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Ejemplo de entorno multimodal - Prácticas de laboratorio


Hace unos meses, cuando empezamos a ver que el curso 20/21 sería complicado de plantear, empecé a pensar cómo ampliar el entorno de trabajo colaborativo ubicuo que ya tenía implementado en la asignatura "Diseño Avanzado de Arquitectura de Computadores". Esta asignatura se ha colocado recientemente en 4º curso del grado en Ingeniería Informática, dentro de la rama de Ingeniería de Computadores. Su enfoque es eminentemente práctico, ya que se trata de introducir al estudiante en las labores de diseño y cuando sea posible, llevarlo hasta su implementación.

La asignatura indica en su nombre la palabra "Avanzado". Se trata de dar un paso más allá de la estructura y arquitectura interna de los computadores, que ya se desarrolla en otra asignatura de segundo curso. En concreto se centra en las estructuras que permiten comunicar el computador con periféricos y expandirse hasta formar parte de redes IoT ubicuas. A los buses tradicionales (Rs232, I2C, SPI, USB, etc) se han unido redes cableadas e inalambricas. Mediante estas redes es posible diseñar un sistema que puede estar distribuido por todo el mundo. Tenemos dos entornos estructurales que estudiar y sobre los que diseñar:
  • (E1) Estructura Procesador/Memoria/Entrada-Salida. Chipset. Buses de comunicación entre computador y periféricos locales
  • (E2) Estructura IoT: redes y plataformas. Middleware IoT. Sensores/actuadores (Hard/Soft) inteligentes
  1. Para la primera parte (E1) utilizamos un simulador digital que nos permite desarrollar la estructura interna de E/S, hasta llegar a desarrollar un chipset sencillo. El simulador se llama LogiSIM. Este simulador es freeware y potente, aunque desgraciadamente ha dejado de ser desarrollado hace pocos años. En el futuro pensaremos en cambiar a otro entorno similar de acceso libre, que siga siendo desarrollado. Debe tener potencia para simular memorias, buses y pequeños procesadores. Es posible que para el curso 21/22 empecemos a migrar hacia el nuevo simulador, una vez decida cuál es el que utilizaremos.
  2. En la segunda parte (E2) se diseñan entornos reales a partir de Microcontroladores WIFI  tipo NodeMCU, sensores/actuadores reales, entorno Middleware Node-Red y Google SpreadSheets. Por ahora este entorno nos permite una total libertad de diseño y la capacidad de implementar soluciones reales a un coste muy bajo. El coste de un circuito NodeMCU comprado en cierta cantidad ronda los 4-5€. Los sensores/actuadores son bastante asequibles, con coste desde 1€ a 2€ cada uno de ellos. La placa protoboard y los cables de conexión no superan los 4€. Por menos de 10€ es posible tener una plataforma de diseño de sensores/actuadores inteligentes.
¿Cómo llevar todo esto a un planteamiento multimodal? Es decir, un planteamiento que permita cambios rápidos y eficientes en el modo de impartir la asignatura. Es decir, poder cambiar entre aprendizaje presencial, semi presencial y no presencial, sin que existan problemas. Esta "multimodalidad" es una oportunidad para experimentar con entornos de aprendizaje ubicuo que aprovechen de las oportunidades de Enseñanza-Aprendizaje que nos ofrecen. Les comento lo he ido desarrollando hasta el momento para el entorno del laboratorio de la asignatura.

Resultado de trabajo colaborativo de E1. LogiSIM
Para (E1) utilizaremos LogiSIM como plataforma base para el diseño. Los trabajos individuales se entregarán dentro de tareas abiertas en el CMS: Moodle. Los trabajo colaborativos deberán contar con un rol de introductor de circuitos, que será(n) la(s) persona(s) que editarán el circuito y lo compartirán en un foro Moodle. Todo el trabajo colaborativo deberá estar pautado y planificado de forma previa, de manera que se pueda ir siguiendo el desarrollo de la actividad y valorando las soluciones adoptadas. La valoración final se realizará a partir de una situación que debe se introducida en el proyecto colaborativo y valorada por los propios alumnos. Al finalizar la asignatura se hará un test de valoración de la actividad colaborativa de la primera parte.


Cluster Raspberries PI
Para la segunda parte (E2) de la asignatura utilizaremos un cluster de Raspberries Pi conectado a la red mediante un Switch. Cada grupo colabortivo accederá a una Raspberry mediante VPN, en la que tendrá acceso a una instancia Node-RED. De esta forma es posible diseñar el Middleware tanto de forma presencial como no presencial. 


Ejemplo de instancia Node-RED en una de las Rasberries PI que se disponen en el cluster

El verdadero problema está en el diseño de un sensor inteligente. Este sensor debe ser capaz de establece una la conexión en caliente en el sistema y generar eventos programables por el usuario . Para superar este problema de la presencialidad se propone que cada grupo designe un operador dentro de los roles del proyecto colaborativo. El operador será quien trabaje presencialmente en el sensor en el laboratorio. El operador debe seguir las indicaciones de sus compañeros. Este rol de operador deberá ser rotativo, de forma que todos los estudiantes tengan la experiencia de realizar una parte del desarrollo manual, programación y comprobación de funcionamiento. 

Sensor de intensidad de sonido desarrollado en torno a la plataforma nodeMCU
Igual que el el trabajo colaborativo de la primera parte, la valoración final se realizará a partir de una situación que debe se introducida en el proyecto colaborativo y valorada por los propios alumnos. Al finalizar la asignatura se hará un test de valoración de la actividad colaborativa de la segunda parte (E2).

Seguramente se pregunten qué se hará en la situación en la que se requiera una total virtualización de la asignatura. el desarrollo e implementación del sensor/actuador inteligente queda seriamente comprometido. En esta situación el docente se encargaría de realizar la parte operativa de la implementación del sensor/actuador inteligente. Realizará las pruebas que me le indicasen, de la forma que se le indicase. Con los datos obtenidos, el grupo debera analizar el funcionamiento y evaluar posibles mejoras o plantear una revisión del diseño.

La realidad es que en modo no presencial se pierde la oportunidad de adquirir las destrezas operativas de implementación de estos dispositivos. ¿Cómo superar esta situación? Se ofrecerá la posibilidad de que uno de los integrantes del grupo realice la implementación en su casa. Los materiales los podría recoger en el centro de estudio, debidamente embalados y desinfectados. Esta alternativa sería totalmente optativa y para su realización se guardarían todas las medidas higiénicas. Una vez terminada la fase final de valoración, el estudiante deberá devolver el material en perfectas condiciones, siguiendo también todas las medidas higiénicas. Las medias higiénicas serán indicadas claramente en el espacio CMS de la asignatura.

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