HAL Id: hal-00786515
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Submitted on 8 Feb 2013
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LaboREM : laboratoire flexible pour instrumentation déportée et travaux pratiques à distance
Eugenia A. Petre, Franck Luthon, Benoit Larroque, Pierre Dibon, Jean-Marc Fiton
To cite this version:
Eugenia A. Petre, Franck Luthon, Benoit Larroque, Pierre Dibon, Jean-Marc Fiton. LaboREM :
laboratoire flexible pour instrumentation déportée et travaux pratiques à distance. 7e REAL Rencontre
Europe Amérique Latine, Nov 2010, Cartagène des Indes, Colombie. pp.1-8. �hal-00786515�
travaux pratiques à distane
Eugenia A. Petre
1
,Frank Luthon
1
, BenoîtLarroque
1
,Pierre Dibonet Jean M. Fiton
IUT de Bayonne-Pays Basque,
1
Département de Génie Industrielet Maintenane
Université de Pauet des Pays de l'Adour, Anglet,Frane
frank.luthonuniv-pau.fr
Résumé
L'avanéedesréseauxde ommuniation,ombinée
àl'améliorationde l'interonnetivitédesappareilsde
mesure et aux performanes du traitement de signal,
permetaujourd'huidedévelopper,grâeàlatehnolo-
gieweb,desappliationsd'enseignementàdistaneen-
globantla totalité duproessus d'apprentissage: non
seulement ours, travaux dirigés et simulations, mais
aussitravauxpratiques(TP)baséssurdel'instrumen-
tation réelle ou virtuelle. Les avantages et les inon-
vénientsdel'enseignementàdistanesontmentionnés
danslalittérature,desétudesomparativesétantme-
nées entre les trois typesde laboratoire : TP en pré-
sentiel,TPvirtueletTPdistant.
Dans et artile, nous présentons une arhiteture
lient-serveurexiblepourl'instrumentationàdistane
dans le adre de TP distribués. Elle est basée sur
des plug-in qui permettent le partage des ressoures
tehniques (onnexion de dispositifs expérimentaux).
La mise en ÷uvre d'un prototype de TP en életro-
nique et traitement du signal pour des étudiants en
premieryleuniversitaireestdérite.Notreontribu-
tionestdouble:a)nousproposonsunmodèledeplug-
in qui permet auxenseignants d'insérerfailementde
nouvellesexpérienesdansla struturedebase dula-
boratoire (exibilité et extensibilité); b) nous préo-
nisons l'utilisation d'une approhe s'apparentant aux
jeuxéletroniques:l'ativitédelaboratoireestonçue
omme une séquene de jeu omportant diérentes
étapes, orrespondant à des niveaux de performane
diérentspermettantd'évaluerautomatiquementl'étu-
diant.
A terme,e projet est destinéàêtreutilisé pardes
universités étrangères n'ayant pas à leur disposition
deséquipementsoûteuxpourréaliserdestravauxpra-
tiques,maisbénéiantd'unesimpleonnexionInter-
net.Cette démarhes'insritdans une optiquededé-
moratisationdusavoirtehnologique.
Mots-lés
Laboratoire distant; laboratoire virtuel; enseigne-
ment à distane; travaux pratiques; LabVIEW; ins-
trumentvirtuel(V.I.)
1 Introdution
Les avantages et les inonvénients des laboratoires
virtuels sont largement disutés dans la littérature.
Plusieursétudesomparativesportentsurlesdiérents
typesdelaboratoire:présentielouàdistane,TPréel
ou en simulation, interfae rihe ou standard, réalité
virtuelleouréalitéaugmentée,et. [1℄.Lestroisavan-
tages majeurs des laboratoires virtuels ou à distane
sontexposési-dessous:leurimpatonerneàlafois
l'argent, l'espae et le temps. Ils permettent ainsi de
s'aranhir des fortes ontraintes induites parles TP
lassiquesenprésentiel[2℄.
