Remote Laboratory System: LabCon

Veröffentlicht am von

 

Was ist LabCon?

Die Corona-Pandemie brachte viele Herausforderungen für den Bildungssektor. Eines dieser Probleme war die Lehre in einer Weise zu gestalten, die das Infektionsrisiko für alle Beteiligten minimierte. Folglich ergab sich ein großer Bedarf an E-Learning Plattformen, die eine Form der Fernlehre ermöglichten. Neben den zahlreichen Online-Angeboten für virtuelle Vorlesung und Austausch, wie Big Blue Button, besteht ein zusätzlicher Bedarf an online nutzbaren Labor Systemen, die Studierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften oft im Bildungskontext nutzen.

Der Ansatz zur Bereitstellung physischer Laborgeräte über eine Remote-Verbindung nennt sich Remote-Lab-Systeme. Verschiedene RLS-Produkte, wie Keysight , existieren bereits auf dem Markt. Alternativ wurde durch ein studentisches Team der Hochschule Mittweida ein RLS-System entwickelt, welches für den Gebrauch in Hochschul-Infrastruktur entwickelt wurde und somit besonders im Kontext von E-Learning interessant ist. Dieses System mit dem Namen LabCon ermöglicht den Nutzern einen webbasierten Zugriff auf Laborgeräte der Hochschule und wird im Folgenden im Kontext von betrieblichen Informationssystemen vorgestellt.

LMS und RLS

Lernmanagementsysteme (LMS)

Lernmanagementsysteme sind digitale Plattformen, die insbesondere der Bereitstellung, Planung, Organisation und Evaluation von Schulungs- und Weiterbildungsprogrammen dienen. Sie stellen eine zentrale Infrastruktur bereit, über die Lehrmaterialien, Lernmodule und häufig auch Kommunikationswerkzeuge gebündelt werden. Die meisten LMS bieten ein Rechteverwaltungssystem an, wodurch die Zuweisung spezifischer Lerninhalte an bestimmte Zielgruppen und die Verwaltung von Lernfortschritten ermöglicht wird.

Typische Einsatzbereiche sind das Onboarding neuer Mitarbeitender, die Durchführung von Pflichtschulungen, die kontinuierliche Kompetenzentwicklung innerhalb von Organisationen sowie externe Trainings, beispielsweise für Produktschulungen. LMS fördern selbstbestimmtes Lernen, indem sie Lernenden zeit- und ortsunabhängigen Zugriff auf Materialien bieten.
Beispiele für solche Systeme sind Moodle, WebWeaver oder Cornerstone.

Remote Laboratory Systems (RLS)

Remote Laboratory Systems sind digitale Infrastrukturen, die den Zugriff auf Laborumgebungen und Experimente über das Internet ermöglichen. Sie erweitern klassische Lern- und Arbeitsumgebungen, indem sie die Durchführung von Experimenten unabhängig von physischer Präsenz im Labor erlauben.

Dabei wird zwischen zwei Grundformen unterschieden:
Virtual Labs bieten vollständig softwarebasierte Simulationen von Experimenten an. Diese bilden physikalische Prozesse nach und sind beliebig oft wiederholbar, da keine realen Werkzeuge involviert sind.
Im Gegensatz dazu bieten Remote Labs die Möglichkeit reale Messgeräte und Versuchsanordnungen über eine Online-Schnittstelle anzusteuern.

Der Einsatz von RLS ist besonders sinnvoll bei riskanten Experimenten, bei kostspieligen Instrumenten oder in Szenarien mit räumlich verteilten Teams. Zudem können RLS in bestehende LMS integriert werden, wodurch eine enge Verzahnung von theoretischem Lernen und praktischer Anwendung entsteht. Beispiele für RLS sind Systeme wie KeySight, LabView, Matlab oder VISIR.

 

Systemarchitektur und Funktionsweise von LabCon

Im folgenden Abschnitt werden die Systemarchitektur sowie die Funktionsweise der LabCon-Webanwendung beschrieben. Ziel ist es, die zentralen Komponenten, deren Zusammenspiel sowie den Ablauf des gesicherten Zugriffs auf verteilte Laborhardware strukturiert darzustellen. Die Beschreibung orientiert sich an der dargestellten Architektur und fokussiert die eingesetzten Web-, Proxy- und Hardwarekomponenten.

