Internetové laboratorní studio

Autor: František Lustig, ČR

Abstract

This paper describes internet school laboratory based on computer aided systems ISES, Lab VIEW and LEGO and on Web site for remote teaching of measurements.

Úvod

Počítač se postupně z kanceláří postupně dostal i do laboratoří. Experimenty podporované počítačem jsou již téměř samozřejmostí. Další fenomén, který se tlačí do laboratoří je Internet. V současné době jsou již k dispozici WWW databáze experimentů. Začíná se vážně uvažovat o distančních laboratořích typu server klient. Příspěvek popisuje Laboratorní Studio - novou kategorii v ICT, jejímž mottem je měřící počítač s Internetem. Laboratorní, měřící a řídící systémy zasáhly nejenom vědecké prostředí, ale vstoupily i do dětského světa. Typickým představitelem je LEGO. Úplně na druhé straně je profesionální měřící systém Lab VIEW z vědeckého prostředí. Někde mezi je v české republice známý systém ISES (Inteligentní Školní Experimentální Systém). Autor příspěvku integruje měřící hardware, software a Internet do nové laboratorní platformy - Laboratorní Studio iSESÔ. Znalý čtenář si povšiml nezbytného malého "i" u názvu iSES (internetové Školní Experimentální Studio). Laboratorní studio iSES nám přináší první skutečně , přináší širokou škálu měřících prostředků pro děti i vědce, přináší standardní iSES site na WWW, kde je zřejmě nejcennější databáze experimentů, ale i celých laboratorních úloh.

Co je to Laboratorní Studio iSES?

1. iSES-lab - laboratorní měřící systém HW + SW včetně počítače na Internetu (TCP/IP, WWW, aj.), počítače s nějakým operačním systémem (např. Windows) a počítače s nějakým Office (např. MS), abychom mohli úlohy měřit, řešit i publikovat. My se ve školním prostředí zaměříme na systém Lego, systém ISES a systém Lab VIEW. Ukážeme, že např. systém ISES a Lab VIEW mohou mít stejný hardware (!)
2. iSES-remote -podpora vzdálené laboratoře založená na měřícím systému ISES a programu Lab VIEW.
3. iSES-site - WWW stránky na centrálním serveru zaměřené na školní experimentování. Obsahuje standardní zdroj obecných informací, technické podpory, downloady úprav, dodatků a novinek, ale i to nejdůležitější - návody, úlohy, experimenty, ale i celé laboratorní úlohy. Vše k volnému stažení, kdykoliv, kdekoliv. V současné době jsou stránky zaměřeny na experimenty se systémem ISES.

V další části příspěvku se zaměříme na novinky kolem integrace hardware a software měřících systémů ISES, Lego a Lab VIEW a na internetovou podporu experimentům a laboratorním úlohám. Samotný systém ISES je dostatečně známý [1], [2], [3] aj.

