远程实验室的HTML5/AJAX改进及教学价值-国际会计师联合会第九届控制教育进展

第九届国际会计师联合会控制教育进展国际自动控制联合会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012年通过HTML5/AJAX改善远程实验室的用户交互我是米格尔·多明格斯。普拉达，安东尼奥·莫兰，阿隆索，巴勃罗·巴里。SUPPRESSresearchgroup，UniversidaddeLe'on，E.deIngenier'ıas-CampusdeVegazana，Le'on，24071，Spain（电子邮件：manuel.unileon.es）.翻译后摘要：自动控制的远程和虚拟实验室的领域已经发展了多年。最近的技术使我们有可能解决需要克服的共同挑战，以实现灵活性，可扩展性和更大的教育价值。客户端应用程序是实验室的关键组成部分，因为学生需要互动和反馈。为此，本文提出了HTML5和AJAX的联合使用，以克服目前最先进的客户端应用程序技术中存在的一些不足。此外，提出了一套方法来解决与远程实验室相关的常见挑战，并促进基于HTML5的客户端应用程序的开发和集成。该方法与现有的远程实验室进行测试，以验证其性能和能力，以快速，简单的方式集成所提出的技术关键词：远程实验室; e-learning;网络教学;远程监控1. 介绍90年代以来，信息和通信技术的迅猛发展，以及通信网络和信息全球化的显著影响，为教育方法论领域带来了新的研究领域。事实上，通过互联网建立虚拟和远程实验室已出现在科技教育领域（Dormido，2004年）。在2000年的第一个十年中，西班牙科学界在虚拟和远程实验室方面做出了许多贡献和实验已经开发了大量虚拟和远程实验室以及相关方法，并将其应用于非常多样化的物理 系 统 。 甚 至 这 些 实 验 室 的 创 新 联 合 网 络 ， 称 为AutomatL@bs，也已经建立起来（Vargas等人，2011年）。然而，目前的技术使得有可能更新远程实验室，以实现适用于任何类型的物理系统的更灵活的设计，提供更大的可扩展性，最重要的是，提供高度的标准化。它们的联合应用可以克服一些关键的技术挑战，例如专注于教育内容开发或与异构系统进行透明通信的能力最近的技术可以有助于提高性能和标准化的领域之一提供给最终用户的是什么。客户端应用程序是确保学生增强学习所需的交互性和反馈的关键组件。一些技术，如Java小程序或面向行业的Web应用程序（如由LabVIEW提供的那些）传统上已经被用于实现这些目的。然而，它们也存在一些问题，例如它们的非标准性质，需要外部插件以及一些妨碍可用性的技术问题。作为网络的标准标记语言，超文本标记语言（HTML）缺乏用于该任务所需的交互性。然而，HTML的最新规范消除了这些障碍，因此它与广泛使用的AJAX（异步JavaScript和XML）技术一起成为开发远程控制和监控用户界面这种方法完全依赖于Web标准。因此，本文的目的是双重的。首先，我们提出了一套程序，使一个简单的transi- tion从现有的客户端技术到HTML5，同时保证快速开发和新内容的集成。其次，我们提出了一种方法的Web标准，远程实验室和具体的实际实施的应用。本文的结构如下：在第2节中，提出了虚拟和远程实验室及其可能的解决方案所带来的第3节着重于客户端用户界面，并介绍了所提出的方法。在LRA-ULE实验室中实施该方法的结果最后，结论在第5节中给出。2. 远程实验室面临的挑战和解决方案2.1 灵活连接不同的设备。任何远程实验室追求的目标之一是物理设备和控制的无缝集成© 2012 IFAC 282 10.3182/20120619-3-RU-2024.000362012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会283系统，无论其特性或制造商。事实上，Le'on大学自动控制远程实验室（LRA-ULE）实现的目标之一是用于管理物理系统的控制系统的独立性然而，灵活性不仅需要在物理系统级别，而且在整个体系结构上，以允许更容易的管理和可重用性。这一挑战可以通过三层体系结构和开放标准的联合应用来解决。三层架构是一种客户端-服务器解决方案，通常用于商业Web开发，在几个远程实验室中实现时存在很小的差异（Harward等人，2008年）。LRA-ULE实验室中的实现2011年）。物理层与通过Web共享的物理系统、数据采集系统和控制器进行接口。中间层提供共享的公共功能，即，数据存储、用户访问策略和控制系统的管理它分为四个服务部门：数据服务将工业系统的变量样本存储在数据库管理系统中，以便以后可以检索代理服务允许某些物理设备仅对经过身份验证的用户可用。