Argent : unpremieravantageonsisteàréduireles
oûts d'investissement de l'instrumentation. En eet,
un unique exemplaire d'un appareil peut être utilisé
par plusieurs lients ou étudiants, et ei à l'éhelle
internationale (partagede latehnique). Lesoûts de
maintenane peuvent être également réduits grâe à
lamutualisationentreplusieursuniversités(simplia-
tiondelamaintenane).
Espae : Les TP peuvent être réalisés à partir de
n'importe quel endroit à ondition de disposer d'une
onnexionInternet.Lelientommuniqueaveleser-
verwebparunprotooleTCP/IP.Ainsi,lesétudiants
peuventtravaillerdepuishezeux,oudepuisn'importe
quel endroitdel'universitééquipéd'un ordinateur en
réseau. Les étudiants non insrits peuvent également
utiliserl'appliationaprèsauthentiation,depuisleur
ordinateurpersonnel.
Temps : Le serveur étant atif 24h/24 et 7j/7,
les lients hoisissent les réneaux horaires qui leur
onviennent le mieux. Les partenairesinternationaux
(universités) peuvent réserver des tranhes horaires
pour leurs étudiants an d'eetuerdes travauxpra-
tiques néessitant l'équipement mis à disposition par
notreInstitut.Deplus,etteappliationpermettraaux
étudiantsprésentant unhandiap ouayantun niveau
faible de bénéier d'un temps supplémentaire. Cette
extensionn'estpaspossiblelorsdeTPenprésentieloù
l'étudiantdoitnirsontravaildansles3à4hallouées
sées.
Partant de es onstatations, nos objetifs sont les
suivants. Premièrement, la oopération internationale
ave des universités étrangères est une des priori-
tés del'InstitutUniversitaireTehnologique (IUT)de
Bayonne Pays Basque, Anglet, Frane. Notre plate-
forme d'enseignement à distane est partiulièrement
adaptéepourlesuniversitésdespays envoie dedéve-
loppement, disposant d'une onnexion internet. Nous
espérons queetteplate-formeontribueraàladémo-
ratisationdusavoirtehnique.
Deuxièmement, notre prototype de TP orrespond
àun ours d'életronique dudiplme DUT Génie In-
dustriel et Maintenane (GIM) de niveauBa+2. En
Frane, il existe 25 départements GIM, et e ours
d'életronique a voation à êtres réalisé par tous les
départementsàpartirdenotreappliation(eiorres-
pondà plusde 1000étudiantspotentiellement lients
de notre plate-forme). De plus, en développant ette
pratiquedeollaboration,nouspourronspallierla di-
minutiondesmoyensnaniersallouésauxuniversités.
Troisièmement, nous onevons l'ativité de TP
omme un jeu de piste : ei se base sur la onsta-
tation queles jeunes sont intéressésparles jeux éle-
tronique en ligne, qu'ils sont vifs quand il s'agit de
surfer sur internet, mais lents durant les TP las-
siques.Paronséquent,nouspréonisonsuneapprohe
d'enseignementbasée sur lejeu. L'ativité est onçue
omme une séquenede jeu ave plusieurs étapes qui
inlutquestionnaireàhoixmultiples(QCM),ontrle
àdistaned'instruments,mesureetsimulation.Chaque
lient(étudiant),durantuntempslimité, alapossibi-
lité de répéter ertaines étapes ou de ontinuer an
d'atteindre l'objetif du TP. Dans la setion 4 nous
verronsque laséquene de laboratoire virtuelest im-
plantéeommeuneséquenedetest, oùl'étudiantest
ledevieunder test(D.U.T)
Enn,unautreobjetifonsisteàpermettreauxen-
seignants de développer eux-mêmes, de façon simple,
de nouveaux TP grâe àune proédure de typeplug-
in. Dans[3℄nous avonsdéjà proposé unearhiteture
et des plug-in pour l'appliation,mais sansprésenter
l'implémentationdelaséquenedetravail.
