计算机实验室远程控制与管理系统的设计与实现

周 飞，李小志，杨焕春

（1. 温州大学 商学院，浙江 温州 325035；2. 温州大学 教师教育学院，浙江 温州 325035）

目前经管文类实验室基本都是以计算机和软件来模拟仿真的应用场景，管理和维护计算机是一件烦琐又繁重的任务，同时传统以 PC端加校园网的管理模式存在使用不便和效率较低等问题，如何减轻实验室工作人员的负担，提高实验室管理的效率，是每个实验室管理人员都要面对的问题。随着移动互联网和现代网络通信技术的快速发展，智能移动终端设备的不断出现，使用智能移动终端设备作为管理端的工具，可以做到一机在手、全面掌控，提高了管理效率。本文以手机作为移动终端，设计了一种能跨网络、跨操作系统、泛在管理的计算机实验室远程控制与管理系统。

1 系统需求分析

1.1 实验室现状

以我校经管实验中心为例，实验中心共有12个实验室，其中计算机实验室（机房）有5个，共276台电脑，经管类很多实验课程需要各种不同的软件来模拟和训练，通常根据安装软件的不同来划分实验室的功能。实验中心存在实验室维护与管理工作量大与实验技术人员少的矛盾，每学期期末或开学初需要整理机房、安装更新软件等。学生上机量大，经常出现下课后忘关电脑，或部分学生由于各种原因不能及时完成实验任务而拖堂的情况，这给实验室管理人员造成了额外的负担。

1.2 实验室管理软件现状

目前很多高校都有实验室管理系统，有的独立设计开发，有的购买现有的产品，大多数实验管理系统只是信息管理，如信息的维护、发布、查询统计等，很少涉及对设备的控制操作等管理，如：设备管理、资产管理、实验室课表预约管理、实验室基础管理、实验室建设管理、实验室开放管理、实验室安全管理等[1-4]。也有小部分实验室管理系统涉及对设备的控制操作，如计算机实验室的相关管理软件，但都有局限性，有的管理软件对单个实验室设备管理较好，但是不具备跨网段功能，只能管理一个网段[5]，从实验室网络安全的角度考虑，实验中心每个实验室的网段一般都是不同的，这样该软件就不能同时对多个实验室进行集中管理。也有一些管理软件可以不受网段的限制，采用 PC加校园网的模式，可以集中管理实验中心的所有实验室，但存在可移动性比较差、没有手机版的软件等问题。

可移动性、智能化程度是当前计算机实验室管理软件的必然发展趋势[6-8]。1）可移动性。目前市面上实验室管理软件大多采用 PC加校园网的模式管理，现在智能手机的使用非常普遍，能使用手机等智能终端设备管理实验室是必然的趋势。2）智能化程度。计算机实验室管理软件的智能化是一个发展趋势，如实验室管理软件能根据实验课预约系统中的数据自动编制实验室开放时间表，根据这个时间表通过智能门禁系统，自动打开实验室，自动打开终端设备，实验结束后自动关闭终端设备等。

1.3 系统功能需求

为了解决目前计算机实验室管理存在的问题，根据现有的机房管理软件的特点，实验中心需要一种能远程控制计算机的机房管理软件，需要以下基本功能：远程关机、开机、重启、发送消息、预约关机等。其中预约关机的功能尤为重要，它可以在规定下课时间前一段时间，及时提示学生注意保存数据，防止数据丢失；下课后如有部分电脑未关闭，管理人员可以远程批量关机，从而提高效率，降低工作量。

另外还需满足以下需求：（1）安全性需求。保证系统的数据是安全的，包括数据传输安全、数据存储安全[9-10]。（2）稳定性需求。软件要运行稳定。（3）便利性需求。终端管理需要可移动性，能使用智能手机管理机房。（4）经济性需求。控制软件开发成本，由于是自己开发，满足主要的功能需求，功能简洁，具有较好的经济性。（5）兼容性和易维护性需求。目前微软的 Windows操作系统在 PC机中占主流地位，Android系统在手机操作系统占的份额也是最大的，所以系统要能在这2种操作系统中运行，并且访问数据不能受操作系统的限制。

2 系统设计

2.1 系统架构设计

整个系统采用5层结构的设计方案：管理层、Web服务层、数据存储层、应用监控层、终端控制层。系统包括3类重要设备节点：管理端设备、服务器、终端电脑等，关系如图1所示。各类设备在学校内部使用校园网连接，如果管理者在外地，可以利用互联网通过访问Web Service服务连接到系统，当然为了更加安全，可以通过VPN连接到校园网。为了系统及数据的安全，各节点传输的数据在发送前经过加密程序处理，接收后由解密程序进行解密。

图1 系统的整体架构

终端电脑是整个系统中重要的网络节点控制器，安装控制端程序，终端电脑接收应用服务端或管理端的命令及数据，调用相应的控制程序指令，完成控制过程。应用服务器上安装应用服务端软件，主要接收管理端的命令，经过处理后，向终端电脑发送命令，同时也将终端电脑传回的数据进行分析及存储。管理端设备安装管理端软件，管理人员可以通过应用服务器批量控制终端电脑，也可以精准定点控制单个终端电脑。

移动终端与服务器之间通过Web Service连接。Web Service 是一种独立的平台，它是跨平台的、跨操作系统的、跨编程语言的，包括 XML、SOAP和WSDL技术[11]。利用Web Service技术可以很好地解决计算机实验室远程控制与管理系统的跨硬件平台和跨操作系统，不管使用者选择何种管理设备（台式电脑、平板电脑、智能手机）和操作系统（Windows、Android、Apple）都能连接到该管理平台。

