Presentación APRiL

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Introducción y Contexto

Tecnología e Implementación

Trabajo Futuro

Demostración en directo

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¿Por qué es importante experimentar?

Se ha demostrado que experimentar propicia la asimilacion de los contenidos mas facilmente. Si una imagen vale mas que mil palabras un experimento vale mas que mil formulas. Los experimentos permiten observar la realidad que rodea los principios fisicos. Otro de los experimentos que junto a este forman parte de GOLab cuyo objetivo es fomentar el aprendizaje mediante experimentacion online es el que proporciona el CERN en el cual gracias al acelerador de particulas podemos ver los choques entre particulas en un experimento remoto que en vez de calcular matematicamente lo que pasaria en un choque de particulas, muetsra lo que pasa en la realidad de manera grafica. Gracias a esto miles de alumnos aprenden lo que es el neutrino, ya que al calcular la suma de todas las fuerzas implicadas en el experimento nunca se anulan totalmente, siempre queda una pequeña cantidad de energia. Esto es el neutrino, y lo han entienden gracias a los laboratorios remotos. En un experimento el alumno pregunta y la naturaleza responde. El famosos ciclo de Hipotesis, experimentacion, analisis y vuelta a empezar.

¿Qué es un Laboratorio Remoto?

Problemática de los Laboratorios Remotos

Actualmente existe un nutrido grupo de centros de investigacion, fundamentalmente universidades que trabajan para facilitar el desarrollo de laboratorios remotos. La mayoria de ellas disponen de laboratorios en produccion que generalmente son desarrollados para cubrir una necesidad propia y especifica de una asignatura. Esto dificulta enormemente su reutilizacion por otros centros y de esta forma la sostenibilidad de los mismos. En ocasiones se confunden los diferentes roles necesarios para la publicacion de laboratorios remotos. Los roles generalmente son el desarrollador del experimento, el publicador del experimento, y por otro lado el profesor y el usuario. Dentro de esa misma problematica la cuestion es que un mismo laboratorio se intenta darles una optimizacion a lo largo de toda una asignatura, lo cual requiere un uso mas intensivo del deseable. Quizas la solucion de la sostenibilidad pasa por todo lo contrario, hacer cosas con poca utilidad pero utilizarlo entre muchos. Al estar vinculados a asignaturas no se permite facilmente su reutilizacion en otras. Nunca se ha pensado en los laboratorios remotos como un contenido educativo universal que se pueda compartir. En un experimento, igual que en un laboratorio hay muchos planos, mi posicion en este proyecto es la del desarrollador.

Objetivos de este Laboratorio Remoto

Experimentación

Arquitectura asíncrona distribuida

Escalabilidad

Accesibilidad

Dispositivos de bajo coste

Por eso mismo este laboratorio tiene como objetivo proporcionar una experimentacion basada en un contenido universal que pueda ser consumida por multitud de usuarios con diferentes niveles educativos. Mas alla del objetivo concreto existe uno mas generico que es que personas sin conocimientos especificos puedan generar y reutilizar nuevos laboratorios que sean consumibles remotamente. Para ello se puso como objetivo desarrollar una arquitectura que persigue la separacion los elementos de diferentes subsistemas asincronamente distribuidos. Su integracion con la plataforma WebLab-Deusto facilitara su escalabilidad y accesibilidad hacia los usuarios. Ademas de facilitar el despliegue de laboratorios remotos desde el punto de vista tecnico el proyecto trata de abaratarlo mediante el empleo de hardware de bajo coste y facil adquisicion.

Como dijo Arquimedes "un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja". Se selecciono el principio de Arquimedes por ser un principio físico fácilmente demostrable visualmente que ademas posee una gran variedad de aplicaciones a lo largo de toda la carrera educativa de un niño o adolescente. La seleccion fue una idea propuesta por Ton De Jong de la universidad de Twente y lider del proyecto GOLab. Es por esto que laboratorio es un reto no solo contenido, sino en tiempo ya que su desarrollo comenzo con el proyecto ya empezado. El hecho de usar el principio de Arquimedes permite ofrecer escalabilidad y accesibilidad a los usuarios con el laboratorio remoto, y nos permite llevar a cabo la idea de que pueda ser usado tanto por alumnos de primaria como por alumnos de secundaria, e incluso en ciertas carreras

