拟实验室已经是经过研究整合以后的一个实验系统，很多成果已经录入其中，对一些有新的实验想法或者新问题的同学来说，其实还是一种无形的束缚。现实实验室，是对学生听觉、视觉、嗅觉等知觉的综合调动，虚拟实验室会导致其中一部分知觉无法调动。

综上所述，老师在教学中还是不能完全依赖虚拟实验室，应当在条件允许的情况下把虚拟和现实实验室有效结合在一起。本发明就是面向虚拟现实混合实验室的一种通讯架构，通过局域网和DCS将虚拟与现实进行结合。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种面向虚拟现实混合实验室的教育通讯平台。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明包括多个网络单元、云服务器；同时设置有局域网管理员和局域网用户；

所述的网络单元均包括一台工控机和多台实验设备，且多台实验设备与工控机通过总线连接；包括485总线；一台工控机和多台实验设备通过通信线路互联组成星型网络。工控机能够实时的监管实验设备的当前状态；同时工控机与实验设备之间进行信息交换和信息处理；局域网管理员和局域网用户能够通过局域以太网控制网络单元内的工控机，进而操作实验设备；实现虚拟控制实体设备，完成虚拟现实混合实验室的操作。

所述的网络单元的星型网络拓扑结构的优点是控制简单，故障诊断容易，并且很容易在此结构中增加新的实验设备，安全性和优先级容易控制。

所述的每个网络单元可以单独作为一个虚拟现实实验室。

所述的云服务器用于存储数据、发布指令和反馈指令；

所述的工控机的操作权限大于局域网管理员的权限，局域网管理员的权限大于局域网用户；当局域网用户正在远程操作实验设备进行实验，或者局域网管理员远程对网络单元进行添加、删除或实验设备进行添加、删除时，通过工控机的操作，能够直接切断局域网用户和局域网管理员的当前操作。

所述的局域网用户能够通过操作具有实验设备控制软件的局域网内的工控机控制实验设备，具体的局域网用户操作实验设备的过程如下：

步骤1、局域网用户I发送需要操作的指定实验设备的指令I给云服务器，云服务器查看指定实验设备所在工控机I中指定实验设备的状态，若该工控机I中指定实验设备处于操作状态，则反馈“NO”指令给局域网用户I和云服务器；若该工控机I中指定实验设备处于未操作状态，则反馈“YES”指令给局域网用户I和云服务器；

步骤2、局域网用户I通过局域以太网与工控机I相连接，进而通过远程操作工控机I，实现对指定实验设备的真实操作；

步骤3、当实验操作结束后，工控机I将实验结果通过局域以太网发送给云服务器与局域网用户I。若此时局域网用户I不需要继续操作指定的实验设备，则局域网用户I发送“结束”指令Ⅱ给云服务器；若此时局域网用户I需要继续操作指定的实验设备进行其他实验，则继续通过局域以太网与工控机I相连接，进而通过远程操作工控机I，实现对指定实验设备的真实操作；若此时局域网用户I需要操作其他网络单元中的实验设备，则跳转到步骤1，重新进行询问。

所述的局域网管理员的管理过程如下：

当需要对网络单元进行添加时，局域网管理员I发送需要添加的指令Ⅲ给云服务器，云服务器查看当前局域以太网是否有相同的网络单元，然后根据当前局域以太网中相同的网络单元的个数，添加网络单元的同时对新添加的网络单元进行排序命名。

当需要对指定网络单元进行删除时，局域网管理员I发送需要删除的指令Ⅳ给云服务器，云服务器查看当前指定网络单元的工控机是否处于操作状态，若该工控机I处于操作状态，则反馈“正在操作，删除失败”指令给局域网管理员I和云服务器；若该工控机I处于未操作状态，则反馈“删除成功”指令给局域网管理员I和云服务器；

当需要对指定实验设备进行添加时，局域网管理员I发送需要添加的指令Ⅴ给云服务器，云服务器查看当前网络单元指定实验设备的数量，然后添加指定实验设备的同时对新添加的指定实验设备进行排序命名。

当需要对指定实验设备进行删除时，局域网管理员I发送需要删除的指令Ⅵ给云服务器，云服务器查看当前指定实验设备是否处于操作状态，若该指定实验设备处于操作状态，则反馈“正在操作，删除失败”指令给局域网管理员I和云服务器；若该指定实验设备处于未操作状态，则反馈“删除成功”指令给局域网管理员I和云服务器。

本发明有益效果如下：

本发明时一种全新的虚拟与现实混合实验室网络架构，弥补了现有虚拟与现实实验室分离的局面，在虚拟与现实混合实验室中，既可以在实验设备上动手操作，又可自主设计实验，有利于培养的操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识。并且更易获得相关的知识，科学的指导和敏捷的反馈。虚拟与现实混合实验室是未来实验室建设的发展方向。