2.2 功能模块设计

根据系统需求分析，系统需要包含以下模块：用户管理模块、控制端模块、服务器端模块、管理端模块。用户管理模块包括以下功能：用户新增、删除、修改、密码管理、权限管理等。控制端模块包括以下功能：自动运行功能、信息监控功能、计算机控制功能等。服务器端模块包括以下功能：远程信息接收功能、数据处理功能、远程信息发送功能等。管理端模块包括以下功能：实验室管理、计算机管理等。

控制端模块与服务器端模块之间的数据通信是整个系统设计的关键。根据OSI网路7层模型，从低到高分为：物理层、数据链路层、网络层、传输控制层、会话层、表示层、应用层，其中底下3层主要解决网络设备的物理连接问题，上面3层（会话层、表示层、应用层）可以归为应用程序部分。所以采用 TCP/IP协议进行数据传输，Socket封装了TCP/IP协议[12-13]，使用Socket可以在服务端程序与客户端程序之间建立连接通信，如图2所示。

图2 控制端模块与应用服务器端模块数据传输流程图

控制端模块部署服务端Socket，应用服务器端模块部署客户端Socket。服务端进程始终处于侦听状态，客户端进程发起请求，服务端进程侦听到客户端Socket后，服务端进程会新建一个线程Socket，发出响应给客户端Socket，客户端Socket确认后，这2个Socket就建立了连接。然后客户端Socket向服务端发送命令，发送的命令经过数据加密后，发送给服务端Socket，服务端接收到数据，然后解密数据，按照命令执行操作，并且返回结果。

2.3 数据库设计

根据系统功能设计，系统主要数据表有：计算机信息表、实验室信息表、用户信息表、权限表、数据字典、实验课程表等。计算机信息表主要包含以下字段：电脑编号、电脑名称、IP地址、MAC地址、电脑状态、所属实验室、备注等。实验室信息表主要包含以下字段：实验室编号、实验室名称、电脑总数、实验室状态、备注等。用户信息表主要包含以下字段：用户编号、用户名、所属部门、权限组等。权限表主要包含以下字段：权限组号、权限号等。数据字典主要包含以下字段：表编号、字段名、字段描述等。实验课程表主要包含以下字段：表编号、实验课名称、授课教师、授课地点、班级、人数、授课周次、授课星期、授课节次等。

2.4 数据加密设计

随着计算机运行速度越来越快，使用DES算法加密变得越来越不安全，而 RSA算法受密钥长度的限制，密钥长度越长，安全度越高，计算量越大，算法速度就越慢[14]。为了取长补短，本系统采用的设计方案是DES与RSA混合加密，密文采用DES加解密，密钥采用RSA加解密。

3 系统实现

系统主要包括3个模块：控制端模块、服务器端模块、管理端模块。

3.1 控制端模块的实现

控制端模块安装在终端电脑上，操作系统为微软的Windows操作系统，开发工具为Delphi。控制端模块在终端电脑启动后会自动运行，等待接收应用服务器上服务端监控模块发送的指令，收到指令后，执行指令操作，反馈信息给应用服务器。

3.2 服务器端模块的实现

服务器端模块安装在服务器上，多个服务器可以组成服务器集群，主要包括：应用服务器、Web服务器和数据库服务器，应用服务器上部署服务端监控模块、Web服务器上部署 IIS、Web Service，数据库服务器上部署Microsoft SQLServer2008数据库。开发工具Microsoft Visual Studio 2012，采用C#语言，使用ASP.NET 技术[15]。

3.3 管理端模块的实现

根据管理端设备及操作系统的不同，使用相应的管理端模块，如PC电脑加Windows操作系统，手机加 Android系统等。管理端 PC版的开发工具为Microsoft Visual Studio 2012、Dephi7，移动版的开发工具为Android Studio 3.0。通过PC电脑管理端模块，管理员可以对实验室进行管理，如新增、删除实验室；对实验室的电脑也可以进行管理，如新建电脑、删除电脑，可以批量新建，也可以单个建，界面如图3所示。实验室信息发送管理，可以选择已编辑的信息模板发送信息，也可以自己新建消息发送，可以对单个实验室发送，也可以对多个实验室批量发送。实验室预约关机，选择实验室，再确定关机的时间，等到离关机时间还有10 min或3 min，系统会自动发关机提醒消息，提醒上课的教师和学生，这样就有足够的时间保存文件。

手机端管理模块与PC端管理模块的功能相似，由于PC机屏幕大，在文字处理、输入方面比手机要方便，所以把实验室、电脑新建、删除等信息编辑的功能存放在PC端管理模块，其他功能PC端与手机端是一样的，如图4所示。

图3 PC端管理员界面

图4 手机端界面

4 结语

这套计算机实验室远程控制与管理系统已在实验中心各个机房得到有效的应用，从使用数据来看，系统运行稳定、已达到设计目标。该系统规范了学生上机习惯、大大减轻了管理人员的工作量，使用手机作为终端管理工具，具有很好的可移动性和便利性。本文设计的基于 5层结构的远程控制系统的设计方案较好地解决了对设备的远程控制跨平台、跨网络、可移动性等问题，为智慧校园中各种智能设备远程控制管理系统的设计及开发提供了思路。下一步可以把门禁管理系统、实验预约系统、实验室视频监控及报警系统集成到该系统平台中去，提高系统的智能化程度。