{"id":4231,"date":"2025-12-10T12:12:38","date_gmt":"2025-12-10T11:12:38","guid":{"rendered":"https:\/\/informatik.htwk-leipzig.de\/seminar\/?p=4231"},"modified":"2025-12-15T17:03:53","modified_gmt":"2025-12-15T16:03:53","slug":"remote-laboratory-system-labcon","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/informatik.htwk-leipzig.de\/seminar\/lehrveranstaltungen\/betriebliche-informationssysteme\/2025\/remote-laboratory-system-labcon\/","title":{"rendered":"Remote Laboratory System: LabCon"},"content":{"rendered":"

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Was ist LabCon?<\/strong><\/h1>\n

Die Corona-Pandemie brachte viele Herausforderungen f\u00fcr den Bildungssektor. Eines dieser Probleme war die Lehre in einer Weise zu gestalten, die das Infektionsrisiko f\u00fcr alle Beteiligten minimierte. Folglich ergab sich ein gro\u00dfer Bedarf an E-Learning<\/strong> Plattformen, die eine Form der Fernlehre erm\u00f6glichten. Neben den zahlreichen Online-Angeboten f\u00fcr virtuelle Vorlesung und Austausch, wie Big Blue Button, besteht ein zus\u00e4tzlicher Bedarf an online nutzbaren Labor Systemen, die Studierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften oft im Bildungskontext nutzen<\/span>.<\/span><\/p>\n

Der Ansatz zur Bereitstellung physischer Laborger\u00e4te \u00fcber eine Remote-Verbindung nennt sich Remote-Lab-Systeme<\/strong>. Verschiedene RLS-Produkte, wie Keysight<\/strong> , existieren bereits auf dem Markt. Alternativ wurde durch ein studentisches Team der Hochschule Mittweida ein RLS-System entwickelt, welches f\u00fcr den Gebrauch in Hochschul-Infrastruktur entwickelt wurde und somit besonders im Kontext von E-Learning interessant ist. Dieses System mit dem Namen LabCon<\/strong> erm\u00f6glicht den Nutzern einen webbasierten Zugriff auf Laborger\u00e4te der Hochschule und wird im Folgenden im Kontext von betrieblichen Informationssystemen vorgestellt.<\/span><\/p>\n

LMS und RLS<\/h1>\n

Lernmanagementsysteme (LMS)<\/strong><\/h2>\n

Lernmanagementsysteme sind digitale Plattformen, die insbesondere der Bereitstellung, Planung, Organisation und Evaluation von Schulungs- und Weiterbildungsprogrammen dienen. Sie stellen eine zentrale Infrastruktur bereit, \u00fcber die Lehrmaterialien, Lernmodule und h\u00e4ufig auch Kommunikationswerkzeuge geb\u00fcndelt werden. Die meisten LMS bieten ein Rechteverwaltungssystem an, wodurch die Zuweisung spezifischer Lerninhalte an bestimmte Zielgruppen und die Verwaltung von Lernfortschritten erm\u00f6glicht wird.<\/p>\n

Typische Einsatzbereiche sind das Onboarding neuer Mitarbeitender, die Durchf\u00fchrung von Pflichtschulungen, die kontinuierliche Kompetenzentwicklung innerhalb von Organisationen sowie externe Trainings, beispielsweise f\u00fcr Produktschulungen. LMS f\u00f6rdern selbstbestimmtes Lernen, indem sie Lernenden zeit- und ortsunabh\u00e4ngigen Zugriff auf Materialien bieten.
\nBeispiele f\u00fcr solche Systeme sind Moodle<\/strong>, WebWeaver<\/strong> oder Cornerstone<\/strong>.<\/p>\n

Remote Laboratory Systems (RLS)<\/strong><\/h2>\n

Remote Laboratory Systems sind digitale Infrastrukturen, die den Zugriff auf Laborumgebungen und Experimente \u00fcber das Internet erm\u00f6glichen. Sie erweitern klassische Lern- und Arbeitsumgebungen, indem sie die Durchf\u00fchrung von Experimenten unabh\u00e4ngig von physischer Pr\u00e4senz im Labor erlauben.<\/p>\n