Cetartileestorganiséommesuit.Danslasetion
2, nous mentionnons les travaux réents parus dans
lalittérature,et mettons en avantlesaratéristiques
prinipalesdeslabosdistants(e-labs). Danslasetion
3.1, nous présentonsl'arhiteturedu laboratoire dis-
tant nomméLaboREM (pourRemoteLaboratory); la
miseen÷uvreduprototypeestdériteauparagraphe
3.2. La setion 4.1 présente l'approhe basée sur le
oneptdejeu etlaoneptiond'uneséquenedema-
nipulation;lasetion4.2illustrequelquesséquenesde
travaildédiéesàdesoursauniveauBa+2entraite-
mentdesignal,mesureettestde iruitset systèmes.
Lesrésultatsaveévaluationstatistiquesontdonnésau
hapitre 5.Finalement, ladisussion dans la dernière
lesquellesil resteenoreàtravailler.
2 Etat de l'art
Les ritères de oneption des laboratoires virtuels
sontdéritsdans[4℄.Beauoupd'auteurs[4,5℄insistent
surlaomplémentaritédestroistypesdeTP:présen-
tiel, virtuel(i.e.ensimulation) et distant(i.e. ave
prisede ontrlesurde vraisappareils).L'absenede
ontrainte temporelle strite pour lesTP distantsest
partiulièrementintéressantepourlesétudiantshandi-
apés [5, 6℄, qui ont besoin de plus de temps, ou de
plusieursrépétitionsavantdepasseràl'étapesuivante
d'unTP.
Si leslabosvirtuelsutilisentsouventMatlab [7℄,de
nombreux labos distants sontbasés sur LabVIEW et
lebus GPIB[4,2℄.[2℄présenteuneappliation lient-
serveur ave deux serveursdistints : un serveur web
et un serveur d'expérienes. Ils utilisent les ontrles
AtiveXinlusdansdespageshtml. Laonnetionsi-
multanéede8lientsestpossible.Dans[8℄,unserveur
web LabVIEW estutilisé pourunTP distantsur des
iruitsoptiques.Lastratégieinlutàlafoissimulation
etexpérimentationàdistane.Uneautreimplantation
baséesurLabVIEWetlebusGPIBestdéritedans[9℄
Unewebametune fenêtredehatpourlaommuni-
ationentreusagersontribuentàlarihessedumédia.
L'ajoutd'uneommuniationaudioestpréoniséepour
letravailollaboratif.Lesauteursinsistentsurl'avan-
tagedeslabosdistantspermettantderépéterlesexpé-
rienes:lesétudiantsquienontbesoinpeuventrépéter
une tâhe pour mieux lamaîtriser. Mais unpoint-lé
estl'aessibilitédeslabosdistants:laréservationdes
sessions doitêtre aisée. Un autre point importantest
ledegrédelibertéaordéàl'apprenant:lesétudiants
aimentâblereux-mêmeslesiruitsàtester.
Certains travaux évaluent l'eaité des labos dis-
tants.Lesauteursdans[10℄présententuneexpériene
pédagogiqueen méanique(étude desvibrationsd'un
système).Ilsabordentleritèredelarihessedesmédia
utilisésetonluentqueelan'apastantd'importane,
grâeàlaapaitéd'adaptationduomportementhu-
main.[11℄donneunemétrique(GoalQuestionMetri)
pourmesurerl'eaitéd'unlabodistantenradioéle-
triité.LeurprototypeestbasésurunLMS(Learning
Management System) et l'emploi d'applets Java. Un
générateurdelabodistantestprésentédans[12℄ pour
aiderlesinstruteursàpréparerleursTP.
Les prinipales tehnologies utilisables pour les la-
bosdistantssontlistées dans[13℄ :téléhargementde
logiiel(6%);applets(58%);LMS(36%).Lesauteurs
proposent une évaluation basée sur 7ritèreset om-
parent5labosdiérents.Signalonsqu'ilsutilisentune
approhedetypejeu pourleursTPdistants.
Dans [14℄, un labo virtuel utilisant Matlab est dé-
rit pourlaoneption deorreteursPID et letraé
de ourbes de Bode. Il est basé sur une stratégie en
apprentissagenonstruturéplusréatif.[7℄utilisel'en-
vironnementd'apprentissageeMersionbasésurleweb,
ave Javaet Matlab,pourla régulationd'un système
hydrauliqueàtroisréservoirs.Unlogiiellibrebasésur
Matlabestutilisédans[15℄pourunlabovirtueld'éle-
troniquedepuissane.LelabowebCilope[16℄estune
solution logiielle gratuite, qui permet une approhe
ollaborative,àlafoispourlesétudiantspendantleur
TP,et aussipourlesenseignantspendantlaphasede
oneptiondenouvellesmanipulations.
