SADRŽAJ

1. UVOD...............................................................................................................12. OSNOVNI KONCEPTI INDUSTRIJSKIH MJERNIH SISTEMA.................2

2.1. SOFTVER DISTRIBUIRANIH SISTEMA...............................................42.2. INTERNET POVEZIVANJE.....................................................................5

3. MODEL VIRTUELNOG INSTRUMENTA....................................................7

3.1. SOFTVER VIRTUELNE INSTRUMENATCIJE......................................7

3.1.1. Karakteristike softvera virtuelne instrumentacije.................................83.1.2. Razvoj virtuelnog instrumenta primjenom GUI...................................8

3.2. GRAFIČKO PROGRAMIRANJE.............................................................9

4. LabVIEW........................................................................................................12

4.1. UPRAVLJANJE PROGRAMABILNOM INSTRUMENTACIJOM......12

5. VIRTUELNE LABORATORIJE....................................................................14

5.1. DEFINICIJA I PODJELA VIRTUELNIH LABORATORIJA................145.2. STRUKTURA I IMPLEMENTACIJA....................................................155.3. SOFTVERI ZA KREIRANJE VIRTUELNIH LABORATORIJA..........185.4. ZNAČAJ I PRIMJENA VIRTUELNIH LABORATORIJA....................185.5. EDUKACIJA NA DALJINU I VIRTUELNI UNIVERZITETI..............215.6. PRIMJERI VIRTUELNIH LABORATORIJA........................................22

6. ZAKLJUČAK.................................................................................................337. LITERATURA................................................................................................34

1. UVOD

Akvizicioni sistemi se sastoje od mjernih uređaja koji prihvataju signale većeg broja senzora i mjernih pretvarača, obrađuju ih, prenose i pamte, uključujući i softver za kontrolu akvizicije, analizu i prikaz podataka. U literaturi je prisutan i naziv "SCADA" ("Supervisory Control And Data Acquisition"), potencirajući da se radi o sveobuhvatnom nadgledanju i prikupljanju podataka. Prikupljanje podataka se može vršiti u ekvidistalnim vremenskim trenucima, ali može biti i inicirano nekim događajem, npr. po promjeni iznad zadate granice nekog od parametara koji se stalno posmatra, može se startovati prikupljanje šireg skupa mjerenih veličina, s većom frekvencijom uzorkovanja.

Za akvizicioni sistem manjeg obima, tj. sa manjim brojem ulaza i mjernim pretvaračima raspoređenim na relativno malom prostoru, vrlo je pogodno koristiti jedan PC kompatibilan računar. Mjerni sistem je moguće oformiti korišćenjem većeg broja postojećih I/O kartica, sa A/D konvertorima (najčešće 8 do 16 ulaza), brojačima i digitalnim I/O. Klasičan PC kompatibilan računar posjeduje više slobodnih slotova koji se mogu iskoristiti za smještanje ovih kartica, a ako je potreban veći broj ulaza, moguće je vršiti eksterno multipleksiranje, ili koristiti ekspandere interne magistrale PC računara, koji u posebnom kućištu daju mogućnost dodavanja većeg broja PC kompatibilnih kartica. Treba napomenuti da pored standardnog PC računara postoje drugi standardi prilagođeni industrijskoj upotrebi, kao npr. PXI, VXI itd. Ovo predstavlja centralizovani akvizicioni sistem, i glavna prednost se ogleda u tome što projektovanje sistema ne uključuje komunikaciju između komponenti, već se sve akvizicione kartice jednostavno očitavaju direktnim memorijskim pristupom, pomoću postojećih drajvera instrumenata, kao i u slučaju bilo kog drugog virtuelnog mjernog sistema. Korišćenje PC standarda ima prednost što je u dostupnosti velikog broja jeftinih komponenti i vrlo moćnih softverskih razvojnih alatki. Postoji i veći broj gotovih softverskih paketa za kontrolu akvizicije, uključujući LabVIEW.

Pri realizaciji mjernog sistema treba uzeti u obzir električnu izolaciju ulaza i otpornost računara na industrijske smetnje. Pored toga treba napomenuti da PC računar i operativni sistem WINDOWS nisu optimizirani za rad u realnom vremenu, tj. vrijeme odziva je često vrlo teško tačno definisati, a ukupna moguća brzina uzorkovanja i broj kanala se ne mogu uporediti sa specijalizovanim hardverskim i softverskim rješenjima za kontrolu procesa. Realno moguću brzinu uzorkovanja dobrim dijelom određuje i softver. Postoji veći broj multi-tasking operativnih sistema za rad u realnom vremenu za PC računare, koji olakšavaju pisanje aplikacija za mjerenje, a naročito za kontrolu procesa.

1

2. OSNOVNI KONCEPTI INDUSTRIJSKIH MJERNIH SISTEMA

U centralizovanim akvizicionim sistemima svi mjerni pretvarači su povezani na interfejse centralnog računara i on vrši kompletnu digitalnu obradu signala: digitalno filtriranje, linearizaciju, nadgledanje procesa, alarmiranje, kontrolu itd. Da bi računar radio u realnom vremenu, tj. da bi uz kontrolu svih signala potrebnih za multipleksiranje i konverziju, ovu obradu završio između dve konverzije, potrebno je da ima veliku procesorsku snagu, pa se često koriste i računari specifične konstrukcije. Kod ovakvih sistema problem pouzdanosti usled otkaza centralnog računara je veoma izražen. Pored toga, sama realizacija sadrži mnogo provodnika koji vode do centralnog računara, a ako su mjerna mjesta udaljena u prostoru javlja se i problem prenosa analognih signala u uslovima industrijskih smetnji. Kod centralizovanih sistema najčešće nije moguće odvojiti kontrolu od akvizicije.

Često je potrebno da svi mjerni podaci o jednom procesu budu dostupni na jednom mjestu, ali njihovo prikupljanje se može organizovati i kao hijerarhijski proces. Ova distribucija akvizicije se može realizovati na više načina. Pogodno je mjerne pretvarače podjeliti prema prostornom rasporedu i realizovati manje akvizicione podsisteme koji bi donekle nezavisno vršili akviziciju na užem prostoru i po potrebi kontrolu procesa. Umjesto multipleksiranja klasičnih mjernih pretvarača moguće je ovo početno prikupljanje vršiti i inteligentnim senzorima i mjernim pretvaračima, te i na ovom najnižem nivou hijerarhije imati mrežu. Ako je broj mjerenih veličina veliki, pa postoje i drugi akvizicioni podsistemi, oni se međusobno mogu sprezati preko računara višeg nivoa, sve do sprezanja računara koji su u proizvodnji sa onim zaduženim za globalni prikaz, planiranje i analizu proizvodnje, ako postoje (slika1). Može se uočiti da je, pored prostorne, izvršena i distribucija funkcija u mjernom i kontrolnom sistemu. Ovako bi se formirala "Bus Windowing" mreža sa više nivoa magistrala i strukturom piramide, o čemu će biti reči kasnije. Komunikacija računara višeg i nižeg nivoa ne mora stalno da se odvija, već samo periodično radi provjere i u intervalima sa brzom promjenom mjerenih veličina.

Slika. 1. Mreža distribuiranog mjernog i kontrolnog sistema u fabrici

Struktura ovako definisanog sistema se vrlo lako mjenja, čak i bez zastoja u proizvodnji. Na svim nivoima treba implementirati autodijagnostiku, tako da se odgovarajućim softverom i grafičkom predstavom procesa, lokacija otkaza može vrlo lako izvršiti, što smanjuje vrijeme nefunkcionisanja sistema. Inteligentne izvršne jedinice kontrolnog sistema mogu biti zasebne

2

cjeline, ali djeliti istu magistralu sa inteligentnim mjernim pretvaračima, dok se na višim nivoima kontrolna i mjerna funkcija spajaju. Projektovanje distribuiranog mjernog sistema je donekle otežano komunikacionim problemima, ali je dosta olakšano samom podjelom zadataka na djelove koji se nesmetano paralelno izvršavaju u zasebnim jedinicama sistema. Ova struktura spada u grupu slabo spregnutih višeprocesorskih sistema. U vezi sa komunikacijom, posebno treba voditi računa da magistrala ne postane usko grlo i da se ne jave mrtve petlje u pokušajima da se ona zauzme. Problem standardizacije komunikacije nije tako izražen na višim nivoima hijerarhije, dok je na proizvodnom nivou, tj. nivou inteligentnih senzora i PLC-a (programabilnih logičkih kontrolera) glavni ograničavajući faktor razvoja ovih sistema. Može se reći da su prednosti distribuiranih mjernih sistema sledeće:

- prenose se obrađeni podaci, eventualno samo na zahtjev, te se smanjuje komunikacija preko mreže, potencijalno se smanjuje i vreme odziva na alarme i sl.,

- veća pouzdanost i mogućnost rada u slučaju otkaza pojedinih komponenti sistema, - centralni računar može biti manje procesorske snage, lakši rad u realnom vremenu, centralni

računar se bavi samo pamćenjem i prikazom podataka, - lakša dijagnostika (samotestiranje senzora i decentralizovanih jedinica), - lakše promjene, opravke i kalibracije sistema bez zaustavljanja rada, - lakše električno izolovanje procesa od računara, - projektant cjelog sistema je rasterećen brige o kompenzacijama nesavršenosti raznih vrsta

senzora, tj. mogućnost modularnog projektovanja i lakše integracije sistema.

Lako održavanje sistema može se sagledati na primjeru zamene senzora novim, pri čemu bi u centralizovanom sistemu u programu glavnog računara bilo neophodno promjeniti ceo niz konstanti: mjerni opseg, odnos između digitalne reči i mjerene veličine, konstante za kompenzaciju i digitalnu obradu signala i sl. U slučaju decentralizovanog sistema ova promjena bi se desila na najnižem nivou, te bi bilo neophodno zaustaviti manji deo procesa, a upotrebom inteligentnih mjernih pretvarača, ne bi bila potrebna bilo koja izmjena u računarskim programima. Postoji zaista veliki broj komponenti koje mogu biti jedinice decentralizovane inteligencije mjernog sistema. Mogu se koristiti gotovi mjerni uređaji i povezati RS-232 ili IEEE-488 interfejsom (HP-IB interfejsom). Na nivou senzora mogu se upotrebiti inteligentni senzori ili adresibilni procesori signala, ili se senzori mogu povezati korišćenjem A/D konverzionih kartica sa više ulaza. Računari u nižim djelovima hijerarhije mogu biti neki od velikog broja industrijskih računara ili računara na jednoj ploči (kartici). Kako je ovaj deo hijerarhije u industrijskom okruženju, povezivanje se najpogodnije može izvršiti mrežom zasnovanom na RS-485 interfejsu. Na višim nivoima hijerarhije treba upotrebiti računare nešto veće procesorske snage i povezati ih u mrežu postojećim standardnim mrežama sa većim brzinama protoka podataka. Vrlo je pogodno koristiti industrijske PC računare jer se skoro svi nivoi mogu realizovati na istom standardu i tako olakšati projektovanje i koristiti veliku grupu softverskih i hardverski alata za razvoj softvera, hardvera, praćenje komunikacije i integraciju sistema, koji postoje za PC računare. Koristeći isti PC standard računara različitih performansi, moguće je pokriti skoro sve nivoe hijerarhije, koristiti ih kao reparacionu, analizatorsku i kontrolnu opremu, i kao razvojne inžinjerske radne stanice. Treba napomenuti da se "inteligentno" ponašanje implementira i u integrisana kola konvencionalne namjene. Na primjer, u A/D konvertor se ugrađuje autokalibracija, provjera ispravnosti i sl., a da njegovo funkcionisanje spolja posmatrano nije izmjenjeno, izuzev povećane tačnosti u širim temperaturnim granicama. Brzo prihvatanje personalnih računara u poslednjih 20-tak godina izazvalo je revoluciju u instrumentaciji za testiranje, mjerenje i automatizaciju. Najveći razvoj je rezultirao iz sve veće primjene personalnih računara u konceptu virtualne instrumentacije koja pruža značajne koristi inženjerima i naučnicima koji zahtjevaju povećanu produktivnost, tačnost i performanse. Danas, virtuelna instrumenatcija koristi prednosti niske cene i izvanrednih karakteristika PC računara.

