РАЗРАБОТКА СРЕДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ ДИСТАНЦИОННЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ КОМПЛЕКСОВ

​DEVELOPMENT OF A DESIGN ENVIRONMENT FOR VIRTUAL INTERFACES OF REMOTE LABORATORY COMPLEXES

Kseniya Bloshchitsyna

student of the direction of training 09.04.01, Moscow Aviation Institute (National Research University),

Russia, Moscow

Olga Shestopalova

scientific adviser, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Moscow Aviation Institute

Russia, Voskhod branch, Baikonur

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрены ранее реализованные решения по разработке веб-приложения дистанционной лаборатории на основе микропроцессорного стенда, сформулированы задачи по реализации среды проектирования интерфейсов дистанционных лабораторных комплексов, проработаны вопросы многопользовательского подключения пользователей к системе. Сформулированы принципы организации очереди подключения пользователей к системе с учетом приоритета подключения для разных категорий пользователей. Для обслуживания в течение одного астрономического часа группы, состоящей из пятнадцати обучающихся, произведены расчеты минимально необходимого количества микропроцессорных стендов.

ABSTRACT

In this article, previously implemented solutions for the development of a remote laboratory web application based on a microprocessor stand are considered, tasks for the implementation of the interface design environment of remote laboratory complexes are formulated, issues of multi-user connection of users to the system are worked out. The principles of organizing the queue for connecting users to the system are formulated, taking into account the priority of connection for different categories of users. To serve a group consisting of fifteen students for one astronomical hour, calculations of the minimum required number of microprocessor stands were made.

Ключевые слова: дистанционное обучение, лабораторное оборудование, организация «подочереди», процесс массового обслуживания с ожиданием.

Keywords: distance education, laboratory equipment, organization of «queue», queuing process with waiting.

В настоящее время онлайн-обучение успешно дополняет традиционное преподавание в вузе, позволяя оптимизировать затраты времени обучающихся и преподавателей по реализации учебного процесса [1].

В проводимых ранее исследованиях ставилась задача поиска оптимальных и передовых методик и технологий электронного обучения, направленных на предоставление удаленного доступа к лабораторному оборудованию, используемому для получения и закрепления обучающимися практических навыков и компетенций.

 В данном аспекте обучения используется такое понятие, как дистанционная виртуальная лаборатория. В основном, подобные лаборатории делятся на два больших вида программно-аппаратных комплексов:

– программное обеспечение, позволяющее моделировать лабораторные исследования – виртуальные лаборатории, построенные на различных программных системах моделирования;

– лабораторная установка с удаленным доступом – комплексы, позволяющие получить удаленный доступ к реальному оборудованию.

Несмотря на широкую теоретическую и практическую проработку вопросов организации дистанционных лабораторий, в этой области до сих пор остаются вопросы, требующие проработки, как в методологическом плане, так и в плане практической реализации.

Одним из таких вопросов является организация многопользовательского подключения к одной из уже имеющихся лабораторий.

На данный момент реализована система (веб-приложение дистанционной лаборатории на основе микропроцессорного стенда), которая осуществляет взаимодействие между пользователем и микропроцессорным стендом (Labkit‑812) посредством интернет-технологии [2].

Микропроцессорный стенд LabKit-812 предназначен для практического изучения микроконтроллеров семейства 8051 на примере микроконтроллера AduC812. LabKit-812 используется для получения практических навыков по дисциплинам «Микропроцессорные системы» и «Интерфейсы периферийных устройств» для обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника» [3].

Микропроцессорный стенд представляет собой устройство, построенное на основе микроконтроллера AduC812 [4].

Основные элементы установки представлены на рисунке 1:

1. потенциометр для формирования статического аналогового сигнала на входе аналогового цифрового преобразователя (АЦП);
2.  клавиатура 3х4;
3. светодиод, управляемый сигналом от микроконтроллера;
4. семисегментный индикатор, управляемый сигналом от микроконтроллера;
5. жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) 2 строки по 16 символов.

Рисунок 1. Передняя панель Labkit-812

Лабораторная установка имеет следующие основные порты подключения, представленные на рисунке 2:

1. к порту 1 подключается кабель USB, осуществляющий питание макета от компьютера и загрузку программы работы микроконтроллера;
2. порт 2 представляет собой интерфейс передачи информации RS232, позволяющий обеспечить обмен информацией с ПЭВМ;
3. имеется возможность включения питания макета переключателем тумблером 3;
4. подключение сетевого последовательного интерфейса I2С осуществляется с помощью порта 4;
5.  порт 5 позволяет подключить выходной аналоговый сигнал, поступающий с выхода ЦАП микроконтроллера;
6. подключение входного аналогового сигнала, поступающего на вход аналогового цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера осуществляется с помощью порта 6;
7. для сброса работы микроконтроллера используется кнопка RESET, представленная на рисунке портом 7.

