基于5G通信技术的实时控制类实验设备远程控制系统设计

摘要：实验教学在高等教育中有重要作用，为适应互联网+职业教育发展需求，运用现代信息技术改进教学方式方法，推进网络学习空间建设和普遍应用，本项目以5G通信技术为基础，探索一种面向控制类实验设备的远程控制实验系统解决方案。实验室实验设备种类众多，包括控制类实验，电路类实验，电机控制类实验，有些对实时性要求不高，但对于无人机、工业机器人、无人驾驶汽车等实时性要求较高的控制类实验，如何基于5G通信技术进行实时远程控制，是本项目研究的主要内容，项目通过构建实时控制类实验设备远程控制系统架构、实现实验设备本地局域网控制、实验设备互联网云端控制建立集远程控制、监测、管理一体的人机交互界面，最终构建面向实时控制类实验设备的集实时性、实用性、扩展性、安全性于一体的远程控制系统。

关键词：实验教学;实验设备;互联网;实时远程控制;5G通信技术;

实验教学在高等教育中有重要作用，传统实验教学中学生不能在教学场地以外或课程时间之外进行实验，国家职业教育改革实施方案(国发〔2019〕4号)中提出“适应互联网+职业教育发展需求，运用现代信息技术改进教学方式方法，推进网络学习空间建设和普遍应用”，特别是疫情期间，学生由线下转为线上学习，对实验教学提出了新要求，远程控制实验可解决上述问题。

根据被控对象是否为实际设备，远程实验可以分为两类：虚拟实验和远程控制实验。虚拟实验方面，我国清华大学、北京邮电大学等已经建立了相关系统，涉及计算机网络、数字电路等多个学科的应用。但在某些学科中，以虚拟方式进行实验，不能反映真实的实验环境，因而缺少操作的真实性。其实，早在2010年山东大学团队就设计了一个远程通信控制系统实现了真实实验设备远距离数据采集和实验仪器控制，东南大学在2016年结合设计并研发了一套远程实验系统。

在国外，虽然早在 1992 年就提出了远程访问的设想，但是直到上世纪末才出现了很少的远程控制实验模型。主要的有：美国田纳西州 Tennessee at Chattanooga 大学的 Jim Henry 设计了能够提供温度控制功能的虚拟实验室，用户可以通过网络获得实验数据;意大利的 Ancona and Lecce 大学实现可以控制风扇、机器人手臂、玩具飞机等的基于互联网的控制实验。

本项目研究的是远程控制实验，即对真实被控对象，进行实验设备数据采集、用适当的通信方式进行传输、处理，实现跨时空的仪器控制。随着社会的发展，实验室出现了对实时性、可靠性要求较高的无人机、工业机器人、无人驾驶汽车等设备，目前，对于上述实验设备进行远程控制还没有相应方案。本项目以5G通信技术为基础，探索一种面向控制类实验设备的集实时性、实用性、扩展性、安全性于一体的远程控制实验系统的解决方案。

5G通信技术的应用场景为eMBB(增强移动带宽)、URLLC(低延时高可靠)以及mMTC(海量大连接)。项目涉及的无人机、工业机器人、无人驾驶汽车等要求控制时延低、可靠性高，为增强学生在远程控制时的现场体验感，在控制的同时还需要把设备的运动状态实时反馈给学生。项目利用5G通信技术把实验设备接入网络，在SA (独立组网)模式下通过5G端到端网络切片实现低时延、高速率、高可靠性的网络传输，并通过软件编程使实验设备的上位机作为服务器对实验设备进行数据采集和控制，学生可使用在网络中注册的实验设备，同时系统还可进行实验设备监控、数据处理及信息管理，方便教师在实验过程中监测、控制各个设备的运行状态并实时记录实验数据。

项目虽然研究对象为实时性要求较高的控制类设备，但是对于实时性要求不高的其他类实验设备，例如电路类实验也同样适用，因此具有一定推广作用。通过搭建这样一个实验系统，突破了传统实验教学过程受时空的限制，推进了网络学习空间建设和普遍应用，为学校和社会构建实验教学资源。

实验室实验设备种类众多，包括控制类实验，电路类实验，电机控制类实验，有些对实时性要求不高，但对于无人机、工业机器人、无人驾驶汽车等实时性要求较高的控制类实验，如何基于5G通信技术进行实时远程控制，是研究的重要内容，在此基础上再增加监测、管理功能，最终形成一个面向控制类实验设备的集实时性、实用性、扩展性、安全性于一体的远程控制实验系统的解决方案。本项目研究内容为：

(一)实时控制类实验设备远程控制系统架构

项目中实时控制类实验设备远程控制采用客户端/服务器模式的远程通信模式，按照客户端/服务器模式进一步设计实验设备接入网络方案，通过TCP/IP网关接入5G网络，通过5G网络下SA架构的网络切片，实现云端控制台对实验设备的毫秒级实时远程控制，同时通过5G网络完成eMBB场景下实验设备运动状态采集及从本地实验平台到云端的传送，最终建立可实现云端和本地局域网控制的实验控制系统架构。

(二)5G切片规则的选择

实时控制实验设备接入互联网云端，鉴于超低时延及超大带宽的要求，为使云端操作与本地实验室操作的感知无差异化，需要通过实验验证在5G网络SA模式下，网络切片的时延、QOS(服务质量)、承诺速率等最优值设置，以选择最佳5G网络切片方式，实现与云端的最优交互。

(三)实时控制类实验设备本地局域网控制的实现

项目可以根据需求选择在局域网内远程控制，基于C语言进行编程。保证实验设备局域网内的通信，一方面，实现互联网通信的基础是局域网通信，另一方面，也可满足在校学生在实验室内实现实验设备的局域控制。

(四)实时控制类实验设备互联网云端控制的实现

实现互联网云端远程控制需要人机交互界面，交互界面基于Web网页进行设计和开发，分为网页前端设计、服务器后端设计和数据库设计。网页前端部分，主要采用 ASP.NET、JavaScript、HTML和CSS对软件系统的客户端进行设计和实现，服务器后端主要基于客户端/服务器框架搭建，使用 ASP.NET和SQL语言在后台进行数据处理、通过界面显示实验设备远程控制的数据，方便教师在实验过程中监测、控制各个设备的运行状态并实现实验数据的记录。此外还需确定远程通信数据算法，实验设备接入互联网，为实现远程控制、监测和管理，需要确定远程数据采集、处理和显示的数据结构和算法。

参考文献

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