3

Virtuelna instrumentacija se sastoji od standardnog industrijskog računara ili radne stanice, opremljenog moćnim aplikativnim softverom i jeftinog hardvera kao što su blokovski zamjenjive ploče i softvera za uređaje, koji zajedno vrše funkcije klasičnih instrumenata. Virtuelna instrumentacija se prema tome odnosi na upotrebu računara i radnih stanica opšte namjene, u kombinaciji sa hardverskim uređajima za prikupljanje podataka i softverom za virtuelnu istrumentaciju u cilju kontrolisanja integrisanog industrijskog sistema.

2.1. SOFTVER DISTRIBUIRANIH SISTEMA

Postoje mnogi specijalizovani softverski paketi za razvoj SCADA aplikacija, u kojima se formiranje sistema vrši izborom pojedinih opcija, definisanjem adresa i konfiguracija mreže. Jedan od primjera razvojnih alata ovog tipa je National Instruments "Lookout" SCADA softver. Drugi pristup je korišćenje programskih jezika opšte namjene ili LabVIEW grafičkog razvojnog sistema, sa dodacima za vizuelizaciju odvijanja procesa, komunikacione zadatke i rad sa bazama podataka. Može se reći da softver distribuiranih mjernih sistema treba da omogući sledeće:

1) Komuikacija sa različitim tipovima programibilnim logičkim kontrolerima (PLC) i inteligentnim mjernim pretvarčima i aktuatorima. Potrebno je podržati različite tipove mreža procesnog nivoa, i uređaje različitih proizvođača. 2) Komunikacija sa drugim PC računarima u mreži pomoću Ehternet i TCP/IP protokola radi formiranja hijerarhijskog mjernog i kontrolnog sistema, to jest razvoj klijent-server aplikacija na više računara. 3) Vidljivost podataka čak i van granica fabrike putem Web-a, tj. preznetacija podataka i u HTML formatu prikaza stranica. 4) Smeštanje mjernih podataka u robusnu bazu, koja se može naknadno pretraživati i obrađivati. 5) Prikaz mjernih podataka u realnom vremenu, sa razvijenim vizuelizacionim mogućnostima, u vidu grafika, ali i na sinoptičkim šemama procesa (sl. 2). 6) Definisanje uslova za početak i kraj snimanja podataka, alarme, pokretanje akcija na alarm, npr. slanje email-a po detekciji otkaza. 7) Pregledno podešavanje sistema, bez zaustavljanja akvizicije, to jest u toku trajanja procesa. 8) Bitna karakteristika ovih softvera je da omogućavaju laku i brzu dijagnostiku i lokaciju otkaza unutar cijelog sistema.

Slika 2. Sinoptička šema procesa u okviru LabVIEW programskog okruženja

4

Problem povezivanja sa uređajima različitih proizvođača rješava se korišćenjem klijent-server komunikacionog standarda nazvanog OPC - "OLE for Process Control". Ovaj standard je baziran na Microsoft-ovoj COM tehnologiji za razmjenu podataka između aplikacija. OPC server aplikacija vodi računa o komunikaciji procesnog nivoa sa samim intelignentnim mjernim pretvaračima i PLC-ima. Ona zatim preko standardizovanog interfejsa za razmjenu podataka, dobijene podatke stavlja na korišćenje bilo kojoj OPC klijent aplikaciji, pa i aplikaciji koja vrši akviziciju podataka u okviru SCADA sistema. Za komunikaciju različitih aplikacija između pojedinih računara u okviru mreža viših nivoa, može se vršiti primjenom Java programskog jezika, kao i svim ostalim mrežnim razvojnim alatima i objektno orjentisanim programskim jezicima.

2.2. INTERNET POVEZIVANJE

Od početka civilizacije, jedna od osnovnih okupacija čovjeka bila je komunikacija. Ne treba nabrajati sve korake u istoriji razvoja načina i sredstava za komunikaciju pa da shvatimo koliki je trud uložen u to. Međutim, tek u „skorije“ vrijeme stvaraju se uslovi za razvoj onoga što je čovjek oduvjek želeo. Da prostor više ne postoji i da poruka može za par trenutaka da pređe sa jedne na drugu stranu svijeta.

Rješenja bazirana na kompjuterskoj mreži predstavljaju važan trend u evoluciji mjernih sistema. Kompjuterske mreže su grupisane u tri klase: Local Area Networks (LAN), Metropolitan Area Networks (MAN), i Wide Area Networks (WAN). Žičane i bežične kompjuterske mreže se razlikuju po fizičkom medijumu korišćenom u prenosnoj liniji. Mjerni sistemi bazirani na kompjuterskoj mreži koriste uglavnom LAN-ove i internet. LAN-ovi mogu imati topologiju u vidu magistrale, drveta (višestruka zvijezda) ili petlje (prstena). Postoje nekoliko tipova LAN-a, kao što je Ethernet, Token Ring, ARCNet, 100VG-AnyLAN, ili bežični IEEE-802.11. Najrasprostranjeniji tip je Ethernet. Mnogi LAN-ovi su mreže sa kombinovanim standardima.

Ideja interneta razvijena je u prvom obliku u vojne svrhe kao decentralizovana mreža koja bi omogućavala kontrolu nad nuklearnim uređajima za protivnapad čak iako bi dijelu mreže bilo onemogućeno funkcionisanje. Internet je veoma brzo prevazišao svoju osnovnu ideju. Danas nakon 40-ak godina slobodno može da se kaže da je Internet izrastao u nešto što niko, čak ni u najoptimističnijim procjenama, nije pomišljao. Ono što je bilo najmanje predvidivo jesu brzine prenosa informacija kojima se danas pristupa Internetu što je i najosnovniji uzrok ovako velike ekspanzije globalne mreže. Brzine od više Mbps (Mega Bits Per Second – 1024*1024 bitova u sekundi) omogućavaju krajnjim korisnicima prenos potpunog multimedijalnog sadržaja (grafika, tekst, audio, video i njihova kombinacija) zadovoljavajućeg kvaliteta sa jednog kraja svijeta na drugi. Brzine okosnica Interneta mjere se brzinama od nekoliko stotina Gbps (Giga Bits per Second – 1024*Mbps). Globalna mreža prema podacima iz 2004 ima oko 600 miliona korisnika što je porast od oko 15 odsto u odnosu na prethodnu godinu.

Internacionalna računarska mreža, koja predstavlja globalnu računarsku mrežu na bazi TCP / IP (Transmision Control Protocol / Internet Protocol) protokola omogućava brzo prikupljanje velikog broja informacija u poslovne svrhe i za druge oblasti interesovanja. Veliki broj preduzeća i institucija preko Interneta nudi ogromnu količinu informacija i mogućnost zaključivanja poslova dobavljačima, kupcima i drugim zainteresovanim licima. Zahvaljujući otvorenoj arhitekturi i standardizovanom softveru, Internet tehnologije u novije vrijeme sve veću primjenu nalaze u nadzoru i upravljanju industrijskim procesima. Jedna od primjena Internet tehnologije jeste i kreiranje distribuirane virtualne laboratorije koja se koristi u

5

edukaciji studenata, kao i razmjeni znanja između ljudi koji se nalaze na različitim lokacijama.

U jednoj udaljenoj virtualnoj laboratoriji korisnici, bilo da su studenti, profesori, laboratorijski tehničari ili menadžeri, mogu sarađivati jedni sa drugima na geografskim udaljenim lokacijama.

Virtuelni instrumenti i distribuirani sistemi su jako značajni pri formiranju naprednog fleksibilnog okruženja za predavanja i eksperimente po niskoj cijeni. Postojanje jednostavne i efikasne tehnološke podrške za širenje i daljinsko korišćenje virtualnih sistema čini privlačnim ovo rješenje za eksperimentalnu praksu nezavisnu od broja studenata ili njihovih lokacija sa raznovrsnim instrumentima i procedurama mjerenja direktno dostupnim korisnicima.

Postojeća tehnologija dozvoljava daljinski pristup laboratorijskoj opremi i instrumentaciji preko Interneta. Ovo može biti posebno korisno u inženjerskoj edukaciji; “part time” i udaljeni student mogu izvoditi eksperiment na daljinu. Ovakav daljinski metod laboratorijskog eksperimentisanja može omogućiti studentu korišćenje skupe laboratorijske opreme što njima obično nije dostupno.

Daljinska laboratorijska eksperimentacija predstavlja proširenje načina na koje ljudi koriste Internet. Daljinska laboratorija za inženjersku edukaciju treba da realizuje integrisanu okolinu za upravljanje i kontrolu stvarnih uređaja sa daljinskog sajta i izvođenja stvarnih eksperimenata u daljinskoj laboratoriji preko kompjuterske mreže. Jezgro laboratorije je grupa opšte namjenskih i / ili specijalizovanih instrumenata vezanih za sistem PC računara koji su povezani na Internet. Sa sposobnošću konfigurisanja instrumenata i analize podataka pomoću softvera, daljinska laboratorija može predstavljati važan korak u učenju na daljinu.

Striktno utvrđena pravila su jedini način da dve mašine komuniciraju, iz tog razloga protokoli i postoje. Definitivno najkorišćeniji protokol jeste HTTP protokol koji omogućava prenos hiperteksta sa servera, na kome se nalazi skladišten, na klijenta koji je zahtjev za prenos inicirao. Hipertekst se transportuje kao tekstualni fajl sa zapisom po određenim pravilima. Ta pravila sačinjavaju jezik poznat kao HTML ( Hypertext Markup Language ) i on omogućava definisanje dobro poznatih entiteta na internet stranama kao što na primjer su linkovi ka drugim stranicama. Sam hipertekst zapisan u HTML formatu po sebi ništa ne znači bez aplikacije koja ga iščitava i prevodi u oblik koji je korisniku razumljiv. Aplikacije koje ovo čine se nazivaju browserima i trenutno na tržištu postoje tri koje obuhvataju više od 98% korisnika (Microsoft Internet Explorer, Mozilla Firefox i Opera). Uz pomoć ovih aplikacija omogućeno je pregledavanje sadržaja interneta. Browsere možemo da definišemo i kao aplikacije opšte namjene. Aplikacije koje implementiraju ostale protokole možemo da definišemo kao aplikacije specijalne namjene i osim aplikacija za razmjenu email poruka koje se nešto češće koriste možemo da ih svrstamo u rjeđe korišćene aplikacije.

Detaljnije informacije o trenutnom stanju u razvoju i specifikacijama karakteristika svih protokola mogu se naći na internet prezentaciji www konzorcijuma koji je zadužen za odobravanje i promovisanje zvaničnih standarda internet tehnologija. Internet adresa je www.w3c.org

6

3. MODEL VIRTUELNOG INSTRUMENTA

Virtuelni instrument predstavlja kombinaciju hardverskih i softverskih elemenata, najčešće korišćenih sa personalnim računarom, kojima se ostvaruje funkcija klasičnog instrumenta. Oni kao takvi uzimaju prednosti dobiti iz savremene tehnologije ugrađene u personalne računare. Ove prednosti u tehnologiji i performansama, koje su brze u zatvaranju praznine između pojedinačnih instrumenata i personalnih računara, uključuju moćne procesore kao što je Pentium 4 i operativne sisteme i tehnologije kao što su Microsoft Windows XP, NET i Apple MAC OS X. Klasični instrumenti su često neprenosivi zbog svoje veličine, u odnosu na virtuelne instrumente koji rade na notebook računarima što uključuje njihovu prenosivu prirodu. U tabeli 1. i na slici 3 dati su prikazi osnovnih karakteristika klasičnog i virtuelnog instrumenta.

Tabela 1.

