Ampliación de un prototipo de laboratorio remoto para docencia hardware

Abstract

Este trabajo de fin de grado comprende la escalabilidad y acondicionado de un sistema de laboratorio remoto para la realización de sesiones prácticas usando equipos Raspberry Pi bajo el sistema operativo RISC OS. La iniciativa inicial del proyecto surge debido a la situación de aislamiento domiciliario vivido al comienzo de la pandemia, lo cual ha conllevado la necesidad de reestructurar la docencia en las asignaturas del área de Estructura y Organización de Computadores, donde hay un fuerte componente práctico centrado en el uso de hardware real. En dichas sesiones prácticas se hace uso de un puesto basado en equipos de bajo coste Raspberry Pi, facilitando al alumno la adquisición de su propio hardware para fomentar el trabajo autónomo. Tras la reanudación de la docencia presencial, se observaron nuevas limitaciones de aforo debidas a las medidas de distanciamiento sanitario, manteniendo la motivación del proyecto. Posteriormente, la pandemia y otras circunstancias sociopolíticas han dado lugar a la actual crisis de desabastecimiento de semiconductores, que se traduce en un déficit de producción para el nivel de demanda experimentado. En el caso del laboratorio de las asignaturas, este déficit de semiconductores impide la libre adquisición de los equipos por parte del alumnado. Debido a estas limitaciones de acceso a las instalaciones, se desarrolló un proyecto para estudiar la viabilidad de un sistema que permitiese el acceso remoto a puestos del laboratorio. Como parte de dicho trabajo, se creó un entorno hardware para el control de la alimentación de los equipos, y un entorno software para la utilización de los mismos a través de una interfaz web. Dicho proyecto demostró la viabilidad de un sistema de estas características, pero presentaba carencias importantes: problemas de escalabilidad a un número de equipos similar al disponible en el laboratorio, y falta de funcionalidades (gestión de reservas, mecanismos de intercambio de ficheros) básicas para el uso por parte de alumnos. El presente trabajo surge de la necesidad de corregir las carencias observadas en el primero, y para alcanzar unos requisitos mínimos de uso. Como parte del trabajo desarrollado se ha hecho un análisis de las limitaciones del sistema original y un estudio de las soluciones disponibles con el fin de seleccionar la más adecuada. Para ello, se han establecido dos grandes bloques de mejoras y ampliaciones necesarias: las relativas al software del sistema, centradas principalmente en la funcionalidad ofrecida al alumno; y las correspondientes al hardware del prototipo, para su ampliación de cara a un sistema de uso generalizado. El sistema permite que el alumno pueda programar una reserva de un equipo remoto o utilizarlo libremente si no está ocupado. Asimismo, el sistema facilita que el alumno pueda compartir sus ficheros locales con el equipo remoto, pudiendo así continuar las prácticas con total facilidad. Por último, se ha mejorado el sistema de visualización y añadido funciones de gestión a la herramienta. Tras el estudio de las limitaciones de escalabilidad del sistema, se han establecido una serie de propuestas de mejora del mismo. Como parte de la evaluación de la adecuación de la herramienta a las necesidades de los alumnos se ha desarrollado una nueva versión del prototipo del sistema para verificar su adecuado funcionamiento, desplegando la herramienta en la asignatura de Introducción a los Computadores. El prototipo está dotado de cuatro equipos remotos y dos interfaces para pines de entrada de propósito general conectados a cada uno de los equipos. Cabe destacar que el desarrollo del sistema ha sido exitoso, alcanzando los requisitos planteados en la fase de análisis y observándose una satisfacción generalizada de los alumnos con la herramienta.

This final degree project comprises the scalability and the conditioning of a remote laboratory setup to conduct practical sessions using Raspberry Pi devices under RISC OS. The initial premise of the project arises with the lockdown measures at the beginning of the COVID- 19 pandemic. Those measures led to a restructure of the courses in Computer Structure and Organization, where there is a strong practical component focused on the use of actual hardware. In these practical sessions, the workstation is based on low-cost Raspberry Pi devices, to help the students to acquire their own hardware to promote autonomous work. After the resumption of face-to-face teaching, social distancing measures reduced the room capacity, and the motivation for the project stood. Subsequently, the pandemic and other sociopolitical circumstances have led to the current semiconductor shortage crisis, resulting in a production deficit for the level of demand experienced. In the case of the subject laboratory, this deficit of semiconductors prevents the free acquisition of the equipment by the students. Due to the access limitations to the facilities, an initial work was performed to assess the viability of a system to remotely access the lab workstations. As part of the work, a hardware environment was created to manage the power supply of the remote devices and a software environment to interact with them through a web interface. The project proved the feasibility of such a system, but carried significant deficiencies: scalability problems to reach a similar number of devices to the lab, and a lack of basic features for student use (device bookings, file exchange). This work stems from the need to address the deficiencies detected in the previous project, and to reach minimum requirements for its use in the courses. As part of the work developed, an analysis of the limitations of the original system and a study of available solutions have been made in order to select the most appropriate one. To do this, two large blocks of necessary improvements have been established: those related to the system software, mainly focused on the features offered to the student; and those corresponding to the prototype’s hardware, for its expansion towards a system for general use. The system allows the student to schedule a reservation of a remote device, or to freely use it if available. Likewise, the system also allows the student to share his local files with the remote device, thus being able to continue the practical sessions with total ease. Lastly, the visualization module has been improved and management functions have been added to the tool. After studying the scalability limitations of the system, a series of proposals for its improvement have been established. As part of the evaluation of the tool adequacy to the student needs, a new version of the system prototype has been deployed for the students of one course, to verify its proper functioning. The prototype is equipped with four remote Raspberry Pi devices and two terminals connected to the general purpose input pins of each device. It should be noted that the development of the system has been successful, reaching the requirements set out in the analysis phase and observing a general level of student satisfaction with the tool.