Provozování vzdálených laboratoří se jeví jako složitá úloha. Zato tvorba WEB stránek se stala rutinní záležitostí. Příspěvek popisuje softwareovou stavebnici "ISES WEB Control" pro podporu vzdáleného měření a řízení, která umožní i začínajícím tvůrcům WEB stránek jednoduchým způsobem zapracovat do svých stránek prvky pro podporu vzdálených experimentů.
Klientský počítač vyžaduje pouze prohlížeč Explorer, NetScape, aj. a podporu jazyka Java, které je v prostředí Windows automaticky k dispozici, resp. se z volně dostupných zdrojů doinstaluje.
Ukázky vzdálených experimentů, využívajících stavebnice ISES WEB Control, jsou na
|
Regulace výšky vodní hladiny - http://kdt-14.karlov.mff.cuni.cz
Meteorologická stanice v Praze - http://kdt-16.karlov.mff.cuni.cz Elektromagnetická indukce - http://kdt-20.karlov.mff.cuni.cz Vlastní a vynucené kmityhttp://kdt-17.karlov.mff.cuni.cz Ohyb na mikroobjektech - http://kdt-13.karlov.mff.cuni.cz Přeměna solární energie - http://kdt-4.karlov.mff.cuni.cz Heisenbergův princip neurčitosti - http://kdt-13.karlov.mff.cuni.cz |
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 "nohu, co parou cválá". 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. měřící systém, máme v rukou nástroj pro vzdálené laboratoře (viz např. [1]).
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 (např. [2]), ale i průmyslové systémy LabVIEW aj. Téměř nemají chybu, na nic se nezapomnělo … snad jenom "na obyčejné lidi" se zapomnělo. Prostý uživatel internetu neměl trpělivost si tuto technologii naživo vyzkoušet. LabVIEW vvyužívá technologii "Remote Panel", která umožňuje řízení přes WEB prostor. Před přístupem do "LabVIEW vzdálených laboratoří" je třeba si nejdříve doinstalovat speciální software "LV RunTime Engine 6.1 či 7.0". Zvláště na pomalých sítích je to velmi zdlouhavé a mnoho uživatelů to odradí hned na počátku. A uživatelé se bojí stahovat a instalovat si programy do svých počítačů. Některé instituce vám to prostě ani nedovolí.
Jako protiváha výše popsané situaci se postupně rozvíjejí aplikace, kdy je klientský program nikoliv specializovaný program, ale obyčejný prohlížeč (Explorer, NetScape, Mozila aj.), bez kterého se téměř žádný uživatel internetu neobejde. Prozatím jde o jednoúčelové aplikace bez systematizace, nadšenci si vymyslí aplikaci a spustí ji na internetu. V závěru příspěvku předložíme náš universální a modulární přístup řešení - "ISES WEB Control" ([3]), který v tomto okamžiku pracuje s měřícím systémem ISES, ale není velký problém doplnit "ISES WEB Control" pluginem pro další měřící a řídící hardware.
Nyní ještě něco k základním principům. Serverová softwareová část běží na standardním WEB serverovém prostoru. Webovský prostor musí být v našem případě Windows typu, neboť s měřící aparaturou umíme měřit pouze v prostředí DOS a Windows. Drivery pro Unix jsme nerealizovali. 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 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 ISES, HTTPRelay pro připojování uživatelů s omezenými přístupy (blokování nestandardních portů - nutné např. pro uživatele INDOŠ).
V případě vzdálených laboratoří je k serverovému stroji navíc připojena nezbytná hardwareová 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 základní, či ISES Professional. Soupravy vlastní přes 400 škol a v případě, že budou chtít vyzkoušet své vzdálené experimenty mohou je ihned začít realizovat s použitím softwareové stavebnice "ISES WEB Control", který obsahuje všechny zmíněné applety i servery.
Vzdálené laboratoře jsou takové "supernovičky", které se vynoří a za pár týdnů se po nich zem slehla. Nadšení je veliké, ale udržovat non stop provoz takové laboratoře je náročné ani ne tak na stroje, ale na lidi.
Asi nepodchytím chronologii, ale nejtypičtější první 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, sponzorované podniky, neboť vybavení laboratoří je finančně náročné.
