附录B 外文原文
Improving user interaction in remote
laboratories through HTML5/AJAX
Manuel Dom ́ınguez, Miguel A. Prada, Antonio Mor ́an,
Seraf ́ın Alonso, Pablo Barrientos.
SUPPRESS research group, Universidad de Le ́on, E. de Ingenier ́ıas -
Campus de Vegazana, Le ́on, 24071, Spain (e-mail:manuel.dominguez@unileon.es).
Abstract:
The field of remote and virtual laboratories for automatic control has been developed over the years. Recent technologies make it possible to address common challenges that need to be overcome in order to achieve flexibility, scalability and greater educational value. The client application is a key component of the laboratory, since students need interactivity and feedback.For that reason, in this paper, the joint use of HTML5 and AJAX is proposed to overcome some deficiencies present in the state-of-the-art client application technologies . Besides, a set of methods is proposed to solve usual challenges associated to the remote laboratories and facilitate
the development and integration of HTML5-based client applications. The approach is tested with an existing remote laboratory to validate both its performance and the ability to integrate the proposed technology in a fast and easy way.
Keywords:
Remote laboratories; e-learning; Internet-based teaching; remote onitoring
- INTRODUCTION
The strong development of the information and communication technology experimented during the nineties and the marked impact of the communication networks and the information globalization led to new research scopes in the field of educational methodology. Indeed, the development of virtual and remote laboratories through the Internet emerged in the field of scientific and technological education (Dormido, 2004).
In the first decade of 2000, the Spanish scientific community has made many contributions and experiments related to virtual and remote laboratories. A large number of virtual and remote laboratories, along with the associated methodologies, have been developed and applied to very diverse physical systems. Even an innovative joint network of those laboratories, called AutomatL@bs, has been created (Vargas et al., 2011).
However, current technologies make it possible to update the remote laboratories to implement more flexible designs applicable to any kind of physical system, provide greater scalability and, above all, provide a high degree of standardization. Their joint application allows to overcome some key technical challenges, such as the ability to focus on the development of educational content or the transparent communication with heterogeneous systems.
One of the areas where recent technologies can contribute to improve the performance and standardization is the client side of the laboratory, i.e., what is offered to the final user. Client applications are a key component to ensure the interactivity and feedback that students need to enhance their learning. Some technologies such as Java applets or industry-oriented web applications (such as the ones provided by LabVIEW) have been traditionally used to achieve these aims. However, they also present some problems, such as their non-standard nature, the need for external plug-ins and some technical issues that hamper usability. The standard markup language of the web, the Hypertext Markup Language (HTML) lacked the interactivity required to be used for that task. Nevertheless, the latest specification of HTML removes those barriers so it becomes, along with the widely-used AJAX (asynchronous JavaScript and XML) techniques, a suitable choice to develop user interfaces for remote control and monitoring.This approach relies completely on web standards.
For that reason, the aim of this paper is twofold. First,we present a set of procedures to enable an easy transition from existing client-side technologies to HTML5 and simultaneously guarantee a fast development and integration of new content. Second, we propose an approach for the application of web standards to remote laboratories and a specific real implementation.
This paper is structured as follows: In Section 2, the main challenges posed by virtual and remote laboratories and their possible solutions are presented. Section 3 focuses on the client-side user interfaces and introduces the proposed approach. The results of the implementation of this approach in the LRA-ULE laboratory are described in Section 4. Finally, conclusions are exposed in Section 5.
- CHALLENGES AND SOLUTIONS IN REMOTE
LABORATORIES
2.1 Flexibility to connect different equipment.
One of the objectives pursued by any remote laboratory is the seamless integration of physical equipment and control systems, regardless of the characteristics or manufacturer.Indeed, one of the aims accomplished by the Remote Laboratory of Automatic Control at the University of Le ́on(LRA-ULE) is the independence of the control system used to manage the physical systems, so that students and instructors can use the physical system with different PLCs (programmable logic controllers). However, flexibility is not only required at the physical system level, but also on the whole architecture to allow an easier management and reusability.
