Mini Servidor Web de bajo costo para la educacio n rural basado en Raspberry Pi

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1 Mini Servidor Web de bajo costo para la educacio n rural basado en Raspberry Pi Manuel Ibarra Cabrera 1, Carlos Huaraca Huamán 2, Pablo Ataucusi Romero 3, Ecler Mamani Vilca 4, Edison Chiclla Carrasco 5 Escuela Académico Profesional Ing. Informática y Sistemas Universidad Nacional Micaela Bastidas de Apurímac, Perú 1,2,3,4, Carrera Profesional de Ing. Sistemas e Informática Universidad Tecnológica de los Andes 5 {manuelibarra, 1,2, {elicoena, eclervirtual, 3,4,5 Abstract The recent development of the Raspberry Pi mini computer has provided new opportunities to enhance tools for education. The low cost means that it could be a viable option to develop solutions for education sector in developing countries. This study describes the design, development and testing of a web server prototype solution for educational use within rural schools in Apurímac, Perú. The proposal was evaluated by end users and they manifest their conformity with the tool for learning mathematic and server functionality. In addition, performance tests were conducted, which determined that can access up to 200 users with 200 simultaneous requests. Palabras claves Raspberry Pi, mini servidor web, aprendizaje de matemática. I. NOMENCLATURA PISA : Programme for International Student Assessment LLECE : Laboratorio Latinoamericano de Evaluación de la Calidad de la Educación ECE : Evaluación Censal de Estudiantes OLPC : One Laptop Per Child II. INTRODUCCIÓN En Latinoamérica, el Perú ocupa los últimos lugares en evaluación de la enseñanza y aprendizaje de las matemáticas, así lo muestran las pruebas realizadas por PISA [11] y LLECE [8]. En el Perú el Ministerio de Educación mediante la Unidad de Medición de la Calidad Educativa ha llevado a cabo la Evaluación Censal de Estudiantes ECE [4]. Los resultados obtenidos por la ECE muestran que existe una relación entre el nivel socioeconómico y los puntajes obtenidos por los estudiantes, Lima Metropolitana y Callao con mayor puntaje; Ancash, Madre de Dios, Loreto y Apurímac con menor puntaje. Los resultados de la ECE también muestran que existen diferencias muy marcadas de los logros alcanzados entre las Instituciones Educativas urbanas y rurales. En el ámbito rural, los departamentos con los mayores niveles de pobreza se encuentran en Apurímac (74.10%), Puno (72.94%) y Cusco (68.20%). Por dominio geográfico o región natural, en la sierra el porcentaje de pobres es de 52.27%, en la selva de 23.08% y en la costa de 17.18% [10]. En las últimas décadas hemos visto una revolución en la miniaturización y disminución de precios en los equipos de tecnología móvil y comunicaciones [9]; [3]. Esto ha generado un sinnúmero de posibilidades para crear soluciones como apoyo a diversas actividades. En el 2007, el gobierno peruano mediante el programa OLPC (por sus siglas en inglés) inició la adquisición de computadoras personales de bajo costo para los alumnos de bajos recursos económicos. Ese mismo año el Ministerio de Educación a través de la Dirección General de Tecnología Educativa comenzó a entregar las computadoras portátiles XO a escuelas rurales multigrado. El programa buscó mejorar la calidad de la Educación de los estudiantes de Educación Primaria en zonas rurales del país. Si bien la entrega de las laptops XO a los estudiantes ofrece al ámbito educativo rural una serie de ventajas, principalmente referidas al acercamiento de los niños a la tecnología; sin embargo, por falta de recursos económicos en las Instituciones Educativas los laboratorios de cómputo están en condiciones precarias (Ver Figura 1) y no ha sido posible implementar la infraestructura adecuada para una intranet que permita compartir recursos en un servidor web, de tal manera que el docente pueda crear sus recursos educativos y compartirlos con los estudiantes. Figura 1. Laptop XO en un colegio rural de Apurímac Raspberry Pi es una placa de computadora personal de bajo costo desarrollada en Reino Unido por la Fundación Raspberry Pi, con el objetivo de estimular la enseñanza de ciencias de la computación en las escuelas. Se trata de una