Klasičan instrument Virtuelni instrument funkcije definiše proizvođač funkcije definiše korisnik

hardver dominantan softver dominantan skup jeftin

zatvorena arhitektura, zasebno kućište, ograničene mogućnosti povezivanja

otvorena arhitektura, mogućnost povezivanja

visoki troškovi održavanja Softver minimizira troškove održavanja

Slika 3. Razlika između klasičnih i virtuelnih instrumenata

Primjenom virtuelnog instrumenta, vrše se mjerenja i automatizuju se sistemi koji tačno odgovaraju njihovim potrebama, umjesto da budu ograničeni klasičnim instrumentima i fiksnim funkcijama. Virtuelni instrument se može prilagoditi potrebama, odnosno, ne mora se mjenjati cjeli uređaj upravo zbog aplikativnog softvera instaliranog na personalnom računaru i širokog opsega dostupnog blokovski zamjenljivog hardvera.

3.1. SOFTVER VIRTUELNE INSTRUMENATCIJE

Softver je najvažnija komponenta virtuelnog instrumenta. Sa pravim softverskim alatom, mogu se uspješno kreirati sopstvene aplikacije projektujući i ugrađujući šablone koje

7

zahtjevaju određeni procesi. Takođe, mogu se kreirati odgovarajući korisnički interfejsi koji najbolje odgovaraju svrsi aplikacije i onima koji će direktno komunicirati sa njim. Funkcije softvera prostiru se, od programskih drajvera za upravljanje specifičnim hardverom ili uređajem, do aplikacionih programskih paketa za razvoj kompletnih sistema. Kvalitet i fleksibilnost softvera koji se koristi u razvoju određenog instrumentacionog sistema u velikoj mjeri definiše njegov ukupan kvalitet i upotrebljivost.

3.1.1. Karakteristike softvera virtuelne instrumentacije

Okruženje za razvoj softvera virtuelne instrumentacije treba da bude tako koncipirano da zadovoljava sledeće zahtjeve:

1. Upravljanje akvizicijom. Upravljanje akvizicojom podrazumjeva obezbeđenje kompletnog upravljanja A/D konverzijom ili drugim funkcijama preko kojih se vrši akvizicija signala, kako bi se na najbolji način iskoristile karakteristike određenog hardvera. Na ovaj način se dobija jednostavnа procedurа rekonfiguracije sistema uz minimalne intervencije korisnika u slučaju da se jedan hardver zamjeni drugim i omogućava se korišćenje najpogodnijeg hardvera za određenu primjenu, a da se pri tom značajnije ne mjenja procedura rada.

2. Prikaz signala. Mogućnost prikaza prikupljenih signala kao trenutna ocjena rezultata mjerenja veoma je značajna. Najpogodniji način prikaza je u obliku oscilograma ili histograma.

3. Obrada signala. Мjerni algoritam uz pomoć koga se, na bazi digitalne obrade, dolazi do korisnih informacija iz prikupljenih signala predstavlja centralni deo svakog virtuelnog instrumenta. Takođe, virtuelni instrument mora raspolagati bibliotekom rutina koje bi omogućile najčešća mjerenja kao što su perioda, učestanost ili efektivna vrijednost u vremenskom domenu, odnosno spektralna analiza u frekvencijskom domenu. Istovremeno, program mora raspolagati mogućnostima pozivanja i izvršavanja specifičnih rutina koje se ne nalaze u bibliotekama programa, kao i pristup ovih rutina prikupljenim podacima.

4. Prikaz i memorisanje rezultata. Rezultate mjerenja treba prikazati tako da korisnik može trenutno raspoznati i razumjeti potrebne informacije. Za isticanje rezultata mjerenja može se koristiti tekst, grafika i boje.

5. Pomoć. Jedna od osnovnih osobina virtuelne instrumentacije je jednostavan rad i pomoć koju korisnik ima tokom procesa mjerenja. U tom smislu sve procedure treba da su jasne i očigledne, a program treba da obezbjedi korisniku pomoć u radu.

3.1.2. Razvoj virtuelnog instrumenta primjenom GUI

Grafički korisnički interfejs GUI (Graphical User Inetrface) virtuelnog instrumenta predstavlja softversku zamjenu za prednji panel klasičnog instrumenta uz pomoć koga se obezbjeđuje interakcija između korisnika i aplikacije. Pri izradi GUI bi trebalo voditi računa da on bude jednostavan za upotrebu, produktivan, atraktivan i jednostavan za učenje. U cilju dobijanja što boljeg kvaliteta GUI, interfejs se mora provjeriti od strane reprezentativne grupe korisnika, jer upravo korisnik daje ocjenu kvaliteta aplikacije. Korisnikov prvi utisak je veoma značajan za cjelokupan odnos prema instrumentu, odnosno mjerno-informacionom sistemu. Na slici 4. dat je primjer GUI digitalnog kompenzacionog voltmetra prikazanog kao virtuelnog instrumenta. Elementi grafičkog dizajna koji su od značaja za izradu GUI su:

1. vidljivost 2. povratna sprega

8

3. mapiranje

Vidljivost omogućava korisniku da brzo i jednostavno razumije ceo sistem i dobro vidljivošću se povećava produktivnost aplikacije. Povratna sprega jeste mjera koliko brzo i lako korisnik može da detektuje rezultat svoje akcije.

Mapiranje definiše vezu između željene funkcije i akcije koju bi korisnik trebalo preduzeti da bi se funkcija ostvarila. Osnovni element mapiranja je jednostavnost koja se postiže poštovanjem sledećih pravila: ekran je popunjen do 25%, ne prikazivati nevažne detalje, gornji desni ugao ekrana je naslabije pokriven korisnikovom pažnjom, na ekranu prikazivati samo one podatke koji se mjenjaju, statičke podatke prikazivati na prozoru u pozadini.

Za smanjenje mogućnosti pravljenja grešaka u radu bi trebalo da budu uključene mogućnosti kontrole grešaka i potvrđivanja određene akcije. Pomoć koja je ugrađena u aplikaciju je Inline help koja se pojavljuje neposredno ispod ikone preko koje se prelazi mišem ili u dnu ekrana u obliku poruke. Online help se dobija na zahtjev korisnika i služi da detaljnije objasni način korišćenja neke komande ili akcije.

Slika 4. Grafički korisnički interfejs digitalnog kompenzacionog voltmetra

3.2. GRAFIČKO PROGRAMIRANJE

Grafičko povezivanje predstavlja najjefikasniju tehniku za realizaciju programa PC baziranog mjerno-informacionog sistema. Savremeni programski alati zasnovani na konceptu grafičkog programiranja pružaju mogućnost razvoja programa za akviziciju podataka i upravljanje, analizu podataka i prezentaciju. Osnovu programa virtuelnog instrumenta predstavlja blok dijagram. S obzirom da se program kreira korišćenjem grafičkih simbola, programer je oslobođen teškoća vezanih za sintaksičke detalje klasičnih programskih paketa.

9

Realizacija grafičkog programa, koji se u programu LabVIEW naziva Block Diagram odvija se u tri koraka:

1. izbor funkcionalnih blokova 2. povezivanje blokova 3. konfiguracija parametara

Funkcionalni blokovi se biraju preko menija blokova i u slučaju da neku funkciju nije moguće ostvariti pomoću jednog bloka, dizajneru ostaje mogućnost de je realizuje korišćenjem više funkcionalnih blokova. Povezivanje izlaza i ulaza izabranih blokova je potrebno u cilju funkcionisanja mjerno-informacionog sistema, obradu i prikazivanje podataka. Odnosno za obezbeđenje određenog toka operacija. Nakon izbora funkcionalnih blokova, povezivanja i izbora redosleda izvršavanja pojedinih operacija, vrši se zadavanje parametara pojedinih blokova u skladu sa zahtjevima koji se u konkretnoj primjeni postavljaju.

Postupak grafičkog programiranja biće opisan u narednoj glavi, primjenom korišćenja programskog paketa za akviziciju podataka, analizu i upravljanje LabVIEW, razvijenog od strane amjeričke kompanije National Instruments.

Za rješavanje zadataka akvizicije podataka i realizaciju virtuelne instrumentacije na raspolaganju stoji veliki broj programa. U tabeli 2. date su osnovne osobine poznatijih programa.

Tabela 2.

Program Proizvođač Osnovne karakteristike LabVIEW National Instruments

www.natinst.comGrafički program za akviziciju podataka, analizu i prezentaciju. Biblioteke gotovih elemenata za kreiranje GUI. Podržano upravljanje akvizicionim karticama i programabilnim instrumentima.

LabWindows/CVI National Instruments www.natinst.com

Razvojni program za akviziciju podataka, analizu i prezentaciju. Rad pod različitim operativnim sistemima. Sadrži biblioteke za akviziciju podataka, analizu i prezentaciju. Poseduje ANSI C kompajler. Mogućnost integrisanja c koda i DLL u program.

Visual Designer Intelligent Instrumentation Inc.

www.instrument.com

Razvoj aplikacija primjenom grafičkog programiranja. Razvojno okruženje na bazi blok dijagrama. Podržava veći broj akvizicionih kartica, IEEE-488 instrumenata i instrumenata sa serijskim interfejsom.

HP VEE Hewlett Packard Co. www.hp.com

Grafički orijentisan program za testiranje i mjerenja. Grafički izgled i upravljanje instrumentom preko tekstualno orijentisanog programa. Mogućnost povezivanja sa drugim programima preko Active X.

Labtech Control Laboratory Technologies Corp. www.labtech.com

Grafičko programiranje povezivanjem ikona. Orijentisan za nadzor i upravljanje industrijskim procesima. Obrada alarma, podešavanje parametara PID upravljanja.

10

Genie Advantech Corp. www.advantech.com

Programiranje korišćenjem grafičkih simbola-ikona. Softver za upravljanje procesima. Omogućen DDE. Podržan rad distribuiranog sistema ADAM preko RS-232.

VTX Keithley MetraByte www.keithley.com

Koncept povezivanja različitih funkcija akvizicije podataka. Modularan program. Sadrži module za akviziciju, analizu i prezentaciju.

Software Wedge T.A.L. Technologies www.taltech.com

Dodaje mogućnost akvizicije podataka standardnim programima. Prikupljanje podataka iz instrumenata sa RS-232 interfejsa. Omogućen DDE.

DADiSP/LT DSP Development Corp.

www.dadisp.com

Omogućava podešavanje parametara hardvera za A/D konverziju, akviziciju i prikaz mjernih podataka.

11

4. LabVIEW

Lab VIEW predstavlja razvojno okruženje za kreiranje programa u formu blok dijagrama korišćenjem grafičkih simbola. Može se reći da je LabVIEW, kao i programski jezici C ili BASIC, programski sistem opšte namjene koji sadrži veliki broj biblioteka funkcija pogodnih za rješavanje različitih zadataka. Sa LabVIEW-om vrši se projektovanje željene virtuelne instrumentacije kreirajući grafički korisnički interfejs na ekranu računara, koji:

1. rukuje instrumentacionim programom, 2. kontroliše izabrani hardver, 3. analizira prikupljene podatke, 4. prikazuje rezultat.

4.1. UPRAVLJANJE PROGRAMABILNOM INSTRUMENTACIJOM

Preko instrumentacionih drajvera ostvaruje se komunikacija sa programabilnom instrumentacijom. Instrumentacioni drajver predstavlja skup virtuelnih instrumenata preko kojih se komunicira sa instrumentom korišćenjem standardnih VISA (Virtual Instrument Software Architecture) I/O funkcija. Drajver ili VI predstavlja komandu visokog nivoa, kao što je Read DC Voltage VI za digitalni multimetar, ili Configure Time Axis VI za digitalni osciloskop. Pozvani drajver automatski šalje komande u vidu nizova karaktera koje odgovaraju određenom instrumentu. LabVIEW raspolaže velikim brojem drajvera za upravljanje instrumentacijom na bazi IEEE-488, RS-232 interfejsa i VXI instrumentacije. Drajveri za veći broj programabilnih instrumenata nalaze se u VISA biblioteci i dostupni su preko instrumentacionih I/O interfejsa, ali postoji i mogućnost izrade instrumentacionog drajvera za specifičnu primjenu. Treba napomenuti da su raspoloživi instrumentacioni drajveri isporučeni sa blok-dijagramom, koji korisnik može editovati odnosno prilagoditi specifičnim zahtjevima. Opšti model instrumentacionog drajvera prikazan je na slici 5.

