Sistemi hardware remoti con Prism4 di LabsLand

Cosa sono i laboratori remoti?

Nel contesto dell'istruzione e della formazione, i laboratori remoti, o sistemi hardware remoti, sono sistemi hardware e software che consentono agli studenti di accedere tramite Internet ad apparecchiature reali che si trovano in altri luoghi. I laboratori remoti talvolta vengono chiamati laboratori ad accesso remoto o weblab. Studenti o tirocinanti accedono alle apparecchiature utilizzando in genere solo un browser Web sempre accessibile da qualsiasi parte del mondo.

Un esempio di questi laboratori è quello remoto FPGA che permette agli studenti di controllare un FPGA reale (in questo caso un dispositivo DE1-SoC con un FPGA di Altera). Possono scrivere codice HDL, sintetizzarlo online e inviare il progetto a uno dei laboratori remoti FPGA disponibili nella rete LabsLand. Poi possono interagire con l'FPGA in tempo reale mentre osservano la scheda e il risultato del loro esperimento tramite uno stream video in diretta:

(Immagine per gentile concessione di Pablo Orduña)

L'FPGA è reale e gli studenti possono interagire con esso in tempo reale tramite un browser Web.

Storia dei laboratori remoti

A partire dalla metà degli anni 90, sono nate diverse iniziative di questo genere che hanno coinvolto laboratori di ingegneria, chimica, fisica, robotica, biologia e altri ancora. Da allora, sono state progettate soluzioni software open-source, come LabDiscoveryEngine/WebLab-Deusto, iLab, Labshare o RexLab, per costruire attorno ad esse il software dei laboratori remoti.

Ma sul versante dell'hardware la maggior parte dei laboratori remoti è stata costruita partendo da zero. Ne sono derivate soluzioni che non sono né sostenibili né scalabili. Anzi, il loro costo e il dispendio di tempo hanno impedito alle università di creare dei laboratori propri.

Cos'è Prism4?

Prism4 è un nuovo prodotto realizzato da LabsLand e DigiKey. Si tratta di un prodotto hardware e software modulare che funge da impalcatura e permette di creare e implementare laboratori remoti. La sua struttura modulare è dotata di videocamere, sistemi di illuminazione, di un sistema modulare di gestione dell'alimentazione, di un sistema di diffusione ottica e di barriere fotoelettriche. Complessivamente, questi componenti offrono un ambiente estremamente personalizzabile in cui è possibile installare laboratori remoti. Sotto è riportata, ad esempio, la foto di un Prism4 di LabsLand vuoto senza le barriere fotoelettriche anteriori e posteriori:

(Immagine per gentile concessione di Pablo Orduña)

Prism4 può essere utilizzato in modo indipendente ed, essendo vuoto, i ricercatori possono creare il proprio laboratorio remoto oppure possono associarsi a LabsLand per realizzare una soluzione personalizzata. Prism4 di LabsLand può anche essere fornito con i sistemi hardware Prism4 esistenti. Nel caso portato in esempio sopra (DE1-SoC), il sistema hardware Prism4 ha in dotazione due basi per banchi di lavoro Phase Dock come questa (senza FPGA) e l'oscilloscopio, il supporto VGA per 4 FPGA, il supporto audio e altre funzionalità:

(Immagine per gentile concessione di Pablo Orduña)

L'installazione del sistema hardware Prism4 in un Prism4 non presenta alcuna difficoltà: basta collegare 4 cavi dalla base per banchi di lavoro a Prism4 e, al termine della registrazione software, il laboratorio remoto è pronto per essere usato.

La foto seguente mostra un Prism4 completo con 4 DE1-SoC presentato alla conferenza ECEDHA 2024:

(Immagine per gentile concessione di Pablo Orduña)

Per istruttori o formatori interessati all'uso dei laboratori remoti

Opzione 1: acquisto delle licenze.

Gli istruttori e i formatori che desiderano accedere e utilizzare subito i laboratori remoti possono farlo facilmente acquistando le licenze da DigiKey. Le licenze includono l'accesso a vari laboratori nella rete LabsLand, come FPGA DE1-SoC, schede STM32 o robot e scheda Arduino o Electronics. Non serve hardware e l'accesso può essere acquistato anche per gli studenti. LabsLand creerà per l'organizzazione uno spazio istituzionale tramite il quale gli studenti potranno accedere al programma.

Opzione 2: acquisto del proprio Prism4.

In alternativa, gli istruttori possono acquistare le strutture Prism4 e installarle fisicamente in loco. Questa opzione comporta numerosi vantaggi rispetto al solo acquisto delle licenze:

• gli studenti disporranno dell'accesso prioritario alla propria apparecchiatura e anche alla stessa apparecchiatura nel resto della rete LabsLand,
• gli studenti vedranno il logo della loro università
• e possono personalizzare i laboratori.

Entrambe le opzioni includono un'ampia gamma di periferiche per i laboratori, nonché integrazioni con sistemi di gestione dell'apprendimento come Canvas, Blackboard o Moodle, analisi e molto altro ancora.

(Immagine per gentile concessione di Pablo Orduña)

Per i ricercatori interessati a creare laboratori remoti personalizzati

I ricercatori che desiderano creare i propri laboratori remoti possono acquistare un Prism4 vuoto e costruire diversi tipi di laboratori remoti utilizzando le basi per banchi di lavoro Phase Dock. Il Remote Hub Lab dell'Università di Washington, ad esempio, ha sviluppato un laboratorio remoto Software Defined Radio utilizzando sia Red Pitaya che ADALM Pluto. Il team ha usato cinque strutture Prism4 di LabsLand, ognuna delle quali dotata di quattro basi per banchi di lavoro Phase Dock.

Sul sito Web della documentazione del progetto è possibile trovare video su come RHLab abbia progettato pezzi 3D per i dispositivi SDR e li abbia installati in Prism4. In modo analogo, altre università possono usare Prism4 per creare i propri laboratori remoti.