«Laboratorio remoto para experimentación sobre Internet de las Cosas». Sergio Martín

1. q
Laboratorio remoto para experimentación
sobre Internet de las Cosas
Sergio Martín smartin@ieec.uned.es
Profesor Titular – CoIP I4Labs
Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED)

2. Contexto
• La Comisión Europea estimó el valor del mercado IoT en la UE
excedería 1 trillón de euros en 2020
• 2014: 300,000 desarrolladores IoT / 2020: 4.5 million
– 57% tasa de crecimiento annual

3. 3
La adquisición de habilidades prácticas es clave en la
educación en ingeniería...

4. Adultos ->Life long learning:
• combinar trabajo con estudio es dificil
• combinar familia con estudio es difícil
… pero no siempre es posible estudiar en el campus

5. UNED: +4000 estudiantes (45% de los estudiantes españoles con necesidades especiales)

6. Restricciones derivadas de la pandemia
6

7. 7
…entonces…
¿cómo enseñar las competencias prácticas on-line?

8. Tipos de laboratorios online
Labs remotos
Basado en la web pero conectados a
equipos reales
Labs virtuales
Simulaciones software basadas en
web
Labs diferidos
Laboratorios remotos pregrabados
Todas las situaciones posibles
registradas

9. Pasado
9

10. 10

11. VISIR
11
Year: 2010

12. Year: 2011
Motorola 68000 Remote Lab

13. Lab virtual de Microprocesador
Year: 2012

14. Labs remotos eólico y solar
14
Year: 2014

15. 3D LED Cube - Arduino Remote Lab
Year: 2015

16. Robotic arm- Arduino Remote Lab
Year: 2015
Not used with students!

17. Microchip PIC + Brazo neumático
Year: 2016
Not used with students!

18. Open FPGA Remote Lab (Icezum Alhambra)
Year: 2018

19. Problemas encontrados estos años
El desarrollo de labs
requiere conocimientos
especializados
Programación web
Electrónica
Comunicaciones
Alto esfuerzo en
desarrollo y coste
Pocos profesores lo
incluyen en sus
asignaturas

20. Problemas encontrados estos años
20
Desarrollo de
nuevos laboratorios
desde cero lleva
mucho tiempo
Problemas
mantenimiento
(SW y HW)
Plataformas de
Labs para
encapsular
complejidad
Largos períodos de
tiempo sin uso
Federaciones
No sabemos mucho
de la experiencia
de aprendizaje del
alumno
Learning
analytics

21. Presente

22. Plataforma Arduino Remote Lab
¡Click!
¡Click!
¡Click!

23. Platforma: UNED Arduino Labs
Client Server
User 1
User 2
User 3
Internet Gateway
Web server
Raspberry Pi 2
Rainbowduino
Arduino Mega
Webcam 2
Webcam 1
Arduino Cube
Arduino
Sensors Lab
• Encapsulamiento de complejidad de desarrollo
• Gestión acceso (concurrencia)
• interacción web-hw
• Foco sólo en el diseño del experimento (plug & play)

24. Arduino Sensors Lab

25. UNED Industrial IoT Remote Lab
Fundamentos de
comunicaciones industriales
IoT
Permite progresión en la
complejidad
Minimiza costes de
mantenimiento y operación
Serial/
UART
RS485 I2C SPI Wi-Fi BLE

26. UNED Industrial IoT Remote Lab

27. SERIAL / UART
ARDUINO 2 (AR2)
CONNECTED TO TFT
ARDUINO 1 (AR1)
CONNECTED TO SENSOR
ARDUINO 3 (AR3)
CONNECTED TO FAN
UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)
 Protocolo de comunicación por
cable ampliamente utilizado
 Comunicaciones Full Duplex
 Solo ARDUINO 2 actúa como un
maestro
 Control por funciones para
comunicación Arduino Serial
UNED Industrial IoT Remote Lab. Comunicaciones

28. RS-485
 Estándar de comunicación por
cable
 Utilizado principalmente en
entornos industriales
 Todos las placas pueden actuar
como maestros y usar los mismos
pines
5V
0V
Signal disruption
Serial RS-485 (line A line B )
SINGLE-ENDED SIGNALING DIFFERENTIAL SIGNALING
Signal disruption
ARDUINO 2 (AR2)
CONNECTED TO TFT
ARDUINO 3 (AR3)
CONNECTED TO FAN
ARDUINO 1 (AR1)
CONNECTED TO SENSOR
UNED Industrial IoT Remote Lab. Comunicaciones

29. I2C
I2C MESSAGE EXAMPLE
START
Signal
Address: 7-bit
Read/
Write
Bit
ACK/
NACK
Bit
Data Byte: 8-bit
ACK/
NACK
Bit
Data Byte: 8-bit
ACK/
NACK
Bit
STOP
Signal
 Estándar de comunicación por
cable
 Baja velocidad de transmisión de
datos, pero fácil de manejar
muchos periféricos
 Todos las placas pueden actuar
como maestro
ARDUINO 1 (AR1)
CONNECTED TO SENSOR
ARDUINO 2 (AR2)
CONNECTED TO TFT
ARDUINO 3 (AR3)
CONNECTED TO FAN
UNED Industrial IoT Remote Lab. Comunicaciones

30. SPI
ARDUINO 1 (AR1)
CONNECTED TO SENSOR
ARDUINO 2 (AR2)
CONNECTED TO TFT
ARDUINO 3 (AR3)
CONNECTED TO FAN
 Estándar de comunicación por
cable
 Velocidad de datos más alta que
I2C, pero requiere líneas de
selección
 AR2 actúa como maestro
UNED Industrial IoT Remote Lab. Comunicaciones