Abbildung 1: Übersicht der Systemarchitektur mit zentraler Webplattform, interner Proxy-Schicht und angebundener Laborhardware.

Webzugriff und Authentifizierung

Der Zugriff auf die LabCon-Webanwendung erfolgt über einen Webbrowser und wird zunächst über einen vorgeschalteten Reverse Proxy geleitet. Dieser übernimmt die Weiterleitung der Anfragen sowie die Integration der hochschulweiten Authentifizierungsinfrastruktur mittels Shibboleth. Nach erfolgreicher Anmeldung wird der Nutzer in die zentrale Webanwendung weitergeleitet, die auf dem Framework Nuxt 3 basiert und sowohl Frontend- als auch Backend-Funktionalitäten bereitstellt. Die Kommunikation zwischen Browser und Webanwendung erfolgt ausschließlich über gesicherte HTTPS- und WSS-Verbindungen, um die Integrität und Vertraulichkeit der übertragenen Daten zu gewährleisten.

Zentrale Webplattform

Innerhalb der Nuxt-3-Webanwendung ist ein webbasiertes Frontend implementiert, das die Benutzeroberflächen für Studierende und Dozierende bereitstellt. Zur Unterstützung der Anwendungslogik existiert ein API-basiertes Backend, das mit einer relationalen SQL-Datenbank verbunden ist. Für den Datenzugriff und die Modellierung der Persistenzschicht wird ein ORM eingesetzt, sodass Konfigurationsdaten, Benutzerinformationen, Geräteparameter und Buchungsinformationen strukturiert verwaltet werden können. Die Pflege dieser Daten erfolgt über das Frontend durch autorisierte Nutzer, insbesondere Dozierende und Administratoren. Eingaben ins System werden durch das Zod-Schemata validiert.

Interne Proxy-Schicht

Ein zentrales Element der Architektur ist die interne Proxy-Schicht, die sowohl HTTP- als auch WebSocket-Verbindungen verarbeitet. Sie übernimmt das interne Routing der Anfragen zu den angebundenen Laborgeräten und stellt sicher, dass ausschließlich autorisierte und zeitlich gültige Zugriffe zugelassen werden. Die Proxy-Logik berücksichtigt dabei gerätespezifische Parameter wie Portnummern und verwendete Protokolle, die aus der Datenbank geladen werden. Zusätzlich sorgt ein zeitbasierter Kontrollmechanismus dafür, dass aktive Sitzungen nach Ablauf des vorgesehenen Zeitfensters beendet werden.


Abbildung 2: Verwaltung und Konfiguration angebundener Laborgeräte in der Dozierenden-Ansicht.

Abbildung 3: Geöffnetes Key-Sight Oszilloskop über den WSS-Web-Zugriff.

Buchungssystem und Gerätezugriff

Die Buchung eines von den Dozierenden festgelegten Zeitslots für den Zugriff auf die Versuche und der dazugehörigen Laborgeräte durch die Studierenden ist durch das integrierte Benutzerverwaltungssystem möglich. Hier wird sichergestellt, dass die Nutzung der Laborgeräte sich nicht überschneidet und die maximalen Buchungen der Studierendengruppen nicht überschritten werden. Den Versuchen können zudem bestimmte Studiengruppen zugewiesen werden. Der Zugriff auf die gesamte Webanwendung kann ebenso verwaltet werden.


Abbildung 4: Ansicht Weboberfläche des Studierenden der Buchungsseite.

Anbindung der Hardware-Schnittstelle RaspCon

Ergänzend zur zentralen Webplattform ist die Hardware-Schnittstelle RaspCon angebunden. Diese auf einem Raspberry Pi basierende Komponente stellt eine zusätzliche Webanwendung bereit, die über das interne Routing-System direkt in LabCon integriert ist. Über RaspCon können Dozierende sogenannte Blueprints für Versuchsaufbauten definieren, die anschließend über angeschlossene Schaltmodule umgesetzt werden. Ein integriertes Kameramodul ermöglicht zudem die Übertragung eines Live-Streams des realen Versuchsaufbaus an die Weboberfläche.