This challenge can be addressed through the joint application of the three-tier architecture and open standards.The three-tier architecture is a client-server solution, commonly used in business web development, which has been implemented with small differences in several remote laboratories (Harward et al., 2008). The implementation in the LRA-ULE laboratory includes a physical layer, a middle layer and a client layer (Dom ́ınguez et al., 2011). The physical layer inter
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附录A 译文
通过HTML5/AJAX提高远程用户交互
摘 要
远程虚拟实验室及自动控制系统研制多年来。最近技术应对共同挑战，需要被克服以实现灵活性、可伸缩性和更多的教育价值。客户端应用中非常重要的实验室，因为学生需要互动和反馈。因此，在本文中，联合使用Ajax和HTML5的提出有些缺陷在现有技术中客户端应用程序的技术。此外，一组通常的解决方法提出了挑战并促进在远程实验室在发展和集成的基于HTML5的客户端应用。验证与现有的远程实验室验证其性能，并且能够集成所提出的技术。
关键词 远程实验室学习；基于互联网的教学；远程监控
- 介绍
九十年代的研究使得信息技术与通信技术快速发展，在通信网络有着标志性的影响，使得信息全球化导致了教育方法领域上的新的研究。实际上，通过互联网出现的科学技术教育领域(Dormido,2004) 虚拟技术和远程实验室得以发展迅速。
在2010年前，西班牙科学界已经做出了很多贡献及相关实验以虚拟和远程实验室。大量的虚拟和远程实验室，以及相关的方法已经被开发出来并施加非常不同的物理系统，甚至有一个叫做Automatl@bs创新性联合网络实验室被创建(Vargas et al., 2011)。
但是，目前的技术可以更新远程实验室可以实施更灵活的去核处理，适用于任何种类物理系统的标志提供更高的可扩展性，并且最重要的是提供高度的可扩展性的标准化。他们的联合应用可以克服一些关键的技术挑战，比如注重教育内容或透明的异构通信系统的能力。
该地区最近的一个技术贡献为了提高性能和标准化的客户端侧的实验室，即给最终用户提供给实验室的东西。客户端应用程序中的关键组件，互动和反馈，确保学生需要以提高他们的学习。过去经常会使用一些如Java小程序或面向Web应用程序（比如通过提供的LabVIEW）的技术达到目的。然而，它们也存在一些问题，诸如他们的非标准性本质，所需要的外部插件和一些技术问题阻碍可用性。在标准的Web标记语言中超文本标记语言(HTML)被认为是用于完成任务的必要因素。尽管如此，最新的HTML规范中去除这些障碍，随着广泛使用AJAX(异步JavaScript和XML)技术，用于开发用户接口的远程控制和监测。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，我们提出一套程序以确保从现有的客户端技术转向HTML5的过渡同时保证快速发展并且对新的内容进行整合。其次，我们提出了一种应用标准的Web远程实验室与具体的实际执行情况。
本文结构如下：第二部分介绍由虚拟和远程实验室造成的挑战以及可能的解决方案。第三部分聚焦在客户端用户界面并且介绍所提出的方法。第四部分描述在LRA-ULE实验室执行方案的结果。第五部分为结论。
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在远程实验室的挑战与对策
- 连接不同设备的灵活性
任何远程实验室的目标之一就是无论设备是何特征或制造商都要对物理设备的无缝集成和控制系统。实际上，通过远程实验室自动化控制大学在Lé(LRA)模块是独立的控制系统以管理物理系统，以便学生和教师可以使用不同PLC的物理系统（可编程逻辑控制器）。但是，灵活性是不仅需要应用在在物理系统级别上，而且需要应用在整个架构上都，以便于管理和可重用性。
这个挑战可以通过三层架构的联合应用来解决和开放标准。三层体系结构是一种客户机 - 服务器解决方案，通常用于商业网站开发在几个远程实验室中以微小差异实施（Harward等人，2008）。在实施中LRA-ULE实验室包括一个物理层，一个中间层层和客户层（Domınguez等，2011）。物理层与通过Web共享的物理系统，其数据采集系统及其控制器相连接。中间层提供共享常见功能，即数据存储，用户访问策略，和控制系统的管理。它的结构是四项服务：