2 diminuta placa base de 85 x 54 milímetros (del tamaño aproximado de una tarjeta de crédito) en el que se aloja un chip Broadcom BCM2835 con procesador ARM hasta de 1 GHz de velocidad (modo Turbo haciendo overclock), GPU VideoCore IV y 512 Mbytes de memoria RAM. Para que el dispositivo funcione se requiere de un medio de almacenamiento SD o microsd. En cuanto a la conexión para los periféricos, se dispone de un puerto Ethernet para enchufar un cable con conector RJ-45 directamente al router, tiene dos puertos USB, un puerto HDMI, un puerto para audio y video [12]. Recientemente se ha probado y utilizado la tecnología Raspberry Pi en varios escenarios, uno de ellos es en el área de las telecomunicaciones. Así por ejemplo, se realizaron pruebas para comunicaciones mediante la tecnología bluetooth con muy buenos resultados [7]; también se realizaron pruebas para un sistema de comunicación mediante VoIP para casos de desastre y situaciones de emergencia en Zarajebo, Boznia y Herzegovina [5], esto como una propuesta de las nuevas formas de comunicación que puedan alternar el tradicional uso de radio frecuencia[15]; también se realizaron experimentos para recibir y decodificar señales de radio FM y luego enviarlo por una red LAN. Este artículo presenta una estrategia para implementar un servidor web de bajo costo para fortalecer la educación en colegios rurales, utilizando una placa Raspberry Pi de bajo costo y con un enfoque de bajo consumo de energía y protección del medio ambiente. Ali [1] realizó una investigación denominada Technical Development and Socioeconomic Implications of the Raspberry Pi as a Learning Tool in Developing Countries, el estudio describe el diseño, el desarrollo y la manufactura de un prototipo para el sector educación en Uganda, considerando las implicancias sociales de la solución propuesta. Los resultados del estudio muestran que es posible implementar un módulo educativo basado en un sistema computacional de bajo costo con fines de enseñanza y que es aplicable socioeconómicamente en países en vías de desarrollo. ChakLader y otros [2] realizaron una investigación denominada Bridging Digital Divide: Village Wireless LAN, A Low Cost Network Infrastructure Solution for Digital Communication, Information Dissemination & Education in Rural Bangladesh. En esta investigación se plantea el uso de la tecnología Raspberry a bajo costo, utilizando software libre en su implementación y proporcionando los servicios básicos que debe proporcionar un servidor. La idea principal es proporcionar información educativa en las zonas rurales de Bangladesh, de tal manera que sea barato y de alta velocidad, con web services y base de datos en el servidor. Los resultados muestran que se implementó un servidor basado en Raspberry y con un consumo de energía bajo (3.5 watts) y está adaptado para que funcione con paneles solares y tiene buena performance. Ioannou y otros [6] realizaron una investigación que lleva por título Novel Educational Platform, based on the Raspberry-Pi Optimised to assist the teaching and learning of younger students. En este trabajo los autores implementaron un entorno de aprendizaje para el curso de física para niños de 10 años, para realizar la prueba de concepto diseñaron un software que se adapta al hardware de Raspberry Pi. El prototipo fue desarrollado con el propósito que cada alumno pueda fabricarlo y tenerlo para su uso. Por otra parte se implementó un servidor conectado a internet en el cual residen los recursos para que los alumnos y docentes puedan descargar sus aplicaciones. Los resultados muestran que la plataforma desarrollada utilizando Raspberry Pi funcionó bien y los alumnos muestran su satisfacción en el funcionamiento del software y del hardware. Srinivasan y otros [13] realizaron una investigación titulada Low Cost Green Computing System for Education in Rural India Scheme for Sustainable Development Through Education. Los autores combinan el uso de las TIC y la enseñanza en la zona rural de la India. El sistema desarrollado está basado en el concepto de computación verde, para lo cual utilizan un sistema de panel solar para la alimentación de energía a los dispositivos Arduino y Raspberry utilizados. Tasnim y otros [14] realizaron una investigación titulada Towards Ubiquitous Learning Tools for Computer Aided Classroom in Developing Regions, los investigadores consideran que la educación en el nivel primario es una de las más importantes para todo ciudadano especialmente para los países en vías de desarrollo. Los autores desarrollaron una herramienta de bajo costo para mejorar el aprendizaje en clase, para lo cual diseñaron materiales de aprendizaje para que el alumno lo use de manera divertida y emocionante. De acuerdo a la revisión bibliográfica, se puede apreciar que Raspberry es una placa diminuta que recientemente se ha lanzado al mercado para su distribución, y se han empezado a crear aplicaciones sobre dicho hardware. El trabajo más cercano referido al área educativo es el desarrollado por Ali [1]. Este artículo presenta una forma de implementar un mini-servidor web de bajo costo basado en hardware Raspberry Pi, orientado especialmente al sector Educación en el área rural. La sección II explica el diseño y la implementación del mini-servidor web basado en Raspberry Pi. La sección III describe los resultados obtenidos y la sección IV presenta las conclusiones del trabajo realizado.

