iSES Remote Lab SDK

internet School Experimental Studio
for Remote Laboratory – Software Development Kit

František Lustig, Jiří Dvořák, Pavel Kuriščák

Univerzita Karlova v Praze, Matematicko-fyzikální fakulta, Ke Karlovu 3, 121 16 Praha 2

Vzdálené experimenty s Java aplety

Od roku 2002 se na Matematicko-fyzikální fakultě postupně rozvíjejí vzdálené laboratoře. První generace vzdálených experimentů byly vybudovány na Java apletech. Od roku 2012 však Java aplety začaly být omezovány samotným poskytovatelem Javy (firmou Sun Microsystems, později Oracle), protože se zde objevily bezpečnostní díry. Uživatel musel potvrzovat u každého apletu, že si je vědom rizika. Tato technologie se stala nepoužitelná nejenom pro nás, tvůrce vzdálených laboratoří, ale i pro banky aj. Od roku 2013 se od Java apletů odklání téměř všichni uživatelé. Vzdálené experimenty pod Java aplety taktéž nefungovaly na chytrých telefonech, např. s Androidem, ani na tabletech s iOS.

Vzdálené experimenty s Java Scriptem

Také na MFF-UK Praha přecházíme od roku 2013 při tvorbě vzdálených experimentů k používání JavaScriptu. Vzdálené experimenty tvoříme s novou softwareovou stavebnicí „iSES Remote Lab SDK“ [1]. Filosofie této nové softwarové stavebnice je stejná jako u původní JavaApletové verze „ISES WEB Control“ [2]. Chceme umožnit i neprogramátorům sestavování vlastních vzdálených experimentů. S použitím JavaScriptu a HTML5 jsou naše vzdálené experimenty spustitelné i na mobilních dotykových zařízeních.

Připomeňme, jak vlastně vzdálený experiment funguje. Vzdálený experiment je aplikace typu server-klient. Na serverové straně je počítač s experimentem, na klientské straně je pouze počítač s prohlížečem typu Internet Explorer, Mozilla Firefox, Chrome aj., musí to být novější verze prohlížečů, které podporují skriptovací jazyky. Skriptování musí být v nastavení prohlížečů povoleno! To platí samozřejmě i pro mobilní zařízení. Serverovou stranu se vzdáleným experiment tvoří počítač zapojený do sítě Internet. K tomuto počítači je připojena měřicí aparatura (např. náš systém ISES [3], [4] resp. jiné měřicí systémy (např. LabVIEW), resp. i přístroje a zařízení s rozhraním RS 232, či nově USB). Např. to mohou být též krokové motory, řiditelné zdroje, multimetry aj. Na serverové straně je samozřejmě reálný experiment. Pozn.: pokud chceme vytvářet vzdálené experimenty, které mají mít nějaké řízení, ovládání, nejsou pro tyto vzdálené experimenty vhodné měřicí systémy, které nemají výstupní kanál. Např. systémy jako je Pasco, Vernier, aj. mají pouze vstupní kanály a umožňují jenom vzdálené experimenty typu „sensing“, kdy se pouze snímají nějaké hodnoty. Vzdálené experimenty typu „control“ umožňují např. systémy ISES, LabVIEW aj., které mají několik analogových řídicích kanálů a mnoho digitálních řídicích kanálů. Na serveru musí samozřejmě běžet speciální programy – servery: MeasureServer – speciální server, který komunikuje s hardware měřicí aparatury. Je to speciální vytvořený program, který komunikuje s čidly např. soupravy ISES. Další nezbytný server je nějaký WEB server. My používáme volně šiřitelný Nginx. Zde jsou samozřejmě uloženy i vlastní WWW stránky k experimentu napsané v HTML kódu s vloženými JavaScriptovými widgety z nové stavebnice „iSES Remote Lab SDK“. A pokud chceme mít podporu on-line kamery, je ještě třeba spustit ImageServer (také je součástí stavebnice „iSES Remote Lab SDK“), který přenáší obraz metodou streamu, resp. jednotlivými obrázky, které se rychle snímají.

iSES Remote Lab SDK

MeasureServer zahrnuje také originální logovací systém: správu vzdálených experimentů a informace ohledně měření každého klienta. Každá operace s experimentem je včetně časového údaje zapisována do souboru, po který je daná operace s experimentem prováděna. Poskytuje nám to přehled chybného ovládání vzdáleného experimentu, ale hlavně zaznamenáváme postup měření daného studenta, žáka, či uživatele. Z logovacích souborů můžeme vyčíst, zda jsou přístupy na experimenty pouze zkušební, testovací, bez úmyslu experiment naměřit a získat data z experimentu. Největší přínos ze vzdálených experimentů mají uživatelé, jejichž logy hlásí, že si experiment nejdříve otestují, potom naměří smysluplná data a nakonec si svá naměřená data stáhnou do svých počítačů přes Internet.

Originální on-line pedagogický výzkum na základě logovacího systému

Z protokolu se můžeme dočíst, že student zvolili měření Volt-Ampérové charakteristiky vakuové fotonky (režim 0), a musel čekat ve frontě 88 sekund, než převzal kontrolu nad experimentem. Přepnul na rtuťovou lampu Sv1 a po cca. 5 min si „hrál“, seznamoval se s rozhraním, teprve potom začal záznam dat a systematicky měřil všechny charakteristiky VA pro šest známých frekvencí světla Sf (5). Student vždy používal automatické měření Ma1, která trvala cca 40 s. Nakonec zastavil nahrávání (Ps) a stažené (Pd) jeho vlastní data pro další zpracování - stanovení hodnot zastavení napětí a experimentální hodnotu Planckovy konstanty. Složené závorky {…} odpovídají době trvání od předchozí akce v sekundách. Závorky (...) obsahují parametr, např. index zvoleného filtru.

