用于电气、电子和控制电路学习的远程实验室系统及其实施方法技术方案

本申请描述了一种用于电气、电子和控制电路学习的远程实验室系统，通过该系统，学生可以利用直流电和交流电进行基础实验，而不必亲自在实验室进行这些实验。这是因为本发明专利技术拥有与专门设计的设备一起使用NI ELVIS系统和互联网的服务器。利用这些元件，通过工作站进行实验是可能的。还值得一提的是，网页平台的开发是与远程实验室(主要与工作站)交互的重要部分，因为在其中，用户可以进行预订以及下载应用，通过该应用他们可以虚拟地访问实践并继续执行这些实践，这样学习将更具教育性且更容易实现。

A remote laboratory system for electrical, electronic and control circuit learning and its implementation

【技术实现步骤摘要】
用于电气、电子和控制电路学习的远程实验室系统及其实施方法专利技术目的本专利技术的主要目的是提供一种远程实验室系统，其允许不同的物理设备通过接口或网页平台与用户进行交互，旨在确保用户在自主的先前预定条件下，可配置不同实验室技术工具，使他们能够进行不同的物理实验而不需要在实验进行时在场，在这种情况下，该系统适用于电气和电子电路。然而实验室也可适用于其他类型的领域或技术应用并可用于不同形式的培训或技术评估，其目前被用作一个支持工具，使得实验室的装机容量多样化，其中学生数量超过上述容量，从而将在本学科中获得的知识自动化并加强。
技术介绍
如今有一个世界性的问题，即技术学习领域(动手实验室)的机构和/或组织的装机容量通常超过用户和/或学生的数量，大多数用户和/或学生只进行观察，仅有限的群体能够利用这种设施，而没有考虑到这种类型的资源在地理位置上是否被每个人利用。然而，技术的发展导致了各种工具的加速发展，这些工具作为物联网及其应用和互动的一部分已应用到生活的许多方面。作为这种趋势的一部分以及向每个人提供和/或促进可用的技术资源，特别是提供高质量技术教育的资源的需要，由于很多时候受到学生人数众多和缺乏实践空间的限制，或者由于机构缺乏基础设施而没有实践空间，无法参加这些活动并将这些工具推广到任何需要这些工具的人。然而，尽管已经开发了大量的辅助工具，诸如在线课程、视频和各种促进自学的网络工具，但始终有必要将其付诸实践，这就是为什么开发了远程实验室使得远程学习平台(包括MOOC课程(海量在线开放课程))更加有效且更有影响力。这些平台被认为是需要提高传统系统的质量的解决方案，这些平台是多个用户可以在其中同时学习关于不同主题的课程，就好像是面对面的教室一样的系统。然而，其优势在于由于活动和任务是由世界各地的教师根据平台在线执行和纠正的，一切都是远程的。与这种类型的系统的发展相关的一些专利如下：在专利号为WO01/61890A1，专利技术名称为远程配置测试实验室的系统和方法的专利技术专利中，公开了一种用于控制和配置实验室内的机器的系统，该系统针对的是操作者，使得他们学会使用所述机器而不需要当时在场。该专利不同于本专利技术，因为除了使用相同的密码来工作而不管使用什么机器，除了不具有用户注册和控制系统以及实验室的访问管理系统，它使用不同的工具(诸如HTTP协议和基于XML的编程语言)来开发该系统。这种描述最接近所提出的发展，但它不是交互式的，既不是实时的也不即时响应。在专利号为US4330833，专利技术名称为用于改进数字图像处理的方法和装置的专利技术专利中，公开了一种处理方法，该方法实质上减少了离散卷积所需的计算量，同时提供了传统卷积所达到的结果的好的近似。该专利不同于本专利技术，因为它从未提及用户使用平台与图像交互，并且该方法与本专利中阐释的方法完全不同。在专利号为WO2004/059421A2，专利技术名称为远程访问虚拟实验室环境的系统和方法的专利技术专利中，公开了用于远程访问的在线虚拟系统教育实验室的计算机程序的开发，对于该实验室学生可以使用传统的网页浏览器从与公共网络连接的任何客户端系统连接到该实验室服务器。该文件不同于本专利技术，因为它需要特殊的浏览器来访问远程实验室。在这种情况下，它是从IE8浏览器开始运行的，导致在这种情况下推断出该专利指的是虚拟实验室而不是真实实验室的远程访问应用。在专利号为US20130285477A1，专利技术名称为芯片实验室设备的无线供电机制的专利技术专利中，公开了能够远程供电和控制芯片的方法的发展，这是为了微流体的目的。该专利不同于本专利技术，因为其从未使用与所述过程交互的界面。此外，它不适用于控制由不同类型的物理组件集成的完整电气和/或电子电路。在专利号为WO2016/201193A1，专利技术名称为自操作和可运输远程实验室系统的专利技术专利中，除了公开该系统可被使用它的用户移动之外，还公开了能够自动分析样本的所述系统。该专利不同于本专利技术，因为本申请提出的系统总是保持在同一地方，而不是用于运输。