Web服务管理提供给用户的公共接口。控制器服务运行用于控制器选择和与数据库通信的软件它依赖于一个称为过程控制的OLE（OPC）的开放标准，将不同的控制器与采集系统连接起来。该服务具有查询或修改任何系统参数的能力。OPC（ZhengandNakagawa，2002）促进了过程控制和自动化应用中的互操作性和开放连接性。如果制造商为他们的设备提供了OPC服务器，他们可以连接到任何OPC客户端软件。最后，客户端或表示层是提供给最终用户的应用程序，其实际实现是本文的重点。2.2 能够专注于教育内容。另一个挑战是专注于教育内容开发的能力。远程实验室的巨大价值并不来自于许多系统或在线模拟的可用性，而是来自于与这些资源相关的教育内容以及它们为学生提供的学习价值然而，远程实验室结构的管理和维护通常是一个负担。这些任务占用管理员的时间，而管理员更愿意使用它来包括帮助，实践和与系统相关的其他内容。当实验室中包含的物理系统和模拟的数量增加时，有效地管理所有必要的部件以共享真实或模拟系统变得至关重要。维护任务变得更加复杂和频繁，并且辅助管理可以保证当前资源的连续可用性，并且可以容易地添加新资源，而无需管理员的大量努力。此外，更多的学生涉及更多的用户管理任务。在这些情况下，有必要依赖于能够更轻松地支持和更有效地管理平台的工具。目的是实现灵活、高效和可扩展的结构。这种情况表明使用CMS，内容管理系统（菲茨杰拉德，2008年）。内容管理系统提供对诸如用户帐户注册和维护、访问控制和统计、协作内容编辑、菜单管理、页面布局定制、版本控制或系统管理等任务的辅助管理。这对于系统化重复性任务和促进内容创建非常有用。一个用PHP编写的名为Drupal的开源CMS已被用作LRA-ULEWeb的基础2.3 标准数据访问与前面的挑战密切相关的另一个挑战是能够以标准和简单的方式查询或修改物理系统的任何变量，这隐藏了底层技术的任何特性。特别是当我们考虑到，一般来说，每个系统都在几个实践中使用如果需要为每种情况考虑这些细节，设备的增加和管理可能会成为一项困难的任务。尽管OPC在解决方案中起着核心作用，但有必要遵循其他步骤，以保证模块化和抽象到表示层。因此，在LRA-ULE实验室中，开发了一个Drupal模块，作为控制器服务和最终监视/控制用户界面之间的网关。首先，该模块允许选择某个节点的可用物理系统这个选择完全集成在Drupal内容管理界面中。该模块允许更改系统变量的值，只需包括物理系统的名称，后跟写命令和键值对。作为对读取命令的响应，它还返回因此，应用程序可以通过定期调用获得实验室中任何系统的更新状态，但它不需要知道其名称以外的任何信息。2.4 开发和部署客户端应用程序。开发定制应用程序以控制和监控不同的系统并执行不同的实际任务可能是一个繁琐的过程，即使所有上述挑战都得到解决。另一方面，还需要依赖于允许开发人员轻松实现和部署跨平台交互式应用程序的技术这些应用程序还必须提供易用性、响应性和明确的反馈，因为它们对学生的生产力和学习成果有影响。····2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会284为了应对这一挑战，有必要了解，无论系统的性质或交互的目的如何，应用程序中都存在一些常见的功能和特征。比如说，通常在远程自动控制实验室中提供以下要素：• 输入面板。• 一些相关变量的折线图• HMI（人机界面）显示。• 相机反馈。因此，定义一个标准框架来促进不同实验的开发是一个好主意。这个框架不仅需要标准的数据访问（如前所述），而且还需要一种方法来为每个应用程序重新定义这些元素，而无需重新编程。为此，XML（可扩展标记语言）已被用于定义用户界面（UI）描述模式，它允许远程实验室管理员以最小的努力开发UI（Harold和Means，2004）。具体来说，其中三个是针对LRA-ULE平台的：(1) 一种输入描述模式，它包括模拟和数字元素，其属性描述变量名、标签、缺省值以及范围（在第一种情况下）。(2) 图形描述模式，用于定义显示的变量及其标签.(3) 一种显示描述模式，比以前的模式更复杂，其中包括坦克、指示器、数字和模拟元件等元素，并描述其相关变量和位置。按照这种方法，只需要开发一个应用程序，该应用程序必须能够读取和解析描述符，但另一方面，它将为每个实践显示一个定制的用户界面这些描述符的定义需要有关系统和教育目标的知识，但不需要编程经验。关于开发客户端应用程序的技术，到目前为止使用了然而，这是本文的重点，讨论目前的选择，并提出一种方法，满足要求。