Školní experimentální systém ISES

Internetové Školní Experimentální Studio

Snadná realizace vzdálené laboratoře ze soupravy ISES

1. Úvod

Provozování vzdálených laboratoří se jeví jako složitá úloha. Zato tvorba WEB stránek se stala rutinní záležitostí. Příspěvek popisuje realizaci vzdálené laboratoře z pohledu konstruktéra. Realizace je založena na soupravě ISES [1] (pro počítačem podporovaná měření) a na softwarové stavebnici ISES WEB Control [2] (pro podporu vzdáleného měření a řízení). Tyto dvě komponenty umožňují i začínajícím tvůrcům jednoduše zapracovat do svých WWW stránek prvky pro podporu vzdálených laboratoří.

Vzdálené laboratoře, remote laboratory, vzdálené experimenty, remore experiments, remote sensing, remote observing, robot, remote robot, atd. jsou klíčová slova, která použijeme, když si budeme chtít vyhledat, prohlédnout, či vyzkoušet na internetu nové technologie, které umí ovládat různé aparatury na druhé straně internetu.

Komunikovat mezi počítači jsme uměli už od "nepaměti" - vzpomeňme laplink, síťová propojení LAN na různé úrovni a konečně internet. Soubory a dokonce multimediální soubory stahujeme a posíláme bez "bázně" odkudkoliv a kamkoliv. Málokdo si uvědomí, že jsme jenom kousíček od toho, abychom po internetu ovládli vzdálený experiment. Vzpomeňme např. sdílení aplikací, vzdálený dohled na počítačích (VNC aj.) - všechny tyto aplikace nám umožní nejenom "souborově" pracovat na vzdálené straně, ale pokud má vzdálená strana připojený např. měřicí systém, máme v rukou nástroj pro vzdálené laboratoře. Tyto aplikace se rozvinuly v specializované aplikace server - klient, jsou potřebné vždy dva programy, umožňují na míru šité aplikace, jsou bezpečné atd. atd. Touto cestou jdou průmyslové aplikace, kde je potřebná identifikace, zapisování řídících procesů, je třeba zaznamenávat kdo a co prováděl. Touto technologií jsme prošli i my, ale i průmyslové systémy LabVIEW aj.

Jako protiváha výše popsané komunikaci se postupně rozvíjely aplikace, kdy byl klientský program nikoliv specializovaný program, ale obyčejný prohlížeč (Internet Explorer, Opera, Mozilla Firefox aj.), bez kterého se téměř žádný uživatel internetu neobejde. Předkládáme universální a modulární přístup řešení – softwarovou stavebnici "ISES WEB Control", která v tomto okamžiku pracuje s měřícím systémem ISES, s COM rozhraním, s USB rozhraním, ale není velký problém doplnit "ISES WEB Control" pluginem pro další měřící a řídící hardware.

Vzdálené laboratoře jsou takové "supernovičky", které se vynoří, ale někdy se za pár týdnů ztrácí. Nadšení je veliké, ale udržovat non stop provoz takové laboratoře je náročné ani ne tak pro stroje, ale pro lidi.

2. Základní principy vzdálených laboratoří

Asi nepodchytíme chronologii, ale nejtypičtější první vzdálené úlohy byly něco rozsvítit, něčím otočit a to vše sledovat kamerou. Další typickou úlohou byl a je robot, víceramenný robot, se kterým uživatel manipuluje. Je zajímavé, že všechny tyto úlohy doprovází WEB kamera, asi aby byla podtržena autentičnost. Přenos WEB kamery po internetu byl totiž zvládnutý asi nejdříve. Připojují se i modeláři se svými vláčky a autíčky. Se vzdálenými laboratořemi začínají vystupovat univerzity i školy. Některé přístupy na experimenty vyžadují vyplnění vstupního dotazníku, mnohé stránky mají svoji návštěvní knihu. Tvůrci stránek jsou nepochybně rádi, když je jejich aparatura ovládána někým "na druhé straně". A proto je navštěvujme, zapisujme se do knih návštěv, oni se vám odmění dalšími ukázkami.

Nyní ještě něco k základním principům. Serverová softwarová část běží na standardním WEB serverovém prostoru. Na serverovém WEB prostoru jsou vzdálené úlohy realizovány skoro jako standardní "HTML" stránky. Tyto stránky obsahují navíc Java applety, které umožní komunikaci s měřící aparaturou. Asi není jednoduché tyto applety tvořit, a proto jsme připravili hotové applety, které se použijí jako blok v HTML stránce. Applety mají mnoho textových vstupních parametrů, takže i náročný uživatel si ho upraví k obrazu svému. Serverový software kromě HTML stránek s applety obsahuje spuštěné aplikace, které zprostředkují komunikace s hardwarem. Na serveru běží, kromě již zmíněného libovolného standardního WEB serveru, další důležité naše serverové aplikace jako ImageServer pro podporu WEB kamer, MeasureServer pro ovládání hardware např. pro náš systém ISES, HTTPRelay pro připojování uživatelů s omezenými přístupy (blokování nestandardních portů).