在本申请的案例中实验室是由用户操作/控制的，而不是自动的，其结果取决于用户的活动。附图说明图1示出了组成和用于远程实验室系统操作的模块以及它们之间的关系的框图。图2示出了没有远程客户端或用户的远程实验室模块组件的框图，并示出了站组件。图3示出了用户可远程访问的不同远程实验室的框图。图4a示出了用于在实践中使用的具有可配置电路原型的印刷电路板(PCB)。图4b、图4c和图4d示出了用于实践的电路的示例。图5示出了为了从用户接收数据、检查它们是否存在于数据库中并进行预订所遵循的算法序列的框图。图6示出了为了确定用户是否进行了预订以便使用任何工作站并能够在实践中工作所遵循的算法序列的框图。具体实施方式用于电气和电子电路学习的远程实验室系统的特征细节清楚地呈现在下面的描述和所附的说明性附图中，作为指示构成本专利技术的相同部分的参考。本专利文件中描述的专利技术由远程实验室系统组成，该系统由三部分组成：第一部分，其包括不同设备组成的技术结构、该设备的互连和包括该部分的部分，以及它们相互作用的方式；第二部分，其由所需的平台和装置组成，使得所述硬件可以相互作用；以及第三部分，其描述了与用户的交互方法，通过该方法，用户可以根据所确定的主题与不同的模块交互，并且可以为每个远程实验室执行预定的实践，在该交互中第三部分将能够从其访问中生成、确定在物理站远程执行实践的轮候和分配时间，并且能够执行由教员确定的各种实践。第一部分基本上由具有互联网接入(2)的计算机设备(3)和允许与各站进行物理互连的一组端口组成，所述设备具有利用LabVIEW编程工具开发的预加载应用，但是它也与能够取得一组物理信号、将其转换成电压并将其数字化以便能够被计算机处理的单元进行物理和逻辑通信，所述单元(DAQ)(4)允许与NIELVIS单元(5)互连，该NIELVIS单元是可允许模拟不同的设备(诸如示波器、数字万用表、函数发生器、可变电源等)的模块化工程教育实验室设备，强调所述单元位于物理空间内的工作站(6)或工作模块中。前述设备组构成了远程实验室，该远程实验室通过tcp/ip协议互联到互联网(2)，其中中央服务器(1)安装有SQL应用和WEB服务器。所述中央服务器(1)可与其他设备位于相同的地理位置，也可位于不同的地理位置。用户通过已联网的电脑(9)连接到特定的路线，通过这条路线用户可访问远程实验室的平台；有必要提及的是，这些实验室可改变用户的配置，用PLC(7)代替DAQ单元(4)，该PLC将控制过程(8)，该过程可以是电梯、直角坐标型机器人、加工线、分级线、仓库、自动化过程等。第二部分，由设备和外围设备相互交互所需的平台组成，它还将为用户提供界面以操作远程实验室组件并将其可视化，并通过该界面与工作站交互，该平台基本上由三个模块组成：1)SQL数据管理模块。本模块将负责管理、创建、验证和认证不同数据库中的用户数据，该数据库是为生成对运行在主服务器上的远程实验室的访问而创建的。2)云中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于电气、电子和控制电路学习的远程实验室系统及其实施方法，其特征在于，所述系统由以下元件组成：/na)技术结构，所述技术结构由不同设备组成，即，接入互联网的计算机设备、通过计算机设备的其中一个端口与单元通信的预载应用，所述单元能够取得一组物理信号；将所述物理信号转换成电压并将所述信号数字化以便所述信号能够被所述计算机处理，从而允许与安装在工作站中的NI ELVIS单元互连；所述计算机设备通过tcp/ip协议通过通信基础设施连接到互联网服务，所述tcp/ip协议建立与主服务器或中央服务器PC的链接，所述服务器允许远程实验室系统的所有元件的通信、访问和管理，使得用户可以访问这些元件；/nb)由至少三个模块组成的互动平台：/n·SQL数据管理模块，在该模块中用户数据在创建的不同数据库中进行管理、创建、验证和身份验证，以生成对所述远程实验室及其不同应用的访问，该操作在主服务器中执行；/n·云中的网页或主机模块，其对于链接到服务器是必要的，该应用能够发布和公开访问互联网，也就是说，它是远程用户与平台互连从而与工作站交互的主要手段，该应用与远程实验室的外围设备互连，从而提供运行在所述主服务器上的可视化界面；/n·用于控制远程实验室的模块，所述模块由LabVIEW中的算法利用块命令确定，所述块命令允许从连接的电路获取数据并修改其参数，该操作在所述远程实验室设备中执行；/nc)一种在所述用户和由计算机实现的远程实验室接口之间，在通过计算机网络实现的实时通信会话期间通过计算机网络促进实体之间的内容交换的交互方法，通过这种方法所述用户与所述平台的不同模块交互它们的物理外围设备，根据实验室的主题所确定的来执行，在这种交互中将执行访问生成过程，确定轮候、时间、物理站的分配，并且能够执行教员确定的活动，以及修改每个活动中的参数。/n...

