Анализ подходов к созданию лабораторий дистанционного автоматизированного управления физическими объектами
Аннотация
Работа посвящена обзору подходов (технологий и методов) применяемых для создания систем удаленных лабораторий, позволяющих дистанционно управлять физическими объектами. В качестве физических объектов понимаются устройства Интернета вещей, то есть микропроцессорные системы, оснащенные инфокоммуникационными технологиями для взаимодействия друг с другом и внешней средой. В связи с неблагоприятной эпидемиологической обстановкой, вызванной коронавирусной инфекцией COVID-19, преподаватели и студенты были вынуждены работать дистанционно. Однако, изучение некоторых учебных дисциплин требует доступ к физическому оборудованию и сетевым сервисам. В такой ситуации предлагается использовать удаленную лабораторию, т. е. аппаратно-программный комплекс, предоставляющий доступ к лабораторному оборудованию, находящемуся в месте физического расположения лаборатории, и позволяющий пользователю проводить работы удаленно. Данные системы также облегчают организацию обучения студентов, у которых нет возможности присутствовать в лаборатории. Цель работы – проанализировать и систематизировать существующие подходы, применяемые при создании удаленных лабораторий, и предложить собственный подход к созданию стенда для дистанционной работы с устройствами Интернета вещей. В статье проводится исторический обзор и анализ научных работ, посвященных созданию удаленных лабораторий. Рассмотрено 12 лабораторий с удаленным доступом, применяющихся для обучения и проведения исследований с аналоговой и цифровой электроникой, микроконтроллерными устройствами и физическими объектами. Среди рассмотренных удаленных лабораторий не выявлено систем, которые были бы ориентированы на исследование технологий Интернета вещей. Рассмотренные системы использовали IoT-технологии для организации связи между лабораторным оборудованием и пользователями. Однако пользователи лабораторий не используют платформы Интернета вещей для экспериментов, не исследуют технологии связи и межмашинное взаимодействие. На основании анализа научных работ предложена концепция цифрового-двойника – удаленной лаборатории для изучения дисциплин, связанных с технологиями Интернета вещей.
Литература
2. Radnina N.K., Balakina Ju. V. Vyzovy obrazovaniyu v usloviyah pandemii: obzor issledovanij [Challenges for Education during the Pandemic: An Overview of Literature]. Voprosy obrazovaniya = Education issues. 2021;(1):178-194. (In Russ., abstract in Eng.) https://doi.org/10.17323/1814-9545-2021-1-178-194
3. Zakharova U.S., Vilkova K.A., Egorov G.V. Etomu nevozmozhno obuchit' onlajn: prikladnye special'nosti v usloviyah pandemii [It Can t Be Taught Online: Applied Sciences during the Pandemic]. Voprosy Obrazovaniya = Educational Studies Moscow. 2021;(1):115-137. (In Russ., abstract in Eng.) https://doi.org/10.17323/1814-9545-2021-1-115-137
4. Jacko P., Bereš M., Kováčová I. et al. Remote IoT Education Laboratory for Microcontrollers Based on the STM32 Chips. Sensors. 2022;22(4):1440. https://doi.org/10.3390/s22041440
5. Ku H., Ahfock T., Yusaf T. Remote access laboratories in Australia and Europe. European Journal of Engineering Education. 2011;36(3):253-268. https://doi.org/10.1080/03043797.2011.578244
6. Taylor K., Dalton B., Trevelyan J. Web-based telerobotics. Robotica. 1999;17:49-57. https://doi.org/10.1017/S0263574799000752
7. Lipay B.R., Maslov S.I. Internet-laboratoriya Osnovy elektrotekhniki i elektroniki kak primer sovremennogo uchebnogo kompleksa s udalennym dostupom dlya otkrytogo inzhenernogo obrazovaniya [The Internet-Based Laboratory Fundamentals of Electrical Engineering and Electronics as an Example of a Modern Remotely Accessible Educational Package for Obtaining Open Engineering Education]. Vestnik Moskovskogo Energeticheskogo Instituta = Bulletin of the Moscow Energy Institute. 2017;(2):71-76. (In Russ., abstract in Eng.) https://doi.org/10.24160/1993-6982-2017-2-71-76
8. Salzmann C., Gillet D. Challenges in Remote Laboratory Sustainability. In: Proceedings of the International Conference on Engineering Education ICEE 2007. Coimbra, Portugal; 2007. p. 1-6. Available at: https://citeseerx.ist.psu.edu/document?repid=rep1&type=pdf&doi=9bc954b248de5302ba554e217dc82379575b07b4 (accessed 29.08.2023).