Рисунок 2. Порты Labkit-812

Разработанное веб-приложение решает следующие задачи:

1) Обеспечение взаимодействия с пользователями:

- разграничение прав доступа пользователей в соответствие с категориями (преподаватели, лаборанты, обучающиеся, гости);

- регистрация и авторизация пользователей;

- организация управления сеансами пользователей;

- отображение состояния микропроцессорного стенда во время рабочего процесса (в формате видеотрансляции);

- предоставления пользователям справочной информации и методических указаний;

- обмен служебными сообщениями между различными категориями пользователей посредством чата;

- отображение виртуальной клавиатуры в веб-приложении;

- сохранение файла программы пользователя и видеофайла работы стенда.

2) Взаимодействие с программным обеспечением сервера дистанционной лаборатории:

- прием уведомлений о занятости и работоспособности стенда;

- передача программы пользователя на лабораторный сервер;

- передача кода нажатой клавиши виртуальной клавиатуры на лабораторный сервер;

- прием и отображение видеоматериалов по результатам работы стенда пользователям.

Система работает следующим образом: пользователь подключается через интернет к веб-приложению, которое посылает запрос в лабораторный сервер для проверки доступности стенда. Если стенд доступен, то лабораторный сервер готов принять программу пользователя и загрузить ее в Labkit-812. В этом случае, пользователь загружает файл программы, которую нужно запустить на микропроцессорном стенде.

С помощью «виртуальной клавиатуры» пользователи могут манипулировать клавиатурой стенда. Код нажатой на «виртуальной клавиатуре» клавиши также пересылается в лабораторный сервер, который обрабатывает код и загружает его в LabKit-812. Результаты работы стенда фиксируются веб-камерой и транслируются на веб-приложение через лабораторный сервер. В браузере пользователь просматривает результат работы микропроцессорного стенда.

С одной стороны, веб-приложение позволяет пользователям просматривать и загружать на свой компьютер методические материалы, обмениваться служебными сообщениями, загружать пользовательские программы (написанные на языке программирования Ассемблер), взаимодействовать с «виртуальной клавиатурой», а также просматривать результаты работы стенда. С другой стороны, веб-приложение перенаправляет полученные программы и коды нажатых клавиш «виртуальной клавиатуры» на лабораторный сервер. Лабораторный сервер в свою очередь загружает программу и код нажатой клавиши в лабораторный стенд. По ответу стенда лабораторный сервер направляет видеотрансляцию в веб-приложение.

При отладке работы программы были сделаны выводы о том, что пользователю для работы со стендом необходимо выполнить:

1. загрузку файла программы для выполнения лабораторной работы;
2.  передачу кода символа нажатой клавиши «виртуальной клавиатуры»;
3. прием видеотрансляции.

В случае некорректной реакции микропроцессорного стенда на загруженную программу (результат работы стенда не соответствует результату, описанному в методических рекомендациях по работе со стендом), пользователем делается вывод о наличии ошибок в загруженном коде программы. В связи с этим, пользователю предоставляется возможность повторной загрузки обрабатываемого файла и кода нажатой клавиши в рамках одного сеанса. Для редактирования выполняемого файла пользователю выделяется дополнительное время.

Исходя из поставленных задач и проверки эмпирическим путем отладки работы программы, время одного сеанса ограничено 15 минутами.

Целью исследований являлась реализация дистанционной лаборатории для удаленной работы с микропроцессорным стендом (отдельной задачей являлась разработка и реализация «виртуальной клавиатуры»). В результате проведенных исследований реализовано однопользовательская система. Недостатками такой системы является невозможность использования системы для групповых занятий.

В дальнейших исследованиях планируется приведение дистанционной лаборатории в вид среды проектирования виртуальных интерфейсов дистанционных лабораторных комплексов. Для этого необходимо разработать алгоритм с возможностью многопользовательского подключения и организацией очереди работы с ограниченным числом и количеством видов лабораторных стендов. В данном исследовании описан принцип построения очереди с приоритезацией по категории пользователя.

При первом входе в систему пользователю присваивается одна из четырех категорий:

1) обучающийся;

2) преподаватель;

3) лаборант;

4) гость.

К первой категории относятся обучающиеся Московского авиационного института, учебный план которых предусматривает изучение микропроцессорных стендов.

Ко второй категории относятся преподаватели, ведущие дисциплины, предусматривающие выполнение лабораторных работ и практических занятий, проводимых с использованием микропроцессорных стендов.