Dabei wird zwischen zwei Grundformen unterschieden:
\nVirtual Labs<\/strong> bieten vollst\u00e4ndig softwarebasierte Simulationen von Experimenten an. Diese bilden physikalische Prozesse nach und sind beliebig oft wiederholbar, da keine realen Werkzeuge involviert sind.
\nIm Gegensatz dazu bieten Remote Labs<\/strong> die M\u00f6glichkeit reale Messger\u00e4te und Versuchsanordnungen \u00fcber eine Online-Schnittstelle anzusteuern.<\/p>\n

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Der Einsatz von RLS ist besonders sinnvoll bei riskanten Experimenten, bei kostspieligen Instrumenten oder in Szenarien mit r\u00e4umlich verteilten Teams. Zudem k\u00f6nnen RLS in bestehende LMS integriert werden, wodurch eine enge Verzahnung von theoretischem Lernen und praktischer Anwendung entsteht. Beispiele f\u00fcr RLS sind Systeme wie KeySight<\/strong>, LabView<\/strong>, Matlab<\/strong> oder VISIR<\/strong>.<\/p>\n

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Systemarchitektur und Funktionsweise von LabCon<\/strong><\/h1>\n

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

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Abbildung 1: \u00dcbersicht der Systemarchitektur mit zentraler Webplattform, interner Proxy-Schicht und angebundener Laborhardware.<\/em><\/p>\n

Webzugriff und Authentifizierung<\/strong><\/h3>\n

Der Zugriff auf die LabCon-Webanwendung<\/strong> erfolgt \u00fcber einen Webbrowser und wird zun\u00e4chst \u00fcber einen vorgeschalteten Reverse Proxy<\/strong> geleitet. Dieser \u00fcbernimmt die Weiterleitung der Anfragen sowie die Integration der hochschulweiten Authentifizierungsinfrastruktur mittels Shibboleth<\/strong>. Nach erfolgreicher Anmeldung wird der Nutzer in die zentrale Webanwendung weitergeleitet, die auf dem Framework Nuxt 3<\/strong> basiert und sowohl Frontend- als auch Backend-Funktionalit\u00e4ten<\/strong> bereitstellt. Die Kommunikation zwischen Browser und Webanwendung erfolgt ausschlie\u00dflich \u00fcber gesicherte HTTPS- und WSS-Verbindungen<\/strong>, um die Integrit\u00e4t und Vertraulichkeit der \u00fcbertragenen Daten zu gew\u00e4hrleisten.<\/p>\n

Zentrale Webplattform<\/strong><\/h3>\n

Innerhalb der Nuxt-3-Webanwendung<\/strong> ist ein webbasiertes Frontend<\/strong> implementiert, das die Benutzeroberfl\u00e4chen f\u00fcr Studierende und Dozierende bereitstellt. Zur Unterst\u00fctzung der Anwendungslogik existiert ein API-basiertes Backend<\/strong>, das mit einer relationalen SQL-Datenbank<\/strong> verbunden ist. F\u00fcr den Datenzugriff und die Modellierung der Persistenzschicht wird ein ORM<\/strong> eingesetzt, sodass Konfigurationsdaten, Benutzerinformationen, Ger\u00e4teparameter und Buchungsinformationen strukturiert verwaltet werden k\u00f6nnen. Die Pflege dieser Daten erfolgt \u00fcber das Frontend durch autorisierte Nutzer, insbesondere Dozierende und Administratoren. Eingaben ins System werden durch das Zod-Schemata<\/strong> validiert.<\/p>\n

Interne Proxy-Schicht<\/strong><\/h3>\n

Ein zentrales Element der Architektur ist die interne Proxy-Schicht<\/strong>, die sowohl HTTP- <\/strong>als auch WebSocket-Verbindungen<\/strong> verarbeitet. Sie \u00fcbernimmt das interne Routing der Anfragen zu den angebundenen Laborger\u00e4ten und stellt sicher, dass ausschlie\u00dflich autorisierte und zeitlich g\u00fcltige Zugriffe zugelassen werden. Die Proxy-Logik<\/strong> ber\u00fccksichtigt dabei ger\u00e4tespezifische Parameter wie Portnummern<\/strong> und verwendete Protokolle, die aus der Datenbank geladen werden. Zus\u00e4tzlich sorgt ein zeitbasierter Kontrollmechanismus daf\u00fcr, dass aktive Sitzungen nach Ablauf des vorgesehenen Zeitfensters beendet werden.<\/p>\n