Slika 5. Opšti model instrumentacionog drajvera

Demonstracioni VI se najčešće sastoji od tri subVI: inicijalizacionog VI, aplikacionog VI i VI za završavanje komunikacije i predstavlja jednostavan instrumentacioni drajver namjenjen za testiranje i verifikaciju ispravnosti komunikacije između PC i instrumenta. Često se, bez modifikacija, ovakav VI može primjeniti za testiranje različitih uređaja.

12

Aplikacioni VI predstavljaju strandardne VI koji su predstavljeni ikonom i priključcima i oni se mogu pozvati odnosno koristiti u programu kao interfejs prema drajveru. Aplikacioni VI se sastoje iz većeg broja funkcija preko kojih se obavlja programiranje instrumenta i sadrži funkcije za konfiguraciju instrumenta, trigerovanje i obavljanje mjerenja.

Inicijalizacioni VI je prvi instrumentacioni drajver koji se poziva i služi za uspostavljanje komunikacije sa instrumentom. Konfiguracioni VI jeste skup softverskih rutina koje omogućuju konfiguraciju instrumenta za obavljanje željenih operacija. Po konfigurisanju instrument je spreman da obavlja mjerenja ili generiše signale.

Akcioni VI inicijalizuje ili prekida rad instrumenta i razlikuje se od konfiguracionog VI jer on ne utiče na konfiguraciju instrumenta već samo mjenja redosled izvršavanja operacija. Preko statusnog VI se pribavlja tekući status instrumenta tokom izvođenja određene operacije. VI podataka prenosi podatke ka i od instrumenta. Podatak može biti očitana mjerena vrijednost ili niz podataka potrebnih za generisanje signala određenog talasnog oblika.

Uslužni VI obavljaja više, najčešće pomoćnih funkcija kao što su resetovanje instrumenta, samotestiranje, saopštavanje greške i sl. VI za završavanje komunikacije prekida vezu programa i instrumenta. Ovaj VI se poziva samo na kraju programa ili kada se želi završavanje komunikacije sa instrumentom. Za verifikaciju komunikacije sa programabilnim instrumentom koristi se demonstracioni Getting Started VI i pomoću ovog VI mogu se provjeriti osnovne funkcije instrumenta.

13

5. VIRTUELNE LABORATORIJE

Sa razvojem kompjuterske nauke i tehnologije mreža, Internet se danas dosta koristi. Internacionalna računarska mreža, koja predstavlja globalnu računarsku mrežu na bazi TCP / IP (Transmision Control Protocol / Internet Protocol) protokola omogućava brzo prikupljanje velikog broja informacija u poslovne svrhe i za druge oblasti interesovanja. Veliki broj preduzeća i institucija preko Interneta nudi ogromnu količinu informacija i mogućnost zaključivanja poslova dobavljačima, kupcima i drugim zainteresovanim licima. Zahvaljujući otvorenoj arhitekturi i standardizovanom softveru, Internet tehnologije u novije vrijeme sve veću primjenu nalaze u nadzoru i upravljanju industrijskim procesima.

Jedna od primjena Internet tehnologije jeste i kreiranje virtuelne laboratorije koja se koristi u edukaciji studenata, kao i razmjeni znanja između ljudi koji se nalaze na različitim lokacijama. Virtuelni instrumenti i distribuirani sistemi su jako značajni pri formiranju naprednog fleksibilnog okruženja za predavanja i eksperimente po niskoj cijeni. Postojanje jednostavne i efikasne tehnološke podrške za širenje i daljinsko korišćenje virtualnih sistema čini privlačnim ovo rješenje za eksperimentalnu praksu nezavisnu od broja studenata ili njihovih lokacija sa raznovrsnim instrumentima i procedurama mjerenja direktno dostupnim korisnicima. Primjer izgleda virtuelne laboratorije dat je na slici 6. Ona omogućava da ljudi ne moraju da putuju do laboratorije, da može da se koristi u bilo koje vrijeme (noću, vikendima,…).

Slika 6. Koncept virtuelne laboratorije

5.1. DEFINICIJA I PODJELA VIRTUELNIH LABORATORIJA

Virtuelna laboratorija je programsko okruženje koje pruža korisniku mogućnost da na računaru izvodi eksperimente i analizira dobijene rezultate bez direktnog kontakta sa fizičkim uređajima koji bi se mogli smatrati sastavnim dijelom jedne realne laboratorije. U skladu sa ovom definicijom može se sagledati dva tipa virtuelnih laboratorija.

14

1. virtuelne laboratorije koje su zasnovane na udaljenom pristupu realnom fizičkom instrumentu ( fizički instrument se ne koristi direktno već se uz pomoć računara i određenog softvera kontroliše instrument koji je priključen na računar)

2. virtuelne laboratorije kao potpune simulacije laboratorijskog okruženja, instrumenata i uslova u kojima se vrši eksperiment.

Oba tipa su podjednako značajna i njihove namjene nisu striktno odvojene. Takođe, moguće je praviti i kombinacije ova dva tipa virtuelnih laboratorija zavisno od potrebnih funkcionalnosti rješenja i definisane namjene krajnjeg rješenja. Ono što je zajedničko virtuelnim laboratorijama jeste korišćenje interneta i internet tehnologija kao osnovnog resursa za svoju realizaciju. Široki spektar internet protokola omogućava veliku kreativnost u definisanju funkcionalnosti jedne virtuelne laboratorije.

5.2. STRUKTURA I IMPLEMENTACIJA

Virtuelna laboratorija sastoji se iz sledećih elemenata:

1. Sistem administrator koji omogućava: registaciju (prijavu) novog korisnika i definiše njegov pravi pristup; poboljšanje (usavršavanje) informacija postojećeg kursa; uklanjanje korisnika; čuvanje informacija u bazi podataka.

2. Dostavljanje sledećeg servisa klijentu koji uključuje: narednu kontrolu pravilnog pristupa; informaciju o servisu koji se dostavlja sistemu za učenje na daljinu; mogućnost izbora i pohađanja kurseva za učenje na daljinu.

3. Pristup ostalim modulima u sistemu koji logički sledi sekvenci. U namjeri da se realizuju sve ove pobrojane funkcije moduo ”Virtualna laboratorija” se mora prilagoditi sledećim internim zahtjevima: mogućnost pristupa više korisnika; procedure kontrole zaštite; neusklađenost modula sa kursevima za učenje na daljinu koji će biti registrovani.

Svaki klijent može preko Interneta i pretraživača pristupiti web serveru uz pomoć instaliranog modula “Virtualna laboratorija”. Ovakva bilateralna komunikacija između servera i klijenta je ostvarena preko HTML strana. Pristup se odvija na sledeći način:

1. Ako neko pristupi serveru preko svoje URL adrese, server počinje da izoluje sesiju klijenta. Na taj način je omogućen pristup više korisnika;

2. Na računaru klijenta se download-uje ulazna strana virtualne laboratorije; 3. Klijent bira jedan od servisa koji je ponuđen na stranici; 4. Klijentov izbor je poslat modulu koji radi na serveru; 5. Moduo vraća rezultat klijentu; 6. Procedura se nastavlja u sledećem koraku ukoliko izabrani servis zahtjeva autorizaciju:

-server šalje klijentu registracionu formu

-klijent popunjava obrazac i šalje je natrag serveru

-server verifikuje klijentovu autorizaciju u bazi podataka i zavisno od toga, dozvoljava ili ne dozvoljava pristup serveru.

Svaka od ovih usluga je organizovana kao kaskada koje su povezane HTML stranama. Tehnologije koje se koriste za razvoj bilo kojeg od dva navedena tipa virtuelnih laboratorija nisu precizno odvojene i njihovo korišćenje nije isključivo vezano za određeni tip. Njihovom kombinacijom i nivoom implementacije moguće je bilo kom od navedenih tipova dodati određene funkcionalnosti i karakteristike shodno zahtjevima i potrebama određene virtuelne laboratorije.

15

Ono što je zajedničko virtuelnim laboratorijama jeste korišćenje interneta i internet tehnologija kao osnovnog resursa za svoju realizaciju. Široki spektar internet protokola omogućava veliku kreativnost u definisanju funkcionalnosti jedne virtuelne laboratorije.

Sama klijent – server struktura interneta uvodi još jednu novu i veoma značajnu dimenziju u realizaciji, a to je mogućnost pristupanja više klijenata istom resursu istovremeno i na taj način ostvarivanje povećanja efikasnosti korišćenja što je jedan od osnovnih ciljeva razvoja virtuelnih laboratorija. Na slici 7. prikazana je standardna klijent – server struktura.

Slika 7. Osnovna klijent-server struktura

Zavisno od tipa virtuelne laboratorije koja se realizuje klijent i server mogu imati različite uloge. Ukoliko se, na primjer, zahtjeva upravljanje realnim fizičkim uređajem logično je da će server biti jedini koji će direktno komunicirati sa uređajem ( tj. uređaj će biti direktno povezan na server) dok će klijenti izdavati zahtjeve serveru i na taj način indirektno upravljati uređajem. Server ima na raspolaganju više različitih tehnologija za povezivanje sa fizičkim uređajem. Danas su najviše korišćeni RS-232 i RS-485 standard za serijsku komunikaciju preko devetopinskog konektora, i USB1.1 i USB2.0 standardi za mnogo bržu serijsku komunikaciju preko USB konektora. Uređaji sa kojima se vrši komunikacija povezani su na standardne RS-232 ili USB portove računara. Rjeđe se koriste portovi za paralelnu komunikaciju ali postoje i uređaji sa takvim načinom povezivanja. Komunikacija se vrši tako što se uređaju povezanom na računar preko komunikacionog porta šalju komande u ASCII, binarnom ili heksadecimalnom zapisu i nakon što uređaj izvrši zadatu komandu, preko istog porta prime podaci o rezultatima izvršene operacije uređaja. Na osnovu vraćene informacije server odlučuje o daljim aktivnostima.

Bitno je napomenuti da u slučaju ovakve realizacije server mora imati implementirane mogućnosti za organizaciju korisnika koji žele da upravljaju fizičkim uređajem. Svrha toga jeste onemogućavanje da dva korisnika istovremeno izdaju naredbe uređaju, ali sa druge strane i pravovremeno obaveštavanje korisnika koji čekaju u redu za korišćenje na dostupnost uređaja.

Primjer ovakvog koncepta virtuelne laboratorije bi mogao da bude neki astronomski istraživački centar koji poseduje veoma vredan teleskop koga većina institucija ne bi mogle da priušte. Umesto o izgradnje više teleskopa moguće je već postojeći priključiti na server koji je povezan na internet i uz pomoć standardnih i naprednih internet tehnologija omogućiti pristup teleskopu naučnicima iz cijelog svijeta. Ovakvi projekti u svijetu već postoje.