První kroky byly na bázi jednoduchého hardware, které si uživatel mohl sám jednoduše zkonstruovat - např. LED diody na paralelní port, a jednoduchého software -appletu na straně serveru. Dále sem patří vláčky, autíčka aj. Trochu systematičnosti sem vnesla firma NI se svým LabVIEW. LabVIEW je poměrně známý standard HW a SW produkt pro podporu měřících a řídících počítačů. Software LabVIEW má od verze 6.1 v sobě zabudovanou podporu "Remote Panel", která umožní lokální aplikaci poměrně jednoduše změnit na WEB aplikaci. Takto je umožněno pracovat jednomu uživateli internetu pracovat s aparaturou na druhé straně internetu. Uživatel musí mít ve svém počítači standardní prohlížeč a to je velmi důležité - musí mít nainstalovaný "LVRunTime engine 6.1 a vyšší". A to je trochu "kámen úrazu" pro netrpělivé uživatele internetu, který je zvyklý na okamžitou odezvu, jinak aplikaci opouští.. LVRunTimeEng je třeba nejdříve stáhnout a potom instalovat na svém počítači - jedná se o freeware, soubor je asi 15 Mb velký. Mnoho uživatelů se bojí instalovat jiné programy, mnoho uživatelů v podnikových i akademických sítích si to však ani nemůže dovolit. Pokud potřebujeme u LabVIEW vícebodové přístupy, musíme si připlatit. Přes tato počáteční odrazení je převážná část vzdálených laboratoří v zahraničí vystavěna právě na LabVIEW.
A nyní konečně některé komentované ukázky. Na oficiálních stránkách LabVIEW je až zarážející triviální aplikace. Nabíjení a vybíjení kondenzátoru v grafické podobě je "zviditelněno" WEB kamerou, když se s rostoucím, klesajícím napětím rozsvěcuje i žárovička.
(
Další jednoduchý experiment přináší regulační úlohu s termistorem, který zahřívá žárovička ovládaná po internetu. Lze volit ruční i auto režim ovládání žárovičky. Úkolem je udržet na termistoru zvolenou teplotu. Žárovička se zahřívá a přenáší teplo na termistor, ale rovněž je využita k on-line vizualizaci WEB kamerou.
Další úlohy rovněž vyžadují instalaci LVRunTimeEng:
Desítky stránek jsou pouhým textovým popisem, článkem v časopise. V tomto příspěvku jsme raději vybírali "živé" stránky.
Na
Zajímavým odkazem na univerzitu, která vzdáleně provozuje několik úloh, je
Nyní uvedeme také některé úlohy, která nevyžadují prostředí LabVIEW:
Na
Na
Skleník s kytičkami ovládaný z internetu si můžete vyzkoušet na
Některé přístupy 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 navštěvujte, zapisujte se do knih návštěv, oni se vám odmění dalšími ukázkami. Věřte nemají to jednoduché, jsou to "pioneers".
Také naše pracoviště KDF - MFF-UK Praha přispívá a myslíme si, že i ovlivňuje vývoj vzdálených laboratoří. První pokusy (viz [1]) vzešly z databází experimentů na internetu, následovalo sdílení programu ISES, poté první pokusy s LabVIEW 5.0, kde se aplikace server-klient programovala pomocí grafického LabVIEW jazyka (viz [1],[2]). Tato aplikace nebyla na WWW stránkách - pracovaly pouze dva počítače proti sobě, na každém počítači běžel jiný speciální software.
V té době jsme již pracovali se vzdálenými aparaturami, které jsme řídili vlastními Java applety - např. na
Současně s touto úlohou jsme si ověřili tvorbu WWW stránek se vzdálenými experimenty v prostředí LabVIEW 6.1. - úloha "Kmity na pružině". I tento přístup k úloze vyžadoval pouze prohlížeč typu Internet Explorer, ale při první aplikaci jste si museli ze stránek firmy NI stáhnout a nainstalovat LVRunTime Engin 6.1 a vyšší, aby vám úlohy fungovaly. A toto je zřejmě dosti nepříjemné úskalí pro mnoho potenciálních zájemců. Na tuto úlohu jsme zaznamenali "pouze" desítky přístupů, na rozdíl od předchozí úlohy (tisíce). V současné době je tato úloha "Vlastní a vynucené kmity" provozována na naší technologii ISES WEB Control . Vyzkoušejte si ji na
Další úloha byla započata v rámci diplomové práce A.Řeháka z PedF UK Praha, vedoucí dipl. práce F.Lustig, MFF-UK Praha ([4]). Nová verze je živě na na
Uživatel točí různou rychlostí cívkou v homogenním magnetickém poli. V cívce se indukuje napětí. Velikost indukovaného napětí závisí na rychlosti rotujícího magnetu. Napětí se měří soupravou ISES.