【技术特征摘要】
20181213 MX PCT/MX2018/0001451.一种用于电气、电子和控制电路学习的远程实验室系统及其实施方法，其特征在于，所述系统由以下元件组成：
a)技术结构，所述技术结构由不同设备组成，即，接入互联网的计算机设备、通过计算机设备的其中一个端口与单元通信的预载应用，所述单元能够取得一组物理信号；将所述物理信号转换成电压并将所述信号数字化以便所述信号能够被所述计算机处理，从而允许与安装在工作站中的NIELVIS单元互连；所述计算机设备通过tcp/ip协议通过通信基础设施连接到互联网服务，所述tcp/ip协议建立与主服务器或中央服务器PC的链接，所述服务器允许远程实验室系统的所有元件的通信、访问和管理，使得用户可以访问这些元件；
b)由至少三个模块组成的互动平台：
·SQL数据管理模块，在该模块中用户数据在创建的不同数据库中进行管理、创建、验证和身份验证，以生成对所述远程实验室及其不同应用的访问，该操作在主服务器中执行；
·云中的网页或主机模块，其对于链接到服务器是必要的，该应用能够发布和公开访问互联网，也就是说，它是远程用户与平台互连从而与工作站交互的主要手段，该应用与远程实验室的外围设备互连，从而提供运行在所述主服务器上的可视化界面；
·用于控制远程实验室的模块，所述模块由LabVIEW中的算法利用块命令确定，所述块命令允许从连接的电路获取数据并修改其参数，该操作在所述远程实验室设备中执行；
c)一种在所述用户和由计算机实现的远程实验室接口之间，在通过计算机网络实现的实时通信会话期间通过计算机网络促进实体之间的内容交换的交互方法，通过这种方法所述用户与所述平台的不同模块交互它们的物理外围设备，根据实验室的主题所确定的来执行，在这种交互中将执行访问生成过程，确定轮候、时间、物理站的分配，并且能够执行教员确定的活动，以及修改每个活动中的参数。


2.根据前述权利要求所述的用于电气、电子和控制电路学习的远程实验室系统，其特征在于，所述技术结构允许进行通过至少一个PLC将物理信号转变成数字化电压的单元交换，所述至少一个PLC能够根据需要控制过程控制系统(诸如电梯、机械臂、直角坐标型机器人、仓库、加工线、自动化过程)。


3.根据前述权利要求所述的用于电气、电子和控制电路学习的远程实验室系统，其特征在于，所述工作站的数量以以下方式与所述技术结构的技术容量成比例，即其允许工作站中的至少一对将它们缩放为不确定的数量。


4.根据前述权利要求所述的用于电气、电子和控制电路学习的远程实验室系统，其特征在于，所述SQL应用模块包含供用户预加载其数据的数据库，创建具有密码的实体，并且其密钥允许其验证和访问先前预加载的工具的菜单，允许访问所述平台以及时间表和实例菜单，并且允许使用工作站并访问由管理员预加载的一系列工具和指令的特定轮候。