Les prinipales limitations des labos distants sont
onnues. Un premier inonvénient est que l'ativité
nerepose passur uneommuniationdirete. Chaque
lient travaille seul dans une ommunauté virtuelle
(autresétudiants,tuteurs,administrateur,tehniiens,
webmaître).Celasoulèvelesquestionsd'interfaebasée
surunmédiariheetdeommuniationsynhronevs.
asynhronepourlaollaboration.Le labovirtueluni-
versel pour l'introdution aux iruits életriques [6℄
est basé sur un simpleéhange de hiers texte, mé-
thode qui s'avère robuste pour fontionner aussiprès
quepossibledutemps-réel.
Uneautrepréoupationportesurlesprérequispour
éviterunemauvaisepréparationdessessionsdistantes.
Comme il n'y a pas de tuteur physiquement présent
pour fournir une information omplémentaire ou dé-
pannerlesystème,ondoits'assurerque:a)riend'im-
portantnemanquedanslepaquetagededonnéesfourni
àl'étudiant; et b) l'appliationne peutjamais rester
oinéedansunétatbloquant(àausedumatérielou
d'une mauvaise onguration). Une remarque impor-
tante orrélée à ela est qu'il y a un fort besoin de
maintenane du réseau et du serveur qui doit rester
disponible24h/24.
Bien sûr, l'eaité pédagogique reste le ritère le
plus important et doit pouvoir être évaluée orrete-
mentpourvaliderlaqualitédulabodistant.L'évalua-
tiondel'ativitédel'étudiantdansunenvironnement
virtuelestdonunpointlé [17,18℄.
Pour onlure et état de l'art, nous souhaitons
mettre en avant deux fateurs-lé que nous traitons
dans e papier : il y a un fort besoinà la fois d'aide
auxtuteurspourdévelopperdenouveauxTPpareux-
mêmes,etdedivertissementdesjeunesimpliquésdans
un ursus universitaire tehnologique.C'est pourquoi
nous allons nous onentrer sur deux aratéristiques
prinipales de notre travail : la tehnique de plug-in
pour insérerdes manipulations et l'approhe pédago-
giquebaséesurlejeu.
3 Plate-forme à distane
3.1 Arhiteture ouverte
L'arhiteture logiielle/matérielle est présentée
Fig.1.Ils'agitd'unearhiteturedetypelient/server
avedeux serveursdistints: l'un pourpiloter lesex-
pour gérer l'interfae web permettant l'aès des
lients. En fontion de la onguration du réseau lo-
al, es deux serveurs peuvent être physiquement sé-
parés ou instaniés par unseul et même serveur. Les
lients seonnetent àette arhiteture viaInternet
ouintranet(protooleTCP/IP).
web server
lab server Gimbay
INSTR Electronic DAQ Protoboard
client
intranet tutor
internet TCP/IP client
switching matrix
GPIB / USB / PCI bus
D.U.T.
camera LabVIEW
Multisim TestStand Matlab ...
Figure 1Arhiteturedel'appliationLaboREM
L'intrumentation pilotée à distane omprend des
appareilsdemesureetdetest,uneplatineéletronique
deoneptionetprototypage,desartesd'aquisition,
unematriedeommutationpourlamisesoustension,
laongurationetlaonnexiondesiruitséletriques
del'expérienesélétionnée.Conernantlapartielogi-
ielle,plusieurs programmes peuventêtre utilisés tels
queLabVIEW,MultiSim,PSpie, Matlab,TestStand,
et.Laommuniationavelelients'eetueenmode
asynhrone par l'envoi et la réeption de hiers de
données,maisaussienmodesynhronepourleretour
vidéoissu d'uneaméraquilme lelabo.