3 III. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL MINI-SERVIDOR WEB BASADO EN RASPBERRY PI A. Arquitectura lógica Los usuarios (Alumnos y Docentes) pueden utilizar la aplicación de tres formas: a) desde el laboratorio de cómputo, en la cual se tiene computadoras conectadas con una topología estrella dentro de una red LAN (usuario color rojo); b) desde el campus de la Institución Educativa mediante una conexión WiFi, para lo cual se tiene una Antena que permite irradiar la señal hasta 1 kilómetro (usuario color verde). Los usuarios que utilizan una computadora personal, utilizan un navegador web e invocan a una página web mediante el protocolo HTTP, esta página web reside en el servidor web, que a su vez peticiona a los recursos necesarios para dar respuesta a la información solicitada por el cliente, ver Figura 2. B. Instalación y configuración del Mini-servidor web Para poner en marcha el Mini-servidor web seguimos los siguientes pasos: - Descargar y grabar el sistema operativo en una memoria SD o micro SD. Primero se descarga la imagen del Sistema Operativo Raspbian y se graba esta imagen en el dispositivo SD o MicroSD (previamente formateada). - Conectar los periféricos al Raspbian Pi.- Antes de instalar hay que considerar que se debe tener los siguientes dispositivos o periféricos: Monitor con entrada HDMI (o adaptador HDMI-VGA), cable alimentador de 5v, Mouse USB, Teclado USB, Memoria SD o Micro-SD con la imagen del Sistema Operativo Raspbian, cable de red Ethernet o (adaptador WiFi USB). Luego conectamos los puertos a los periféricos de la siguiente manera, ver Figura 3: Figura 3. Conexión de los periféricos a Raspberry Pi Figura 2. Arquitectura lógica de la propuesta La ventaja de este modelo es que el usuario podrá acceder a la información en cualquier momento y desde cualquier lugar; si el usuario se encuentra en el colegio, pude hacer uso de las computadoras del laboratorio de cómputo, si está en el recreo o receso, entonces puede hacer uso de la red inalámbrica para conectarse mediante una laptop, si está camino a casa puede usar una laptop o Tablet. - Instalación del Sistema Operativo Raspbian.- Conectamos el Raspberry a la energía eléctrica y se enciende automáticamente la minicomputadora, seguidamente el Sistema Operativo empieza a cagar y ejecutar los paquetes necesarios. Después de cargar los paquetes iniciales, se mostrará un menú para configurar los aspectos básicos como la fecha, hora, idioma del sistema, idioma del teclado, habilitar/deshabilitar SSH, etc. Finalmente, reiniciamos el sistema operativo, el sistema volverá a iniciar en el modo consola, y accedemos con el usuario por defecto pi y contraseña raspberry. - Configurar red para tener acceso a internet Para actualizar e instalar paquetes de software es necesario tener acceso a internet, entonces debemos conectar el Raspberry a un router-modem, ya sea por cable Ethernet o por conexión inalámbrica WiFi. Para configurar la conexión WiFi editamos el archivo interfaces con el siguiente comando: sudo nano /etc/network/interfaces

4 Escribimos en el archivo la configuración mostrada en la Figura 4, según los datos de nuestra red y lo guardamos con Ctrl+O, y para salir Ctrl+X. Un alumno puede acceder al recurso didáctico utilizando una computadora personal o una laptop, tal como muestra la Figura 6. Mediante un navegador web, por ejemplo Mozilla Firefox. Figura 5. Recurso educativo de prueba Figura 4. Configuración de la red - Instalación del Mini-servidor web.