V případě vzdálených laboratoří je k serverovému stroji navíc připojena nezbytná hardwarová část - např. měřící aparatura. A možná ti z vás, co již měřili na lokálních aparaturách tuší, že takový počítač musí mít např. analogově digitální a digitálně analogové převodníky, aby mohl "komunikovat" s laboratorními přístroji. V našem případě tvoří serverový hardware souprava ISES-PCI či ISES-PCI-Professional, či ISES-USB, viz http://www.ises.info. Soupravy ISES vlastní přes 450 škol a v případě, že budou chtít vyzkoušet své vzdálené experimenty mohou je ihned začít realizovat s použitím softwarové stavebnice "ISES WEB Control", která obsahuje všechny zmíněné applety i servery.

3. Ukázky vzdálených laboratoří

Také naše fakulta MFF-UK Praha zabývá (a myslíme si, že i ovlivňuje) vývoj vzdálených laboratoří. První pokusy vzešly již v roce 2002, např. úloha Řízení výšky vodní hladiny na http://kdt-14.karlov.mff.cuni.cz (dosud má cca 6.250 přístupů!). Tato úloha byla orientována na WEB, klientem již nebyl specializovaný program, ale standardní prohlížeč typu Internet Explorer aj. HW aparatury bylo sestaveno z komponent soupravy ISES. Uživatel mohl po internetu ovládat zapínání a vypínání vodního čerpadla, stav vody byl sledován WEB kamerou, voda mohla přetékat. Tuto úlohu jsme nechali jako multipřístupovou. Současně mohlo ovládat hladinu mnoho uživatelů, aktivní byl vždy poslední příkaz. Někdy se zde rozpoutal zajímavý souboj.

Ukázky vzdálených experimentů, využívajících stavebnici ISES WEB Control, jsou souhrnně na rozcestníku http://www.eedu.eu , kde jsou experimenty z MFF-UK Praha, z UTB Zlín a z PedF Trnavské univerzity.

Obr. 1.: Rozcestník vzdálených experimentů využívajících stavebnici ISES WEB Control http://www.eedu.eu

Vyjmenujme některé konkrétní experimenty:

Vzdálený experiment, pozorovatelný přes Internet (http://kdt-1.karlov.mff.cuni.cz). Záznam přirozené radioaktivity na několika místech,
interaktivně se vybírá z Googole Map. Výběr záznamu přirozené radioaktivity za zvolený časový interval,
data je možno exportovat např. do Excelu.

Ještě jednou připomeneme, že klientský (Váš) počítač vyžaduje pouze prohlížeč Internet Explorer, či Mozilla Firefox aj. a podporu jazyka Java, který je v prostředí Windows automaticky k dispozici, resp. se z volně dostupných zdrojů doinstaluje.

Vzdálené experimenty provozujeme na MFF-UK Praha od roku 2002, od roku 2007 jsme k úlohám doplnily počítadla přístupů. V následující tabulce jsou statistiky. Celkově jsme zaznamenali přes 45.000 přístupů. A možná je zajímavý i údaj růstu těchto přístupů – od listopadu 2011 do dubna 2012 je to 2.500 přístupů. Laboratoře využívají jak střední školy, tak i vysoké školy, které mnohdy nemají některé složitější aparatury.

Tab. 1: Počet prístupů do vzdálených laboratoří http://www.ises.info ke dni 15.4. 2012

Protože se již často stává, že úlohu potřebují v daný čas jak studenti, tak i učitelé, máme k těmto úlohám připravený rezervační systém, který umožňuje uživatelům rezervovat si daný den a čas, aby úloha byla přístupná pouze na jeho heslo. Mimo tento režim jsou úlohy přístupné bez hesla komukoliv, kdykoliv a odkudkoliv (!). Pozn.: rezervaci zatím neprovozujeme on-line, o rezervaci možno požádat autora příspěvku.

4. Jak tedy postavit vzdálený experiment se soupravou ISES?

Je to jednoduché. Stačí k tomu počítač, souprava ISES, případně WEB kamera a software "ISES WEB Control".