Sa druge strane, ukoliko je virtuelna laboratorija zasnovana na potpunoj simulaciji laboratorijiskih uslova, instrumenata i okruženja server će imati ulogu distribucije softvera, uz

16

pomoć koga je laboratorija simulirana, do klijenata. U ovom slučaju javljaju se dvije mogućnosti

1. softver se prenosi i u potpunosti izvršava na računaru klijenta

2. deo softvera koji služi za izdavanje naredbi serveru ( korisnički interfejs ) se prenosi klijentu, dok sam server vrši izračunavanja i simulacije na osnovu zahtjeva klijenta i nakon završenog rada klijentu vraća rezultate

U oba slučaja se za razvoj koriste napredne internet tehnologije među kojima ispred ostalih dominira Java. Pre svega zbog tehnologije apleta koji se putem internet browsera distribuiraju klijentima koristeći standardni HTTP protokol a posle toga i zbog potpune podrške za razvoj distribuiranih aplikacija preko interneta. Na internetu postoji veliki broj primjera simulacija laboratorija za hemiju, fiziku, termodinamiku, realizovanih uz pomoć Java programskog jezika. Ogromna prednost ovakvog pristupa se vidi u tome što svaki korisnik interneta može pristupiti resursu sa bilo koje tačke na planeti. Mogućnost da se rezultati izvršenih eksperimenata zapamte u elektronskom formatu i na taj način omogući njihova kasnija analiza i automatizovana obrada je velika prednost koju unose virtuelne laboratorije. Postoji veliki broj standardnih tehnologija razvijenih specijalno u svrhe pamćenja i obrade velike količine podataka. Jedna od njih jesu široko poznate baze podataka (DBMS Database Management Systems).

One omogućavaju pamćenje podataka i veoma jednostavno pretraživanje podataka u bazi po raznim kriterijumima. Jezik uz pomoć koga se definišu kriterijumi za upis, izmenu i pretraživanje baze podataka se naziva Structured Query Language (SQL). Brojne kompanije nude svoja sofverska rješenja iz ove oblasti a neke od najpoznatijih su Oracle, Microsoft corp., MySQL, PostgreSQL. Razlika softverskih rješenja se ogleda u spektru funkcionalnosti koje pružaju i cijeni pa je zbog toga potrebno izabrati pravo rješenje za konkretan tip virtuelne laboratorije koja se realizuje.

Druga, još uvek mlada tehnologija zvana XML (eXtended Markup Language) pored toga što na logičan način omogućava organizaciju podataka unosi još i mogućnost standardizacije razmjene podataka između različitih laboratorija i na taj način povećava mogućnost za saradnjom naučnika iz udaljenih djelova svijeta, zajedničku obradu podataka na više mjesta i u krajnjem slučaju sinhronizovano praćenje eksperimenata. Osnovni nedostaci XML-a jeste manjak standardizacije, tekstualni zapis fajla koji sa sobom povlači i potrebu za većim protokom informacija preko interneta i manja brzina obrade informacija. Međutim razvoj tehnologije svakoga dana sve više smanjuje značaj navedenih nedostataka i omogućava da XML polako ali sigurno postane vodeća tehnologija za prezentaciju podataka na internetu.

Prezentacija rezultata eksperimenata klijentima jeste nadležnost servera nevezano za način realizacije. Server na osnovu arhiviranih podataka, na zahtjev klijenta, generiše izveštaj u određenom formatu. Najjednostavniji način jeste iskorišćavanje HTML formata zapisa dokumenata i HTTP protokola koji je standardni internet protokol. Da bi ovo bilo moguće server virtuelne laboratorije na sebi mora imati instaliran HTTP server, najčešće je to Apache Web server koji je na internetu zastupljen u procentu većem od 90%.

U izradi virtuelnih laboratorija treba pomenuti i mogućnost da se putem interneta uz pomoć FTP (File Transport Protocol) protokola, korisniku distribuira dodatni materijal koji je potreban za razumjevanje rada uređaja kojim se upravlja, uslova i parametara koje treba podešavati za efikasno obavljanje eksperimenata i ostalih dokumenata koji mogu pomoći u korišćenju realizovane virtuelne laboratorije.

17

5.3. SOFTVERI ZA KREIRANJE VIRTUELNIH LABORATORIJA

Tokom vremena, kako se razvijala ideja virtuelnih laboratorija, velike softverske kompanije su razvile više konkurentnih rješenja za brzu izradu korisničkog interfejsa za komunikaciju sa realnim uređajima i prezentaciju podataka dobijenih od njih. Za ovu oblast posebno su zainteresovane kompanije poznate po proizvodnji laboratorijskih uređaja. Jedan od svijetskih lidera na tom polju National Instruments (www.ni.com) razvio je alat pod nazivom LabVIEW (www.ni.com/labview/) koji predstavlja moćno grafičko razvojno okruženje za akviziciju signala, analizu rezultata mjerenja i prezentaciju podataka. Uz pomoć ovog alata moguće je za veoma kratko vreme kreirati potpuni tok signala od ulaznog uređaja preko korisničkog interfejsa za upravljanje realnim uređajem do prezentacije dobijenih rezultata u najrazličitijim formatima (Word, Excel, PDF, XML, baza podataka,) ili na različite uređaje (Laptop, PDA uređaj, web klijent ili standardni PC). Ovo je veoma praktičan alat industrijskog standarda.

Na adresi http://telerobot.mech.uwa.edu.au/download.html se može naći opis softvera izrađenog na bazi LabVIEW tehnologije koji je studentima sa Univerziteta Zapadna Australija omogućio cjelodnevni udaljeni pristup Telerobotu u laboratoriji za robotiku. Na ovoj adresi može se videti i potpuni opis principa komunikacije sa robotom i uputstvo za korišćenje desktop aplikacije razvijene specijalno za ovu namenu.

Druga softverska kuća Mathworks ( www.mathworks.com ), u novijim verzijama svog poznatog paketa MATLAB (Matrix Laboratory) sve više pažnje posvećuje djelu softvera za direktnu konekciju sa realnim uređajima i obradu rezultata dobijenih tokom mjerenja. Takođe u sebi ima implementiranu mogućnost za brzo, vizuelno kreiranje grafičkog korisničkog okruženja za komunikaciju sa spoljnim uređajima. Činjenica da MATLAB nudi potpunu podršku za programiranje u Java programskom jeziku nudi dodatne mogućnosti povezivanja ovog softvera sa naprednim internet tehnologijama i kreiranja dodatnih funkcionalnosti na ponuđeno osnovno rješenje. Za razliku od LabVIEW programskog paketa MATLAB ne nudi mogućnost vizuelnog kreiranja toka signala od uređaja do prezentacije podataka korisniku već je potrebno poznavanje skriptnog jezika i tekstualno programiranje funkcionalnosti virtuelne laboratorije koju želimo da kreiramo uz pomoć ovog alata.

5.4. ZNAČAJ I PRIMJENA VIRTUELNIH LABORATORIJA

Virtuelne laboratorije imaju širok spektar mogućih primjena. Činjenica da je danas sve manje vremena za klasično prenošenje znanja sa generacije na generaciju iziskuje nove metode procesa edukacije. Virtuelne laboratorije predstavljaju osnovni deo savremene edukacije jer omogućavaju takozvani hands-on pristup složenim i apstraktnim problemima bez konstantnog nadzora mentora, sa bilo koje tačke na planeti i u bilo koje vreme. Složenost eksperimenata, kompleksnost i količina podataka koje treba obraditi u procesu rješavanja savremenih naučnih problema nameću potrebu za saradnjom između više udaljenih laboratorija, zajedničku obradu rezultata ili vršenje eksperimenata na više različitih lokacija. Virtuelne laboratorije predstavljaju logično rješenje za ovakve probleme. Iz uskog skupa ponuđenih primjena uočava se ogroman značaj virtuelnih laboratorija za cjelokupnu naučnu zajednicu. Primjena virtuelnih laboratorija može se sagledati u okviru:

1. djeljenja teško dostupnih realnih resursa - brojni su primjeri naučnih instrumenata kojih na planeti ima jedan ili veoma malo a od veoma su velikog značaja za naučna istraživanja veoma širokog kruga naučnika. Takvi su na primjer veliki elektronski mikroskopi, sinhrotroni izvori svijetlosti ili različiti tipovi akceleratora čestica itd. Kreiranjem virtuelne laboratorije koja omogućava da korisnik pristupi ovakvom

18

resursu, arhivira mjerenja ili iskoristi već izvršene eksperimente od neprocenjive je važnosti za naučne krugove koji ne mogu da obezbjede fizičko prisustvo takvih uređaja u svojim realnim laboratorijama. Jedan ovakav primjer je opisan u prethodnom delu teksta.

2. saradnje između naučnika - sam pomen interneta i web tehnologija najpre označava veliki broj korisnika koji međusobno komuniciraju na najrazličitije načine. Jedan specijalni oblik naučne saradnje jeste distribuirana obrada rezultata eksperimenata. Ukoliko je potrebno da se obradi velika količina podataka nekih mjerenja moguće je da više računara preuzmu posao obrade i da se na kraju rezultati spoje na centralnom serveru virtuelne laboratorije. Brojni su primjeri potrebe za ovakvim načinom saradnje, jedan od njih jeste dešifrovanje ljudskog genoma. Ogromna količina podataka koje treba obraditi za kratko vrijeme iziskuje rad mnogo računara u isto vrijeme, dok sa druge strane to iziskuje odvajanje ogromnih sredstava samo jedne institucije. Rješenje jeste distribuirana obrada podataka i saradnje više laboratorija na ovom problemu. Danas postoji veliki broj projekata koji po ovom principu uključuju i najširu internet populaciju koja želi da pomogne u rješavanju zahtjevnih naučnih problema. Trenutno najveći internet pretraživač Google (www.google.com ) priključio se ovakvom načinu saradnje nudeći svojim korisnicima aplikaciju koja će u vreme kada računar priključen na internet nije zauzet drugim poslom može da omogući obradu naučnih podataka. Jedan od prvih projekata kojem se Google priključio bio je neprofitni projekat realizovan od strane Stanford Univerziteta koji pokušava da bolje razumije strukturu proteina tako da omogući razvoj kvalitetnijh tretmana širokog spektra danas rasprostranjenih bolesti. Da bi se olakšala razmjena podataka putem interneta, prije svega matematičkih formula kompleksne strukture, razvijen je poseban jezik MathML (Mathematical MarkupLanguage).

Iako je primjena virtuelnih laboratorija u edukaciji samo jedna od mogućih primjena slobodno možemo reći da je daleko najznačajnija za široke krugove korisnika. Ovakva primjena ima dosta aspekata koje treba objasniti pa je iz tog razloga i izdvojena u posebnu cjelinu. Sve brži život, kontradiktorna težnja za smanjenjem troškova i u isto vreme podizanjem kvaliteta, sve veća specijalizacija kadrova i akcenat na praktičnom a ne na teorijskom znanju prije svega je pogodila populaciju ljudi koji svojim znanjem konkurišu za određene pozicije u društvu. Slobodno možemo da kažemo da ljudske želje i trenutni ekonomski trendovi u oblasti edukacije stručnih kadrova prevazilaze trenutne tehničke kapacitete pogotovo u nerazvijenim ili srednje razvijenim zemljama koje svakog dana uprkos napretku dodatno zaostaju za najrazvijenijima. Jedan deo te praznine između želja i trenutnih mogućnosti mogu da premoste centri za učenje na daljinu (Distance Learning Centers) kao rješenja za učenje bez prisustva ili rješenja za podizanje nivoa učenja u okviru standardnog sticanja znanja na univerzitetima. U oba slučaja virtuelne laboratorije predstavljaju važan deo u ostvarivanju prethodno pomenutih ciljeva. Sam pojam udaljenog učenja poznat je odavno, međutim tek se razvojem novih tehnologija (interneta pre svega) stekla mogućnost za približavanje efikasnosti ovakvog načina učenja efikasnošću standardnih metoda edukacije. Virtuelne laboratorije imaju velikog udjela u tome i na njima se danas i celokupan koncept udaljenog učenja i zasniva. Ono što je poseban kvalitet koji se stekao uvođenjem virtuelnih radnih okruženja u proces udaljenog učenja jeste mogućnost prenošenja praktičnog znanja na daljinu što u prethodnom periodu nikako nije bilo moguće. Danas, studenti mogu u virtuelnim laboratorijskim okruženjima da rade vežbe i izvršavaju eksperimente kao da se nalaze u učionici. Takođe savremene aplikacije omogućavavaju visok nivo multimedijalne interakcije u realnom vremenu između mentora i učenika. Možda i najpozitivnija osobina ovakvog načina rada jeste mogućnost da studenti veći broj puta izvršavaju eksperimente ili prate simulacije procesa uz iste ili izmjenjene parametre bez dodatnih troškova ili vremenskog ograničenja trajanja termina nastave. Svakako da ovakav način edukacije nikada neće moći da zamjeni klasičan pristup ali je osavremjenjavanje klasičnog pristupa uz pomoć

