Jak si jednoduše  postavit vzdálenou laboratoř na internetu

František Lustig

Úvod

Provozování vzdálených laboratoří se jeví jako složitá úloha. Zato tvorba WEB stránek se stala rutinní záležitostí. Příspěvek popisuje softwareovou stavebnici „ISES WEB Control“ pro podporu vzdáleného měření a řízení, která umožní i začínajícím tvůrcům WEB stránek jednoduchým způsobem zapracovat do svých stránek prvky pro podporu vzdálených experimentů.

Serverovou stranu tvoří počítač s měřícím systémem ISES, prostředí Windows, libovolný WEB server a naše serverové moduly ImageServer, MeasureServer, HTTPRelayServer. Na serverové straně jsou na vytvořených WEB stránkách použity applety, které umožňují vytvořit ovládací tlačítka a posuvníky pro ovládání výstupů, applety pro měření a digitální zobrazování vstupních veličin, applety pro grafické zobrazování vstupních veličin, applety přenos naměřených hodnot do klientského počítače, applety pro přenos obrazu z WEB kamery, atd. Stavebnice „ISES WEB Control“ sestává prozatím z 15 appletů, které mají mnoho vstupních parametrů a umožní velkou flexibilitu.

Klientský počítač vyžaduje pouze prohlížeč Explorer, NetScape, aj. a podporu jazyka Java, které je v prostředí Windows automaticky k dispozici, resp. se z volně dostupných zdrojů doinstaluje.

Ukázky vzdálených experimentů, využívajících stavebnice ISES WEB Control, jsou na http://kdt-14.karlov.mff.cuni.cz , http://kdt-20.karlov.mff.cuni.cz, http://kdt-16.karlov.mff.cuni.cz.

Jak taková vzdálená laboratoř pracuje?

Komunikovat mezi počítači jsme uměli už od „nepaměti“ - vzpomeňme laplink, síťová propojení LAN na různé úrovni a konečně internet. Soubory a dokonce multimediální soubory stahujeme a posíláme bez „bázně“ odkudkoliv a kamkoliv. Vzpomeňme např. sdílení aplikací, vzdálený dohled na počítačích (VNC aj.) - všechny tyto aplikace nám umožní nejenom „souborově“ pracovat na vzdálené straně, ale pokud má vzdálená strana připojený např. měřící systém, máme v rukou nástroj pro vzdálené laboratoře (viz např. [1]).

Tyto aplikace se rozvinuly v specializované aplikace server - klient, jsou potřebné vždy dva programy, umožňují na míru šité aplikace, jsou bezpečné atd. atd. Touto cestou jdou průmyslové aplikace, kde je potřebná identifikace, zapisování řídících procesů, je třeba zaznamenávat kdo a co prováděl. Touto technologií jsme prošli i my (např. [2]), ale i průmyslové systémy LabVIEW aj. Téměř nemají chybu, na nic se nezapomnělo … snad jenom „na obyčejné lidi“ se zapomnělo. Prostý uživatel internetu neměl trpělivost si tuto technologii on-line vyzkoušet. LabVIEW vvyužívá technologii „Remote Panel“, která umožňuje řízení přes WEB prostor. Před přístupem do „LabVIEW vzdálených laboratoří“ je třeba si nejdříve doinstalovat speciální software „LV RunTime Engine 6.1 či 7.0“. Zvláště na pomalých sítích je to velmi zdlouhavé a mnoho uživatelů to odradí hned na počátku. A uživatelé se bojí stahovat a instalovat si programy do svých počítačů. Některé instituce vám to prostě ani nedovolí.

Jako protiváha výše popsané situaci se postupně rozvíjejí aplikace, kdy je klientský program nikoliv specializovaný program, ale obyčejný prohlížeč (Explorer, NetScape, Mozila aj.), bez kterého se téměř žádný uživatel internetu neobejde. Prozatím jde o jednoúčelové aplikace bez systematizace, nadšenci si vymyslí aplikaci a spustí ji na internetu. V závěru příspěvku předložíme náš universální a modulární přístup řešení - „ISES WEB Control“ ([3]), který v tomto okamžiku pracuje s měřícím systémem ISES, ale není velký problém doplnit „ISES WEB Control“ pluginem pro další měřící a řídící hardware.