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Abbildung 2: Verwaltung und Konfiguration angebundener Laborger\u00e4te in der Dozierenden-Ansicht.<\/em><\/p>\n

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Abbildung 3: Ge\u00f6ffnetes Key-Sight Oszilloskop \u00fcber den WSS-Web-Zugriff.<\/em><\/p>\n

Buchungssystem und Ger\u00e4tezugriff<\/strong><\/h3>\n

Die Buchung eines von den Dozierenden festgelegten Zeitslots f\u00fcr den Zugriff auf die Versuche und der dazugeh\u00f6rigen Laborger\u00e4te durch die Studierenden ist durch das integrierte Benutzerverwaltungssystem m\u00f6glich. Hier wird sichergestellt, dass die Nutzung der Laborger\u00e4te sich nicht \u00fcberschneidet und die maximalen Buchungen der Studierendengruppen nicht \u00fcberschritten werden. Den Versuchen k\u00f6nnen zudem bestimmte Studiengruppen zugewiesen werden. Der Zugriff auf die gesamte Webanwendung kann ebenso verwaltet werden. <\/span><\/p>\n

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Abbildung 4: Ansicht Weboberfl\u00e4che des Studierenden der Buchungsseite.<\/em><\/p>\n

Anbindung der Hardware-Schnittstelle RaspCon<\/strong><\/h3>\n

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Erg\u00e4nzend zur zentralen Webplattform ist die Hardware-Schnittstelle RaspCon<\/strong> angebunden. Diese auf einem Raspberry Pi<\/strong> basierende Komponente stellt eine zus\u00e4tzliche Webanwendung bereit, die \u00fcber das interne Routing-System<\/strong> direkt in LabCon<\/strong> integriert ist. \u00dcber RaspCon<\/strong> k\u00f6nnen Dozierende sogenannte Blueprints f\u00fcr Versuchsaufbauten definieren, die anschlie\u00dfend \u00fcber angeschlossene Schaltmodule umgesetzt werden. Ein integriertes Kameramodul erm\u00f6glicht zudem die \u00dcbertragung eines Live-Streams des realen Versuchsaufbaus an die Weboberfl\u00e4che.<\/p>\n

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Abbildung 4: RaspCon-Webanwendung und angebundene Raspberry-Pi-Hardware.<\/em><\/p>\n

LabCon<\/strong> und RaspCon<\/strong> 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 erm\u00f6glicht. Die modulare Architektur erlaubt eine flexible Erweiterung um zus\u00e4tzliche Laborger\u00e4te und Versuchsaufbauten und stellt damit eine leistungsf\u00e4hige Grundlage f\u00fcr den digitalen Laborbetrieb im Hochschulkontext dar.<\/p>\n

LabCon im BIS Kontext<\/h1>\n

LabCon l\u00e4sst sich im Kontext Betrieblicher Informationssysteme als integriertes, soziotechnisches Anwendungssystem<\/strong> einordnen, das betriebliche Prozesse des Laborbetriebs digital unterst\u00fctzt. Die Plattform verarbeitet und verkn\u00fcpft Informationen zu Nutzern, Rollen, Buchungen, Ger\u00e4ten und Zeitfenstern<\/strong> und stellt diese strukturiert f\u00fcr Planung, Steuerung und Kontrolle der Laborressourcen<\/strong> bereit. Damit \u00fcbernimmt LabCon sowohl Funktionen eines Lenkungssystems<\/strong>, indem Zugriffsregeln<\/strong> und Ressourcenzuteilungen<\/strong> durchgesetzt werden, als auch eines Leistungssystems<\/strong>, da die eigentliche Durchf\u00fchrung der Laborversuche \u00fcber das System erfolgt. Durch die enge Kopplung von Webanwendung, Datenhaltung, Proxy-Mechanismen und physischer Laborhardware erf\u00fcllt LabCon die zentralen Merkmale eines betrieblichen Informationssystems und tr\u00e4gt zur Effizienz, Transparenz und Skalierbarkeit des digitalen Lehrbetriebs bei.<\/strong><\/p>\n

LabCon erf\u00fcllt <\/span>alle Kernanforderungen an ein betriebliches Informationssystem<\/b>, da es:<\/span><\/p>\n