Remote-Hardwaresystem Prism4 von LabsLand

Was sind Fernlabore?

Fernlabore oder Remote-Hardwaresysteme sind im Kontext von Bildung und Ausbildung Hard- und Softwaresysteme, die es ermöglichen, über das Internet auf reale Geräte an anderen Orten zuzugreifen. Fernlabore können unter anderem auch als Remote-Laboratorien, fernzugängliche Laboratorien oder Weblabore bezeichnet werden. Studierende oder Auszubildende haben rund um die Uhr und von jedem Ort der Welt aus Zugriff auf die Geräte. In der Regel ist dafür nur ein Webbrowser erforderlich.

Ein Beispiel für ein Fernlabor ist ein FPGA-Fernlabor, in dem die Studierenden einen echten FPGA (in diesem Fall einen DE1-SoC mit einem Altera-FPGA) steuern können. Sie können HDL-Code schreiben, ihn online synthetisieren und das Design an eines der verfügbaren FPGA-Fernlabore im LabsLand-Netzwerk senden. Später können die Studierenden mit dem FPGA in Echtzeit interagieren, während sie das Board und die Ergebnisse ihres Experiments über einen Live-Videostream beobachten:

(Bildquelle: Pablo Orduña)

Der FPGA ist real und die Studierenden können über einen Webbrowser in Echtzeit mit ihm interagieren.

Geschichte der Fernlabore

In der Literatur finden sich seit Mitte der 90er Jahre zahlreiche derartige Systeme sowie verschiedene Initiativen, die sich mit der Fernsteuerung von Labors in den Bereichen Technik, Chemie, Physik, Robotik, Biologie und anderen Bereichen befassen. Seitdem wurden Open-Source-Softwarelösungen wie LabDiscoveryEngine/WebLab-Deusto, iLab, Labshare oder RexLab entwickelt, um die Software von Fernlaboren auf diesen aufzubauen.

Auf der Hardwareseite wurden die meisten der Fernlabore jedoch von Grund auf neu entwickelt. Dies führte zu Lösungen, die nicht nachhaltig und nicht skalierbar, aber dennoch zeitaufwändig und teuer sind, was die Universitäten davon abhielt, ihre eigenen Labore einzurichten.

Was ist Prism4?

Das LabsLand Prism4 ist ein neues Produkt von LabsLand und DigiKey. Es handelt sich um ein modulares Produkt aus Hardware und Software, das als Gerüst für die Einrichtung und den Einsatz von Fernlaboren dient und eine modulare Struktur mit Kameras, Beleuchtungssystemen, einem modularen Energieverwaltungssystem, einem Lichtdiffusionssystem und Lichtvorhängen aufweist. Zusammen bieten diese Komponenten eine hochgradig anpassbare Umgebung, in der Fernlabore installiert werden können. Unten sehen Sie zum Beispiel ein Foto eines leeren LabsLand Prism4 ohne die Vorderseite und die Rückseite mit der Hintergrundbeleuchtung:

(Bildquelle: Pablo Orduña)

Das Prism4 kann unabhängig verwendet werden und bietet Forschenden eine saubere Grundlage für die Einrichtung ihres eigenen Fernlabors, oder sie können mit LabsLand zusammenarbeiten, um eine maßgeschneiderte Lösung zu entwickeln. Das LabsLand Prism4 kann auch mit bestehenden Prism4-Hardwaresystemen geliefert werden. Im Falle des oben genannten DE1-SoC-Beispiels wird das Prism4-Hardwaresystem mit zwei Arbeitsplattformen von Phase Dock, wie dem folgenden (ohne FPGAs) und mit dem Oszilloskop, VGA-Unterstützung für 4 FPGAs, Audio-Unterstützung und weiteren Features geliefert:

(Bildquelle: Pablo Orduña)

Die Installation des Prism4-Hardwaresystems in einem Prism4 ist sehr einfach: Sie schließen 4 Kabel von der Arbeitsplattform an das Prism4 an, und nach Abschluss der Software-Registrierung ist das Fernlabor einsatzbereit.

Das Foto unten zeigt ein volles Prism4 mit 4 DE1-SoCs auf der Konferenz ECEDHA 2024:

(Bildquelle: Pablo Orduña)

Für Lehrkräfte oder Ausbilder, die an der Nutzung von Fernlaboren interessiert sind

Option 1: Erwerb von Lizenzen.

Lehrkräfte und Ausbilder, die sofort auf Fernlabore zugreifen und diese nutzen möchten, können dies ganz einfach durch den Erwerb von Lizenzen bei DigiKey tun. Die Lizenzen beinhalten den Zugang zu verschiedenen Laboren im LabsLand-Netzwerk, wie DE1-SoC-FPGAs, STM32-Boards, Arduino-Roboter und -Board oder Elektronik. Es ist keine Hardware erforderlich und der Zugang kann auch für Studenten erworben werden. LabsLand würde einen institutionellen Raum für die Organisation schaffen, über den die Studierenden Zugang zu dem Programm erhalten würden.

Option 2: Erwerb eines Prism4.

Alternativ können Lehrkräfte die Prism4-Strukturen auch kaufen und in ihren Einrichtungen installieren. Diese Option hat mehrere Vorteile gegenüber dem reinen Lizenzerwerb:

• Studierende haben vorrangigen Zugang zu ihren eigenen Geräten und zusätzlich Zugang zu denselben Geräten im übrigen LabsLand-Netz,
• Studierende sehen das Logo ihrer Universität,
• Labore können individuell gestaltet werden.

Beide Optionen umfassen eine breite Palette von Peripheriegeräten für die Labore sowie Integrationen mit Lernmanagementsystemen wie Canvas, Blackboard oder Moodle, Analysefunktionen und vieles mehr.

(Bildquelle: Pablo Orduña)

Für Forschende, die an der Einrichtung individueller Fernlabore interessiert sind

Forschende, die ihre eigenen Fernlabore einrichten möchten, können ein leeres Prism4 kaufen und mit den Arbeitsplattformen von Phase Dock verschiedene Arten von Fernlaboren bauen. So hat das „Remote Hub Lab“ der University of Washington ein „Software Defined Radio“-Fernlabor entwickelt, das sowohl Red Pitaya als auch ADALM Plutoverwendet. Das Team verwendete fünf Prism4-Strukturen von LabsLand mit jeweils vier Arbeitsplattformen von Phase Dock.

Auf der Website zur Projektdokumentation finden Sie Videos darüber, wie das RHLab die 3D-Teile mit den SDR-Geräten entworfen und in das Prism4 eingebaut hat. Auf die gleiche Weise können andere Universitäten Prism4 nutzen, um ihre eigenen Fernlabore einzurichten.