下一节将深入讨论这一问题。3. 丰富的互联网应用程序，实现设备-设备交互客户端层通过一个 web浏览器.在这一层中，用户验证、可视化先前经验的数据，访问理论/实践文档和仪器数据表，并在物理设备上进行实际操作。该层与最终用户交互，最终用户使用标准Web浏览器通过Internet访问远程实验室。必须仔细开发网络界面，以确保易于使用，并对物理系统上执行的操作提供明确的反馈，因为这可能会影响学习成果。富互联网应用（RIA）是一种向传统超文本添加新功能并且具有桌面应用程序中用户界面的丰富性和响应性（Fraternali等人，相反，这种交互性是通过插件、独立沙箱或虚拟机来提供的。从更广泛的角度来看，最常见的平台是Adobe Flash。然而，在远程和虚拟实验室领域，也有其他技术，如Java小程序或LabVIEW远程面板的高度流行。然而，新的Web标准已经出现，例如HTML标准的第五版（Hickson，2011），它仍然遵循RIA背后的原则，但在Web的核心语言中包含此功能Java小应用程序已经在许多虚拟和远程实验室中使用，包括本文中描述的实验室（Dom 'ınguez等人，2011年）。Java强大到足以开发跨平台的有状态应用程序，满足与系统通信和与远程实验室中的学生交互的需求小应用程序还构成了支持部署广泛使用的虚拟和远程实验室工具EasyJava Simulations（Vargas等人，2011年）。然而，小应用程序也存在一些问题，这些问题在过去几年中有所加剧。Java applets的大多数缺点都与其插件性质有关。由于applet不能由浏览器直接解释，则需要安装Java运行时 环 境 （ 有 时 需 要 安 装 比 系 统 中 已 有 的 JRE 更 新 的JRE）。虽然这对工程专业的学生来说不是问题当前的小客户群和与任何客户端脚本相关的安全限制用户必须通过几个对话框来运行applet。另一方面，由于需要下载整个applet并启动运行时，通常实验需要比预期更多的时间加载或不能正确加载。此外，一些平台，如主要的智能手机操作系统已经停止支持。Adobe Flash成为互联网上最流行的RIA格式，因为它专注于动画和视频。它在虚拟实验室中有许多应用，但还没有广泛用于远程实验室（Chen et al.，2010年，Java？它还依赖于插件，因此它与applet有一些共同的缺点。智能手机或平板电脑等新设备中的支持不像计算机中那样广泛。在上述平台（Adobe Flex或Oracle JavaFX）上构建的一些改进以及采用类似方法的新开发（如Microsoft Sil-verlight）最近已被提出。尽管它们提供了关于易于开发、灵活性或图形能力的优点，但它们仍然是插件，因此存在类似的缺点。此外，它们在浏览器中的存在并不像Flash那样无处不在。除了构建基于浏览器的交互式界面的通用工具外，虚拟和远程实验室的开发人员还可以依赖他们日常使用的工具来构建模型和控制系统。这些应用程序以较小的浏览器和操作系统支持为代价提供了轻松的开发。用户需要下载2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会285一个特定的插件，以运行的做法。在允许开发人员将仿真或SCADA（监督控制和数据采集）系统部署到互联网的工 程 和 科 学 环 境 中 ， 一 种 流 行 的 工 具 是 LabVIEW（Stefanovic等人，2011年）。尽管开放程度不同，但所有这些工具都是专有的方法，可以将用户锁定对于特定行业的工具来说尤其如此。供应商中立的格式将尊重学生Ordu n Bella等人也指出了不依赖插件的Web技术的使用。（2011）认为需要能够从移动设备访问远程实验室。因此，满足这些要求的最佳选择似乎是使用可以直接由浏览器运行的开放标准。这些开放标准是HTML和一组统称为AJAX的技术没有一家公司拥有它们，它们由包括主要互联网公司在内的标准委员会控制。HTML是网页中使用的标记语言。另一方面，AJAX是一组相互关联的客户端方法，用于在Web应用程序中提供2005年）。AJAX不是一种技术，而是一种建立在开放标准上的方法，如HTML或CSS（层叠样式表）用于表示，文档对象模型用于动态显示和交互，XML用于数据交换，XMLHttpRequest用于异步数据检索和JavaScript（Flanagan，2011）将所有内容绑定在一起。所有这些标准都适用于每个平台和浏览器。通常，这个名字不仅适用于使用XML（可扩展标记语言）并且所有请求都是异步的应用程序，而且更普遍地适用于那些使用与服务器的后台通信来更新网页部分而无需重新加载的应用程序。