Souprava ISES (např. měřicí souprava ISES PCI Professional, či jednodušší varianta ISES PCI, resp. ISES USB) je široká otevřená platforma, která umožňuje měření a řízení experimentů ve Fy Che a Bi. Vytvořená vzdálená úloha umožňuje on-line sledování WEB kamerou, on-line řízení, on-line měření. ISES WEB Control je vlastně „pouze“ program. Jedná se programátorskou stavebnici, která sestává z cca 30 appletů, serverů (MeasureServer, VideoServer, WWW server) a ukázkových příkladů, ze kterých pouhým sestavováním vytvoříte libovolné vzdálené ovládání, či měření. Uživatel NEMUSÍ být programátor. Postačí mu pouhé základní znalosti HTML.

Měřená data se zaznamenávají a lze je přenést do své klientské aplikace (např. Excel, Origin aj.). Data mají „*.txt“ formát. Bližší informace http://www.ises.info/index.php/en/systemises/iseswebcontroll.

1. Potřebujeme tedy počítač, na kterém běží lokálně hardware ISES (ADDA karta, panel ISES a čidla ISES). Hardware ze soupravy ISES (ISES-PCI-Professional nebo ISES-PCI nebo ISES-USB, max. vzorkovací frekvence 100 kHz). V plné sestavě (s přídavnou deskou reléová karta ) disponuje ISES 6 analogovými vstupy 0-5V, 2 analogovými výstupy ±5V, 2 digitálními výstupy TTL, resp. doplňkově ještě 16x relé. Počítač by měl umožnit provozování WEB serveru např. Nginx, Apache, PinkNet Web Server aj.

Celkový pohled na soupravu ISES

2. K tomuto počítači ještě připojíme a standardně nainstalujeme WEB kameru pro on-line pozorování experimentu.

3. Na tomto počítači umístíme do WWW prostoru HTML stránky se vzdáleným experimentem - tj. HTML text s applety stavebnice "ISES WEB Control". Asi by nebylo jednoduché tyto applety vytvořit, a proto jsme připravili hotové applety, které se použijí technikou "vezmi a zkopíruj" do HTML stránky. Applety mají mnoho vstupních parametrů, takže i náročný uživatel si ho upraví k obrazu svému. Asi jednoduše pochopitelné budou applety typu tlačítka pro výstup hodnoty (napětí), či pro vstup naměřené hodnoty, či applet posuvník - scrollbar. Pro zobrazování WEB kamery je k dispozici další připravený applet. Další applety slouží ke komunikaci se měřícím serverem, navazují spojení, zobrazují frontu uživatelů, umožňují záznam, výběr a grafický výstup experimentu, umí vygenerovat naměřená data aj. Ve stavebnici je 10 triviálních ukázkových vzdálených experimentů (jednoduchý vstup, jednoduchý výstup, ovládání relé, časové zobrazení jednoho a více kanálů, XY zobrazení, záznam dat, výběr dat, export dat, ukázka rychlého měření (až 1.000 Hz), dlouhodobý záznam (i po několik roků s výběrem dat v daném časovém období), příklady na řízení výstupních analogových i digitálních signálů aj. Ke stavebnici je samozřejmě manuál, který popisuje všechny možnosti, které zřejmě využijete až později.

Obr.4.: Ukázka tvorby webových stránek

4. Na serverové straně kromě HTML stránek s applety umístíme a spustíme serverové aplikace, které zprostředkují komunikace s hardwarem. Na serveru běží kromě již zmíněného libovolného standardního WEB serveru, další důležité naše serverové aplikace jako ImageServer pro podporu WEB kamer, MeasureServer pro ovládání hardware např. pro náš ISES, HTTPRelayServer pro připojování uživatelů s omezenějšími přístupy (blokování nestandardních portů).

Obr.5.: Příklad obrazovky serverové strany

Obr. 6.: Příklad obrazovky klientské strany (v prohlížeči)

5. Závěr: Toť vše. A máme vzdálenou laboratoř. A nyní už čekáme první klienty, kteří se připojují pomocí standardního prohlížeče např. Internet Explorer, Mozilla Firefox, Opera, aj. Klienty na svých stránkách upozorníme, že musí mít povolenu podporu jazyka Java.

Nyní už stačí "jenom" vymýšlet další a další úlohy, které jsou "samoobslužné" a nevyžadují lidskou ruku. A věřte, vymyslet takové úlohy, není vždy až tak jednoduché.

Literatura

[1] Lustig, F., Dvořák, J.: ISES WEB Control, software kit pro vzdálené laboratoře se soupravou ISES, Výroba učebních pomůcek PC-IN/OUT, U Druhé Baterie 29, 162 00 Praha 6, tel. 602 858 056, Praha, 2003

Autor

doc. RNDr. František Lustig, CSc, Univerzita Karlova v Praze – Matematicko-fyzikální fakulta,
tel.: 602 858 056, Frantisek.Lustig@mff.cuni.cz, http://www.ises.info