Ziel des Projekts

EIm Rahmen eines EU-weiten Projekts wird der Zugang zu unterschiedlichen Laborübungen online zur Verfügung gestellt. Es soll eine kostengünstige Möglichkeit zur Unterstützung im Lernprozess von Studierenden technischer Schulen geboten werden.
Im Rahmen dieses Diplomarbeitprojekts sollen Übungen für ein Elektroniklabor entwickelt und aufgebaut werden. Die Zielgruppen sind vor allem jüngere und technikinteressierte Studierende. Dabei sollen über das Internet mit einem benutzerfreundlichen und übersichtlichen Webinterface verschiedene Experimente durchgeführt werden können. Zu jeder Übung sollte eine detaillierte Beschreibung der Verfahrensschritte für den User bereitstehen. Das Onlinelabor soll zudem das "Feeling" einer realen Laborumgebung vermitteln, welches durch den Livestream einer vom Benutzer schwenkbaren Webcam ermöglicht wird.

Lösungsansatz/-weg

Es soll ein sogenanntes "Remote Lab" realisiert werden. Dazu wird ein Reservierungssystem benötigt, um die Benutzung des Labors für mehrere Benutzer zu ermöglichen. Da der gleichzeitige Zugriff einer Vielzahl von Usern hardwaretechnisch nicht möglich bzw. sinnvoll ist, muss ein entsprechendes Zugriffsystem implementiert werden, durch welches sich der Benutzer für eine bestimmte Zeit die Verwendung des Labors reservieren kann.

Für die Benutzung des Labors ist ein Benutzer-Account erforderlich. Dafür muss eine Benutzerdatenbank angelegt werden, um User erstellen und verwalten zu können. Die Datenbank basiert auf der Open-Source-Software MySQL. Der Anwender sollte in der Lage sein, im Webinterface einen Benutzer-Account registrieren zu können. Bei der Registrierung muss der Anwender einen Benutzernamen und ein Passwort zur Authentifizierung festlegen. Diese Daten werden in der Datenbank gespeichert. Das Passwort wird dabei aus Sicherheitsgründen verschlüsselt abgespeichert.

Die Grundstruktur der Webseite soll auf HTML 5 basieren. Die Gestaltung der Oberfläche wird mit CSS und die Funktionalität mit JavaScript realisiert, um Benutzerinteraktionen auszuwerten, Inhalte verändern, nachzuladen oder generieren zu können. Dadurch werden die Möglichkeiten von HTML und CSS erweitert.

Die verfügbaren Experimente sollen vom Anwender ausgewählt werden können. Daraufhin soll das ausgewählte Experiment über einen Livestream auf der Webseite angezeigt werden. Das dynamische Nachladen des Kamerabildes wird mittels AJAX realisiert. Um zwischen den Laborgeräten zu wechseln, wird eine vom Benutzer bedienbare und schwenkbare Webcam verwendet.

Die unterschiedlichen Experimente werden über eine Schaltmatrix mit den Messgeräten zusammengeschalten. Diese Matrix wird im Rahmen des Projekts selbst designet, entwickelt und erstellt. Die Ansteuerung der Laborgeräte erfolgt über eine einheitliche Schnittstelle, die von jedem Gerät unterstützt wird. Zusätzlich muss diese die Anforderungen des Projekts erfüllen. Nach gründlichen Überlegungen fiel die Auswahl auf die USB-Schnittstelle. In Verbindung mit einem CDC-Treiber kann sie ein RS232-Interface simulieren. Dadurch ist es möglich, das einfache Protokoll der seriellen Schnittstelle zu nutzen und eine hohe Datenrate zu erreichen.

Bei jenen Messgeräten bei denen keine USB-Schnittstelle vorhanden ist, kann noch immer auf die RS232 zurückgegriffen werden, die mit einem RS232-zu-USB-Adapter ausgestattet werden kann.

Zur Schaltmatrix, den Messgeräten und manchen Experimenten sollen Software-Bibliotheken in Java zur Verfügung gestellt werden, um eine Fernsteuerung über ein entsprechendes Userinterface zu ermöglichen.

Innovationsaspekt

Im Bereich der technischen Ausbildung haben Laborübungen eine besondere Bedeutung. Versuchsaufbauten werden dabei mit einer Vielzahl von Mess- und Funktionsgeräten untersucht. Aus Kostengründen stehen die Laboreinrichtungen meist nicht uneingeschränkt zur Verfügung. Aus Sicherheitsgründen ist eine Benutzung meist nur unter Aufsicht sinnvoll. Auch soll Studierenden aus Entwicklungsländern ohne Zugang zu einem Labor vor Ort die Möglichkeit geboten werden, die Funktion dieser Geräte kennenzulernen sowie Experimente auszuführen zu können.

In unserem Projekt e-Lab soll den Studierenden und generell allen Technikinteressierten ein leicht durchführbarer Fernzugriff auf ein Onlinelabor ermöglicht werden. Als Voraussetzung für die Durchführung benötigt man nur einen einfachen Webbrowser. Dadurch sind zusätzliche Installationen von Programmen zur Verbindung zum Server nicht erforderlich. Hierbei handelt es sich nicht um eine Simulation, sondern um eine reale Steuerung der Laborgeräte über das Internet. Eine Benutzung des Labors ist somit theoretisch 24 Stunden täglich möglich (Reservierungssystem).

Die verwendeten Übungsschaltungen und Messgeräte können frei miteinander kombiniert werden. Das e-Lab bietet eine Vielzahl an verschiedenen Experimenten, wie beispielsweise eine "BlowTube" (regeltechnisches Modell), durch die man einen Einblick in die Welt der Regelungstechnik bekommt. Aber auch ein Tschebyscheff-Filter oder die Funktion eines RC-Phasenschieber-Oszillators können genauer unter die Lupe genommen werden. Eine Fehlbedienung der Geräte kann softwaretechnisch verhindert werden.