View
6
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
1
Proširenje mogućnosti laboratorija
Siniša Zorica, Sveučilišni odjel za stručne studije, Split, szorica@oss.unist.hr
Sandra Antunović Terzić, Sveučilišni odjel za stručne studije, Split, santunov@oss.unist.hr
Tonko Kovačević, Sveučilišni odjel za stručne studije, Split, tkovacev@oss.unist.hr
Marinko Lipovac, Sveučilišni odjel za stručne studije, Split, lipovac@oss.unist.hr
Sažetak
Implementacija praktičnih vježbi u inženjerskoj edukaciji omogućava studentima da primjene
stečena teorijska znanja. Uvidjevši njihovu važnost realizirali smo na Odjelu za stručne
studije udaljeni laboratorij kako bi se studentima omogućio pristup stvarnoj laboratorijskoj
opremi preko Interneta. Rad opisuje dizajn i arhitekturu udaljenog laboratorija, te njegovu
primjenu na primjeru mjerenja brzine zvuka pomoću hardverske opreme i LabVIEW
programa. Navedeno rješenje je primjenjivo i na druge vježbe koje koriste sklopovlje sa
upravljačkim programima za LabVIEW. U ovom radu prikazani su u detalje sklopovlje i
program za provedbu vježbe.
Uvod
Laboratorijske vježbe predstavljaju jedan on najvažnijih segmenata u inženjerskoj edukaciji,
jer se kroz njih omogućuje da studenti usvojena teoretska znanja primjene u praksi.
U [1] objavljeno je da student zapamti 25% onoga što čuje, 45% od onoga što vidi i čuje, a
70% onoga što napravi. Prema [2] praktične vještine su ključne u pogledu usvajanja ishoda
programa. Uzimajući sve to u obzir laboratoriji imaju važnu ulogu u inženjerskom
obrazovanju. Međutim, opremanje laboratorija zahtjeva visoke troškove s obzirom na to da se
koriste relativno malo vremena.
Udaljeni laboratorij definira se kao laboratorij upravljan računalom kojem se pristupa i
upravlja izvana preko nekog komunikacijskog medija. Udaljeni laboratoriji omogućavaju
studentima pristup laboratoriju i izvan njegovog radnog vremena. Povećanje vremena
dostupnosti laboratorijske opreme i mogućnost pristupa laboratoriju bez obzira na pristupnu
lokaciju dovodi do boljeg iskorištenja laboratorijskih resursa, te povećanja kvalitete samog
učenja. Također studenti racionalnije koriste postojeće resurse uz niže troškove laboratorija.
Iako je koncept udaljenog laboratorija već odavno poznat, nije došlo do njihove šire praktične
realizacije. Razlog tome je velika kompleksnost izrade, ne postojanje standarda i visoka cijena
razvoja. U posljednje vrijeme se tvrtka National Instruments sa svojim programom LabView
nameće kao potencijalni standard, jer omogućuje jednostavno kreiranje laboratorija
(povezivanje mjernog i upravljačkog sklopovlja). Ono što čini ovaj program pogodnim za
realizaciju udaljenog laboratorija je funkcija LabVIEW Remote Panels [3]. S ovom
2
standardnom mogućnošću LabVIEWa, korisnik može brzo i bez napora objaviti upravljačku
ploču LabVIEW programa koja je zatim dostupna preko web preglednika. Nakon objave, bilo
tko na Webu može pristupiti i upravljati vježbom na lokalnom poslužitelju.
U sklopu projekta realizacije udaljenog laboratorija na Odjelu za stručne studije 2012. godine
realizirali smo sustav rezervacije koji je integriran u Moodle sustav za upravljanje učenjem, a
preko kojeg se može pristupiti virtualnom laboratoriju koji podržava rad u Matlab-u. Kao
nastavak projekta ove godine kreirali smo laboratorijsku vježbu na Labview platformi kojoj se
također pristupa preko sustava za rezervaciju.
U ovom radu opisan je dizajn i arhitektura udaljenog laboratorija na Odjelu za stručne studije,
te njegova primjena na primjeru mjerenja brzine zvuka. Vježba se pokreće na LabVIEW
platformi, s mogućnošću praćenja i upravljanja preko Interneta.
Dizajn i arhitektura udaljenog laboratorija
Slika 1: Arhitektura udaljenog laboratorija na Odjelu za stručne studije
Korisničko sučelje
Klijent može biti bilo koje računalo spojeno na Internet koje se koristeći Internet preglednik
spaja na Lab server, s odgovarajućom razinom zaštite.
Kada klijent udaljeno pristupa laboratoriju Lab server šalje upravljačku ploču, dok blok
dijagram i svi podaci ostaju na serveru. Interakcija klijenta sa upravljačkom pločom odvija se
na isti način kao da se LabVIEW program nalazi na klijentu osim što se njegov blok dijagram
izvršava na serveru.