Laboratorní centrum založené na systému ISES a Lab VIEW

ISES Professional a Lab VIEW

Měřící systém ISES je sice hodně flexibilní, ale někdy se mohou vyskytnout aplikace na sestavení vlastní jednoúčelovou měřící a vyhodnocovací aparatury. A to pokud možno pouze softwareovými prostředky. Problém řeší takzvané virtuální měřící přístroje, které z holého měřícího hardware (nejčastěji pouze ADDA karta) vytvoří prostřednictvím software téměř libovolný "přístroj". Tato metodika je velmi dobře zvládnuta v profesionálním graficky orientovaném programovacím balíku Lab VIEW (pro orientaci některé podobné programovací balíky - Dasy Lab, Test Point, HP VEE, Control Panel). V základní balíku Lab VIEW jsou již hotové některé ukázkové virtuální přístroje jako osciloskop, generátor, multimetr aj. Několik slov k filosofii Lab VIEW. Výsledný produkt tohoto vývojového a programovacího prostředí je virtuální přístroj na monitoru počítače. Uživatel vidí a pracuje s rozhraním, které simuluje čelní panel fyzického přístroje (obsahuje prvky pro ovládání, indikaci, knoflíky, tlačítka, LED, grafy, aj.). Tento panel se ovládá myší nebo z klávesnice. Činnost virtuálního přístroje je dána blokovým schématem. Tento blokový diagram (program) je tvořen ikonami reprezentujícími jednotlivé ovládací a indikační prvky čelního panelu. Lab VIEW umožňuje integrovat hardware na technologii ADDA karet, GPIB (IMS-2), sériové komunikace RS-232, 485, aj. prostřednictvím specializovaných driverů. Takže s ním lze současně pracovat s hardwarem systému ISES (založený na technologii ADDA karty) a s přístroji vybavenými komunikací GPIB, či sériovou komunikací aj. Lab VIEV podporuje síťový protokol TCP/IP, což přináší možnost vzdálených měření, kdy je měřící aparatura na vzdáleném serveru a měřený experiment ovládá klient na vzdáleném počítači. Programovací prostředí Lab VIEW ve "Full Development System" verzi má velmi rozsáhlé analyzační knihovny pro zpracování naměřených dat (statistické zpracování, interpolace, filtrace, FFT, DTF, spektrální analýza, aj.). Neuvěřitelné množství vyřešených utilit - tzv. VI je na Internetu. Pro spolupráci programu Lab VIEW a hardware ISES je třeba do Lab VIEW doplnit knihovnu ISES.llb, která obsahuje cca 20 modulů (tzv. *.VI) pro vstup a výstup dat, inicializaci ADDA, časování, IRQ, DMA aj.). Tato knihovna je k dispozici u autora tohoto příspěvku. (Pozn.: spolupráce s Lab VIEW je v tomto okamžiku pouze pro variantu ISES-Professional).

Vzdálená měření se soupravou ISES Professional

Dalším atraktivní výsledkem spojení ISES a Lab VIEW je možnost realizovat vzdálená měření. Se soupravou ISES lze první pokusy vzdálené laboratoře vyzkoušet např. s volně dostupným programem NetMeeting. A to jednak jako sdílení programu ISES (klasické sdílení programu, avšak v tomto případě máme možnost ovládat nejenom samotný program, ale i hardware ISES), nebo velmi zajímavou možnost "vzdálené sdílení pracovní plochy", kdy máme k dispozici celý vzdálený počítač (k dispozici jsou všechny programy!) a samozřejmě i ISES. Vzdálená měření ve spolupráci s programem NetMeeting lze realizovat se všemi variantami systémů ISES (ISES základní, ISES Professional). Plnohodnotné vzdálené měření s možností vlastní tvorby přináší spolupráce hardware ISES Professional a software Lab VIEW, které podporuje TCP/IP komunikační protokol. Stačí tedy "pouze" napsat modul MeasureServer.VI a MeasureKlient.VI a vzdálené měření je hotovo. Ukázky jsou k dispozici u autora článku a budou živě předvedeny při referátu.

Závěr k ISES Professional a Lab VIEW

ISES Professional - celý hardware včetně modulů je plně použitelný pro program Lab VIEW a to okamžitě bez kompromisů (!), včetně vzdálených experimentů (!).

LEGO a ISES

Úvod

Jak se dostalo LEGO do přírodních věd v podobě měřícího systému? LEGO bylo vždy hračkou bez počítače a spíše bylo nasměrováno na automatizaci a robotizaci. Nejdříve se objevilo LEGO s podporou počítače ve verzi LEGO Interface model 70455, tzv. 4,5 V verze, (disponuje 6 výstupy a 2 vstupy). K dispozici byly motorky, lampy, světelný, teplotní, tlakový a polohový senzor, ovládání programem LEGO TC Logo, což je varianta jazyka Logo (želví grafika), která je doplněna několika příkazy pro ovládání čidel. Programová podpora byla na úrovni "doby kamenné". Tato varianta se již nevyrábí. V současné době jsou k dispozici systémy Control LAB model 9751 (připojuje se na COM port, má 8 vstupních a 8 výstupních kanálů, programuje se opět jazykem podobným Logu, má pouze příkazy pro měření a řízení, neobsahuje již "želví grafiku") a ROBOLAB (propojení s počítačem pomocí infračerveného přenosu, má 3 vstupní a 3 výstupní kanály, programuje se grafickým programovacím prostředkem). Tzv. RCX programová kostka je vlastně jednočipovým počítačem, ze kterého programem uděláte autonomní měřící prostředek na úrovni tzv. "dataloggerů". Programová kostka může být naprogramována 5 různými programy, které se ručně přepínají. Oba systémy jsou tzv. 9V a mají jiná čidla, než prvotní systém. K dispozici jsou tlakový, polohový, teplotní, světelný senzor, motorové jednotky a světelné kostky.

