Laboratorní studio iSES Ô

Autor: František Lustig, ČR

Abstrakt

Příspěvek popisuje současné "top" možnosti ve školních fyzikálních laboratořích. Laboratorní studio iSES (internetové Školní Experimentální Studio) přináší nové technologie propojující zavedené měřící systémy ISES (Inteligentní Školní Experimentální Systém), Lab VIEW a LEGO s Internetem. Zahrnuje problematiku školních experimentů na ZŠ, SŠ, VŠ, ale i vědeckých experimentů.Čtenář nechť odliší starý známý systém ISES (Inteligentní Školní Experimentální Systém) a studio iSES.

1. Úvod

Demonstrace pokusů ve fyzice s podporou počítačů se již stala samozřejmostí. Velmi často používaným měřícím systémem v ČR je ISES (Inteligentní Školní Experimentální Systém) [1], [2], který je v současné době na cca 350 školách a to jak na SŠ (75 %), tak i na VŠ (20 %), ale též i na ZŠ (5 %).V tomto příspěvku zahrneme do měřících systémů i profesionální měřící systém z vědeckých laboratoří - Lab VIEW a na druhé straně měřící systém určený pro děti - LEGO. Někde "uprotřed" si stojí známý ISES, který má velmi bohatý a dobře propracovaný modulární systém čidel pro fyziku, chemii a biologii, příjemný uživatelský ovládací program a velice zajímavé ceny.

Laboratorní studio iSES je nová ICT technologie zahrnující spolupráci hardware ISES se software Lab VIEW, LEGO a samozřejmě ISESWIN, to vše pod sítí Internet, která poskytla výše uvedeným systémům WWW centrum s hlavními komponentami iSES-Site, iSES-Lab centrum a iSES-Remote.

Na iSES-Site je k dispozici podpora technická (instalace HW, optimalizace HW, aj.), softwareová (demo, free, upgrade SW, downloady aj.), teachwareová (free manuály, odkazy na další publikace, aj.).

Velmi navštěvované iSES - Lab centrum obsahuje centrální distribuci experimentů včetně školních laboratorních úloh. Úlohy v podobě textových doprovodných materiálů se dají stáhnout do libovolného počítače a dále pak na počítači, který má měřící systém ISES, též naměřit, zpracovat a porovnat se staženým experimentem.

Laboratorní Studio iSES též disponuje možnostmi vzdálených laboratoří iSES-Remote, kdy se experiment měří mimo náš počítač.

2. ISES a Lab VIEW

Hardware ISES Professional a software Lab VIEW

Měřící systém ISES je sice hodně flexibilní, ale někdy se mohou vyskytnout aplikace na sestavu 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).

Vzdálené 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.

3. ISES a LEGO

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). 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.

Systém Control LAB má vlastní software umožňující numericky i graficky prezentovat hodnoty svých čidel. Systém Control LAB lze ovládat též z programu LEGO Engineer, který lze zdarma doinstalovat pokud vlastníte program ROBOLAB nebo Lab VIEW. Podoba s programem Lab VIEW je zřejmá na první pohled. Stejné menu, shodné ovládání. Pouze paleta nástrojů je zaměřena na LEGO senzory a nikoliv na zařízení 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. Pouze senzory jsou slabší stránkou systému Control LAB + LEGO Engineer. A právě zda přichází ISES se svými moduly. Stačí je připojit pomocí přizpůsobovacího HW členu "ISES-LEGO interface" (podrobnosti u autora článku) a máme výkonný měřící systém, který má základy v programování a prezentaci z LEGA a senzory ze systému ISES. Je třeba si uvědomit, že uživatelská podpora ze strany LEGA je velmi slabá (uživatel si musí vše naprogramovat sám), ale je zase velmi flexibilní.

Systém ROBOLAB je spíše určen pro automatizaci, ale s novou programovou podporou ROBOLAB Investigator verze 2.0 již představuje měřící prostředí, které dovede měřit a zobrazovat stav čidel do grafu. Tzv. 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. Jednodušší tzv. ROBOLAB Programmer nemá k dispozici indikátory, tj. neumí graficky prezentovat hodnoty čidel, pouze numericky. Není tedy tak vhodný pro měření v laboratořích. A o senzorech opět to samé jako u Control LABu. ISES se svými čidly připojenými přes tentýž "ISES-LEGO interface" (podrobnosti u autora článku) vám z "hračky" udělá měřící systém.

Ve srovnání vychází program LEGO Engineer jako daleko výkonnější, avšak složitější, ROBOLAB Investigator jako snazší a jednodušší.

4. Závěr: Laboratorní Studio iSES ™ - nová technologie ICT.

ISES, Lab VIEW, LEGO nám pokrývají potřeby měřících systémů na všech úrovních škol. Integrují v sobě požadavky na měřící systém otevřený, ale i jednoduchý a uživatelsky pohodlný. Modulární systém čidel systému ISES je univerzální. Zkusíme k tomuto modulárnímu systému hardware, software, teachware přidat současné informační a komunikační technologie s Internetem, WWW, HTML, TCP/IP, multimédii, OLE objekty aj.

Sečteno a podtrženo - máme novou technologii v ICT - Laboratorní Studio iSES (internetové Školní Experimentální Studio). Čtenář nechť odliší systém ISES (Inteligentní Školní Experimentální Systém) a studio iSES. V současné době je Laboratorní studio iSES zaměřeno převážně na systém ISES. Podpora systémům Lab VIEW a LEGO bude rozpracována později.

Začneme hezky od základu. Experimentální aparatura je napojena k počítači s hardware měřícího systému ISES (Intelligent School Experimental System) . Měřící počítač je zapojen do globální sítě Internet. A to nejenom pro vzdálená měření ISES - Remote. Hlavní pupeční šňůra z Laboratorního Studia iSES vede ke zdrojům informací, vyhledávačům, komunikačním technologiím (E-mail, konference, WWW, FTP, …) - ať v tom nejsme sami a máme se kde poradit. Dalším konkrétním přínosem Internetu v laboratořích jsou zdroje informací (angl. site) o problematice, o aparatuře, zkrátka o všem. Pro náš měřící systém ISES jsme zavedli ISES - Site, kde jsou k dispozici technické, softwareové, teachwareové informace, odkazy na další zdroje, downloady, upgrade, hot line aj. Zkrátka standardní podpora a informace, ale především veškeré novinky, které se touto cestou dostanou nejrychleji k uživateli.

Nyní zkusme celou záležitost s Internetem nasměrovat k experimentům. Součástí ISES-Site je ISES Lab Centrum - zdroj experimentů. Je to jednak databanka známých experimentů z textových manuálů, dále pak nově sbírka speciálních laboratorních úloh ze středních škol (včetně bohatých doprovodných materiálů) a konečně jsou zde zajímavé experimenty, demonstrující nové možnosti programu ISESWIN. Všechny experimenty jsou "jako živé". Uživatel si tyto experimenty může stáhnout (pouhým poťukáním na ikoně aktivuje svůj lokální ISES). Pokud má též hardware ISES, může si daný experiment sám provést, modifikovat, porovnat se stáhnutým aj. Všechny tyto informace budou do konce roku 2000 k dispozici non stop na novém laboratorním serveru http://www.ises.info. Navštivte nás a přidejte se k tvůrcům laboratorních úloh.

Webmaster: Jiří Ryzner, poslední aktualizace: 22.7.2014