Abbildung 4: RaspCon-Webanwendung und angebundene Raspberry-Pi-Hardware.

LabCon und RaspCon bilden gemeinsam ein eng verzahntes Gesamtsystem, das die zentrale Webplattform mit verteilter Laborhardware verbindet. Durch den Einsatz von Proxy-Mechanismen, gesicherten Kommunikationsprotokollen und zentraler Konfigurationsverwaltung wird ein kontrollierter, skalierbarer und sicherer Remote-Laborbetrieb ermöglicht. Die modulare Architektur erlaubt eine flexible Erweiterung um zusätzliche Laborgeräte und Versuchsaufbauten und stellt damit eine leistungsfähige Grundlage für den digitalen Laborbetrieb im Hochschulkontext dar.

LabCon im BIS Kontext

LabCon lässt sich im Kontext Betrieblicher Informationssysteme als integriertes, soziotechnisches Anwendungssystem einordnen, das betriebliche Prozesse des Laborbetriebs digital unterstützt. Die Plattform verarbeitet und verknüpft Informationen zu Nutzern, Rollen, Buchungen, Geräten und Zeitfenstern und stellt diese strukturiert für Planung, Steuerung und Kontrolle der Laborressourcen bereit. Damit übernimmt LabCon sowohl Funktionen eines Lenkungssystems, indem Zugriffsregeln und Ressourcenzuteilungen durchgesetzt werden, als auch eines Leistungssystems, da die eigentliche Durchführung der Laborversuche über das System erfolgt. Durch die enge Kopplung von Webanwendung, Datenhaltung, Proxy-Mechanismen und physischer Laborhardware erfüllt LabCon die zentralen Merkmale eines betrieblichen Informationssystems und trägt zur Effizienz, Transparenz und Skalierbarkeit des digitalen Lehrbetriebs bei.

LabCon erfüllt alle Kernanforderungen an ein betriebliches Informationssystem, da es:

  • datenverarbeitend ist (Gerätekonfiguration, Buchungen).
  • prozessunterstützend ist (Laborbetrieb wird digital gesteuert).
  • organisatorisch eingebettet ist (Fakultät & IT).
  • menschenzentriert ist (Studierende ↔ Betreuende ↔ Administration).
  • eine technische Infrastruktur nutzt (Proxys, Backend, DB, Geräte).

 

Vergleich zu anderen RLS

Kategorie LabCon Key Sight BenchVue/ PathWave
Kosten – Open Source Grundlage –> geringe Kosten -3 Monats Abo ab 11.000€
-spezielle Education-Lizenzten möglich
Platform Cloud-based Cloud-based
Hardware
Integration		 -Messgeräte von KeySight
-Versuchsaufbau über Raspberry Pi		 -Messgeräte vor allem von KeySight
-weitere Libraries nötig
Funktionen -Laborverwaltung
-Nutzenden- verwaltung
-Instrumentsteuerung im Browser
-Analyse Nutzungsdaten		 -Laborverwaltung
-Instrumentsteuerung im Browser
-Remote Desktop
Zielgruppe Hochschulen, insbesondere Elektrotechnik Lehrlabore
Kategorie LabView Matlab
Kosten -Jahres Abo zwischen 555€ und 4.500€
-einmahlzahlung ca 2.000€ bis 16.000€		 -befristete, unbefristete und On-Demand Lizenzen
-Studierende ab 69€
-kommerzielle Nutzung ab 938€/Jahr
Platform Windows, Linux -Desktop (Windows, macOS, Linux)
-Browser
Hardware
Integration		 -NI-Hardware
-Drittanbieter		 keine spezifischen Einschränkungen
Funktionen -einfache bis komplexe Prüf- und Messanwendungen
-integrierte Analysealgorithmen
-Signalaufbereitung
-Bereitstellung, Verteilung und Protokollierung von Programmcode		 -Test und Messung –> Automatisierung
-Simulationen in verschiedenen Gebieten
-Datenmodelierung und -visualisierung
-Bildverarbeitung
-Software für Zustandsüberwachung
Zielgruppe -Praxisorientierte Lehre
-Industrie		 -Forschung
-analytische/ modellbasierte Lehre
-Nutzung in vielen Fachgebieten und Branchen

Quellen