基于Android的远程实验客户端设计
2022-06-09
黄广发，吴先球
（华南师范大学物理与电信工程学院，广东广州510006）
摘要：为了让实验者在移动终端上完成远程实验的异地操作，设计一种基于Android平台的远程实验客户端。通过对开源播放器VLC进行二次开发，使用Socket通信传输跨平台控制指令，利用HTML5中的canvas标签绘画波形图，实现客户端进行远程实验的视频监控、远程控制实验仪器和数据处理等功能。以单摆法测重力加速度实验进行效果验证，实测结果表明，客户端具有稳定可靠、实验数据处理精度高、人机交互性好等优点。
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关键词 ：远程实验；Android；客户端；HTML5
中图分类号：TN911.2?34；TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）14?0089?03
收稿日期：2014?12?25
基金项目：广州市科技和信息化局科普计划资助项目（2014KP000043）
0 引言
在当今信息技术高速发展的时代，学习的自主化、智能化和终身化使得远程教育必须要与时俱进，就是要运用信息技术改善远程教学系统以满足人们的迫切需求。远程实验[1]是通过互联网远程操作实验仪器，在异地完成真实的实验过程。远程实验不受时空限制，特别是随着平板电脑、智能手机等移动终端的普及，Android系统占据了主流，只要连接了Internet，就可以根据实验者的水平和需要，随时随地使用客户端去选做各种实验，这种移动学习环境下的实验教学模式增加了教学的灵活性，具有广泛的应用前景。
为了满足移动学习的需求，本文结合远程控制实验的系统特点，设计了一种基于Android的客户端，实现了远程控制实验的移动性操作。
1 系统硬件及其工作原理
远程实验系统的硬件结构如图1所示，服务器通过串口连接控制模块，控制模块连接实验仪器，通过执行服务器传送过来的指令控制实验仪器，并采集实验数据。
摄像机捕获现场仪器的运行情况通过USB接口反馈给服务器，服务器再通过网络及时反馈给远程的操作者。
控制模块主要由主控单片机和相关外设组成，服务器上使用LabVIEW 软件与控制模块进行通信，使用VLC media player进行流媒体数据的编码和传输，使用Tomcat进行搭建Web应用服务器，响应HTML页面的请求访问，提供了实验数据处理功能。
2 客户端设计
客户端是远程实验系统的一部分，实验者直接在客户端上进行远程实验的操作，具有实时观察实验现象、实时远程控制实验仪器、实验数据接收与处理等功能。
2.1 Android应用程序开发环境
开发环境[2]由JDK（Java开发工具包）、Eclipse（开发Java程序的软件工具）、Android SDK（Android专属的软件开发工具包）、ADT（开发Android应用程序的插件）、NDK（原生开发工具包）5部分组成，通过安装和进行相应的配置即可完成开发环境的搭建。
2.2 功能流程
远程实验的实验仪器是实际设备，远程用户使用客户端通过网络对其进行操作，控制实验设备的运行。客户端的整体功能如图2所示，其中观察实验现象部分是先要接入流媒体服务器，再把通过HTTP协议传输过来的H.264 视频流进行解码[3]，最后通过控件SurfaceView播放出来；控制实验仪器部分主要是Socket通信，在主线程下申请子线程进行处理，具体采用Handler消息传递机制；数据处理部分是下载服务器端采集为txt格式的数据文件，读取后在HTML5 上使用canvas 绘制波形图，这种可视化的数据分析可以让实验者读取数据进行公式运算。
2.3 关键技术
2.3.1 JNI接口
将开源播放器VLC[4]应用到Android上，需要通过将VLC的源代码编译成库文件，再通过Android提供的JNI接口调用，因为VLC 的代码完全由C/C++编写，在需要调用第三方C/C++库文件时，使用JNI接口的应用[5]可以让开发者实现一些用Java语言难以实现的功能。
在上层通过以下代码载入已经编译好的libvlcjni.so
库文件：
{
System.loadLibrary（“vlcjni”）；
}
LibVLC类通过声明库中的本地函数就可以在上层应用程序调用。
在主类MainActivity中，调用VLC 接收服务器端发送的视频流，经过程序处理后进行播放，关键代码如下：
private LibVLC mLibVLC = null；
mLibVLC = Util.getLibVlcInstance（）；
if（mLibVLC ! = null）
{
String pathUri = "http：//222.200.152.122：8080/x"；
mLibVLC.playMyMRL（pathUri）；
}
