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.