19

elemenata elektronske edukacije neminovna budućnost. Dokaz ovoga jeste naučni prostor Sjedinjenih Američkih Država u kojima je nacionalni projekat za omogućavanje udaljenog pristupa resursima realizovan još davnih sedamdesetih godina pod nazivom projekat Athena. Tada je u svrhu osavremjenjavanja nastavno-obrazovnih planova razvijen niz rješenja koja su kasnije postala i standardne tehnologije u najširim oblastima primene. Studentima je omogućen distribuirani pristup materijalima za nastavu, laboratorijskim primjerima, softverskim paketima za obradu i vizuelizaciju rezultata, arhiviranje rezultata i pristup arhiviranim rezultatima i ostalim resursima. Ovakav način organizacije je omogućio da studenti mnogo efikasnije utroše svoj vrijeme, da se lakše pripreme za nastavu i sami (ili uz podršku mentora) dodatno razjasne principe koji su im u klasičnom procesu predavanja ostali nejasni. Kao potvrda da je ovakav pristup ispravan jeste današnja mapa svijeta na kojoj su najveći edukativni centri mahom u Sjedinjenim Amjeričkim Državama a takođe i najkvalitetniji kadrovi koji iz cijelog svijeta teže da prođu kroz njihov sistem edukacije i steknu najsavremenija znanja današnjice na najsavremeniji način. Danas postoji jako razumjevanje za osavremenjivanje edukacije uz pomoć principa virtuelne laboratorije. Na ovaj način pomoglo bi se rješavanju brojnih problema koji nastaju usled sve većeg zaostajanja nerazvijenih zemalja za razvijenim. Početkom 2000 godine UNESCO je pokrenuo inicijativu za izradu projekta pod nazivom ″Virtual House of Salomon″ u cilju pomoći rješavanja tri osnovna problema

1. Integracija zemalja u razvoju u savremene naučne tokove 2. Izbegavanje informacione izolacije zemalja u razvoju 3. Smanjenje efekta ″odliva mozgova″ iz slabo razvijenih zamalja i socijalnih posledica

ovog efekta.

Cilj projekta jeste razvoj standardnog seta alata za brzu i laku instalaciju virtuelnih laboratorija uz ograničenja koja donose tehničke mogućnosti i karakteristike infrastrukture zemalja u razvoju (nedovoljno stručan kadar, nedovoljno razvijena mreža internet provajdera sa sporim pristupom internetu itd.). Ovo je samo još jedan dokaz velikih potencijala i mogućnosti koje pružaju virtuelne laboratorije u daljem razvoju edukacije i globalni značaj koji njihova ozbiljna realizacija u budućnosti može da ima. Drugi nivo pristupa virtuelnim laboratorijama jeste njihovo korišćenje u cilju osavremjenjavanja klasičnog pristupa ali na više interan način od principa kojim se rukovodi proces udaljenog učenja. Uzmimo za primjer studentsku laboratoriju u kojoj se radi standardni set vježbi sa dosta zajedničkih elemenata koji se moraju izvršiti na prilično skupom instrumentu. Jedno rješenje je da svaki laboratorijski sto ima po jedan instrument. Drugo, i za nas mnogo interesantnije rješenje jeste da postoji jedan instrument kome se uz pomoć klijentske aplikacije može pristupiti sa svakog stola preko stadardnog PC-ja. Ovakvo interno rješenje može ali i ne mora biti bazirano na web tehnologijama. Na slici 8. je prikazan primjer jednog instrumenta i klijent aplikacije za distribuirani pristup instrumentu.

Slika 8. Instrument i klijent aplikacija za upravljanje instrumentom

20

5.5. EDUKACIJA NA DALJINU I VIRTUELNI UNIVERZITETI

Na osnovu tehničkih rješenja u edukaciji, zasnovanih na principu virtuelnih laboratorija razvijeni su potpuno novi metodi za edukaciju. Edukacija na daljinu i virtuelni univerziteti koji pružaju ovu mogućnost postali su sadašnjost i u manje razvijenim zemljama. Danas je procenjeno da svaki diplomac koji je kompetentan u svom dnevnom poslu mora sakupljati znanje ekvivalentno 30 kreditnih sati svakih sedam godina, što znači da on mora naučiti u svom životu 2 puta više nego što je naučio tokom studija. U ovom kontekstu, gdje je promjena jedina konstanta, gdje je doživotna edukacija pravilo, moto za akademike u Višem obrazovanju bi bio „uči kako da učiš“ a za studente „nauči da učiš“. Udaljeno učenje zasnovano na informacionim tehnologijama i uz pomoć virtuelnih laboratorija kao jednog dela tog procesa ozbiljno je shvaćeno kao rješenje za navedeni problem. U Amjerici je prema istraživanju povećanje korišćenja savremenih tehnologija između 1994 i 2000 godine dato u sledećim procentima: za email je porast bio od 8% na 59%, za Internet resurse od 0% na 42%, za kurseve WWW strana od 0% na 30.5%, za računarsku simulaciju od 9% na 18%. Kako virtuelne laboratorije mogu da predstavljaju kombinaciju svih navedenih tehnologija jasno se vidi potreba za njihovom implementacijom u svaki obrazovni proces.

Kada se kaže Virtuelni Univerzitet, najpre se misli na nestvarne studentske gradove koji su potrebni, tako da univerzitet može biti napravljen kao virtuelna mreža različitih entiteta obuhvaćenih u višem obrazovanju. Koncept univerziteta je transformisan u virtualni svijet, i te promjene su počele pre nekoliko godina. Svi univerzitetski servisi i funkcije su simulirani na Internetu tako da nisu više potrebne fizičke interakcije da kompletiraju naučni program. Programi u obliku kurseva su stavljeni na Internet tako da studenti širom svijeta imaju pristup tim kursevima. U slučaju univerzitetske mreže, predavanja se šalju sa jednog univerziteta na drugi i na taj način se nudi mogućnost da se studenti povezuju sa različitih mjesta. Nekoliko univerziteta nude izborne kurseve za doživotno obrazovanje na Net-u sa slobodnim izborom i kombinacijom. U nekim slučajevima za ovakav pristup određenim kursevima se čak i ne naplaćuju školarine što predstavlja dokaz o znatnoj uštedi prilikom procesa prenošenja znanja na ovaj način

Danas postoje razmišljanja da će cjela struktura klasičnog obrazovanja i akademske institucije biti potkopane elektronskom tehnologijom. Postavlja se pitanje da li će univerziteti za koje mi znamo i dalje postojati da li će princip obrazovanja putem savremenih tehnologija pregaziti učionice i knjige, kao što su automobili pregazili konje i kočije?

Koncept virtuelne laboratorije je veoma jasan i ono što danas karakteriše savremenost jeste nivo razvoja tehnologija uz pomoć kojih se koncept realizuje. Gledano iz ovog ugla na budućnost virtuelnih laboratorija najviše će uticati razvoj tehnologija na kojima se one baziraju. Prije svega tehnologije iz oblasti poboljšanja karakteristika infrastrukture globalne mreže omogućiće veći protok podataka a samim tim i veću mogućnost iskorišćenja multimedijalnih tehnologija u okviru komunikacije između korisnika. Takođe mogućnost razmene veće količine podataka povećaće kompleksnost eksperimenata, detaljnost njihove realizacije, prikaza i objašnjenja itd. Disribuirana obrada rezultata i kvalitet pristupa uređajima čiji su rezultati po prirodi sastavljeni od velike količine informacija (npr. slike teleskopa ili elektronskih mikroskopa) biće poboljšana.

Drugi aspekt poboljšanja jeste u napretku i povećanju pristupačnosti tehnologija baziranih na principima vještačke inteligencije. Već danas se prave ekspertski sistemi koji mogu veoma efikasno da vrše određene procese i izvode zaključke na osnovu ekspertskog znanja koje se nalazi u bazama znanja koje ti sistemi sadrže. Prirodno se nameće zaključak da bi u budućnosti virtuelne laboratorije postajale sve inteligentnije u cilju efikasnije realizacije

21

eksperimenata davanja sugestija ili dodatnih objašnjenja radi boljeg razumevanja, praćenja napretka korisnika koji nizom eksperimenata pokušava da stekne određene teorijske i praktične veštine, prilagođavanja radnog okruženja prema potrebama i mogućnostima korisnika, zaštita fizičkog uređaja od nepravilnog korišćenja itd. Praktično, to bi značilo još jedan veliki korak u približavanju cilju koji je današnjim tempom razvoja našeg okruženja nametnut a to je da sa što manje ulaganja postignemo što više rezultata a da posledica toga ne bude preveliki gubitak kvaliteta.

5.6. PRIMJERI VIRTUELNIH LABORATORIJA

Može se dati spisak nekih linkova ka nekim javno dostupnim virtuelnim laboratorijama na internetu, preko kojih se može pristupiti.

1. http://jersey.uoregon.edu/vlab/Thermodynamics/

2. http://ir.chem.cmu.edu/irproject/applets/virtuallab/Applet_wPI.asp 3. http://www.chem.ox.ac.uk/vrchemistry/openpage.html 4. http://ranier.hq.nasa.gov/Telerobotics_page/realrobots.html 5. http://telerobot.mech.uwa.edu.au/index.html

Virtuelnoj laboratoriji, odnosno virtuelnom instrumentu se pristupa preko Interneta. Na taj način dobijamo udaljene metrološke laboratorije, tzv. virtuelne laboratorije. Pristup se odvija u nekoliko koraka:

1. Korisnik (klijent) koji pristupa laboratoriji pokreće na svom računaru pretraživač i u adresnoj liniji navodi tačnu adresu virtuelne laboratorije (spisak adresa virtuelnih laboratorija je gore navedeno). Tada pretraživač simboličku adresu šalje lokalnom serveru, čija je adresa unaprijed poznata, sa zahtjevom za IP (Internet Protocol) adresom navedene virtuelne laboratorije.

2. Neophodno je da se korisnik (klijent) prijavi virtuelnoj laboratoriji, tj. da se identifikuje kroz svoje korisničko ime i šifru (Login i Password).

3. Nakon što korisnik unese svoje podatke i klikne na OK dugme, koje se nalazi na stranici, pretraživač prosleđuje zahtjev do servera virtuelne laboratorije. Web stranice su pisane u programskom jeziku ASP (Active Server Pages).

4. Pošto je korisnik (klijent) unio svoje podatke i pritisnuo dugme OK, podaci se prosleđuju aktivnoj ASP skripti. Tada se izvršava Java Script skripta, koja sadrži proceduru za otvaranje naredne Web stranice.

5. Unutar naredne stranice je na početku implementirana provjera korisnika. Provjeravaju se uneti lični podaci i ukoliko takav korisnik (klijent) postoji u bazi podataka dozvoljava mu se pristup sistemu. Ukoliko ne postoji, odbija se uz poruku da pokuša ponovno prijavljivanje.

6. Nakon što je korisnik (klijent) prijavljen, na ekranu se prikazuje stranica gdje korisnik (klijent) bira zadatak koji želi da obavi.

7. Na narednoj stranici, korisnik (klijent) unosi potrebne podatke (u tekst polja) kako bi laboratorija mogla da počne sa radom.

8. Na osnovu ovih podataka formira se ulazna datoteka podataka koji se dobijaju u okviru virtuelne laboratorije, zavisno od zadatka koji se izvršava. Na osnovu ove datoteke generiše se Web stranica sa rezultatima mjerenja i prikazuje se korisniku (klijentu).

9. Korisnik (klijent) dobija izveštaj u obliku HTML stranice.

22

Primjer 1.