- Para instalar el servidor web Apache en el Raspberry, creamos y damos permisos al grupo de usuarios para el acceso web, para esto escribimos en la consola los siguientes comandos: sudo addgroup www-data sudo usermod -a -G www-data www-data Ahora hacemos un update y para esto necesitamos tener acceso a internet: sudo apt-get update sudo apt-get upgrade Luego de actualizar los paquetes procedemos instalar Apache y PHP con los siguientes comandos: sudo apt-get install apache2 php5 libapache2 -mod-php5 Terminada la instalación reiniciamos el demonio de apache: sudo /etc/init.d/apache2 restart Finalmente, creamos una página de inicio e invocamos desde un navegador web mediante la dirección IP, por ejemplo C. Instalación del recurso didáctico para enseñar matemática en el mini-servidor web. Para poner en práctica el concepto que hemos presentado en este artículo, se ha elaborado un recurso didáctico para enseñar matemáticas, específicamente para la enseñanza de las fracciones. El recurso didáctico tiene niveles de aprendizaje y está elaborado de acuerdo al contexto, que en este caso es la zona Andina del Perú. El recurso es fácilmente configurable para que pueda ser cambiado a otro contexto, por ejemplo la zona costa del Perú. La instalación se hace copiando la carpeta fraccion (sin tilde para evitar errores en linux) dentro del servidor web. Luego se invoca desde un navegador web y está listo para que la aplicación funcione, ver figura 5. Figura 6. Alumno accediendo al recurso didáctico IV. RESULTADOS OBTENIDOS A. Evaluación del costo del Mini-Servidor Web. Los costos necesarios para la construcción del Mini- Servidor Web se muestran en la Tabla I. TABLA I. COSTOS REFERENCIALES PARA EL SERVIDOR Costo Dispositivo (dólares) Raspberry Pi 70 Memoria SD 8 GB 7 Teclado USB 9 Mouse USB 6 Cable Patch cord cat 5e 4 Cable HDMI-VGA 14 Total 110 La tabla I muestra el costo aproximado del mini-servidor web a precio de mercado y este asciende a 110 dólares. Aquí se ha obviado el precio del monitor, porque es un dispositivo que se puede conseguir fácilmente en las Instituciones Educativas, y porque sólo se requiere para la instalación del Sistema Operativo, después se puede hacer las configuraciones e instalaciones posteriores mediante conexión SSH.

5 B. Evaluación mediante cuestionario de usabilidad El cuestionario de usabilidad se aplicó en la Institución Educativa Secundaria del área rural Quisapata, con código modular , ubicada en la localidad de Quisapata, en el distrito y Provincia de Abancay y Departamento de Apurímac, Perú. Los participantes fueron alumnos y docentes de primero y segundo de del nivel secundario. La aplicación del instrumento se llevó en el mes de abril del Participaron en total 18 personas entre profesores y estudiantes. El proceso de evaluación consistió en presentar y explicar el funcionamiento de la herramienta desarrollada al docente de aula. Luego se realizó pruebas al servidor web invocándolo desde las computadoras, para esto se diseñó y utilizó un recurso digital educativo para enseñar matemáticas. Los alumnos utilizaron la herramienta aproximadamente por una hora, en la cual sin mucha explicación verbal, sino más bien cada uno de manera intuitiva empezó a explorar el recurso informático. Empezaron a resolver los ejercicios planteados en cada uno de los niveles, y se sintieron familiarizados con las imágenes mostradas en la herramienta, porque estaban acorde con la realidad en que viven. Dentro de la Institución Educativa, los alumnos tuvieron acceso a la herramienta desarrollada de varias formas: a)mediante computadoras desktop instaladas en el laboratorio de cómputo; b)mediante las computadoras XO que donó el gobierno en años pasados, c) mediante computadoras personales class-mate donadas por el gobierno el año pasado. Finalmente completaron un cuestionario que buscaba evaluar la usabilidad y utilidad de la herramienta. La Tabla II muestra los resultados del cuestionario aplicado a los docentes y alumnos que utilizaron que accedieron al servidor web y los recursos digitales educativos para matemática. Los participantes respondieron utilizando una escala de 1 a 10, donde 