Teoría de Códigos en práctica: Del aula a la implementación hardware con fines industriales

Abstract

El proyecto aborda uno de los mayores retos existentes en asignaturas con contenidos de Teoría de Códigos dentro de la Universidad de Granada, que consiste en acercar conceptos teóricos de la temática a su aplicación práctica real, principalmente en el mercado laboral y en la industria. La Teoría de Códigos es una temática que se encuentra entre las Matemáticas y la Ingeniería, y que se imparte en diversos programas de asignaturas en la Universidad de Granada. Por su naturaleza, tiene una fuerte componente teórica cuya base es el Álgebra, aunque tiene enormes aplicaciones de carácter industrial que podemos encontrar de manera cotidiana: Validación de números de cuentas corrientes o tarjetas de crédito, generación y lectura de códigos QR, lectura de códigos de barras, apertura automática de puertas de garajes mediante mando a distancia, accesos con tarjetas a diversas instalaciones, verificación de identidad con lectores de huella digital, etc. El proyecto actual se focaliza en las prácticas de las asignaturas donde se imparten conceptos de Teoría de Códigos, y propone la implementación de los modelos de codificación teóricos en dispositivos reales. En particular, se plantea el uso de dispositivos Arduino equipados con sensores de bajo coste (lectores de tarjetas, receptores de radio-frecuencia de mandos a distancia, lectores de huellas digitales o lectores de códigos de barras), especialmente diseñados para docencia, de modo que el estudiante implemente los algoritmos resultantes en un dispositivo real de forma equivalente a como se realizaría a nivel industrial. El proyecto toma como estudio piloto la asignatura Teoría de la Información y la Codificación de cuarto curso del Grado en Ingeniería Informática de la Universidad de Granada. La metodología seguida durante el proyecto ha sido la siguiente: 1- Identificación de contenidos teóricos con aplicación práctica en la industria, y selección de casos de uso prácticos a simular en las prácticas. 2- Selección y adquisición de hardware necesario para poder simular el caso de uso industrial en el aula de prácticas. 3- Desarrollo de material docente que introduzca los conceptos previos necesarios para poder utilizar el hardware. 4- Desarrollo de material docente que profundice en el caso de uso, explicando su relación con la teoría. 5- Resolución de casos prácticos. 6- Evaluación del material y su idoneidad para diferentes perfiles de estudiantes de grado/posgrado. Con respecto a los puntos 1 y 2, se seleccionó la plataforma Arduino como eje tractor de las prácticas, debido a su enorme transversalidad y posibilidades para diferentes asignaturas. Además, se da el caso de que el lenguaje de programación de estas plataformas (lenguaje C/C++) es el lenguaje vehicular dentro del Grado en Ingeniería Informática. Como casos de uso, se plantearon dos: - Lectores de huellas digitales, como ejemplo de medio para codificar y decodificar información biométrica, muy utilizada hoy día en la industria. - Lectores de códigos de barras y códigos QR, utilizados diariamente en tareas de trazabilidad en el transporte de mercancías, o en actividades de compra/venta en negocios. Este tipo de códigos se relaciona con los contenidos de la asignatura en diversos temas, como pueden ser la detección de errores, o la detección y corrección de errores a la hora de observar el código particular en cuestión. Con respecto al punto 3, se ha desarrollado material docente, en formato de diapositivas, que introduce al estudiante con conocimientos previos de programación en la plataforma Arduino y su integración con hardware externo como dispositivos de entrada y/o salida. Con respecto al punto 4, se han diseñado y desarrollado dos tipos de materiales en formato de diapositivas: - Formación específica sobre el hardware a usar en las prácticas para lectura de huellas dactilares. - Formación específica sobre el hardware a usar en las prácticas para lectura de códigos de barras y QR. Con respecto al punto 5, se han diseñado dos guiones de trabajo para elaborar un caso de uso de ejemplo que utilice cada uno de los dispositivos (lector de huellas dactilares y lector de códigos de barras/QR). Finalmente, el punto 6 se evaluó por el personal docente de la asignatura, que verificó que las competencias y objetivos del material desarrollado refozcaban/contribuían a alcanzar las competencias y objetivos del documento VERIFICA existentes en la guía docente.

The project addresses one of the biggest challenges existing in subjects with Code Theory content at the University of Granada, which consists of bringing theoretical concepts of the subject closer to its real practical application, mainly in the labour market and in industry. Code Theory is a subject that lies between Mathematics and Engineering, and which is taught in various subject programmes at the University of Granada. By its nature, it has a strong theoretical component based on Algebra, although it has enormous industrial applications that we can find on a daily basis: Validation of current account numbers or credit cards, generation and reading of QR codes, reading of barcodes, automatic opening of garage doors by remote control, card access to various facilities, identity verification with fingerprint readers, etc. The current project focuses on the practices of the subjects where Code Theory concepts are taught, and proposes the implementation of theoretical coding models in real devices. In particular, it proposes the use of Arduino devices equipped with low-cost sensors (card readers, radio-frequency receivers for remote controls, fingerprint readers or barcode readers), specially designed for teaching, so that the student implements the resulting algorithms in a real device in an equivalent way to how it would be done at an industrial level. The project takes as a pilot study the subject Information Theory and Coding in the fourth year of the Degree in Computer Engineering at the University of Granada. The methodology followed during the project was as follows: 1- Identification of theoretical contents with practical application in the industry, and selection of practical use cases to be simulated in the practices. 2- Selection and acquisition of the necessary hardware to be able to simulate the industrial use case in the practical classroom. 3- Development of teaching material that introduces the previous concepts necessary to be able to use the hardware. 4- Development of teaching material that goes into the use case in depth, explaining its relationship with the theory. 5- Resolution of practical cases. 6- Evaluation of the material and its suitability for different profiles of undergraduate/postgraduate students. With regard to points 1 and 2, the Arduino platform was selected as the driving force of the practices, due to its enormous transversality and possibilities for different subjects. In addition, the programming language of these platforms (C/C++ language) is the language used in the Bachelor's Degree in Computer Engineering. As use cases, two were proposed: - Fingerprint readers, as an example of a means of encoding and decoding biometric information, widely used today in industry. - Barcode and QR code readers, used on a daily basis in traceability tasks in the transport of goods, or in buying/selling activities in businesses. This type of codes is related to the contents of the subject in various topics, such as error detection, or the detection and correction of errors when observing the particular code in question. With regard to point 3, teaching material has been developed, in the form of slides, which introduces students with previous programming knowledge to the Arduino platform and its integration with external hardware such as input and/or output devices. Regarding point 4, two types of materials have been designed and developed in slide format: - Specific training on the hardware to be used in the fingerprint reading practices. - Specific training on the hardware to be used in the practices for barcode and QR reading. Regarding point 5, two working scripts have been designed to elaborate an example use case using each of the devices (fingerprint reader and barcode/QR reader). Finally, point 6 was evaluated by the teaching staff of the subject, who verified that the competences and objectives of the developed material were consistent with/contribute to achieving the competences and objectives of the VERIFICA document in the teaching guide.