基于Android的远程实验客户端设计

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 <canvas> 标签

<canvas>标签是HTML5 中的新标签[8?9]，只是一种图形容器，必须使用脚本来绘制图形，<canvas>有一个基于JavaScript的绘图API，所以在绘图方面非常方便。

其基本的使用步骤如下：

var c = document.getElementById（"myCanvas"）；

//获取要操作的canvas的ID

//操作canvas的代码…

</script>

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。