К третьей категории относятся лаборанты кафедры Б21 «Вычислительные системы и технологии» филиала «Восход» Московского авиационного института, выполняющие функции технического персонала, обслуживающего оборудование.

К четвертой категории относятся сторонние пользователи веб‑приложения, которые после регистрации получаю доступ к дистанционной работе с микропроцессорным стендом.

Принципиальная реализация среды проектирования виртуальных интерфейсов дистанционных лабораторных комплексов предусматривает 3 способа подключения к лабораторному оборудованию:

• преподаватели или обучающиеся;
• сторонние авторизированные пользователи;
• преподаватели, обучающиеся и сторонние авторизированные пользователи.

При этом для подключения пользователей к оборудованию организуется очередь по принципу FIFO с приоритезацией. First In - First Out - это способ обработки очереди путём упорядочения процесса по принципу: «первым пришёл — первым обслужен». Согласно этому принципу, система подключает пользователей к свободному стенду по порядку их вступления в очередь. В случае реализации очереди в разрабатываемой системе, необходимо учитывать приоритет доступа к работе с микропроцессорным стендом для различных категорий пользователей.

В порядке приоритета по подключению можно выделить 2 категории:

1) преподаватели, обучающиеся.

2) сторонние авторизированные пользователи (гости).

Сначала осуществляется подключение всех пользователей категории «преподаватель», «обучающийся», затем «гость» в порядке их поступления.

При возможных неполадках с каким-либо лабораторным стендом система автоматически отключает пользователя от микропроцессорного стенда и записывает его в «подочередь» (специально выделенное хранилище для решения внештатных ситуаций). При этом основная очередь приостанавливается до того момента, пока пользователя из «подочереди» не перераспределят на рабочий стенд.

Как только какой-либо прибор выходит из строя, лабораторный сервер передает в личный кабинет лаборанта уведомление о необходимости проверки лабораторного стенда на работоспособность с указанием его номера. Как только лаборант возвращает стенд в работоспособное состояние, лабораторный сервер производит проверку аппаратуры, по результатам которой системой делается вывод о том, возвращать ли микропроцессорный стенд в алгоритм распределения очереди.

В результате проведенного анализа был сделан вывод о том, что разрабатываемая система представляет собой безотказную систему массового обслуживания с ожиданием и приоритезацией.

Процесс массового обслуживания с ожиданием характеризуется следующим: входной и выходной потоки являются пуассоновскими (время между приходами любых двух последовательных заявок есть независимая случайная величина, которая имеет экспоненциальное распределение вероятностей) с интенсивностями λ и μ соответственно; параллельно могут обслуживаться не более Ϲ каналов. Система имеет Ϲ каналов обслуживания. Средняя продолжительность обслуживания одного клиента равна  [5].

1) Интенсивность поступления заявок (λ) — это скорость, с которой пользователи подключаются к компьютерам.

2) Интенсивность обслуживания () — это время, которое компьютер занимает для одной заявки.

3) Приведенная интенсивность потока заявок () — это среднее число вызовов, приходящееся на среднее время обслуживания одного вызова.

В установившемся режиме функционирование многоканальной системы массового обслуживания с ожиданием и неограниченной очередью может быть описано с помощью системы алгебраических уравнений:

N – это количество клиентов.

Решение системы уравнений (1) имеет вид:

где

.                                                                          (4)

Решение будет действительным, если выполняется следующее условие: .

Вероятностные характеристики функционирования в стационарном режиме многоканальной СМО с ожиданием и неограниченной очередью определяются по следующим формулам:

вероятность того, что в системе находится n клиентов на обслуживании определяется по формулам (2) и (3);

среднее число клиентов в очереди на обслуживание

;                                                                                           (5)

среднее число находящихся в системе клиентов (заявок на обслуживание в очереди)

;                                                                                                (6)

средняя положительность пребывания клиента (заявки на обслуживание) в очереди

;                                                                                                 (7)

средняя продолжительность пребывания клиента в системе

;                                                                                       (8)

Это все формулы, касающиеся стандартной системы массового обслуживания с ожиданием.

Далее приводится расчет для определения минимального количества микропроцессорных стендов, необходимого для обслуживания группы обучающихся.

Для расчета указанных параметров методом многоканальной системы массового обслуживания с ожиданием сначала нужно определить следующие параметры:

Для группы, состоящей из 15 человек, интенсивность поступления заявок составляет  заявок в час.

Поскольку каждому пользователю выделено 15 минут, то среднее время обслуживания составляет  минут на заявку.