81.25.16.87 17.4.2011 18:37:29 1035 s ID (4)

0: W (1) {88} {23 * Sv1} * {10} Sv1 * Sr (100) {71} * Sl1{1} * Sl0 {4} * Sl1 {7} * Mv (-12.16) {0 }
* Mv (-445.85) {0} * Mv (-477.93) {0} * Mv (-1000.00) {1} * Mv (1000.00) {4}
* Ma0 {160} * Sf (0) {1} * Sf (1) {3} * Sf (0) {10} {46 * Ma1} * Pr (1) {9} * Ma1 {43} * Sf ( 1) {3} * Ma1 {43}
* Sf (2) {3} * Ma1 {44} * Sf (3) {3} * Ma1 {42} * Sf (4) {3} * Ma1 {43} * Sf (5) {8} {* Sl0 5} * Ma1 {44}
* Ps (1) {0} * Pd (1) {12} * Pd (1) * D

Příklad protokolu záznamu experimentu Fotoefekt.

Kromě toho logovací záznamy obsahují některé základní klasifikace aktivit (S - nastavení, M - měření, P - pokročilé zpracování dat). Podařilo se nám najít 4-5 způsobů chování, např. rozhodnutí studentů stáhnout a zpracovávat datové záznamy jiného studenta (proč?!) Také jsme zjistili některá nestandardní chování studentů a možná i nejasnosti ze strany uživatelského rozhraní, což nám pomáhá vyvíjet nové a lepší vzdálené laboratoře, zlepšit uživatelské rozhraní aj.

Podrobnosti lze nalézt v publikaci (Lustigová, Brom, 2014).

Sbírka jednoduchých vzdálených úloh

Pro začátečníky, kteří si chtějí vyzkoušet svoje vlastní vzdálené úlohy, je připravena Sbírka jednoduchých vzdálených úloh jako např. vzdálené analogové záznam jedné veličiny (např. teplota) na čase, vzdálené analogové řízení jednoho kanálu (např. zapni relé), vzdálené ovládání digitálních vstupů, digitálních výstupů, časová závislost 2 a více veličin, XY závislost dvou vstupních, či výstupních veličin, vzdálené řízení lineárních a otočných krokových motorů, vzdálený přenos dat z multimetrů s COM komunikací, záznam dat, export dat, přenos WEB kamery, aj. Příklady jsou napsány nejjednodušším způsobem, bez jakéhokoliv formátování, aby byl zřejmý kód programu. Tyto vzdálené jednoduché úlohy lze libovolně slučovat, kombinovat a dávají úžasné uspokojení všem začátečníkům. Začátečníci ihned mobilem, tabletem ovládají své vlastní vzdálené úlohy!

Závěrečné poznámky k iSES Remote Lab SDK

Vzdálené experimenty s naším iSES Remote Lab SDK může používat kdokoliv, kdekoliv, kdykoliv a nově doplňujeme na libovolných platformách PC, tabletů i mobilních telefonů.

No a ještě několik poznámek k hardware měřicí aparatury. V současné době používáme soupravu ISES-PCI a ISES-USB. ISES-PCI využívá ADDA PCI kartu instalovanou ve stolním PC. Velikou výhodou řešení založených na ADDA kartě je velké množství jak vstupů, tak výstupů (např. ISES PCI s deskou relé má k dispozici 8 analogových vstupů, 2 analogové výstupy, 10 digitálních vstupů/výstupů, resp. 16 reléových výstupů). Tak široké možnosti řízení experimentů nemá žádná podobná souprava. ADDA PCI karta v počítači není limitující, protože jako serverový počítač je vhodný klasický PC, který musí běžet non-stop i několik let. Proto ke vzdáleným experimentům nejsou vhodné notebooky aj. Přesto jsme připravili novou jednodušší soupravu ISES-USB, která má 2 analogové vstupy, 1 analogový výstup a 5 digitálních výstupů/vstupů, resp. mini soupravu ISES-link, která má 1 analogový vstup a 1 analogový výstup a 5 digitálních vstupů/výstupů. Všimněme si, že všechny varianty disponují výstupy. Bez výstupních kanálů není vzdálený experiment!

Současná hardwarová základna pro „iSES Remote Lab SDK“

Softwarová stavebnice „iSES Remote Lab SDK“ je v současné době implementovaná pro měřicí aparatury ISES (ISES-PCI, ISES-USB, ISES-link) pro universální měřicí aparatury s COM, resp. USB komunikací, implementovány jsou i lineární a rotační pohyby s velkým polohovacím rozsahem XYZ (10 cm až 2 m) je připojena i komerční aparatura „Franck-Hertz experiment“ od firmy Phywe a další jednoúčelové přístroje. Implementace dalších aparatur je jenom otázkou vytvoření nových pluginů. Chystáme pluginy pro Arduino, Raspberry Pi aj. Jsme schopni vytvořit pluginy pro libovolnou aparaturu na zakázku!

Copyright © 2024; Poslední aktualizace 19.3.2018