本发明是基于工业级集散控制系统，具有高可靠性，某一台实验设备出现故障不会导致架构中其它设备丧失功能。

本架构中将各台设备采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充架构时，可将新增实验设备方便地连入架构通信网络或从网络中卸下，几乎不影响架构中其他设备的工作，具有开放性。

本发明易于维护，当某一局部或某个实验设备出现故障时，可以在不影响整个架构运行的情况下在线更换，迅速排除故障。

本架构是将分散于现场的实验设备集成在一起的系统，它采用了局域网络技术，使通信功能增强，信息传输速度加快，吞吐量加大，为设备的综合管理提供了基础，是一个工业级的自动化局域网络架构，将DCS融合在架构中，将实际存在的实验室，与虚拟操作的实验室融会贯通，成为一种新的通讯架构。

附图说明

图1为本发明框架图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种面向虚拟现实混合实验室的教育通讯平台，包括多个网络单元、云服务器；同时设置有局域网管理员和局域网用户；

所述的网络单元均包括一台工控机和多台实验设备，且多台实验设备与工控机通过总线连接；包括485总线；一台工控机和多台实验设备通过通信线路互联组成星型网络。工控机能够实时的监管实验设备的当前状态；同时工控机与实验设备之间进行信息交换和信息处理；局域网管理员和局域网用户能够通过局域以太网控制网络单元内的工控机，进而操作实验设备；实现虚拟控制实体设备，完成虚拟现实混合实验室的操作。

所述的网络单元的星型网络拓扑结构的优点是控制简单，故障诊断容易，并且很容易在此结构中增加新的实验设备，安全性和优先级容易控制。

所述的每个网络单元可以单独作为一个虚拟现实实验室。

所述的云服务器用于存储数据、发布指令和反馈指令；

所述的工控机的操作权限大于局域网管理员的权限，局域网管理员的权限大于局域网用户；当局域网用户正在远程操作实验设备进行实验，或者局域网管理员远程对网络单元进行添加、删除或实验设备进行添加、删除时，通过工控机的操作，能够直接切断局域网用户和局域网管理员的当前操作。

所述的局域网用户能够通过操作具有实验设备控制软件的局域网内的工控机控制实验设备，具体的局域网用户操作实验设备的过程如下：

步骤1、局域网用户I发送需要操作的指定实验设备的指令I给云服务器，云服务器查看指定实验设备所在工控机I中指定实验设备的状态，若该工控机I中指定实验设备处于操作状态，则反馈“NO”指令给局域网用户I和云服务器；若该工控机I中指定实验设备处于未操作状态，则反馈“YES”指令给局域网用户I和云服务器；

步骤2、局域网用户I通过局域以太网与工控机I相连接，进而通过远程操作工控机I，实现对指定实验设备的真实操作；

步骤3、当实验操作结束后，工控机I将实验结果通过局域以太网发送给云服务器与局域网用户I。若此时局域网用户I不需要继续操作指定的实验设备，则局域网用户I发送“结束”指令Ⅱ给云服务器；若此时局域网用户I需要继续操作指定的实验设备进行其他实验，则继续通过局域以太网与工控机I相连接，进而通过远程操作工控机I，实现对指定实验设备的真实操作；若此时局域网用户I需要操作其他网络单元中的实验设备，则跳转到步骤1，重新进行询问。

所述的局域网管理员的管理过程如下：

当需要对网络单元进行添加时，局域网管理员I发送需要添加的指令Ⅲ给云服务器，云服务器查看当前局域以太网是否有相同的网络单元，然后根据当前局域以太网中相同的网络单元的个数，添加网络单元的同时对新添加的网络单元进行排序命名。

当需要对指定网络单元进行删除时，局域网管理员I发送需要删除的指令Ⅳ给云服务器，云服务器查看当前指定网络单元的工控机是否处于操作状态，若该工控机I处于操作状态，则反馈“正在操作，删除失败”指令给局域网管理员I和云服务器；若该工控机I处于未操作状态，则反馈“删除成功”指令给局域网管理员I和云服务器；

当需要对指定实验设备进行添加时，局域网管理员I发送需要添加的指令Ⅴ给云服务器，云服务器查看当前网络单元指定实验设备的数量，然后添加指定实验设备的同时对新添加的指定实验设备进行排序命名。