Nyní ještě něco k základním principům. Serverová softwareová část běží na standardním WEB serverovém prostoru. Webovský prostor musí být v našem případě Windows typu, neboť s měřící aparaturou umíme měřit pouze v prostředí DOS a Windows. Drivery pro Unix jsme nerealizovali. Na serverovém WEB prostoru jsou vzdálené úlohy realizovány skoro jako standardní „HTML“ stránky. Tyto stránky obsahují navíc Java applety, které umožní komunikaci s měřící aparaturou. Asi není jednoduché tyto applety tvořit, a proto jsme připravili hotové applety, které se použijí jako blok v HTML stránce. Applety mají mnoho vstupních parametrů, takže i náročný uživatel si ho upraví k obrazu svému. Serverový software kromě HTML stránek s applety obsahuje spuštěné aplikace, které zprostředkují komunikace s hardwarem. Na serveru běží kromě již zmíněného libovolného standardního WEB serveru, další důležité naše naše serverové aplikace jako ImageServer pro podporu WEB kamer, MeasureServer pro ovládání hardware např. pro náš ISES, HTTPRelay pro připojování uživatelů s omezenými přístupy (blokování nestandardních portů - nutné např. pro uživatele INDOŠ).

V případě vzdálených laboratoří je k serverovému stroji navíc připojena nezbytná hardwareová část - např. měřící aparatura. A možná ti z vás, co již měřili na lokálních aparaturách tuší, že takový počítač musí mít např. analogově digitální a digitálně analogové převodníky, aby mohl „komunikovat“ s laboratorními přístroji. V našem případě tvoří serverový hardware souprava ISES základní, či ISES Professional. Soupravy vlastní přes 400 škol a v případě, že budou chtít vyzkoušet své vzdálené experimenty mohou je ihned začít realizovat s použitím softwareové stavebnice „ISES WEB Control“, který obsahuje všechny zmíněné applety i servery.

Jak si vytvořit vzdálené experimenty se softwareovou stavebnicí „ISES WEB Control“

Také naše pracoviště KDF - MFF-UK Praha přispívá a myslíme si, že i ovlivňuje vývoj vzdálených laboratoří. První pokusy (viz [1]) vzešly z databází experimentů na internetu, následovalo sdílení programu ISES, poté první pokusy s LabVIEW 5.0, kde se aplikace server-klient programovala pomocí grafického LabVIEW jazyka (viz [1], [2]). Tato aplikace nebyla na WWW stránkách - pracovaly pouze dva počítače proti sobě, na každém počítači běžel jiný speciální software.

V té době jsme již pracovali se vzdálenými aparaturami, které jsme řídili vlastními Java applety - např. na http://kdt-14.karlov.mff.cuni.cz bylo dnes již proslavené řízení vodní hladiny (cca 4.000 přístupů!). Tato úloha byla orientována na WEB, klientem již nebyl specializovaný program, ale standardní prohlížeč typu Internet Explorer aj. HW aparatury bylo sestaveno z komponent soupravy ISES. Uživatel mohl po internetu ovládat zapínání a vypínání vodního čerpadla, stav vody byl sledován WEB kamerou, voda mohla přetékat. Tuto úlohu jsme nechali jako multipřístupovou. Současně mohlo ovládat hladinu mnoho uživatelů, aktivní byl vždy poslední příkaz. Někdy se zde rozpoutal zajímavý souboj.

Další úloha je již delší dobu vytvářena v rámci diplomové práce A.Řeháka z PedF UK Praha, vedoucí dipl. práce F.Lustig, MFF-UK Praha ([4]). Pracovní verze je živě na na http://kdt-20.karlov.mff.cuni.cz

Uživatel točí různou rychlostí tyčovým magnetem. V cívce se indukuje napětí, které není dokonale sinusové, velikost indukovaného napětí závisí na rychlosti rotujícího magnetu. Napětí se měří soupravou ISES.

Úlohu je možno ovládat, úlohu lze sledovat WEB kamerou, v úloze je on-line vykreslován graf a nyní to nejzajímavější - v úloze lze spustit start a stop měření, dokonce několika měření. A tato měření lze přenést přes datový soubor, ale i přes schránku (clipboard) do vlastního počítače, např. rovnou do Excelu(!).

Úloha je jednopřístupová, uživatel ji má k dispozici 5 minut, další uživatel čeká v řadě, resp. lze na požádání zvolit přístup pouze přes heslo. Prostředí úlohy viz obr.1.

Tato úloha se svou autentičností blíží pocitu, že opravdu měříte vy a že to není simulace. Rovněž výstupy z úlohy máte možnost zpracovat ihned na svém počítači. To vše vytváří pocit smysluplné laboratorní úlohy.