La partiularité de l'arhiteture réside dans le
oneptde plug-inimplanté sousformed'instruments
virtuels (V.I.) de LabVIEW pour la simulation ou le
ontrlephysiquedesexpérienes.Unmodèledeplug-
inestdisponiblepouraiderlestuteursàdévelopperde
nouvellesexpérienes intégrables dans laplate-forme.
Lesplug-intéserveursontomplétésparlesplug-in
lients, failementintégrésdansle menu de l'applia-
tionlient(Fig.2).
3.2 Mise en ÷uvre du prototype
3.2.1 Le serveur de LaboREM
Partiematérielle Leserveurestinstaniéparunor-
dinateursituédansnotredépartementonnetéàdié-
rentsinstruments:artesd'aquisitionNI-DAQ(PCI
ou USB), instrumentation GPIB ou RS232 (osillo-
sope,générateurdefontions,alimentationprogram-
in téserveurpourun traédeBode; b) Modèlede
plug-intélient
Figure3Instrumentsonnetésauserveur
mable, multimètre, analyseur de spetre), platine de
prototypage (NI-Elvis) pourles iruitséletroniques,
matriedeommutationpourl'alimentationéletrique
etlaongurationdesiruits(Fig.3).
Partie logiielle Le serveur est développé à partir
de la bibliothèque Internet Toolkit de LabVIEW. La
ommuniationweb est gérée par leserveurG à tra-
versdes sripts CGI. La gestion de laliste des expé-
rienes,delalistedesutilisateursetdelaled'attente
desrequêtesenours,sefaitparuneinterfaehomme-
mahine(Fig.4).CetteIHMpermetàl'administrateur
degérerleshangementsdeongurationàpartirdes
outils de ontrle àdistane. Le serveur génère aussi
un wathdog qui surveille le bon déroulementdes ap-
pliationsserveuretpeutproéderauredémarragedu
serveurenasdedéfaillane.
Conguration réseau Etant donné que le serveur
LabVIEWest atuellementsurunréseauloalVLAN
privénonvisible del'extérieur dudépartement, laso-
lution retenuepourrendrel'appliationaessiblede-
puisl'extérieurestunreverse-proxybasésurunserveur
ApaheHTTP.Deuxrediretionsvirtuellessontdéla-
rées sur deux ports TCP diérents : le premier per-
met l'aèsauserveur web deLabVIEW et le seond
est dédiéàlaonnexion delawebam.Cettesolution
tehnologiqueassezontraignanteseraremplaéedans
unfuturproheparune tehnologiedetypeVPN.
Figure4Administrationduserveur:a) démarrage
serveur web et wathdog; b) ongurationet gestion
desutilisateurset delaled'attente.
3.2.2 Appliation lientLaboREM
Déploiement Le déploiement s'eetuera en télé-
hargeant un hier arhive ave l'exéutable depuis
notre siteweb 1
, ouenenvoyantau lient unCDRom
ontenant les hiers soures et la doumentation de
l'appliation.
InterfaeHommeMahine Aprèss'êtreauthenti-
é, le lient (étudiant utilisateur) aède à l'interfae
webàpartirdelaquelleilpeutlaneruneexpérieneet
prendreleontrledesinstrumentsàdistane(Fig.5).
Après le téléhargement des hiers de données issus
des mesures, l'interfae permet l'ahage graphique
des résultats en vue de leur interprétation. Enn, un
formulairenalestàompléterpourévaluerl'applia-
tion.
Figure5Interfaelientaveretourvidéowebam
etexempledetraédeBode
Communiation asynhrone Le lient ommu-
nique par l'envoi/réeption des hiers de paramé-
trage/données.Ce typedeommuniationasynhrone
1. http://www.iutbayonne.univ-pau.fr/
ment:lesrequêtesutilisateursgénérantl'envoidespa-
ramètresdel'expérienesontempiléeslesunesaprèsles
autresdansuneled'attenteFIFO.Commeunemani-
pulationtypique(e.g.traédeBodepourltresatifs)
nedure quequelques minutes, ettetehniques'avère
eaeet robustepourlagestionmulti-utilisateurs.