31. Wi-Fi
ARDUINO 1 (AR1)
CONNECTED TO SENSOR
ARDUINO 2 (AR2)
CONNECTED TO TFT
ARDUINO 3 (AR3)
CONNECTED TO FAN
Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi
 Estándar de comunicación
inalámbrica
 Todos las placas pueden actuar
como maestro o esclavo
 Creación de red Wi-Fi y punto de
acceso independiente de otras
redes Wi-Fi
UNED Industrial IoT Remote Lab. Comunicaciones

32. BLE
ARDUINO 1 (AR1)
CONNECTED TO
SENSOR
ARDUINO 2 (AR2)
CONNECTED TO TFT
ARDUINO 3 (AR3)
CONNECTED TO FAN
BLE BLE BLE
PERIPHERAL
DEVICE
Service 1
Service 2
Characteristic 2.2
Characteristic 1.1
Characteristic 1.2
Descriptor 1.1.1 Descriptor 1.1.2 Descriptor 1.1.3
Descriptor 2.1.1
 Estándar de comunicación
inalámbrica de baja energía
 Todas las placas pueden actuar
como maestro o esclavo
UNED Industrial IoT Remote Lab. Comunicaciones

33. UNED Industrial IoT Remote Lab

34. • 35 programas
de ejemplo
incluidos
• 3 categorias de
complejidad
Practicas desarrolladas
34
EXAMPLE NAMES
Arduino 1 (AR1)
Connected to Sensor
Arduino 2 (AR2)
Connected to TFT
Arduino 3 (AR3)
Connected to Fan
Blink [] [] []
LedColors [] [] []
DHT22_Sensor_Test [] [X] [X]
Blink_Fan [X] [X] []
TFT_Test [X] [] [X]
IoT_Blink_Master_-_Serial [X] [] [X]
IoT_Blink_Slave_-_Serial [] [X] []
IoT_Blink_Master_-_RS485 [] [] []
IoT_Blink_Slave_-_RS485 [] [] []
IoT_Blink_Master_-_I2C [] [] []
IoT_Blink_Slave_-_I2C [] [] []
IoT_Blink_Master_-_SPI [X] [] [X]
IoT_Blink_Slave_-_SPI [] [X] []
IoT_Blink_Master_-_BLE [] [] []
IoT_Blink_Slave_-_BLE [] [] []
IoT_Blink_Master_-_Wifi [] [] []
IoT_Blink_Slave_-_Wifi [] [] []
Temp_Control_Sensor_-_Serial [] [X] [X]
Temp_Control_TFT_-_Serial [X] [] [X]
Temp_Control_Fan_-_Serial [X] [X] []
Temp_Control_Sensor_-_RS485 [] [X] [X]
Temp_Control_TFT_-_RS485 [X] [] [X]
Temp_Control_Fan_-_RS485 [X] [X] []
Temp_Control_Sensor_-_I2C [] [X] [X]
Temp_Control_TFT_-_I2C [X] [] [X]
Temp_Control_Fan_-_I2C [X] [X] []
Temp_Control_Sensor_-_SPI [] [X] [X]
Temp_Control_TFT_-_SPI [X] [] [X]
Temp_Control_Fan_-_SPI [X] [X] []
Temp_Control_Sensor_-_BLE [] [X] [X]
Temp_Control_TFT_-_BLE [X] [] [X]
Temp_Control_Fan_-_BLE [X] [X] []
Temp_Control_Sensor_-_Wifi [] [X] [X]
Temp_Control_TFT_-_Wifi [X] [] [X]
Temp_Control_Fan_-_Wifi [X] [X] []
Component
Test
IoT
Fundamentals
–
IoT
Blink
IoT
Advanced
–
IoT
System
for
Temperature
Control

35. User 1
User 2
User 3
Internet Gateway
Web server
Raspberry Pi 4
Webcam
Arduino IoT
Lab
Arduino 1
(sensor)
Arduino 2
(TFT)
Arduino 3
(fan)
Client Server
UNED Industrial IoT Remote Lab. Arquitectura

36. Internet of Things Remote Lab
• Solo WiFi
• 3 NodeMCUs
• MQTT broker
• NodeRED

37. Arquitectura:

38. MQTT

39. NodeRED

40. UNED LoRa Remote Lab

41.  Encapsulamiento de complejidad: Click and Learn!
 Multilingue
 Gestión de tiempos y usuarios (concurrencia) mediante cola
 Fácil incluir ejemplos
Ventajas

42. • Vish
Labs as Learning Objects
42

43. Labs as Learning Objects

44. Labs as Learning Objects

45. Labs as Learning Objects

46. Level 2. Online labs as learning objects
• Learning analytics (xAPI)
Level 1. Lab as a Service (LaaS)
• API Services and Metadata

47. • PILAR: Plataforma integrada de todas las
implementaciones remotas de VISIR en diferentes
instituciones
– Federación confiable y
de alta disponibilidad
Federaciones de Labs
47

48. 48
Futuro

49. Nuevos desarrollos
Lab
seguridad
Lab
robótica
…

50. Más federación (no hay muchas) -> reusar y compartir
50

51. 51
…y más learning analytics (xAPI)
Más estándar
más Labs as a Service
más Labs as Learning Objects

52. Sergio Martín - smartin@ieec.uned.es
Profesor Titular
Universidad Nacional de Educación a Distancia
q Gracias!