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Arquitectura

UNA POR SUBSITEMA! Se ha tenido que apretar en todas las tecnologias. No solamente algunas son complejas, pero lo mas complejo ha sido la mezcla de todas ellas. Tal como se ve en esta transparencia, la arquitectura se basa cuatro subsitemas principales. Esta arquitectura es distribuida dividiendo las diferentes tareas entre los diferentes nodos que existen. Aunque a simple vista pueden parecer solo tres, ya que solo aparecen tres bloques, uno de los bloques se compone en realidad de dos subsistemas como se vera a continuacion. La comunicacion entre los diferentes subsitemas se hace en todos los casos con REST sobre HTTP, bien de forma cableada mediante Ethernet o de forma inalambrica mediantes WiFi. Ademas, todas las comunicaciones se llevan a cabo de forma asincrona.

Subsistemas

Manipulación y gestión remota del laboratorio

Interfaz web

RLMS en plataforma embebida de bajo coste

Visión artificial para el laboratorio remoto

Los diferentes subsistemas implicados en el laboratorio son: el subsistema de manipulación y gestión remota del laboratorio que se compone de un dispositivo embebido y toda la mecatronica y servicios web asociados al acuario. El subsistema de interfaz web que se encarga de la presentacion del laboratorio remoto al usuario. Este subsistema tiene dos formas de presentacion al usuario, por un lado esta el laboratorio gestionado, que esta totalmente integrado en WebLab-Deusto y genera registro avanzado de las acciones de los usuarios en el laboratorio, y el laboratorio no gestionado que guarda unos registros muy basicos de estas acciones. El subsistema de RLMS en plataforma embebida de bajo coste es el que gestiona todo el laboratorio gracias a la instalacion del WebLab-Deusto en el mismo. En este caso lo hemos federado dentro del sistema de WeblaB-Deusto. Y el subsistema de vision artificial para el laboratorio remoto que se encarga de la recogida de imagenes, su procesado, y su envio al cliente. Los dos ultimos subsistemas se encuentran implementados en una unica plataforma embebida.

Manipulación y gestión remota del laboratorio

Raspberry PI

Manipulación y gestión remota del laboratorio

Mecatrónica

Manipulación y gestión remota del laboratorio

Servicios WEB

            
            def do_GET(self, relativePath):
            ''' Devuelve el estado de las bolas en formato JSON ''' 
            
              if relativePath.startswith(”ballStatus/”):
                (mode, numBall) = relativePath.split(”/”)
                for num in range(1, max_balls + 1):
                  strPath=”/home/pi/emg30/ballStatus%s”, num
                  with open(strPath) as f:
                    ball_status[] = f.read()
              out =json.dumps(”[’Balls’ : ball_status[] ]”)
              return (200, out, M_PLAIN)

Manipulación y gestión remota del laboratorio

PCB diseñada

Interfaz web

Laboratorio gestionado

Interfaz web

Laboratorio no gestionado

RLMS en plataforma embebida de bajo coste

PandaBoard ES

Visión artificial para el laboratorio remoto

PandaBoard ES

Visión artificial para el laboratorio remoto

Software de procesado de imágenes

            
            def find_circles(gray):
            ''' Codigo para buscar circulos en una imagen '''

              circles = cv2.HoughCircles(gray, cv2.cv.CV_HOUGH_GRADIENT, 1.3, 
                                          20, np.array([]), param1=20, 
                                          param2=40, minRadius=35,
                                          maxRadius=45)[0]
              for pos, c in enumerate(circles[:2]) :
              cv2.circle(sketch,(c[0], c[1]), c[2], (0,255,0), 2)
              cv2.putText(sketch, ”Bola %s” % pos, (c[0] + c[2], c[1]  c[2] ),
                           cv2.FONT_HERSHEY_DUPLEX, 1.0,(0,255,0))

Visión artificial para el laboratorio remoto

Servicios WEB

            
            def main_services():
              application = tornado.web.Application([
                (r"/image", image_handler),
                (r"/image_processed", image_processed_handler),
                (r"/image_data", image_data_handler),
                (r"/image_virtual", image_virtual_handler),
              ])

            if __name__ == "__main__":
              application.listen(7777)
              tornado.ioloop.IOLoop.instance().start()