Kao što je već rečeno, osnovu za razvoj ovih laboratorija predstavljaju napredne internet tehnologije, prije svih objektno orijentisani programski jezik Java. Njegova minimalna zavisnost od operativnog sistema i hardverske platforme na kojem se izvršava omogućava pristup najširem broju klijenata, takođe smanjeni troškovi administracije i distribucije naveli su tim američkih stručnjaka da kreiraju virtuelnu laboratoriju za inžinjering zemljotresa baziranu na Java tehnologiji.

Uzet je primjer virtuelne laboratorije za strukturalnu kontrolu koja korisnicima daje mogućnost da uporede dva različita sistema kontrole korišćenih za smanjenje nekontrolisanog odziva strukturnih građevina na pobudu izazvanu pomjeranjem tla, tj zemljotresom. Takođe omogućava korisnicima da podešavaju osobine sistema kontrole i na taj način bolje razumiju tehnologiju korišćenu pri zaštiti strukturnih građevina od potresa. Ova virtuelna laboratorija može vršiti i simulacije efekata koje su proizveli najveći zemljotresi u istoriji čovečanstva El Centro, Hachinoche, Northridge i Kobe. Na slici 9. vidi se korisnički interfejs koji pruža sve funkcionalnosti ove virtuelne laboratorije.

Slika 9. Korisnički interfejs virtuelne laboratorije za inžinjering zemljotresa

Može se uočiti složen i bogat korisnički interfejs sa četiri grafička prozora koja su na slici označeni nazivima. Prozor za animaciju ponašanja modela u vremenu i prostoru, prozor za prikaz dijagrama pobude, prozor za prikaz Bodeovih dijagrama sistema i na kraju vremenski odziv sistema. Sa desne strane se nalazi panel za podešavanje parametara i uslova eksperimenta koji treba izvesti. Podatke je moguće snimiti za dalju analizu. Ono što je najbitnije uočiti je to što se na ovaj način studentima približavaju prirodni procesi koji se ne mogu vještački proizvesti ili bi njihovo proizvođenje izazvalo ljudske žrtve i/ili materijalnu štetu.

23

Primjer 2.

Može se dati i opis web bazirane laboratorije (VLAB) na primjeru eksperimenta frekventne modulacije. Sa grafičkim korisničkim interfejsom projektovanim da bude što je moguće prirodniji, udaljeni korisnici su u poziciji da dobiju pristup fizičkim aparaturama, da postavljaju eksperimentalne parametre, i izvode i kontrolišu eksperiment u laboratoriji pretražujući odgovarajuće strane. MI Explorer, standardni web pretraživač, je sve što je potrebno za pristup svim servisima u virtualnoj laboratoriji. U poređenju sa drugim virtualnim laboratorijama, VLAB uključuje šeme za umanjenje saobraćaja podataka i autentifikaciju korisnika, i omogućuje korisnicima “jedan na jedan” korišćenje skupog analizatora spektra. Kako bi sve ovo ostvarilo, VLAB koristi dvostruku klijent-server strukturu (DCSS), gdje se eksperimentu pristupa u toku dva klijent-server ciklusa. Instrumenti u VLAB kontrolisani su korišćenjem IEEE 488.2, i tehnologije zasnovane na TCP, HTTP i CGI protokolima, Java, Java Script, LabVIEW. Na slici 10. je data fizička postavka laboratorije za VLAB.

Slika 10. Hardverska postavka laboratorije

Da bi se korisnicima ostavio utisak da oni zapravo rade na fizički postojećim instrumentima, korisnički intrefejs daljinske laboratorije bi trebalo da izgleda što je moguće realnije. Takođe, ukoliko interfejs nije blizak korisniku, bilo bi teško daljinski izvoditi eksperimente. U VLAB implementiran je GUI (Grafical User Iinerfaces) korišćenjem Java, Java Script-a i HTML tehnologija koje su podržane od strane popularnih web browser-a. Na slici 11. je prikazan tipičan prikaz na monitoru pri online izvođenju frekventne modulacije.

Slika 11. Prikaz na monitoru pri online izvođenju frekventne modulacije

24

Java apleti ugrađeni u HTML stranice koriste se za izgrađivanje osnovnog interfejsa za eksperiment. Java je prirodni izbor programskog jezika na strani klijenta zbog njegove fleksibilnosti u GUI projektovanju i pogodnog mrežnog programiranja.

Cilj eksperimenta je da se prouči frekventni spektar frekventno modulisanog signala. Koriste se analizator spektra, signal generator, frekvencmetar / brojač, voltmetar i električna maketa sa promenljivim otpornikom. Na slici 12. i slici 13. dati su odvojeni pogledi na ove instrumente i električna maketa, koji su postavljeni kako je prikazano na slici 10.

Slika 12. Instrumenti i električna maketa:

a) analizator spektra; b) signal generator; c) električna maketa sa promjenljivim otpornicima; d) voltmetar; e) frekvencmetar / brojač

Slika 13. Električna šema makete

25

Različiti kablovi se mogu koristiti za povezivanje relevantnih tačaka u kolu sa instrumentima kako bi se stvorila slika da je neophodno ostvariti konekcije prije vršenja mjerenja u stvarnom eksperimentu. Front panels instrumenta, kola i konektori su svi implementirani u grafičkom smislu. Može se koristiti miš za isključivanje kontrolnih dugmića i regulatora povlačenjem kako bi se imao što realniji doživljaj operisanja nad instrumentom (npr. izlazna amplituda signal generatora može se promjeniti povlačenjem miša preko HMP regulatora na tabli). Povratni rezultati mjerenja se sa instrumenata putem istog interfejsa dostavljaju korisniku. Slično, stvarne vrijednosti izmjerene voltmetrom i frekvencmetrom / brojačem prikazane su na odgovarajućim panelima. Korisnički interfejs je projektovan da radi logički (npr. brojač će prikazivati tačne vrijednosti tek nakon što se veže u određene tačke kola dovlačenjem dva kraja koaksijalnog kabla na input kraj brojača i square wave output električne makete. Autentifikaciona šema se koristi kako bi samo korisnici sa dozvoljenim pristupom mogli da pristupe važnim web stranicama koje kontrolišu realne instrumente. Svaki korisnik je lociran ukoliko izvrši uspješno logovanje. Časovnik u korisničkom interfejsu obaveštava korisnika o preostalom vremenu do logovanja korisnika iz sistema. U toku izvođenja eksperimenta moguće je pristupiti stranicama sa pomoći i dokumentacijom bez prekidanja samog eksperimenta. Takođe, bilo koji zainteresovani korisnik može bez logovanja slobodno pregledavati ove strane koje nisu zaštićene, bez prekidanja eksperimenta. Pošto se izloguje, korisnik biva obavješten da je sesija zatvorena a prozor sa instrumentima se zatvara.

U cilju daljinskog izvođenja eksperimenta korišćenjem opisanog interfejsa, korisnik mora da poseduje web pretraživač koji podržava Java. Pre izvođenja samog eksperimenta korisnik može da pregleda relevantne web strane eksperimenta klikom na linkove ponuđene u navigacionom meniju. Svrha ovih strana je da pruže korisniku uvodne informacije o VLAB-u eksperimentu, i različitim korišćenim instrumentima. Na slici 14. je prikazana je instrukciona strana sa opisanom procedurom eksperimenta.

Sika 14. Instrukciona strana

Nakon što se upozna sa eksperimentom, korisnik klikne na “conduct expt” da bi započeo eksperiment. Od korisnika će se zahtjevati username i password radi autentifikacije. Ukoliko ne poseduje username, korisnik je u mogućnosti da korišćenjem username-“guest” korisnik može pristupiti sistemu samo kroz CGI programe razvijene za eksperiment i sistem neće prihvatiti nikakve drugačije komande. Po autentifikaciji dodjeljuje se ID za internu sesiju pojavljuje se osnovni korisnički interfejs za kontrolu realnih instrumenata. Korisnik je u

26

poziciji da izvodi eksperiment i sakuplja rezultate mjerenja u realnom vremenu. Za konkretan eksperiment za frekventnu modulaciju, korisnik može da izvodi neke od sledećih operacija:

1. promenu otpornosti potenciometra radi postavljanja napona na pinu 5 (tačka testiranja na slici 10.) naponski kontrolisanog oscilatora (VCO);

2. precizno mjerenje frekvencije i napona frekvencmetrom / brojačem i voltmetrom u cilju određivanja frekventne osjetljivosti modulatora;

3. upravljanje signal generatorom radi dobijanja adekvatnog izlaza i podešavanje njegove amplitude i frekvencije i modulacionog indeksa;

4. korišćenje analizatora spektra radi mjerenja spekra i ostalih karakteristika frekventno modulisanog signala.

Sesiju korisnik može pokrenuti u bilo kom trenutku ili nakon default vremena od 30 minuta. Preostalo vrijeme se svakog minuta update-uje i prikazuje korisniku na korisničkom interfejsu. Nakon što se korisnik izloguje ili se prekine sesija, raskidaju se sve konekcije.

Na slici 15. dat je blok dijagram osnovne hardverske strukture i komponenata sistema koji se može podjeliti u 4 podsistema:

1. PC sa Ethernet karticom radi kao osnovni kontroler opremljen GPIB karticom i DAQ karticom. Za internet je VLAB vezana preko NUSNET-III (NUSNET-III je WAN mreža koja povezuje 1104 odeljenja u 90 zgrada i pokriva prostor od 150ha. Opslužuje 24000 studenata i 2700 članova osoblja). Glavni kontroler prima komandne nizove sa www servera preko TCP / IP kanala za kontrolu instrumenata i analognog ulaza / izlaza (I/O). Na taj način, osim što se koristi kao kontrolni PC, predstavlja i serversku stranu komunikacije sa www serverom (koja u ovom slučaju predstavlja klijenta);

2. Inicijalno, programabilni instrumenti, analizator spektra , frekvencmetar / brojač i signal generator vezani su za kontrolni PC preko GPIB kartice i kabla. Ovi GPIB bazirani instrumenti su spremni da prime i izvrše standardne komande za programabilne instrumente (SCPI-Standard Commands for Programmable Instruments) definisane u IEEE 488,2. Svaki rezultujući podatak izvršenja naredbi biva vraćen kontrolnom PC-u preko GPIB;

3. DAQ kartica instalirana na kontrolnom PC-u obrađuje analogni I/O; 4. WWW server udomljuje sajt virtualne laboratorije.

Slika 15. Hardverska struktura sistema

27

Na slici 16. prikazana je softverska struktura sistema.

Slika.16. Softverska struktura sistema

Kontrola lokalnih instrumenata i analognog I/O implementirana je kroz LabVIEW. Za svaki instrument postoji jedan submodul koji izvršava komande korisnika, dok se analognim I/O takođe upravlja u okviru submodula koji je deo glavnog programa. WWW server sa Red Hat Linux-om 5.2 i Apache HTTP server udomljuju web strane eksperimenta. Sistem baze podataka mSQL je instaliran da bi upravljao autentifikacijom korisnika, GNU C program koji šalje komandne nizove sa strane klijenta ka kontrolnom PC-u i propušta semplovane podatke, u suprotnom smjeru, takođe radi na Linux serveru. Java apleti ugrađeni u HTML fajlove download-uju se da bi radili na klijent mašini i obezbjedili user-friendly interfejs. Nezavisno od operativnog sistema na klijent terminalu, web pretraživač koji podržava Java je dovoljan da bi se izveo eksperiment. VLAB koristi DCSS kako je prikazano na slici 17.

Slika 17. Dvostruka struktura klijent-server (DCSS)

Postoje dva para klijent-server u sistemu. Prvi je klijent-web server, a drugi web server-kontroler. Dva para su povezana C-om zbog mogućnosti kreiranja socet-a i visokog nivoa efikasnosti. Smatra se da je ovakva arhitektura bolja od jednostruke, kada sistem postaje fleksibilniji i širi. Konkretno, bilo bi lakše dodati nove eksperimente prostom izmjenom kontrolnih programa. Struktura se implementira korišćenjem TCP socet-a. Obzirom na to da TCP konekcija koju klijent ostvari sa serverom ostaje na mjestu dok je klijent ne prekine, to je idealni komunikacioni protokol za implementiranje web bazirane kontrole instrumenata koji zahtjevaju često podešavanje parametara. Nakon što se uspostavi konekcija ne postoji potreba za njenim stalnim prekidanjem.