После этого можно использовать следующие формулы для расчета:

1) Вероятность того, что система пуста () рассчитывается по формуле (4).

2) Вероятность состояния системы () рассчитывается по формуле (3).

3) Среднее число заявок в очереди () рассчитывается по формуле (5).

4) Среднее число заявок в системе () рассчитывается по формуле (6).

5) Средняя продолжительность пребывания заявки в очереди () рассч6тывается по формуле (7).

6) Средняя продолжительность пребывания заявки в системе () рассчитывается по формуле (8).

Теперь, используя исходные значения и формулы производятся расчеты:

 заявок в час.

 заявок в час.

ρ = 6.

C = 15 стендов.

Для определения целесообразности расчетов проверяется правильность условия

  ;

   0,4 < 1.

Следовательно, решение системы уравнений действительно.

1) .

    .

     ≈ 0,023519 (вероятность того, что система пуста).

2) .

3) .

     (среднее число заявок в очереди)

4) .

    (среднее число заявок в системе)

5) .

     часа (средняя продолжительность пребывания заявки в очереди)

6) .

      0,400626 часа (средняя продолжительность пребывания заявки в системе)

Необходимо найти минимальное количество лабораторных стендов для обслуживания группы (15 обучающихся) в течение часа. При повторных расчетах выявлено минимальное количество лабораторных стендов, которое составляет 8 единиц техники. Для данного количества оборудования производится перерасчет.

C = 8 стендов.

 заявок в час.

 заявок в час.

ρ = 6.

Для определения целесообразности расчетов проверяется правильность условия

  ;

   0,75 < 1.

Следовательно, решение системы уравнений действительно.

1) .

    .

     ≈ 0,041854 (вероятность того, что система пуста)

2) .

 3) .

     (среднее число заявок в очереди)

4) .

    (среднее число заявок в системе)

5) .

     часа (средняя продолжительность пребывания заявки в очереди)

6) .

      0,922876 часа (средняя продолжительность пребывания заявки в системе)

Таким образом, математически было определено минимальное количество лабораторных стендов, способных за 1 час обслужить группу обучающихся, состоящих из 15 человек. Учитывая, что время одного сеанса составляет 15 минут, количество микропроцессорных стендов составляет 9 экземпляров.

В результате проведенного исследования определены основные задачи разработки среды проектирования виртуальных интерфейсов дистанционных комплексов и на основе проведенных расчетов определено минимальное количество микропроцессорных стендов, необходимое для обслуживания группы обучающихся – 8 экземпляров.

Список литературы:

1. Блощицына К.А., Батеев Е.А. Создание дистанционной лаборатории на базе лабораторного комплекса Labkit-812 // НАУЧНЫЙ АЛЬМАНАХ ЦЕНТРАЛЬНОГО ЧЕРНОЗЕМЬЯ ISSN 2313-5581 №4 ч.1 2022 г. - М.: Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего образования Финансовый университет при Правительстве РФ Курский филиал, 2022 – С. 24-42. – [Электронное издание] – Режим доступа: https//drive.google.com/file/d/1vfa9H0Qz0ukqZep4IzCCyTq3EqGmCSJ/view?pli=1(дата и время обращения: 10.09.2023 06:09)
2. Блощицына К.А. Веб-приложение дистанционной лаборатории на основе микропроцессорного стенда // Сборник тезисов работ международной молодёжной научной конференции XLVIII Гагаринские чтения 2023. - М.: Издательство «Перо», 2023 – С. 903-904. – [Электронное издание]– Режим доступа: https://gagarin.mai.ru/files/2023/abstracts2023.pdf (дата и время обращения: 26.09.2023 07:09).
3. Сведения об образовательной организации // Филиал «Восход» МАИ. – [Электронный ресурс] – Режим доступа: https//voshod.mai.ru/?referer=https%3A%2F%2Fyandex.kz%2F (дата и время обращения: 18.09.2023 19:14).
4. Блощицына К.А., Батеев Е.А. Создание дистанционной лаборатории на базе лабораторного комплекса Labkit-812 // Сборник тезисов работ международной молодёжной научной конференции XLVIII Гагаринские чтения 2022. - М.: Издательство «Перо», 2022 — Мб. - С. 810-811. – [Электронное издание] – Режим доступа: https//gagarin.mai.ru/files/2022/abstracts2022.pdf (дата и время обращения: 26.09.2023 07:19).
5. Бережная Е.В., Бережной В.И., Математические методы моделирования экономических систем: Учебник — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Фи­нансы и статистика, 2006 - 432 с : ил. – [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://fileskachat.com/view/12461_a97690aeda3556edbff28c97b 039174f.html (дата и время обращения: 20.09.2023 19:14).