Visión artificial para el laboratorio remoto

Cámaras e iluminación

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Trabajo Futuro

Integración completa del laboratorio en el entorno Graasp

Integración completa del laboratorio no gestionado

Mejoras en la interfaz gráﬁca de usuario

Mejoras en el sistema de izado y arriado de elementos sumergibles

Diseño de una nueva versión del laboratorio

Para llevar a cabo esta integraciónn todos los objetos individuales incluidos en el laboratorio han sido dispuestos al usuario de forma independiente, mediante widgets, permitiendo adecuar la interfaz de usuario a las necesidades de cada experimento individual
En el caso del laboratorio no gestionado, el experimento no ha sido desplegado en Internet como parte totalmente funcional de WebLab-Deusto. Durante todas las pruebas se mantuvo ejecutando el servidor de la aplicación en un equipo local, implemetado sobre la plataforma PandaBoard ES
La actual interfaz gráﬁca de usuario desarrollada como parte del cliente experimental es funcional y ofrece acceso a los principales controles necesarios para gestionar y controlar el laboratorio. Sin embargo, podría beneﬁciarse de algunas mejoras desde el punto de vista del diseño, ya que actualmente no es lo bastante intuitiva.
Existen algunas propuestas que intentan solucionar el problemas desde el punto de vista del software que incluyen una representación gráﬁca interactiva de cada uno de los objetos sumergibles que puedan ser movidas desde la interfaz gráﬁca. Desde el punto de vista del hardware se plantea una pequeña grúa dirigible que deje caer y recoja estos objetos sumergibles.
Implementar un acuario más grande y rediseñar la mecánica del experimento para incluir un número superior de objetos sumergibles. Diseñar experimentos individuales para cada objeto. Cada experimento individual consistirá en: Un tubo de ensayo pequeño, con una escala de medición, y un objeto llenado con un determinado líquido. Un sistema mecatrónico para el control de los objetos: motor, driver, la polea, la mecánica y la Raspberry Pi. Una cámara web y un sistema de iluminación. Un dinamómetro.Una caja para aislar el experimento.

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Demo Laboratorio Gestionado

Demo Laboratorio NO Gestionado

¿Y la parte económica?

Penetración en el mercado

Estimación del primer año

Mercado objetivo	Tamaño	Penetración	Clientes	Horas/mes	Precio/hora	Ingresos totales
Museos	500	1.0 %	5	20	12	1.200
Centros de enseñanza	7.611	0.9 %	70	8	10	5.600
Colegios	7.401	0.8 %	60	4	10	2.400
Universidades	210	0.5 %	1	4	10	40
Total						9.240

Muchas Gracias!

Contacto: gustavo.martin@opendeusto.es

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¿Qué es un Laboratorio Remoto?

Problemática de los Laboratorios Remotos

Objetivos de este Laboratorio Remoto

Experimentación Arquitectura asíncrona distribuida Escalabilidad Accesibilidad Dispositivos de bajo coste

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Manipulación y gestión remota del laboratorio Interfaz web RLMS en plataforma embebida de bajo coste Visión artificial para el laboratorio remoto

Manipulación y gestión remota del laboratorio

Raspberry PI

Manipulación y gestión remota del laboratorio

Mecatrónica

Manipulación y gestión remota del laboratorio

Servicios WEB

Manipulación y gestión remota del laboratorio

PCB diseñada

Interfaz web

Laboratorio gestionado

Interfaz web

Laboratorio no gestionado

RLMS en plataforma embebida de bajo coste

PandaBoard ES

Visión artificial para el laboratorio remoto

PandaBoard ES

Visión artificial para el laboratorio remoto

Software de procesado de imágenes

Visión artificial para el laboratorio remoto

Servicios WEB

Visión artificial para el laboratorio remoto

Cámaras e iluminación

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Trabajo Futuro

Integración completa del laboratorio en el entorno Graasp Integración completa del laboratorio no gestionado Mejoras en la interfaz gráﬁca de usuario Mejoras en el sistema de izado y arriado de elementos sumergibles Diseño de una nueva versión del laboratorio

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Demo Laboratorio Gestionado

Demo Laboratorio NO Gestionado

¿Y la parte económica?

Penetración en el mercado

Estimación del primer año

Muchas Gracias!

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Mejoras en el sistema de izado y arriado de elementos sumergibles

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