bull;数据服务存储了变量的样本数据库管理系统中的工业系统，以便稍后可以检索它们。
bull;代理服务允许一些物理设备仅适用于经过认证的用户。
bull;Web服务管理提供给用户的通用界面。
bull;控制器服务运行控制器软件选择和与数据库进行通信。它依赖于一个称为OLE for Process的开放标准控制（OPC）连接不同的控制器采集系统。该服务有能力查询或修改任何系统参数。 OPC（Zheng and Nakagawa，2002）在连接过程控制和自动化应用程序具有互操作性和开放性。如果制造商提供OPC服务器对于他们的设备，他们可以连接到任何OPC客户端软件。
最后，客户端或表示层是应用程序提供给最终用户，他们的实际执行情况是本文的重点。
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- 关注教育内容的能力。
另一个挑战是能够专注于教育内容的开发。远程实验室的巨大价值不是来自许多系统或模拟在线的可用性，而是来自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。但是，远程实验室结构的管理和维护往往是一种负担。这些任务需要管理员花时间来使用它，以包含与系统相关的帮助，实践和其他内容。当在实验室中物理系统和模拟系统快速增长时，高效地管理共享真实或模拟系统是至关重要的。维护任务变得越来越复杂和频繁，只有结构化和辅助管理才能保证当前资源的连续可用性以及在管理员不费力的情况下轻松添加新的维护任务。此外，更多的学生涉及了更多的用户管理任务。
在这些情况下，有必要依靠制造的工具可能更容易的支持和更高效的平台管理。目标是实现灵活，高效和可扩展的结构。这种情况表明了CMS，内容管理系统的作用（杰拉德，2008）。CMS提供对任务的辅助管理，如用户账号注册和维护，访问控制和统计，协作内容版本，菜单管理，页面布局定制，版本控制或系统管理等。重复的任务以促进内容创作的系统化是非常有用的。一个以开放源的使用了用PHP编写的名为Drupal的CMS作为LRA-ULE网络的基础。
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- 标准访问数据
另一个与以前的密切相关的挑战是系统以隐藏任何标准和简单的方式查询或修改任何物理变量的能力， 这是基础技术的独特性。特别是当每个系统都有几个使用实践的情况。如果这些细节都需要考虑到，并且在这些情况下，设备的添加和管理可能会成为一项艰巨的任务。
虽然OPC在解决方案中扮演着重要角色，但仍需要遵循其他步骤来保证模块化和抽象化，直至呈现级别。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控/控制用户界面之间的网关。首先，这个模块允许为某个节点选择可用的物理系统，与上述代理服务协同工作。这个选择完全集成在Drupal内容管理界面。该模块允许更改系统变量的值，只需包括物理系统的名称，后跟写入命令和键值对。作为对读命令的响应，它还返回一个由物理系统中由与可用变量相同数量的键值对组成的普通字符串。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，但不需要知道除名称以外的任何其他信息。
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- 开发和部署客户端应用程序
定制应用程序的开发以控制和控制监视不同的系统并执行不同的实际任务可能是一个乏味的过程，即使解决了上述所有挑战。另一方面，还有必要依靠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，响应性和清晰的反馈，因为它们会影响学生的生产力及其学习成果。
为了应对这一挑战，有必要了解应用程序中存在的一些常见功能和特性，而不管系统的性质或交互的目的如何。例如，通常在远程自动控制实验室中提供以下元素：
bull;输入面板。
bull;一些相关变量的折线图。
bull;HMI（人机界面）显示。
bull;相机反馈。
出于这个原因，定义一个标准是个好主意框架，促进多元化的发展实验。这个框架不仅需要标准数据访问，如前所述，也是一种方法为没有的每个应用程序重新定义这些元素再次编程它们。出于目的，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可以最小限度地开发UI努力（Harold和Means，2004年）。尤其是其中有三个一直在为LRA-ULE平台：
（1）包含模拟的输入描述模式和其属性描述的数字元素变量名称，标签，默认值。
（2）图形描述模式，用于定义显示的变量及其标签。
（3）显示描述模式，比先前的更复杂，其中包括坦克，指标，数字和模拟元素和描述他们的相关变量和位置。