Program LEGO Control LAB

Interface Control LAB má vlastní software Control LAB umožňující numericky i graficky prezentovat hodnoty svých čidel. Je sice určen pro děti, ale je textově orientovaný a tudíž syntakticky obtížný. Program je trochu nepohodlný, přepíná se mezi programátorskou stránkou, a výstupní stránkou, kde jsou k dispozici ovládací a regulační prvky včetně grafických zobrazení. Dá se s ním měřit, ale výstup není hodný přírodních věd. Alespoň ne na střední a vyšší školy. Ovládací menu má obdobu Lab VIEW. Má několik úrovní, úroveň Investigator přináší řešení problému ve formě projektu - je zde jakýsi úvod do problematiky, vlastní měření, zpracování a vyhodnocení úkolu.

Program LEGO Engineer a program BOROLAB

Interface Control LAB lze vybavit jiným software než je původní program Control LAB. Pro měření v přírodovědných předmětech je vhodnější program LEGO Engineer, který je graficky orientovaný, a řekl bych pro děti daleko pohodlnější. Má několik úrovní, takže se lehce přizpůsobí dětem ba i vědcům (ti budou mít v nejvyšší úrovni dosti starostí). Program LEGO Engineer lze zdarma doinstalovat pokud vlastníte program ROBOLAB nebo Lab VIEW. Podoba až shoda s programem Lab VIEW je zřejmá na první pohled. Stejné menu, shodné ovládání. Pouze paleta nástrojů je zaměřena na LEGO senzory a nikoliv na přístroje z profesionálních laboratoří. LEGO Engineer je silný programovací nástroj včetně programových smyček, matematických a logických operací, práce s textem, tabulkou, grafické prezentace vstupů i výsledků, tzv. indikátorů aj. Výsledný produkt tohoto vývojového a programovacího prostředí je jakýsi čelní panel sestrojeného modelu (obsahuje prvky pro ovládání, indikaci, knoflíky, tlačítka, grafy, aj.) na monitoru počítače. Činnost virtuálního modelu je dána blokovým schématem. Tento blokový diagram (program) je tvořen ikonami reprezentujícími jednotlivé ovládací a indikační prvky čelního panelu. Zkrátka profesionální program. Interface ROBOLAB s původní programovou podporou ROBOLAB Programmer je spíše určen pro automatizaci, ale s novou programovou podporou ROBOLAB Investigator již představuje měřící prostředí, které dovede měřit a zobrazovat stav čidel do grafu. Obě dvě programové součásti jsou v nové verzi programu ROBOLAB v. 2.0. Senzory LEGO jsou slabší stránkou systému Control LAB i ROBOLAB (pozn. jsou stejné).Jsou to opravdu jenom čidla-hračky.

LEGO a čidla ISES

A právě zda přichází ISES se svými moduly, které jsou "přístrojovější", jsou již zkalibrovány, mají nastavitelné rozsahy aj. Stačí je připojit pomocí přizpůsobovacího HW členu "ISES-LEGO interface" (podrobnosti u autora článku) a máme výkonný měřící systém, který má základy HW a SW z LEGA a čidla ze systému ISES. Je třeba si uvědomit, že uživatelská podpora ze strany software LEGA je velmi slabá, uživatel sice může mít cokoliv, ale musí si to sám naprogramovat, software LEGO je programovací jazyk - nikoliv uživatelský program! Proto jsou k "ISES-LEGO interface" vyhotoveny samostatné uživatelské programy (v programu LEGO Engineer) pro měření s jednotlivými čidly systému ISES (např. iLEGO voltmetr, iLEGO ampérmetr, iLEGO siloměr aj.). Stačí tedy poklepat na příslušné ikoně a už se měří (!)