当需要对指定实验设备进行删除时，局域网管理员I发送需要删除的指令Ⅵ给云服务器，云服务器查看当前指定实验设备是否处于操作状态，若该指定实验设备处于操作状态，则反馈“正在操作，删除失败”指令给局域网管理员I和云服务器；若该指定实验设备处于未操作状态，则反馈“删除成功”指令给局域网管理员I和云服务器。

本发明平台适用的状况如下：

A学校的学生用户想用学校分校B的实验室设备。

A学校的学生用户想用学校B的实验室设备。

A公司的工作人员向用学校B的实验室设备。

A研究所的工作人员向用学校B的实验室设备等。

通过发明平台能够达到真正意义上的教学实验设备共享。

Claims (3)

1.一种面向虚拟现实混合实验室的教育通讯平台，其特征在于包括云服务器和多个网络单元；同时设置有局域网管理员和局域网用户；

所述的网络单元均包括一台工控机和多台实验设备，且多台实验设备与工控机通过总线连接；包括485总线；一台工控机和多台实验设备通过通信线路互联组成星型网络；工控机能够实时的监管实验设备的当前状态；同时工控机与实验设备之间进行信息交换和信息处理；局域网管理员和局域网用户能够通过局域以太网控制网络单元内的工控机，进而操作实验设备；实现虚拟控制实体设备，完成虚拟现实混合实验室的操作；

所述的网络单元的星型网络拓扑结构的优点是控制简单，故障诊断容易，并且很容易在此结构中增加新的实验设备，安全性和优先级容易控制；

所述的每个网络单元可以单独作为一个虚拟现实实验室；

所述的云服务器用于存储数据、发布指令和反馈指令；

所述的工控机的操作权限大于局域网管理员的权限，局域网管理员的权限大于局域网用户；当局域网用户正在远程操作实验设备进行实验，或者局域网管理员远程对网络单元进行添加、删除或实验设备进行添加、删除时，通过工控机的操作，能够直接切断局域网用户和局域网管理员的当前操作。

2.根据权利要求1所述的一种面向虚拟现实混合实验室的教育通讯平台，其特征在于所述的局域网用户能够通过操作具有实验设备控制软件的局域网内的工控机控制实验设备，具体的局域网用户操作实验设备的过程如下：

步骤1、局域网用户I发送需要操作的指定实验设备的指令I给云服务器，云服务器查看指定实验设备所在工控机I中指定实验设备的状态，若该工控机I中指定实验设备处于操作状态，则反馈“NO”指令给局域网用户I和云服务器；若该工控机I中指定实验设备处于未操作状态，则反馈“YES”指令给局域网用户I和云服务器；

步骤2、局域网用户I通过局域以太网与工控机I相连接，进而通过远程操作工控机I，实现对指定实验设备的真实操作；

步骤3、当实验操作结束后，工控机I将实验结果通过局域以太网发送给云服务器与局域网用户I；若此时局域网用户I不需要继续操作指定的实验设备，则局域网用户I发送“结束”指令Ⅱ给云服务器；若此时局域网用户I需要继续操作指定的实验设备进行其他实验，则继续通过局域以太网与工控机I相连接，进而通过远程操作工控机I，实现对指定实验设备的真实操作；若此时局域网用户I需要操作其他网络单元中的实验设备，则跳转到步骤1，重新进行询问。

3.根据权利要求1或2所述的一种面向虚拟现实混合实验室的教育通讯平台，其特征在于所述的局域网管理员的管理过程如下：

当需要对网络单元进行添加时，局域网管理员I发送需要添加的指令Ⅲ给云服务器，云服务器查看当前局域以太网是否有相同的网络单元，然后根据当前局域以太网中相同的网络单元的个数，添加网络单元的同时对新添加的网络单元进行排序命名；

当需要对指定网络单元进行删除时，局域网管理员I发送需要删除的指令Ⅳ给云服务器，云服务器查看当前指定网络单元的工控机是否处于操作状态，若该工控机I处于操作状态，则反馈“正在操作，删除失败”指令给局域网管理员I和云服务器；若该工控机I处于未操作状态，则反馈“删除成功”指令给局域网管理员I和云服务器；

当需要对指定实验设备进行添加时，局域网管理员I发送需要添加的指令Ⅴ给云服务器，云服务器查看当前网络单元指定实验设备的数量，然后添加指定实验设备的同时对新添加的指定实验设备进行排序命名；

当需要对指定实验设备进行删除时，局域网管理员I发送需要删除的指令Ⅵ给云服务器，云服务器查看当前指定实验设备是否处于操作状态，若该指定实验设备处于操作状态，则反馈“正在操作，删除失败”指令给局域网管理员I和云服务器；若该指定实验设备处于未操作状态，则反馈“删除成功”指令给局域网管理员I和云服务器。