5.根据前述权利要求所述的用于电气、电子和控制电路学习的远程实验室系统，其特征在于，所述LabVIEW模块将验证所述用户的凭证，将该凭证与所述用户已指定用来进入所述实践的数据与先前进入的用于身份验证的所述SQL服务器数据库中发现的预订数据进行比较。


6.根据前述权利要求所述的用于电气、电子和控制电路学习的远程实验室系统，其特征在于，所述LabVIEW模块将验证所述用户的凭证，将所述用户已指定用来进入所述实践的数据与所述SQL服务器数据库中的预订数据进行比较，并与控制所述工作站的所述设备建立通信。


7.根据前述权利要求所述的用于电气、电子和控制电路学习的远程实验室系统，其特征在于，所述LabVIEW模块的接口由两部分组成：
a)外部部分，其中所述接口包括：
vii.远程IP地址，所述远程IP地址代表要连接的人的IP地址将被显示的部分；viii.远程用户，所述远程用户代表要连接的用户名将被显示的部分；
ix.远程实验室-服务器IP地址，所述远程实验室-服务器IP地址代表服务器IP地址；对于要连接的每个工作站，所述服务器地址被分为10个子地址；
x.DateTfdimePacInt，所述DateTfdimePacInt代表实践将为要连接的用户打开的日期和时间被显示的部分；
b)内部部分，其中所述管理员通过图形界面监控所有设备的操作，并且其具有以下部分：
xi.日期、时间和用户的串联字符串1：该部分示出了来自用户请求的注册数据、日期、时间和用户名的串联；
xii.用户、密码和站：该部分示出了用户在进行能够使用任何工作站的请求时注册的数据；
xiii.空登录、空预订、超级用户：在该部分中，工作单元的每个状态都用LED指示器显示。


8.根据前述权利要求所述的用于电气、电子和控制电路学习的远程实验室系统，其特征在于，在其外部部分的所述接口与执行以下步骤的所述服务器通信：
1)读取接收所述用户关于进入所述实践的权限问题的服务器端口；
2)一旦发出请求，由TCP/IP协议封装的信息就被读取，从而被解码，获取其所携带的数据。在上述第一部分中，将会获取正在传送的IP地址并显示在远程IP地址部分的前面板上；
3)在获得了TCP/IP协议封装的信息后，有必要将其带到使用微软SQL服务器管理工作室的SQL注册处；此时，验证预订使得其与用户进行的请求一致，所有参数或信息被转换成字符串类型(诸如用户将要工作的日期和时间)，并且它们被放置在各自部分中的前面板中；
4)一旦获得了所述数据，将验证所述人员是否可以登录到所述服务器以执行相应的实践。该过程由以下步骤组成：使用前面示出的编程的外部部分的用户信息，并将其与服务器数据库中已经注册的关于服务器存在、密钥口令以及预订数据的信息进行比较。一旦该信息被验证，将向所述用户发送响应，以便访问相应的实践；如果提供的所述信息不正确，所述用户将不能访问所述实践。


9.根据权利要求6所述的用于电气、电子和控制电路学习的远程实验室系统，其特征在于，在其内部部分的接口执行以下步骤以启用其选项菜单：
·为了打开空登录指示器，所述用户名和密码必须存在于所述数据库中；
·为了打开空预订指示器，所述用户所做的所述预订必须存在于所述数据库中；
·为了打开超级用户指示器，只有所述管理员必须登录到他们各自的帐户；
xiv.预订、设备、计数预订和计数设备；该部分示出了这些数据中的每一个的集群阵列，这些集群阵列作为在其中显示了与这些部分中的每一个相对应的信息的指示器，将在下面简要描述：
·在预订部分，显示所述用户信息以及进行所述预订的日期和时间；
·在设备部分，显示所述用户的帐户信息；
·在计数预订部分，显示所述用户进行的预订的数量；
·在计数设备部分，显示所述用户进入工作站的次数的计数；
xv.日期/时间字符串：该部分示出了根据所述用户请求注册的日期和时间的串联；
xvi.用户和密码的串联字符串2：...

【专利技术属性】
技术研发人员：曼努埃尔·爱德华·马西亚斯加西亚，
申请(专利权)人：蒙特雷技术学院，
类型：发明
国别省市：墨西哥;MX