遵循这种方法，只需要开发一个单一的应用程序，它必须能够读取和解析描述符并且将其显示，除此还需为每次练习定制用户界面。这些描述符的定义需要关于系统的知识和教育目标，但不仅是编程经验。
到目前为止，关于开发客户端应用程序的技术， Java小程序已被使用。但重点是讨论当前的选择和建议以及符合要求的方法。下列部分深入讨论这个问题。
- 丰富的互联网应用程序学生-设备交互
客户端层通过Web浏览器提供给最终用户。在这一层用户验证，可视化以前经验的数据，获得理论/实践文档和仪器数据表，并对物理实体进行实践操作设备。该层与最终用户进行交互，他们通过Internet使用标准网页浏览器访问远程实验室。
Web界面必须仔细开发以确保易于使用和清晰的反馈意见理系统，因为这可能会产生影响学习成果。
富互联网应用程序（RIA）是一种Web应用程序，它为常规超文本添加新功能，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，2010）。传统上，这种交互是通过插件，独立的沙箱或虚拟机来实现的。从广泛的角度来看，最常见的平台是Adobe Flash。
但是，在远程和虚拟实验室领域，其他技术（如Java applet或LabVIEW远程面板）也很流行。但是，新的Web标准已经出现了作为HTML标准的第五次修订（Hickson，2011）它仍然遵循RIA背后的原则，但将这一功能包含在网络的核心语言中。
Java小程序已被用于许多虚拟和远程实验室，包括本文中描述的实验室（Domınguez等，2011）。 Java足够强大开发满足了要求的跨平台状态应用程序与系统沟通的需要和互动与远程实验室的学生。Easy Java模拟（Vargas et al。，2011）中的小程序也构成了支持部署广泛使用的虚拟和远程实验室工具的技术基础。然而小应用程序也存在一些问题，这些问题在过去几年中加剧了。Java小程序的大多数缺点与其插件性质有关。由于该applet不是由浏览器直接解释的，因此需要安装一个Java运行时环境（有时候是比系统中已有的JRE更新的JRE）。虽然这对于工程系学生来说不是问题，它作为RIA技术在英国早期的衰落做出了贡献主流网站。目前的小客户群以及与任何客户端相关的安全限制脚本导致浏览器进行小应用程序部署越来越难。用户必须经历几次对话框来运行小程序。另一方面，因为它有必要下载整个小程序并启动运行时，通常实验需要更多时间来加载比预期的还是不正确加载。此外，一些平台如主智能手机正在运行系统已经停止支持。
Adobe Flash成为了最受欢迎的RIA格式互联网由于其专注于动画和视频。它有在虚拟实验室中发现了很多应用，但它已经没有被广泛用于远程实验室。它也依赖于一个插件，所以它共享小程序的一些缺点，新的支持诸如智能手机或平板电脑之类的设备不是和电脑一样宽。
最近提出了在上述平台（Adobe Flex或Oracle JavaFX）上构建的一些改进以及采用类似方法（如Microsoft Silverlight）的新开发。虽然它们提供了易于开发，灵活性或图形功能方面的优势，但它们仍然是插件，因此也存在类似的缺点。此外，他们的在浏览器中的存在并不像Flash那样普遍。
除了构建基于浏览器的交互界面的一般工具外，虚拟和远程实验室的开发人员还可以依靠他们每天使用的工具来构建模型和控制系统。这些应用程序提供易于开发，代价是较小的浏览器和操作系统支持。用户需要下载一个特定的插件才能运行该练习。之间工程和科学环境，让开发人员部署模拟或SCADA（监督控制和管理）数据采集系统到互联网这一流行的工具是LabVIEW（Stefanovic等，2011）。
虽然开放程度不同，但所有以前的工具都是专有方法，可以将用户锁定到特定的供应商和平台。对于特定于行业的工具尤其如此。供应商中立格式会尊重学生的软件/硬件自由选择并可能节省许可费用。网络的使用Ordu na等人也指出了不依赖插件的技术（2011年）作为需要启用从移动设备访问远程实验室。
出于这个原因，这似乎是最好的选择要求是使用可以的开放标准由浏览器直接运行。这些开放标准是HTML和这组技术统称为AJAX。没有一家公司拥有它们，由包括主要标准委员会牵制互联网公司。HTML是使用的标记语言在网页中。另一方面，AJAX是一组用于提供交互的相互关联的客户端方法在网络应用程序中（Garrett等人，2005）。 AJAX不是技术，而是建立在开放标准之上的方法作为HTML或CSS（层叠样式表）用于展示，文档对象模型用于动态显示和交互，用于数据交换的XML，XMLHttpRequest用于异步数据检索和JavaScript（Flanagan，2011）将所有内容绑定在一起。所有这些标准都可在每个平台和浏览器中使用。通常，这个名称不仅适用于使用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
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