9. Taj A., Sombria J., Gaga A. et al. Conception and Implementation of an IoT System for Remote Practical Works in Open Access University s Electronic Laboratories. International Journal of Online and Biomedical Engineering. 2021;17(2):19-36. https://doi.org/10.3991/ijoe.v17i02.19755
10. Sanchez-Herrera R., Mejías A., Márquez M.A., Andújar J.M. The Remote Access to Laboratories: A Fully Open Integrated System. IFAC-PapersOnLine. 2019;52(9):139-143. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2019.08.135
11. Magyari A., Chen Y. FPGA Remote Laboratory Using IoT Approaches. Electronics (Switzerland). 2021;10(18):2229. https://doi.org/10.3390/electronics10182229
12. Valencia de Almeida F., Hayashi V.T., Arakaki R. et al. Teaching Digital Electronics during the COVID-19 Pandemic via a Remote Lab. Sensors. 2022;22(18):6944. https://doi.org/10.3390/s22186944
13. Svatos J., Holub J., Fischer J., Sobotka J. Online teaching of practical classes under the Covid-19 restrictions. Measurement. Sensors. 2022;22:100378. https://doi.org/10.1016/j.measen.2022.100378
14. Kuznetsov K.S., Tarasov V.G. Virtual'naya laboratoriya dlya izucheniya arhitektury i programmirovaniya mikrokontrollerov STM32 [Virtual Laboratory for Studying and Programming Stm32 Microcontrollers]. Intellektual'nye sistemy v proizvodstve = Intelligent Systems in Manufacturing. 2021;19(4);98-110. (In Russ., abstract in Eng.) https://doi.org/10.22213/2410-9304-2021-4-98-110
15. Ariza J., Galvis C. N. RaspyControl Lab: A fully open-source and real-time remote laboratory for education in automatic control systems using Raspberry Pi and Python. HardwareX. 2023;13:e00396. https://doi.org/10.1016/j.ohx.2023.e00396
16. Azad A.K.M. Design and Development of Remote Laboratories with Internet of Things Setting. Advances in Internet of Things. 2021;11(3):95-112. https://doi.org/10.4236/ait.2021.113007
17. Shevchenko Yu.L. Ot Leonardo Da Vinchi k robotu Da Vinchi [From Leonarda Da Vinci to the Da Vinci Robot]. Vestnik Nacional'nogo mediko-hirurgicheskogo centra im. N. I. Pirogova = Bulletin of Pirogov National Medical & Surgical Center. 2012;7(1):15-20. (In Russ., abstract in Eng.) EDN: SIAEZT
18. Ashcroft J.M., Cakmak A.O., Blatti J. et al. It s RAINing: Remotely Accessible Instruments in Nanotechnology to Promote Student Success. Current Issues in Emerging eLearning. 2017;4(1):63-99. https://doi.org/10.22158/fet.v2n2p74
19. Min A., Ashcroft J., Monroy J. et al. Making it RAIN: Using Remotely Accessible Instruments in Nanotechnology to Enhance High School Science Courses. Frontiers in Education Technology. 2019;2(2):74. https://doi.org/10.22158/fet.v2n2p74
20. Taj A.M., Chacón J., Torre L. et al. An architecture to implement generalized sampling in Online Laboratories. IFAC-PapersOnLine. 2022;55(17):332-337. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2022.09.301
21. Torre L., Matijević M., Seničić Đ. et al. Summary Protocol on How to Develop a Remote Laboratory. International Scientific Conference on Information Technology and Data Related Research. Belgrade, Singidunum University, Serbia; 2022. p. 163-168. https://doi.org/10.15308/Sinteza-2022-163-168
22. Koloskov S.Yu., Starovikov M.I., Starovikova I.V. Ispol'zovanie cifrovogo izmeritel'nogo kompleksa na baze platformy Arduino v laboratornom praktikume po fizike [Software and Hardware Platform Arduino, Digital Measuring System, Laboratory Work in Physics]. Otkrytoe i distancionnoe obrazovanie = Open and distance education. 2017;(2):51-57. (In Russ., abstract in Eng.) https://doi.org/10.17223/16095944/66/5
23. Izmailova L.G., Belorukov A.M., Romanov A.Yu. Distancionnyj stend dlya sinhronnoj raboty s oborudovaniem na osnove PLIS [Remote Stand for Synchronous Operation with FPGA-based Equipment]. Problemy razrabotki perspektivnyh mikro- i nanoelektronnyh sistem (MES) = Problems of Advanced Micro- and Nanoelectronic Systems (MNS) Development. 2022;(4):117-121. (In Russ., abstract in Eng.) https://doi.org/10.31114/2078-7707-2022-4-117-121
24. Lavayssière C., Larroque B., Luthon F. Laborem Box: A scalable and open source platform to design remote lab experiments in electronics. HardwareX. 2022;11:1-21. https://doi.org/10.1016/j.ohx.2022.e00301
25. Simiscuka A.A., Markande T.M., Muntean G.M. Real-Virtual World Device Synchronization in a Cloud-Enabled Social Virtual Reality IoT Network. IEEE Access. 2019;7:106588-106599. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2933014
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Редакционная политика журнала основывается на традиционных этических принципах российской научной периодики и строится с учетом этических норм работы редакторов и издателей, закрепленных в Кодексе поведения и руководящих принципах наилучшей практики для редактора журнала (Code of Conduct and Best Practice Guidelines for Journal Editors) и Кодексе поведения для издателя журнала (Code of Conduct for Journal Publishers), разработанных Комитетом по публикационной этике - Committee on Publication Ethics (COPE). В процессе издательской деятельности редколлегия журнала руководствуется международными правилами охраны авторского права, нормами действующего законодательства РФ, международными издательскими стандартами и обязательной ссылке на первоисточник.
Журнал позволяет авторам сохранять авторское право без ограничений. Журнал позволяет авторам сохранить права на публикацию без ограничений.
Издательская политика в области авторского права и архивирования определяются «зеленым цветом» в базе данных SHERPA/RoMEO.
Все статьи распространяются на условиях лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная, которая позволяет другим использовать, распространять, дополнять эту работу с обязательной ссылкой на оригинальную работу и публикацию в этом журналe.