3
Web server
Server na kojem je instaliran Apache server, a koristi Linux platformu, MySQL bazu
podataka i PHP programski jezik. Na njemu je instaliran Moodle sustav za upravljanje
učenjem. Sustav za rezervaciju, koji smo integrirali u Moodle sustav, omogućava studentima
pristup Lab serveru [4]. Sam sustav je neophodan za rad obzirom da sam LabView ne
raspolaže zaštitom od neovlaštenog pristupa laboratoriju.
Lab server
Lab server je računalo na kojem je instaliran LabVIEW 2012 (32-bit) i povezano je s
opremom preko standardnih sučelja: USB, RS-232, Ethernet, WiFi i paralelni priključak.
LabVIEW koristi veliki broj inženjera za prikupljanje podataka (data acquisition), analizu
podataka i upravljanje instrumentima i uređajima [5]. LabVIEW omogućava povezivanje
velikog broja uređaja, te osigurava stotine ugrađenih biblioteka za napredne analize i
vizualizaciju podataka. LabVIEW programi nazivaju se virtualni instrumenti (VI).
Specifičnost programiranja u LabVIEW-u je da se ono paralelno vrši u dva prozora. U prvom
koji se naziva upravljačka ploča (front panel) vrši se projektiranje grafičkog korisničkog
sučelja. Na upravljačku ploču postavljaju se kontrole, prekidači, indikatori, displeji, grafovi i
drugi elementi. U drugom prozoru koji se naziva blok dijagram (block diagram) vrši se
grafičko orijentirano programiranje. Svi terminali grafičkih kontrola koje se nalaze na
upravljačkom panelu i funkcije LabVIEWa se povezuju linijama („ožičavaju“) što simbolično
predstavlja tok podataka (data flow), koji po pravilu ide sa lijeva na desno.
Pregledavati i/ili upravljati VI programe udaljeno moguće je ili iz LabVIEWa ili Web
preglednika spajanjem na LabVIEW ugrađeni Web poslužitelj. U prvom slučaju klijent i
server moraju imati istu verziju LabVIEWa. Ukoliko želimo da klijent koji nema instaliran
LabVIEW može udaljeno upravljati upravljačkom pločom koristeći Web preglednik, klijent
mora instalirati LabVIEW Run-Time Engine kompatibilan s verzijom LabVIEWa na serveru.
LabVIEW Run-Time Engine uključuje LabVIEW dodatak pregledniku, a može se preuzeti sa
stranica NI (http://joule.ni.com/nidu/cds/view/p/id/3433/lang/hr).
Matlab server
Računalo na kojem je instaliran Apache server koristi Windows platformu. Na njemu je
instaliran programski paket MATLAB.
Matlab je napredni programski sustav, odnosno interaktivno radno okruženje za tehničko
računanje i vizualizaciju [6]. U inženjerskom obrazovanju Matlab je često jedan od alata koji
4
se koristi za istraživanje i razvoj. Kako bi studentima omogućili rad s Matlabom, izvan
službenog rada laboratorija, a bez potrebe za kupnjom licence, kreiran je virtualni laboratorij
kojem se pristupa preko sustava za rezervaciju [4]. Ovaj laboratorij omogućava studentima
unos koda kroz m-datoteku, pokretanje aplikacije na Matlab serveru i vizualizaciju rezultata.
Rezultat se prikazuje u tekstualnoj datoteci, a slike kao zasebne jpg datoteke.
Oprema
Oprema obuhvaća: mikrokontrolere, PLC, FPGA, Vernier LabPro, razne senzore…
Slika 2: Dio laboratorijske opreme s podrškom za LabView
Tablica 1: Usporedba udaljenog laboratorija na Odjelu s iLab (ISA) i WEBLAB DEUSTO
[7] laboratorijima.
iLab (ISA) WEBLAB DEUSTO WEBLAB OSS
Institucija Massachusetts Institute
of Technology (MIT) University of Deusto Odjel za stručne studije
Klijent – server
komunikacija HTTP protokol
HTTP protokol, AJAX i
virtualni strojevi HTTP protokol
Omogućene usluge
• korisničkih računa i
administrativnih alata
• sustav za rezervaciju
• interaktivne vježbe
• praćenje korisnika
• grupne vježbe
• korisničkih računa i
administrativnih alata
• sustav za rezervaciju
• interaktivne vježbe
• praćenje korisnika
• mobilni pristup
• korisničkih računa i
administrativnih alata
• sustav za rezervaciju
• interaktivne vježbe
• praćenje korisnika
• mobilni pristup
Višekorisnička
suradnja i
komunikacija
nije podržana nije podržana nije podržana
5
Primjer vježbe
Primjenu sustava pokazat ćemo na primjeru vježbe mjerenja brzine zvuka.
Opis vježbe:
Zvuk nastaje titranjem čestica, uslijed čega dolazi do promjene (oscilacija) tlaka zraka p oko
vrijednosti atmosferskog tlaka p0. Frekvencije tih titraja zamjećuje ljudsko uho i one se nalaze
u području od 16 Hz do 20 kHz. Zvuk se ne širi sam po sebi već se titranje prenosi s čestice
na česticu. Brzina zvuka definira se kao brzina kojom se određena točka vala pomiče kroz
prostor. Ovisi o karakteristikama sredine (medija) kroz koji se zvuk širi, pa je tako za zrak
brzina širenja zvuka oko 330 m/s.