通过这种方式，Web不受整个页面刷新的限制，也不会强制用户等待服务器响应。页面元素可以独立更改，也可以在运行时更改。这种方法已经在Web开发中使用了很长时间然而，它在远程 实 验 室 的 应 用 是 有 限 的 。 L'opez-deIpi nd'alia 等（2006）提出了一个远程实验室，它使用AJAX来实现从移动设备的访问。他们还报告了他们平台的升级，在Google Web Toolkit中完全重写，允许将Java代码转换为JavaScript（OrdunBella等人，2011年）。其在远程实验室应用率低的原因然而，最新的HTML规范，即HTML5（Pilgrim，2010），提供了一些特性，使得开发图形化高级有状态RIA成为可能。HTML5旨在取代HTML 4和XHTML 1，并引入了画布支持，拖放，跨文档消息传递，本地存储，新元素（即使是视频和音频）和属性，内联SVG（可缩放矢量图形），地理定位或离线应用程序。这些功能使Web开发人员能够创建高级图形、排版、动画和过渡，从而实现与先前提供的RIA去重工具类似的交互性，但无需依赖第三方浏览器其他用户互联网学生客户端层外部路由器DrupalWeb服务器服务器层以太网DMZ控制器服务器（OPC客户端）DB服务器代理服务器ODBC链路内部路由器VLAN -远程实验室以太网OPC Link默勒西门子施耐德LCM4以太网LAN物理系统物理设备层Fig. 1.远程实验室的架构。插件 。事 实上 ，Lowe et al.（ 2009 ）建 议， AJAX 和HTML5的联合使用将为远程实验室提供更丰富和高度互动的环境这种方法的另一个优点是，页面的设计可以以与网站的其余部分相同的方式来定义通过CSS。级联样式表描述了Web文档的格式，并使其内容与其表示分离（CSS工作组，2011）。CSS 3是最新级别的规范，作为单独的模块发布。虽然这是一项正在进行的工作，但到目前为止已经发布了40多个CSS模块，它们的新功能允许复杂的设计。CSS3也是完全向后兼容的。另一方面，HTML5在智能手机和平板电脑中得到了广泛的支持，因为一些主要的供应商促进了它们在用户界面开发中的使用。然而，我们必须注意到，HTML5仍然是一项正在进行的工作。因此，即使核心新功能已经包含在最常见的浏览器的最新版本中，但在不久的将来，其他规范的支持水平为此，本文提出了一种新的方法来开发控制教育远程实验室的客户端应用程序。这些客户端将使用Web标准实现，即，HTML5、AJAX和CSS3技术，提供更好的用户体验，无需依赖外部插件。4. 实验结果为了验证所提出的方法，基于HTML5的客户端应用程序的实现和部署在一个真实的和现有的远程实验室，远程2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会286图二.通过提议的方法访问的物理系统。Le'on大学自动控制实验室（LRA-ULE），其中已经包括第2节中讨论的所有解决方案其目的是测试，如果建议的客户端技术提出了明确的优势，尊重旧的（Java小程序），以及是否实现的程序允许在实验室中的新技术的一个简单和快速的集成。实验室的物理和逻辑结构如图1所示。它是一个三层架构，如第2.1节所述。中间层由不同的服务器管理，出于安全原因，其中一些服务器位于DMZ（非军事区）。代理服务器是通过iptables构建的防火墙使经过身份验证的用 户可 以 访问 内 部资 源 的服 务 器。 控 制器 服 务实 现为 .NET应用程序，使用OPC客户端链接控制器的OPC服务器和采集系统的OPC服务器。到目前为止，远程客户端使用嵌入在Drupal页面中的小程序与物理系统进行交互，这些小程序提供了输入、图表、视频和HMI显示的功能。客户端应用程序显示在标准的Web浏览器中，但用户需 要 安 装 Java 虚 拟 机 。 一 个 公 共 Java 库 被 用 来 查 询Drupal模块，该模块作为控制器服务和用户界面之间的网关，如2.3节所述，以配置每个节点可用的系统。拟议的实验涉及重写两个工业系统上的几个其中之一是Johansson（2000）提出的传统MIMO系统四槽工艺的工业规模模型该系统保持了过程的原始结构，但它是使用工业环境中的常用仪器构建的实现的实践集中在PID控制。另一种是具有三个回路的工厂，设计用于控制四个物理变量：压力、流量、液位和温度（Dom 'ınguez等人，2004年）。实施的图2中示出了两个系统。与这些实际任务相对应的客户端应用程序的动态元素已经被实现为Javaapplet。