1 representa totalmente en desacuerdo y 10 representa totalmente de acuerdo. La primera columna de la tabla muestra la variable Nro. Pers, que representa el número de personas que han dado una respuesta a una cierta pregunta. Luego se muestra el valor mínimo y máximo obtenido en ese ítem por parte de los participantes. La columna Min muestra el valor mínimo obtenido, la columna Max. muestra el valor mínimo obtenido, la columna Media indica el promedio obtenido por la puntuación de cada participante. Finalmente la última columna Desv.Est. muestra la desviación estándar de los valores obtenidos, ver Tabla II. TABLA II. PREGUNTAS SOBRE LA USABILIDAD Pregunta 1)El recurso digital para aprender matemáticas es fácil de utilizar 2)El recurso digital para aprendermatemáticas es divertido Nro. Pers. Min. Max. Media Desv. Est )Me siento motivado al utilizar el recurso digital para matemáticas )El servidor web no falla )El servidor web responde aceptablemente a las peticiones A continuación se analizan los resultados presentados en la Tabla II: Respecto a la satisfacción del usuario. En los ítems 1), 2) y 3) se obtuvo un promedio de 8.00, 8.33 y 7.89 respectivamente. Esto nos muestra que los participantes coinciden en calificar positivamente el hecho de que están satisfechos con la herramienta para la enseñanza y aprendizaje de las matemáticas. Respecto al funcionamiento del Mini-servidor web. En los ítems 5) y 6) se obtuvo un promedio de 8.17 y 8.89 respectivamente. Esto nos muestra que los participantes ven el funcionamiento del servidor web de manera aceptable y sin presentar problemas de concurrencia. C. Evaluación del mini-servidor web mediante pruebas de rendimiento Para poder determinar el rendimiento del miniservidor web se realizaron pruebas de estrés, de tal manera que se pueda determinar el número de usuarios que podrían acceder simultáneamente al servidor. Las pruebas se realizaron con la herramienta Apache Bench, y para hacer la prueba de rendimiento se utilizó el comando: ab -n 200 -c 200 La tabla III muestra los resultados preliminares encontrados. TABLA III. RENDIMIENTO PARA 200 PETICIONES Nro. Máquinas min. (s) Prom. (s) max. (s) conexiones Procesamiento Espera Total conexiones Procesamiento Espera Total conexiones Procesamiento Espera Total conexiones Procesamiento Espera Total conexiones Procesamiento Espera Total De acuerdo a los resultados obtenidos en las pruebas de rendimiento para el mini-servidor web podemos

6 encontrar que es posible que accedan hasta 200 usuarios y con 200 peticiones simultáneamente. V. CONCLUSIONES Este trabajo de investigación permite mostrar que Raspberry Pi se puede utilizar como Mini-servidor web y de bajo costo. Para realizar la prueba de concepto se utilizó una aplicación para enseñar las matemáticas, específicamente el tema de fracciones. El servidor web se probó en una Institución Educativa rural de Apurímac y los docentes y estudiantes muestran su satisfacción con el funcionamiento del servidor y con el material didáctico para enseñar matemáticas. De acuerdo a las pruebas de rendimiento realizadas al servidor web, se ha podido encontrar que el servidor se responde normalmente cuando acceden simultáneamente hasta 200 usuarios (computadoras) y se realizan hasta 200 peticiones, lo cual muestra que Raspberry podría comportarse de manera aceptable como un servidor web en Instituciones Educativas del ámbito rural, en la cual el número de alumnos en promedio es de 150. VI. TRABAJO FUTURO Para dar mayor alcance y validez a la herramienta propuesta, es necesario hacer pruebas más contundentes y en Instituciones Educativas que tengan más de 500 alumnos, de tal manera que se pueda conocer el umbral máximo del número de accesos al Mini-servidor web. Por otro lado, se puede aprovechar Raspberry en otros ámbitos de aplicación, como