2.3.2 多线程应用
采用多线程技术可以避免UI 线程的阻塞，其中Handler Message[6]方法最为常用。具体操作是在新启动的线程中发送消息，在主线程中获取、处理消息，通过回调的方式，主线程能够处理先启动线程所发送的消息。
在观察实验现象的同时，要对实验仪器进行控制，这就需要使用多线程来实现，主线程是视频播放，实验仪器控制就会开启新的子线程来执行，简单的代码实现如下：
在主线程中定义handler：
private Handler handler = new Handler（）
{
@Override
public void handleMessage（Message msg）{
super.handleMessage（msg）；
switch（msg.what）{
case 1：
……
break；
} } }
在另一线程中执行任务：
Message message = new Message（）；
message.what = 1；
handler.sendMessage（message）；
控制实验仪器通过Socket 通信[7]实现，包括3 个步骤：建立连接、发送数据、关闭套接字。核心代码如下：
private Socket client = null；
client = new Socke（t "222.200.152.122"，8888）；
PrintWriter out = new
PrintWriter（client.getOutputStream（））；
out.println（"#"）；
out.flush（）；
client.close（）；
整个Socket通信过程需要采用try…catch机制。
2.3.3 HTML5
其基本的使用步骤如下：
在Android WebView控件中使用JavaScript，必须在WebView 中使能JavaScript，还要解决乱码问题，代码如下：
webView.getSettings（）.setDefaultTextEncodingName（"gbk"）；
webView.getSettings（）.setJavaScriptEnabled（true）；
3 应用实例
使用该客户端进行操作远程控制实验，选用单摆法测重力加速度实验[10]，因为此实验需要实时观察实验现象、远程控制电机的开关、采集传感器数据进行运算等内容，最后通过实验的完成进而算出重力加速度。通过读图，输入t1=2.79 s，t2=0.83 s，然后客户端会自动计算出重力加速度，计算原理是由周期T=t2-t1，T=2π L g ，得到重力加速度g= 4π2 L T 2 ，客户端的数据处理界面如图3所示。
4 结语
本文设计的客户端，结合基于C/S模式的远程控制实验系统，实现了在客户端上通过互联网完成远程实验的操作过程。实时观察实验现象、低延时控制实验设备、准确处理实验数据等功能增强了远程实验的真实感，有助于更好地掌握实验原理。本客户端除了应用到以上实验外，还可以应用到其他物理实验的教学当中。基于Android平台的远程实验客户端突破了传统实验的时空限制，提高了实验设备的利用率，最大限度地共享实验教学资源。
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参考文献
[1] 吴先球，刘朝辉，叶穗红，等.网络环境下远程实验的技术探讨[J].实验技术与管理，2008，25（6）：30?33.
[2] 公磊，周聪.基于Android的移动终端应用程序开发与研究[J].计算机与现代化，2008（8）：85?89.
[3] 刘龙飞，章坚武.基于H.264的Web视频监控客户端设计与实现[J].现代电子技术，2011，34（19）：27?30.
[4] 李宗辰，朱秀昌.基于VLC的Android多路视频监控系统[J].现代电子技术，2013，36（24）：63?66.
[5] 杨丰盛.Android应用开发揭秘[M].北京：机械出版社，2010.
[6] 闫伟，叶建栲.多线程技术在Android手机开发中的应用[J].信息通信，2012（1）：46?47.
[7] 孙剑，董超，夏继媛，等.基于Android的Socket（TCP/IP）在LED灯光控制系统中的应用[J].深圳职业技术学院学报，2012（5）：19?23.
[8] 庞程，崔宣，粟潘，等.基于Android平台HTML5的研究与实现[J].机械管理开发，2012（6）：136?137.
[9] 佚名.HTML
[10] 张冠芬.单摆智能化测量重力加速度实验的研究[J].菏泽学院学报，2012，34（2）：50?55.
作者简介：黄广发（1988—），男，广东阳江人，硕士研究生。研究方向为物联网技术与应用。
吴先球（1968—），男，广东平远人，教授，博士。研究方向为信息技术在物理实验中的应用、核磁共振技术及其应用。