这对于比较当前技术和拟议技术是有用的。它还提供了一个衡量客户端应用程序技术之间转换成本的方法。每个客户端应用程序都是由一个简单的HTML构建的，作为CMS的一个节点，所需的图表、输入和显示。管理员选择节点可用的物理系统。JavaScript函数解析XML描述符，并通过文档对象模型动态地完成HTML页面。查询远程系统和提供交互性的逻 辑 也 在 JavaScript 中 重 新 实 现 。 RGraph 库 使 用JavaScript和HTML5的canvas标签进行二维绘图，已用于开发图表和显示（RGraph，2011年）。图3中示出了一个实践的最终用户界面的屏幕截图使用Web标准实现的客户端应用程序为学生提供了等效的交互性另一方面，为数据访问和用户界面描述的标准化而实施的程序使得有可能不费太大力气地适应用其他技术开发的实验要开发一个新的用户界面，只需要开发一个简单的HTML页面和所需组件的XML描述符5. 结论HTML5和AJAX的联合使用，提出了克服通常所造成的不足，国家的最先进的客户端应用程序技术在远程实验室自动控制。所提出的方法还讨论了解决经常性挑战并促进任何远程实验室操作的其他中间步骤这些方法已在里昂大学自动控制远程实验室中实现。在这个远程实验室中实现的标准框架允许在远程实验室的客户端轻松集成基于HTML5的富Internet应用程序使用三层体系结构、OPC协议、内容管理系统和访问数据和定义用户界面的标准方法，可以快速轻松地重写现有客户端应用程序或开发新这一优势使管理员能够专注于远程实验室的教育方面，而不是花费时间实现，调试或维护客户端应用程序。所提出的方法提供了与旧方法相同的功能但是，客户端应用程序的加载速度明显快于现有的Java applet。这种方法解决了一些众所周知的兼容性问题，即使新的客户端应用程序只能在最新版本的浏览器中运行。除了浏览器，用户不需要安装任何其他软件。可能会让没有经验的用户感到沮丧的安全警报已经消失。此外，更快的加载时间似乎对成功初始化的速率有积极的影响，尽管需要更深入的分析来提供定量测量。确认这项工作得到了西班牙文化部（MICINN）和欧洲和平与发 展 基 金 会 （ EuropeanFEDER ） 基 金 （ DPI 2009 -13398-C 02 -02）的部分支持A. 莫兰得到了议会的支持2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会287(a) 四槽工艺实践截图（b）在具有三个电路的物理设备上的实践的屏幕截图图三.为这两组实践开发的客户端应用程序的屏幕截图。卡斯蒂·拉·莱翁委员会和欧洲社会基金会。引用陈旭，宋，G.，和Zhang，Y.（2010年）。虚拟和远程实验室开发：综述。地球和空间，3843CSS工作组（2011年）。所有CSS规范的描述。技术报告，万维网大会（W3C）。Dom 'ınguez，M.，Fuertes，J.J.，普拉达文学硕士阿隆索，S.， 和Mor'an，A. （2011年）。使用不同的工业控制器学习控制工程的四槽过程的远程实验室。工程教育中的计算机应用，n/a-n/a。doi：10.1002/cae。20562.做我的梦，M.， F·埃尔 特斯，J·J。， Reguer a，P.，Gonz'alez ， J.J. ， Ram'on ， J.M. （ 2004 年 ） 。Maquetaindustrialparadocenciaeinvestigaci'on.RevistaIberoamericanadeAutom'aticaeInform'aticaIndustria l，1（2），58-63.多尔米多湾（2004年）。控制学习：现在和未来。见IFAC Annual Control Reviews，第28卷，第115纽约菲茨杰拉德湾（2008年）。Drupal用于教育和电子学习。Packt出版。Flanagan，D.（2011年）。JavaScript：学习指南。激活您的网页。O’Reilly Media,Fraternali， P. ， Rossi ， G. ， 和 Sanchez-Figueroa ， F.（ 2010 年 ） 。 丰 富 的 互 联 网 应 用 。 IEEE InternetComputing，14，9-12. doi：10.1109/MIC.2010.76。Garrett，J. et al.（2005）. 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