Při konstrukci vzdálených úloh se ukázalo, že se dílčí applety opakují a opakují. I začali jsme tvořit applety s volitelnými parametry. Jak prosté, že jsme na to nepřišli hned! A tak na svět přišla softwareová stavebnice „ISES WEB Control“ [3], která umožní i začínajícím tvůrcům WWW stránek jednoduše vytvořit vzdálené laboratoře. Prozatím je orientována na hardware ISES a na operační systém Windows.

Jak tedy postavit vzdálený experiment se soupravou ISES?

Je to jednoduché. Stačí k tomu počítač, hardware ISES a software „ISES WEB Control“.

1. Potřebujete počítač, na kterém běží lokálně hardware ISES (ADDA karta, panel ISES a čidla ISES). Počítač by měl umožnit provozování WEB serveru (v současné době jsou to typicky Win98 a volně dostupný WEB server PinkNet Web Server 2.0, http://pnws.pinknet.cz ).

2. Na tomto počítači umístíte do WWW prostoru HTML stránky se vzdáleným experimentem - tj. HTML text s applety stavebnice „ISES WEB Control“. Asi by nebylo jednoduché tyto applety vytvořit, a proto jsme vám připravili hotové applety, které se použijí technikou „vezmi a zkopíruj“ do HTML stránky. Applety mají mnoho vstupních parametrů, takže i náročný uživatel si ho upraví k obrazu svému. Asi jednoduše pochopitelné budou applety - tlačítka pro výstup hodnoty (napětí), či pro vstup naměřené hodnoty, či applet posuvník - scrollbar. Pro zobrazování WEB kamery je k dispozici další připravený applet. Další applety slouží ke komunikaci se měřícím serverem, navazují spojení, zobrazují frontu uživatelů, umožňují záznam, výběr a grafický výstup experimentu, umí vygenerovat naměřená data aj. Ke stavebnici je samozřejmě manuál, který popisuje možnosti, které využijete až později.

3. Na serverové straně kromě HTML stránek s applety umístíte a spustíte serverové aplikace, které zprostředkují komunikace s hardwarem. Na serveru běží kromě již zmíněného libovolného standardního WEB serveru, další důležité naše serverové aplikace jako ImageServer pro podporu WEB kamer, MeasureServer pro ovládání hardware např. pro náš ISES, HTTPRelayServer pro připojování uživatelů s omezenějšími přístupy (blokování nestandardních portů - nutné např. pro uživatele INDOŠ).

4. Toť vše. A máte vzdálenou laboratoř. Sečteno podtrženo - máte spuštěné 4 servery-programy- (WEB server, ImageServer, MeasureServer, HTTPRelayServer) a máte sestavený experiment připojený k soupravě ISES. Nyní už stačí „jenom“ vymýšlet úlohy, které jsou „samoobslužné“ a nevyžadují lidskou ruku. A věřte, vymyslet takové úlohy, není až tak jednoduché.

5. A nyní už čekáte první klienty, kteří se připojují pomocí standardního prohlížeče např. Internet Explorer. Klienty na svých stránkách upozorníte, že musí mít povolenu podporu jazyka Java - nastavuje se v možnostech prohlížeče. Starší Win98 toto mají implicitně povoleno, avšak nové Win 2000-XP vyžadují doinstalování podpory pro jazyk Java (např. na http://www.sun.com ).

Literatura

[1] Lustig, F.: Internetové laboratorní studio, in sborník POŠKOLE 2001, Praha, 127-132, 2001.

[2] Lustig, F.: Vzdálené reálné školní laboratoře na internetu, in sborník POŠKOLE 2002, Praha, 33-38, 2002

[3] Lustig, F., Dvořák, J.: ISES WEB Control, software kit pro vzdálené laboratoře se soupravou ISES, Výroba učebních pomůcek PC-IN/OUT, U Druhé Baterie 29, 162 00 Praha 6, tel 602 858 056, Praha, 2003

[4] Řehák,A.: Diplomová práce -Fyzikální experimenty ve vzdálené laboratoři, vedoucí F.Lustig, MFF.UK Praha, 2004, v tisku

Autor

RNDr. František Lustig, CSc, Univerzita Karlova v Praze – Matematicko fyzikální fakulta, tel.: 602 858 056, Frantisek.Lustig@mff.cuni.cz, http://www.ises.info