28

Na slici 18. ističe se interakcija između klijenta i servera pod TCP-om, gdje individualni C programi koji rade na web serveru istovremeno prenose nizove od klijenata ka kontroleru i podatke od kontrolera ka klijentu.

Slika 18. Interakcija između klijenta i servera koristeći TCP

Kako programi rade pod Linux-om, izabran je GNU C jezik kao programski jezik jer dozvoljava kreiranje socet-a i visoko je efikasan. Na kontroleru se koristi LabVIEW koji podržava TCP socet-a u obliku subvirtualnih instrumenata, “TCP Listen.vi”, “TCP Read.vi”, “TCP Write.vi”, “TCP Close Connection.vi”.

Kako bi se korisnicima omogućilo da posmatraju frekventni spektar signala, prikaz analizatora spektra se mora prenijeti na stranu korisnika. Spektar i ostali parametri bivaju semplovani GPIB-om i prenijeti klijent programu. Klijent program rekonstruiše prikaz korisničkom interfejsu kako bi se redukovao saobraćaj i novi spektar se šalje tek nakon što server program detektuje znatnu promjenu u njemu. Transfer podatka se obavlja putem dvostruke klijent-server šeme. Nakon što klijent pošalje zahtjev i uspostavi se link, kontroler nastavlja sa semplovanjem instrumenata i šalje odmjerene podatke, gdje se web server ponaša kao cijev, koja propušta tačno ono što prima.

Za razliku od onih koja su bazirana na simulaciji, izvođenja eksperimenata u VLAB-u zahtjevaju korišćenje seta stvarnih fizičkih instrumenata. Kao pri izvođenju stvarnih eksperimenata kada samo jedna osoba može da preuzme kontrolu, tako aparatura i virtualni eksperimenti trebalo da budu dostupni samo jednom Internet klijentu u toku eksperimentalne sesije, iako na strani klijenta može postojati više studenata koji će upravljati procesom. Trenutno, ukoliko klijent izvodi eksperiment i kontroliše skup eksperimenata, pristup ovim djelovima sistema biće blokiran autentifikacionim procesom. Međutim, pristup strana sa dokumentacijom i help-om nije kontrolisan od strane korisnika i može se pristupiti u bilo kom trenutku. Program za autentifikaciju korisnika kodirana je u Perl-u i radi na web serveru. Struktura korisnika sistema prikazana je na slici 19.

29

Slika 19. Primjena autentifikacije

Moduo za interpretaciju parametara ekstrahuje parametre iz CGI zahtjeva i određuje koji bi submoduo trebalo pozvati. Ako se radi o zahtjevu za logovanje logon moduo pretražuje korisničku bazu podataka tražeći ID i šifru korisnika na strani klijenta. Nakon što se korisnikov ID i password potvrde, generiše se ID sesije i upisuje u data fajl kako bi se ukazalo na to da je korisnik ulogovan istovremeno se vraća dodela pristupa. Ukoliko korisnički ID i password nisu ispravni, logon moduo vraća odbijanje pristupa. Kada se podnese zahtjev na stranici, poziva se moduo za zahtjev strane. On najpre, provjerava dozvolu pristupa postojećeg korisnika pretraživanjem baze podataka sesije. Ukoliko je korisnik ulogovan i sesija još uvek nije gotova, zahtjevani HTML dokument, koji je zaštićen od pristupa na druge načine, će biti poslat klijent browser-u. Logoff moduo se poziva kada korisnik zahtjeva logoff. On uklanja postojeći ID aktivne sesije iz baze podataka sesije kako bi dozvolio pristup zaštićenim web stranama drugim korisnicima.

Primjer 3.

U ovom slučaju kao primjer je uzeta realizacija softverskog okruženja koje bi omogućilo kontrolisanje eksperimentalnog okruženja sa udaljene tačke putem interneta. Da bi se ispitala valjanost razvijenog softverskog okruženja ono je primenjeno na eksperimentalno okruženje sa naprednim spektroskopskim elipsometrom čiji rezultati se distribuiraju korisniku na udaljenoj lokaciji.

Sistem se sastoji o lokalnog servera, na koji je realni laboratorijski uređaj direktno priključen, i udaljenog klijenta koji pristupa serveru putem interneta. Klijent izdaje naredbe serveru za podešavanje parametara eksperimentalnog okruženja, za početak eksperimenta i nakon završenog eksperimenta dobija rezultate. Ukoliko je potrebno od pomoći udaljenom klijentu može biti i lokalni operater koji prati tok eksperimenta. Klijentu je takođe, putem naprednih internet tehnologija, omogućeno vizuelno praćenje eksperimenta.

U toku eksperimenta, samo jedan korisnik može upravljati uređajem iz bezbednosnih razloga po ovaj veoma skupocen uređaj. Takođe je omogućena autorizacija korisnika pre mogućnosti za korišćenje putem korisničkog imena i lozinke koji se moraju uneti pre nego se pristupi realnom fizičkom uređaju. Standardne internet tehnologije omogućavaju prilično automatizovane procedure za rješavanje ovakvih rješenja. Na slici 20. je prikazana osnovna struktura softverskog okruženja za udaljenu kontrolu eksperimenata. Može se uočiti klijent – server komunikacija, isprekidanim linijama prikazana je logička povezanost delova sistema. Fizički postoji komunikacija samo između djelova sistema koji su označeni punom linijom.

30

Slika 20. Osnovna struktura softverskog okruženja za udaljenu kontrolu eksperimenta

Prilikom izrade softvera, potrebno je donijeti odluke o operativnom sistemu na kome će se softversko okruženje zasnivati i jednog ili više programskih jezika uz pomoć koga će biti razvijeni alati za upravljanje eksperimentom. Od operativnih sistema izbor pada na dva najraprostranjenija rješenja: Microsoft Windows, ili neki od UNIX operativnih sistema.

Slika 21. Klijent aplikacija za udaljeno upravljanje eksperimenom

Od konkretnih potreba definisanih prilikom dizajniranja virtuelne laboratorije zavisi izbor. U ovom konkretnom primjeru izabran je Microsoft Windows. Na raspolaganju se nalazi širok spektar primjenjivih programskih jezika od kojih su najznačajnija samostalna rješenja ili kombinacije tri najčešće korišćenih C/C++, Java i u poslednje vrijeme sve više .NET. U ovom konkretnom primjeru korišćen je Microsoft Visual C++ 6.0. Na slici 22 može se vidjeti izgled i funkcionalnost alata razvijenih za upravljanje eksperimentom od strane klijenta. Pored

31

korisničkog interfejsa koji se nalazi na desnoj strani, sa lijeve strane se nalazi vizuelni prikaz toka eksperimenta. Kao što se vidi aplikacija koja je prikazana na slici 21. je klasična desktop aplikacija i korisnik može pristupiti uređaju samo ukoliko je na računaru klijenta aplikacija pravilno instalirana i svi parametri pravilno podešeni. Ovde se odmah uočava problem smanjene pristupačnosti serveru sistema, tj nemogućnost pristupanja sa bilo koje tačke na internetu uz pomoć standardnih internet alata kao što su internet browseri. Unapređenje ovog koncepta, zarad povećanja fleksibilnosti i olakšanja komunikacija korisnika sa udaljenim eksperimentom može se postići korišćenjem HTTP protokola za komunikaciju između klijenta i servera. Svi zahtjevi klijenta uključujući podešavanje parametara eksperimenta i zahtjev za izvršenjem se šalju kao HTTP zahtjevi. Zahtjevana operacija od strane korisnika se nakon toga prosleđuje, putem tehnike IPC-a (InterProcess Communication) softveru za kontrolu eksperimenta i nakon izvršenja se podaci uobličavaju u HTML format i kao takvi se putem HTTP protokola prezentuju korisniku kao dinamički kreirana internet stranica. Najveća prednost ovog pristupa jeste mogućnost da se pristupi eksperimentu sa bilo koje tačke interneta (a samim tim i svijeta) samo uz pomoć standardnog internet browsera bez potrebe za dodatnom instalacijom specijalno namjenjenih softvera.

Slika 22. Princip realizacije sistema korišćenjem HTTP protokola

Sam proces udaljene kontrole uz pomoć gore opisanih tehnologija se odvija u nekoliko koraka

1. Na osnovu ulaznih parametara, koje definiše korisnik, čije se zadavanje vrši putem specijalno kreirane web strane, formiraju se GET ili POST stringovi HTTP protokola koji prenose zahtjev klijenta preko interneta do servera

2. ISA (International Server Associate) služi za izdvajanje zahtjeva korisnika i ostvarivanje IPC komunikacije sa softverom za kontrolu eksperimenta. Postoje različiti načini za komunikaciju između procesa na jednom računaru

3. Softver za kontrolu eksperimenta prihvata naredbu i izvršava je u cilju dobijanja određenih rezultata

Konkretan primjer koji je u prethodnom dijelu teksta objašnjen razvijen je kao deo UNESCO programa razvoja alata za brzu i jednostavnu implementaciju virtuelnih laboratorija, posebno u zemljama u razvoju, sa osnovnim ciljem približavanja znanja i skupih eksperimentalnih uređaja naučnicima iz celog svijeta i na taj način uklapanje slabo razvijenih oblasti u savremene naučne tokove.

32

6. ZAKLJUČAK

Izvođenjem laboratorijskih vježbi uz primjenu virtuelnih instrumenata obezbijeđeni su osnovni uslovi za individualan rad. Na jednom laboratorijskom mjestu pokretanjem izvršnog fajla virtuelnog instrumenta imamo sve potrebne instrumente za izvođenje laboratorijske vježbe.

Mjerenja se izvode na realnom modelu uz primjenu virtuelnih instrumenata a akcenat se stavlja na mjerenje i jednostavnu upotrebu instrumenata, efikasnu obradu dobijenih rezultata, numerički i grafički prikaz rezultata mjerenja, tabelarno notiranje te izradu izvještaja sa rezultatima mjerenja.

Upotrebom virtuelnih instrumenata povećana je efikasnost i produktivnost u izvođenju laboratorijskih vježbi. Stvoreni su osnovni uslovi za razvijanje aplikacija koje će se koristiti tako da studenti mogu direktno upravljati modelom sa udaljenog mjesta, tj. stvoreni su uslovi za razvoj laboratorije upravljane na daljinu.

33

7. LITERATURA

[1] Bagnasco, A., Parodi, G., Ponta, D., Scapolla, A. M., “A Modular and Extensible Remote Electronic Laboratory”, International Journal of Online Engineering, Vol. 1, No. 1 (2005), www.i-joe.org/ojs/include/getdoc.php?id=43&article=9&mode=pdf[2] Cooper M.: “Remote Laboratories in Teaching and Learning – Issues Impinging On Widespread Adoption In Science And Engineering Education,” International Journal of Online Engineering iJOE, vol. 1, no. 1, http://www.i-joe.org, July 2005, (Kassel University Press, 2005).[3] Sulema, Y. S., and Cvjetković M.,: “Remote Laboratory for Supporting e-Studies in Electronics,” Proc. of REV 2005 Conference, Proc. on CD, 30 June-1 July, 2005.[4] Wuttke, H.-D., Henke, K., and Ludwig, N., “Remote Labs versus Virtual Labs for Teaching Digital System Design”, Proceedings of the Int. Conf. On Computer Systems and Technologies CompSysTech’05, Varna, pp.: IV 2-1 - IV 2-6, ISBN 954-9641-42-2, 2005.[5] Avouris, N.M., Tselios, N., and Tatakis, E.C., “Development and evaluation of a computer-based laboratory teaching tool, Journal Computer Applications in Engineering Education”, vol. 9 (1), pp. 8-19, March 2001.

34