por ejemplo en caso de desastres naturales, se puede acoplar a un Dron una cámara web que pueda transmitir en tiempo real las consecuencias del desastre y así tomar decisiones estratégicas para reducir el tiempo de respuesta para atender a los damnificados. VII. RECONOCIMIENTO Agradecemos a los alumnos y profesores del Colegio Secundario de Quisapata, Abancay, Apurímac, Perú. VIII. REFERENCIAS [1] M. Ali, J. H. Alfonsus Vlaskamp, N. N. Eddin, B. Falconer, and C. Oram, Technical development and socioeconomic implications of the Raspberry Pi as a learning tool in developing countries, 5th Computer Science and Electronic Engineering Conference (CEEC), pp , [2] S. Chaklader, J. Alam, M. Islam, and A. S. Sabbir, Bridging Digital Divide: Village wireless LAN, a low cost network infrastructure solution for digital communication, information dissemination & education in rural Bangladesh, nd Int. Conf. Adv. Electr. Eng., pp , [3] Donner, J. Research approaches to mobile use in the developing world: A review of the literature. Journal The Information Society, 24(3), , [4] Reporte Técnico Evaluación Censal de Estudiantes. Disponible en: /2015/02/ ECE Web febv2.pdf. Último acceso 20 de abril del [5] Hajdarevic K., Svxlink VOIP Implementation Using Raspberry Pi in Education and Disaster Relief Situations, [6] Ioannou N., Papadopoulos G., Ioannidis G., and Tapeinos A., A novel Educational Platform, based on the Raspberry-Pi, in 2014 International Conference on Interactive Collaborative Learning (ICL), 2014, no. December, pp [7] Jain S., Vaibhav A., and Goyal L., Raspberry Pi based Interactive Home Automation System through , In Optimization, Reliabilty, and Information Technology (ICROIT), pp , [8] Reporte Técnico del Laboratorio Latinoamericano de Evaluación de la Calidad de la Educación. Disponible en: _DO=DO_TOPIC&URL_SECTION=201.html. Último acceso 20 de abril del [9] Mattern, F. Wireless future: Ubiquitous computing. Citeseer, Proceedings of Wireless Congress, [10] Paredes R., La pobreza y su dinámica en el sur del Perú, [11] Reporte técnico Programme for International Student Assessment. Disponible en technical-report-final.pdf. Último acceso 20 de abril del [12] Raspberry Pi, Disponible en Último acceso 24 de abril del [13] M. Srinivasan, M. Narayanan, and V. Vijayaraghavan, GreenEduComp: Low cost green computing system for education in Rural India: A scheme for sustainable development through education, 2013 IEEE Glob. Humanit. Technol. Conf., pp , [14] M. Tasnim, F. Zaman, H. S. Ferdous, and S. S. Galib, Towards Ubiquitous Learning Tools for Computer Aided Classroom in Developing Regions no. March, pp. 8 10, [15] Uysal, M.; Heidarpour, M.R. Cooperative communication techniques for future-generation HF radios, Communications Magazine, IEEE Volume: 50, Issue: , Page(s): IX. BIOGRAFIAS M.Sc. Manuel Jesús Ibarra Cabrera, nacido en Cusco. Título obtenido como Ingeniero Informático y Sistemas en la Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco en el año Magister en Ciencias, mención Computación, grado obtenido en la Universidad de Chile en el año Bach. Carlos Yasmany Huaraca Huamán, nacido en Abancay. Grado académico obtenido como Bachiller en Ingeniería Informática y Sistemas en la Universidad Nacional Micaela Bastidas de Apurímac en el año Lic. Pablo Eleazar Ataucusi Romero, nacido en Andahuaylas. Título profesional de Lic. en Educación Especialidad Matemática e Informática en la Universidad Nacional Micaela Bastidas de Apurímac en el año M.Sc. Ecler Mamani Vilca, nacido en Puno. Título obtenido como Ingeniero Estadístico e Informático en la Universidad Nacional del Altiplano en el año Magister en Educa Informática en la Universidad Nacional del Altiplano en el año Ing. Edison Chiclla Carrasco, nacido en Abancay. 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