Úlohu je možno ovládat, úlohu lze sledovat WEB kamerou, v úloze je on-line vykreslován graf a nyní to nejzajímavější - v úloze lze spustit start a stop měření, dokonce několika měření. A tato měření lze přenést přes datový soubor, ale i přes schránku (clipboard) do vlastního počítače, např. rovnou do Excelu(!).
Úloha je jednopřístupová, uživatel ji má k dispozici 5 minut, další uživatel čeká v řadě, resp. lze na požádání zvolit přístup pouze přes heslo. Prostředí úlohy viz obr.1.
Tato úloha se svou autentičností blíží pocitu, že opravdu měříte vy a že to není simulace. Rovněž výstupy z úlohy máte možnost zpracovat ihned na svém počítači. To vše vytváří pocit smysluplné laboratorní úlohy.
Obr.1.: Elektromagnetická indukce - z pohledu uživatele
Při konstrukci vzdálených úloh se ukázalo, že se dílčí applety opakují a opakují. I začali jsme tvořit applety s volitelnými parametry. Jak prosté, že jsme na to nepřišli hned! A tak na svět přišla softwareová stavebnice "ISES WEB Control" [3], která umožní i začínajícím tvůrcům WWW stránek jednoduše vytvořit vzdálené laboratoře. Prozatím je orientována na hardware ISES a na operační systém Windows.
Jak tedy postavit vzdálený experiment se soupravou ISES?
Je to jednoduché. Stačí k tomu počítač, hardware ISES a software "ISES WEB Control".
1. Potřebujete počítač, na kterém běží lokálně hardware ISES (ADDA karta, panel ISES a čidla ISES). Počítač by měl umožnit provozování WEB serveru (v současné době jsou to typicky Win98 a volně dostupný WEB server PinkNet Web Server 2.0,
Obr.2.: Hardware ISES
2. Na tomto počítači umístíte 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 vám 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 - 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. Ke stavebnici je samozřejmě manuál, který popisuje možnosti, které využijete až později.
Obr.3.: Schema tvorby webových stránek
3. Na serverové straně kromě HTML stránek s applety umístíte a spustíte 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 - nutné např. pro uživatele INDOŠ).
Obr.4.: Elektromagnetická indukce - na serveru
4. Toť vše. A máte vzdálenou laboratoř. Sečteno podtrženo - máte spuštěné 4 servery-programy- (WEB server, ImageServer, MeasureServer, HTTPRelayServer) a máte sestavený experiment připojený k soupravě ISES. Nyní už stačí "jenom" vymýšlet úlohy, které jsou "samoobslužné" a nevyžadují lidskou ruku. A věřte, vymyslet takové úlohy, není až tak jednoduché.
5. A nyní už čekáte první klienty, kteří se připojují pomocí standardního prohlížeče např. Internet Explorer. Klienty na svých stránkách upozorníte, že musí mít povolenu podporu jazyka Java - nastavuje se v možnostech prohlížeče. Starší Win98 toto mají implicitně povoleno, avšak nové Win 2000-XP vyžadují doinstalování podpory pro jazyk Java (např. na
Literatura
[1] Lustig, F.: "Internetové laboratorní studio", in sborník POŠKOLE 2001, Praha, 127-132, 2001.
[2] Lustig, F.: "Vzdálené reálné školní laboratoře na internetu", in sborník POŠKOLE 2002, Praha, 33-38, 2002
[3] 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
[4] Řehák, A.: Diplomová práce -"Fyzikální experimenty ve vzdálené laboratoři", vedoucí F. Lustig, MFF UK Praha, 2004, v tisku
Autor