Nástroje LabVIEW pro měření přes internet

Transkript

1 Nástroje LabVIEW pro měření přes internet Miroslav Doložílek, Anna Ryndová Abstrakt Ovládání experimentu a přenos výsledků měření přes internet představuje efektivní technologii pro mnoho praktických aplikací. V příspěvku je uveden přehled nástrojů programového prostředí LabVIEW vhodných pro realizaci dálkové měření úloh fyzikálního praktika. Klíčová slova: Fyzikální praktikum, měření, internet. Úvod Laboratorní měření má ve výuce fyziky nezastupitelné místo. Zde, na reálných objektech, si studenti ověřují platnost a využití teoretických znalostí, získaných na přednášce resp. řešením výpočetních příkladů. Pro další rozvoj laboratorního cvičení z fyziky, zejména s ohledem na distanční vzdělávání, je účelné umožnit studentům změřit některé úlohy také "na dálku", prostřednictvím internetového připojení. Jedná se o reálné experimenty, ovládané a sledované prostředky internetové technologie. V tomto případě nemá student možnost manuálně připravit a upravit experiment. Experiment může modifikovat pouze do té míry, jak to autor experiment technicky připravil a programově zabezpečil. Toto omezení je vyváženo získáním zkušeností s využitím internetové technologie při realizaci měření. Internetové technologie pro přenos textových, obrazových či zvukových informací se staly každodenní běžnou záležitostí. Nástroje pro jejich realizaci jsou snadno dostupné a jejich používání patří mezi základní dovednosti každého uživatele internetu. Nástroje pro přenos experimentálních dat z aktivního experimentu a vlastní řízení experimentu přes internet se vyvíjely od samotného vzniku počítačových sítí. Bez větší nadsázky můžeme říci, že právě zprostředkování přenosu experimentálních dat motivovalo vznik počítačových sítí. Tak, jak se vyvíjely programovací technologie pro řízení a vyhodnocení experimentu, vyvíjely se rovněž nástroje pro dálkové ovládání těchto činností přes počítačovou síť, které v současné době využívají standardní protokoly přenosu dat a nástroje WWW prohlížečů. Klíčovou roli v realizaci experimentu přebírá programové vybavení, kdy měřicí přístroje a zařízení jsou konstruovány na bázi virtuální instrumentace. Technické vybavení je ve většině případů jednotné a záměnné (voltmetr, teploměr, atd.). Až programové vybavení je tou vrstvou celého systému, která jej činí unikátním, specifickým podle potřeby daného experimentu. Program implementuje řídicí algoritmy a oživuje celý systém, dává mu vlastní inteligenci. A právě program je nutno vždy znovu vytvořit nebo alespoň modifikovat. Proto volba vhodného programového prostředí může výrazně zvýšit efektivnost naší práce. Programové prostředí LabVIEW patří mezi průkopníky virtuální instrumentace a v současné době je široce používáno na akademických i výzkumných pracovištích na celém světě. Starší verze obsahovaly řadu programovacích nástrojů pro přenos experimentálních dat, řídicích povelů pro měřicí přístroje a pro zobrazení průběhu experimentu přes počítačovou síť. Pro

2 dosažení plné funkčnosti a přehlednosti celého systému však bylo potřeba extenzivního programování v dalších programovacích prostředích (Java, CGI a pod.), které vyžadovaly další programátorské dovednosti a zkušenosti. Verze LabVIEW 6.1 a vyšší již obsahují technologii vzdálených panelů (Remote Panels), kdy podstatné nástroje pro dálkové ovládání experimentu jsou integrální součástí prostředí LabVIEW. Základní charakteristika LabVIEW Program pro řízení a vyhodnocení experimentu je v prostředí LabVIEW realizován ve dvou vrstvách. V jedné vrstvě - vývojovém diagramu jsou umístěny grafické objekty, které reprezentují nástroje (procedury, funkce) pro ovládání měřicích karet a přístrojů, připojených k PC a matematické nástroje pro vyhodnocení měřených signálů včetně výpočtu výsledných hodnot měřených veličin. Druhá vrstva - čelní panel - obsahuje grafické objekty, velmi podobné reálným ovládacím prvkům na čelních panelech přístrojů (vypínač, graf, numerický dispej, ), jejichž prostřednictvím jsou zobrazovány výsledky měření a uživatel zadává parametry měření. Verze LabVIEW 6.1 umožňuje zpřístupnit ovládání čelního panelu virtuálního přístroje libovolnému PC prostřednictvím standardního internetového prohlížeče (obr.1). Obr.1. Jedná se o aktivní přístup, tj. uživatel může přes internet zadávat parametry měření a bezprostředně sledovat průběh a výsledky experimentu. Prostředí LabVIEW obsahuje soubor nástrojů, které z daného počítače vytvoří síťový server, ke kterému je možno se připojit z libovolného místa sítě internetu. K tomu stačí, aby uživatel (klient) zadal ve svém prohlížeči adresu www stránky, související s danou aplikací LabVIEW. Systém dovoluje současné připojení několika uživatelů (studentů), přičemž pouze jeden může v daném okamžiku experiment řídit. Ostatní mohou průběh experimentu jen sledovat. Na požádání pak mohou postupně řízení převzít. Operátor hostitelského počítače, na kterém běží v laboratoři daná aplikace, může v kterémkoliv okamžiku převzít řízení experimentu. Naměřená data může uživatel zaslat na svůj počítač formou elektronické pošty. Tato data spolu s údaji o uživateli a době měření je možno archivovat na hostitelském počítači. Informace o průběhu experimentu je možno doplnit živým sledováním Web kamerou.