Uneommuniationsynhronedusystème estaussi
envisageable dans le as où l'utilisateur souhaite
prendre le ontrle en temps réel des instruments.
Cetteommuniationestpossibleàtraversdesplug-in
lientsdéveloppéspouréhangerdiretementdesdon-
nées ave le V.I. plug-in orrespondant té serveur.
Tehnologiquement,etéhangepeutseréalisergrâe
auxdialogues parprotoole FPP(FrontPanelProto-
ol) permettant de déporterla fae avantdes V.I. en
temps réel. Ce protoole FPP néessite l'installation
té lient du moteur temps réel RTE de LabVIEW.
Une autre solution onsisteà utiliserun Web Servie
générantunuxXML qui,interprétéàl'aidedeteh-
niques web plus lassiques (Flex, SilverLight, JavaS-
ript), ne néessite pas de lourdes installations té
lient. Deplus,l'aèsàunewebam(ommuniation
synhrone) est disponible pour un ontrle visuel du
déroulementdesexpérienes,andepermettreàl'uti-
lisateurdeonnaîtrelesélémentsmatérielsmisenjeu.
4 Séquenes d'expérienes
4.1 Coneption de séquene
Une séquene de laboratoire est onçue omme un
jeu de piste (itinéraire virtuel) omportant plusieurs
niveauxquisontatteintsenfontiondelanoteobtenue
parl'étudiant.Laséqueneemprunteauxjeuxvidéoles
onepts suivants: augmentation de la diulté ave
lesniveaux,nombredevieslimité,tempslimitéetsore
obtenu[19℄.Dansnotreas,laséquenedelaboratoire
a été implantée sous laforme d'uneséquene de test
grâeaulogiielTestStanddeNI.
Niveaux: l'appliationest onstruiteommeun
jeu,aveplusieursniveauxdediultéroissante
quelesétudiantsdoiventfranhirdurantleTP.Le
niveau0est unQCM qui testeles onnaissanes
de base (prérequis) des étudiants. Si le sore de
e niveau n'est pas susant, l'étudiant ne peut
paspasserauniveausupérieur.Lesniveaux1,2,3
doiventêtretousvalidésan depasserau niveau
suivant. Dans es niveaux, le lient peut exéu-
ter diérentes tâhes omme des mesures à dis-
tane,dessimulationsaveMultiSim, oudesme-
sures en présentiel. Ces étapes sont très impor-
tantes étant donné qu'elles permettent au lient
d'aquérirlesonnaissanesessentiellesliéesausu-
jetétudié,avantd'atteindrelesniveauxsupérieurs
(4,5et6)qui augmententenomplexité.
Vies:plusieursessais(ouvies)sontaordéspour
franhir un niveau. Dans le as de l'appliation
Temps:pourhaqueniveau,untempslimitéest
aordé.Lelientdoitagirdansletempsimparti,
sinonlejeu est ni(f. game overFig.8b).Dans
eas,l'étudiantpeutsoitréessayerdefranhirle
niveaus'illuirestedesvies,soitquitterl'applia-
tion. Chaque fois qu'un niveaun'est pas franhi,
avantdequitterl'appliation,lelientdoitremplir
un questionnaire onernant la plate-forme (se-
tion5.2).
Sore:enfontionduniveauatteintparlelient
et de lajustessede sesrésultatset réponses,une
notesur20luiestattribuée(Fig.6).
Figure 6Diagrammetyped'uneséquenedejeu
Chaqueniveauestbasésurunenhaînementtypique
(Fig.7). La séquene ommene par l'authentiation
Figure 7Lesétapesd'unniveaudelaséquene
du lient, ensuite le hoix de la prohaine ation lui
est proposé. Cette ation dépend du niveau de l'étu-
diantetpeutêtreunquizz,unesimulation,unemesure
à distane ou un travail en présentiel. Le lient doit
saisirlesbonsparamètrespourl'ation qu'ilahoisie
puis envoyeres données au serveur. Une fois l'expé-
rienenie,lelienttéléhargelesrésultatsetproède
àleur analysedétaillée. Un QCMest proposéàlan