Jako měřící systém do výuky na středních školách lze využít LEGO systém Control LAB s programovou podporou LEGO Engineer, doplněný moduly ISES (nutnost "ISES-LEGO interface"). Jednodušší měřící sytém (vhodný např. na ZŠ) pořídíme s LEGO systémem ROBOLAB se stejnojmennou programovou podporou ROBOLAB. Opět doporučujeme k vaší pozornosti moduly ISES (nutnost "ISES-LEGO interface"). Program LEGO Engineer jako daleko výkonnější, avšak složitější. ROBOLAB Programmer i Investigator jako snazší a jednodušší.

Laboratorní studio zapojené do Internetu

Vize laboratoře nového tisíciletí: experimentální aparatura napojená k počítači s měřícím systémem, počítač je zapojen do globální sítě Internet, a to nejenom pro vzdálená měření - iSES remote. Hlavní pupeční šňůra z Laboratorního Studia vede k iSES site a k obecným zdrojům informací, databázím, vyhledávačům, komunikačním technologiím, aj. Nyní zkusme celou záležitost s Internetem nasměrovat k experimentům a celým laboratorním úlohám. Jsou v hypertextové podobě na WWW stránkách. Uživatel si je stáhne pouhým poťukáním na ikoně (musí mít nainstalován program ISESWIN nebo volně šiřitelný ISESWIN prohlížeč, resp. lze některé úlohy stáhnout do prostředí téměř všudypřítomného Excelu). Všechny experimenty jsou "jako živé"- dají se ihned zpracovávat a pokud má uživatel též hardware ISES, může si daný experiment sám provést, modifikovat, porovnat se stáhnutým aj. Právě laboratorní práce jsou posledním hitem v počítačově podporovaných experimentech. Pro systém ISES jsme připravily novou sbírku "Laboratorní práce k učebnici Elektřina a magnetismus se systémem ISES" [5]. Sbírka obsahuje 13 laboratorních prací a je prozatím v tištěné podobě. Několik úloh je vystaveno k volnému použití na iSES site. V současné době je Laboratorní studio iSES zaměřeno převážně na systém ISES. Podpora systémům Lab VIEW a LEGO bude rozpracována později Všechny výše uvedené možnosti jsou v pracovní (!!!) podobě na http://www.ises.info. Navštivte nás a přidejte se k autorům experimentů a laboratorních prací.

Závěr

No a je hotovo. Laboratorní Studio iSES™ je připraveno naměřit téměř libovolný experiment. Stačí zapnout počítač, "podívat" se po Internetu, "stáhnout" si zajímavou úlohu, připojit svůj experiment a můžeme začít měřit. V laboratoři …nebo i doma. Naměříme, vysvětlíme, sepíšeme protokol a můžeme publikovat. Třeba zase na Internetu.

1. Literatura

1. Lustig, F., Lustigová, Z., Vlášek, P.: ISES - příručka k soupravě Školní experimentální systém, Učební pomůcky PC-IN/OUT, Praha,1992, 107 s.
2. Pácal, L., Lustig, F.: ISES - WIN, příručka k programu ISES-WIN, Mentar + Učební pomůcky PC-IN/OUT, Praha,1996, 206 s.
3. Lustig, F.: Informační technologie v novém pojetí školních experimentů, In. Konference DidInfo 2000, Bánská Bystrica 2.-3. marec 2000, 41-44.
4. Lustig, F.: Laboratorní studio iSES, In konference DidFyz 2000, Ráčkova dolina 2000, v tisku.
5. Vícha, V.: Laboratorní práce k učebnici Elektřina a magnetismus se soupravou ISES, vydal Učební pomůcky PC-IN/OUT, 2001, FL@plk.mff.cuni.cz , 120s., v tisku.

Webmaster: Jiří Ryzner, poslední aktualizace: 22.7.2014