3 Vytvoření vzdáleného panelu Vzdálený panel vytváří uživatel prostřednictvím www stránky, která obsahuje příslušnou aplikaci LabVIEW. Přitom je třeba, aby při vytváření www stránky nástroji prostředí LabVIEW byla aplikace LabVIEW načtena v paměti LabVIEW. Z nabídky Tools vybereme položku Web Publishing Tool, která zobrazí hlavní okno (obr. 2) pro interaktivní vytvoření příslušné www stránky pro publikování dálkově řízeného experimentu. Obr.2. Při vyvolání této položky se automaticky přenese jméno dokumentu (Document Title) a textové pole se jménem virtuálního přístroje. Dále je možno editovat textová pole Text 1 a Text 2, která obsahují informace pro uživatele, související s danou aplikací. Tlačítkem Start Web Server je aktivován zabudovaný LabVIEW Web Server, který bude řídit a publikovat obrázky panelu z internetu. Po aktivaci Web serveru je třeba aktuální HTML dokument uložit tak, aby byl dosažitelný vzdálenému uživateli. Po uložení HTML dokumentu do zvoleného adresáře se zobrazí zpráva s URL adresou vložené aplikace LabVIEW. Vyvolání aplikace klientem K ovládání vzdáleného panelu aplikace LabVIEW je třeba mít na klientském počítači nainstalováno prostředí LabVIEW, případně stačí pouze jádro tohoto systému pro spuštění aplikace, které je volně k dispozici na Web stránkách National Instrument a jeho instalace je klientovi nabídnuta po přihlášení na URL adresu aplikace. Po přihlášení je klient ve stavu sledování průběhu měření, které je řízeno jiným klientem, případně experiment není spuštěn. Převzetí řízení se provede kliknutím prvého tlačítka myši na čelním panelu a volbou Request Control. V případě, že je experiment řízen jiným klientem je tento klient informován, že

4 jeho doba řízení experimentu je limitována. Po vypršení limitu je řízení předáno žádajícímu klientovi. Nástroje pro administraci Verze LabVIEW 6.1 obsahuje řadu nástrojů pro kompletní řešení dálkového ovládání. Jedná se o monitorování provozu a přihlašování na síti, sledování počtu přihlášených klientů, konfiguraci dálkově spustitelných virtuálních přístrojů, konfiguraci časových limitů pro klienty. Systém vytváří seznam všech přihlášených klientů s datem a časem přihlášení. Počet současně přihlášených klientů je omezen a jejich počet je dán licencí, kterou je třeba dodatečně přikoupit. Bez dodatečné licence je možné současné připojení pouze pro jednoho klienta. Pro specifikované IP adresy je možno omezit připojení na třech úrovních: povolit sledování i řízení experimentu, povolit pouze sledování nebo připojení odmítnout. Zaslání a archivace výsledků měření Dálkově ovládaný experiment by měl být navržen tak, aby student získal pouze experimentální data, jejichž další zpracování a prezentaci bude provádět svými vlastními algoritmy na svém počítači, které budou součástí jeho protokolu o měření. Archivace výsledků měření s jednoznačným přiřazením k datu měření a adresy klienta dává učiteli podklady pro kontrolu předávaného protokolu o měření. Pro zaslání naměřených dat elektronickou poštou a archivaci odeslaných dat na hostitelském počítači je vhodné využít knihovnu Internet Developers Toolkit. Tato knihovna obsahuje nástroje prostředí LabVIEW pro přenos dat prostřednictvím FTP protokolu, dopisu, Telnet protokolu, detekci a vytvoření URL, přenos dat z Internet serveru. Na obr.3 je ukázána část vývojového diagramu, který vlevo obsahuje struktury pro uložení dat do souboru s názvem např txt, vpravo dole struktury pro zadání informací k odeslání dopisu s daným datovým souborem a vpravo nahoře struktury pro archivaci dat na hostitelském počítači. Obr. 3.

5 Sledování experimentu Web kamerou Experiment je vhodné doplnit o snímáním a přenos průběhu experimentu Web kamerou. Klient se tak může bezprostředně přesvědčit a má pocit, že se skutečně jedná o živý experiment. K tomu je samozřejmě vhodné daný experiment přizpůsobit (např. při nabíjení kondenzátoru doplnit obvod s kondenzátorem o žárovku, která světelně indikuje změny nabíjecího proudu). V rámci systému LabVIEW nejsou k dispozici přímé nástroje pro začlenění obrázků z Web kamery do čelního panelu virtuálního přístroje. Jedním z možných lepších řešení je doplnění Web stránky vytvořené prostředím LabVIEW o obraz z Web kamery. Závěr V současné době je možno na internetu nalézt řadu ukázek ovládání experimentu s využitím internetových technologií. Uveďme zde např. Schází zde však možnost přenosu naměřených dat pro další zpracování, které pokládáme z hlediska plnohodnotného využití pro laboratorní měření za podstatné. Prostředí LabVIEW se jeví jako relativně jednoduché a přehledné programovací prostředí pro realizaci všech požadovaných aktivit. Je třeba zdůraznit, že použitím univerzální měřicí karty s řadou analogových vstupů a výstupů jsme schopni realizovat řadu různých experimentů pouze vytvořením odpovídajícího programu pro daný objekt měření. Literatura [1] LabVIEW 6.1. Uživatelský manuál, National Instruments, [2] Internet Developers Toolkit, ver.5.0. Uživatelský manuál, National Instruments, [3] Distance-Learning Remote Laboratories using LabVIEW. Adresa autorů Ústav fyzikálního inženýrství FSI VUT v Brně, Technická 2, Brno tel.: dolozilek@ufi.fme.vutbr.cz, ryndova@ufi.fme.vutbr.cz