Brzina ovisi i o temperaturi zraka t:
c = 331,4 + 0,6t (m/s)
Pri t = 20°C brzina zvuka iznosi 343 m/s, a pri − 20°C padne na 319 m/s (po stupnju C pada s
oko 0,5 m/s).
Brzina zvuka je jedna od rijetkih fizičkih veličina koju studenti mogu eksperimentalno
odrediti s prihvatljivom točnošću. Postoji nekoliko načina mjerenja brzine zvuka u zraku.
Metoda, opisana u ovom radu, koristi činjenicu da se brzina vala definira kao udaljenost koju
točka na valu prijeđe u jedinici vremena. Određujući vrijeme koje je potrebno da zvuk prijeđe
put od jednog mikrofona do drugog, te mjereći udaljenost između njih iz jednadžbe
brzina = udaljenost/vrijeme
izračunamo brzinu zvuka.
Korištena oprema:
• Vernier LabPro – malo ručno računalo namijenjeno prikupljanju podataka i
upravljanju izlaznim linijama.
• Vernier senzor temperature – ima izložen termistor koji rezultira iznimno brzim
vremenom odziva. Ovaj dizajn omogućava uporabu u zraku i vodi.
• Vernier detektor pokreta – koristi ultrazvuk za mjerenje položaja objekata. Mjeri
objekte koji su udaljeni od 15 cm do 6 m.
• Vernier mikrofon (x2) - može se koristiti za razne aktivnosti sa zvučnim valovima.
• PC računalo.
• Zvučnik.
• LabVIEW.
6
Izvedba
Na LabPro uređaj spoje se dva mikrofona, detektor pokreta i senzor temperature dok se sam
uređaj USB kabelom spoji na računalo na koje je spojen zvučnik. Sustav za mjerenje je
prikazan na slici 3.
Slika 3: Sustav za mjerenje
Vježbom se u cijelosti upravlja LabVIEW programom. Kako bi se studentima omogućila da
udaljeno upravljaju vježbom njena upravljačka ploča objavljena je uz pomoć alata Web
publishing tool.
Slika 4: Blok dijagram
7
Upravljanje vježbom
Student na objavljenoj upravljačkoj ploči pomoću klizača podešava željenu frekvenciju
zvuka. Klikom na dugme Run zvučna kartica računala reproducira (generira) zvuk. Nakon
nekoliko sekundi student može vidjeti grafički prikaz valnih oblika signala koje su primili
mikrofoni.
Slika 5: Korisničko sučelje
Potrebno je uvećati prikaz grafa tako
da se vidi kašnjenje nastalo
propagacijom zvuka (∆t), te očitati
vrijeme koje je bilo potrebno da zvuk
prođe put od jednog do drugog
mikrofona (na grafu se pomoću
vodilica označi raspon od trenutka kad
je prvi mikrofon registrirao signal, do
trenutka kad je drugi mikrofon primio
signal).
Slika 6: Uvećani prikaz grafa
Udaljenost između mikrofona očita se sa upravljačke ploče. Iz izmjerenih podataka lako je
izračunati brzinu zvuka koristeći ranije spomenutu jednadžbu.
8
Zaključak
Udaljeni laboratoriji omogućavaju studentima pristup laboratoriju i izvan njegovog radnog
vremena, te omogućavaju bolje iskorištavanje laboratorijskih resursa, te povećava kvalitetu
samog učenja.
Primjenom Vernier LabPro hardvera i programa LabVIEW omogućeno je studentima
izvođenje određenih laboratorijski vježbi putem Interneta uporabom nekog od standardnih
Internet preglednika.
Budući rad temeljit će se na razvoju laboratorija koji bi uključivao i drugo sklopovlje: Atmel
mikrokontrolere, PLC i FPGA platforme.
Popis literature
1. E. Hanen, „The role of the interactive video technology in higher education: Case
study and a proposed framework“, Educ. Technol., vol. 30, no. 9. Pp. 13-21, 1990.
2. ABET (2012). Criteria of Accrediting Engineering Programs, 2012-2013. [Online]
3. National Instruments, „Remote Panels in LabVIEW - Distributed Application
Development Feb 13, 2013 | 25 Ratings | out of 5 3.36
4. M. Lipovac, S. Zorica, S. Antunović Terzić, T. Kovačević, „Primjena Moodle sustava
za realizaciju udaljenog laboratorija“, CUC 2012 Rijeka, 12. do 14. studenoga 2012.
ISBN: 978-953-6802-25-8
5. http://croatia.ni.com/ (11.05.)
6. http://www.mathworks.com/ (03.05.2013.)
7. M. Tawfik, E. Sancristobal, S. Martin, G. Diaz, J. Peire, M. Castro, „Expanding the
Boundaries of the Classroom: Implementation of Remote Laboratories for Industrial
Electronics Disciplines“ Industrial Electronics Magazine, IEEE 7 (1), 41-49, ožujak
2013.
Recommended