Αρχιτεκτονική συστημάτων για την διεξαγωγή εργαστηριακών πειραμάτων μέσω διαδικτύου με έμφαση στην ψηφιακή επεξεργασία σήματος και εικόνας

Abstract

The subject of this Ph.D. dissertation deals with the development of a flexible and expandable architecture which will be exploited in the design of systems for the conduction of remote experiments. These systems are referred as RLs (Remote Laboratories) and allow the users to handle remotely the available laboratory equipment in order to perform remote experiments. Significant scientific efforts which deal with the development of RLs in several cognitive fields, have been documented in the international literature. However, even today a commonly accepted architecture for the development of RLs has not been adopted by the scientific community. At the beginning, an architecture for the development of RLs which is called ARIAL (ARchitecture of Internet Accessible Laboratories) and is independent of the cognitive field of the supported remote experiments, is proposed. This architecture is also independent of both the hardware and the software which will be utilized for the development of the corresponding RL. The ARIAL consists of two structural elements, the MWS (Main Web Server) and the WS (WorkStation). The MWS undertakes the management of the users and the available WSs. Each one of the multiple WSs is exclusively responsible for the conduction of the supported remote experiments. The communication between the MWS and the WSs is achieved through an internet accessible database. Therefore, the WSs can be installed in any geographic location allowing the development of federal RLs. However, the most important feature of the proposed architecture which contributes decisively to the sustainability of a RL, is the support of remote experiments designed and implemented by the users. In order to confirm the ARIAL, this Ph.D. dissertation also proposes a RL in digital signal processing with DSPs which is called R-DSP Lab. The R-DSP Lab provides the users with the ability either to perform one of the predefined remote experiments or to confirm the operation of a DSP application which is developed by them. In addition, the proposed RL allows the development of remote experiments by the users. Subsequently, a RL in digital image processing with DSPs which is called R-DImPr Lab (Remote Digital Image Processing Laboratory), is also proposed. This RL allows the verification of a DSP application developed by the user utilizing the API (Application Program Interface) of R-DImPr Lab. In order to expand the features of the R-DImPr Lab, a digital image processing system based on DSPs was designed and developed. This system allows the users to perform remote experiments by controlling remotely both the DSP application and the position of the image sensor. Finally, a RL in computer architecture which allows the users to program in assembly language one of the two available CPUs (Central Processing Units), is proposed.

Το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής αφορά στην ανάπτυξη μιας ευέλικτης και επεκτάσιμης αρχιτεκτονικής που θα αξιοποιηθεί στον σχεδιασμό συστημάτων για την διεξαγωγή πειραμάτων από απόσταση. Τα συστήματα αυτά αναφέρονται ως RLs (Remote Laboratories) και επιτρέπουν στους χρήστες να χειρίζονται απομακρυσμένα τον διαθέσιμο εργαστηριακό εξοπλισμό με σκοπό την διεξαγωγή πειραμάτων. Στην διεθνή βιβλιογραφία έχουν καταγραφεί σημαντικές ερευνητικές προσπάθειες που σχετίζονται με την ανάπτυξη RLs σε διάφορα γνωστικά αντικείμενα. Όμως ακόμη και σήμερα δεν έχει υιοθετηθεί από την επιστημονική κοινότητα κάποια κοινά αποδεκτή αρχιτεκτονική για την ανάπτυξη RLs. Αρχικά προτείνεται μια αρχιτεκτονική για την ανάπτυξη RLs η οποία ονομάζεται ARIAL (Architecture of Internet Accessible Laboratories) η οποία είναι ανεξάρτητη από το γνωστικό αντικείμενο των υποστηριζόμενων από απόσταση πειραμάτων. Η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική είναι επίσης ανεξάρτητη τόσο από το υλικό όσο και από το λογισμικό που θα αξιοποιηθεί για την ανάπτυξη ενός RL. Η ARIAL αποτελείται από δύο δομικά στοιχεία, τον MWS (Main Web Server) και το WS (WorkStation). Ο MWS αναλαμβάνει κυρίως την διαχείριση των χρηστών και των διαθέσιμων WSs. Ενώ τα WSs που συνήθως βρίσκονται σε πολλαπλότητα, αναλαμβάνουν αποκλειστικά την διεξαγωγή των υποστηριζόμενων από απόσταση πειραμάτων. Η επικοινωνία μεταξύ του MWS και των WSs επιτυγχάνεται μέσω μιας βάσης δεδομένων που επιτρέπει την πρόσβαση μέσω διαδικτύου. Επομένως, τα WSs μπορούν να εγκατασταθούν σε οποιαδήποτε γεωγραφική τοποθεσία επιτρέποντας την ανάπτυξη ομοσπονδιακών RLs. Όμως το σημαντικότερο χαρακτηριστικό της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής το οποίο συμβάλει αποφασιστικά στην βιωσιμότητα ενός RL, είναι η υποστήριξη από απόσταση πειραμάτων που έχουν σχεδιαστεί και υλοποιηθεί από τους χρήστες. Με στόχο την επιβεβαίωση της ARIAL προτείνεται ένα RL στην ψηφιακή επεξεργασία σήματος με DSPs που ονομάζεται R-DSP Lab. Το R-DSP Lab παρέχει στους χρήστες την δυνατότητα είτε να διεξάγουν ένα από τα προκαθορισμένα από απόσταση πειράματα είτε να επιβεβαιώσουν την ορθή λειτουργία μιας DSP εφαρμογής που ανέπτυξαν οι ίδιοι. Το συγκεκριμένο RL επιτρέπει επίσης την ανάπτυξη από απόσταση πειραμάτων από τους χρήστες. Στην συνέχεια προτείνεται ένα RL στην ψηφιακή επεξεργασία εικόνας με DSPs που ονομάζεται R-DImPr Lab. Το συγκεκριμένο RL επιτρέπει την επιβεβαίωση μιας DSP εφαρμογής που αναπτύχθηκε από τον χρήστη αξιοποιώντας το API (Application Program Interface) του R-DImPr Lab. Με σκοπό την διεύρυνση των δυνατοτήτων του R-DimPr Lab σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε ένα σύστημα επεξεργασίας εικόνας με DSPs το οποίο παρέχει στους χρήστες την δυνατότητα να διεξάγουν από απόσταση πειράματα ελέγχοντας απομακρυσμένα, τόσο την λειτουργία της αντίστοιχης DSP εφαρμογής όσο και την θέση του αισθητήρα εικόνας. Τέλος, προτείνεται ένα RL στην αρχιτεκτονική των υπολογιστών που επιτρέπει στους χρήστες να προγραμματίσουν σε assembly μια από τις δύο διαθέσιμες CPUs (Central Processing Units).