Platforma zdalnego laboratorium jako element wspomagający eksperyment naukowo-badawczy"

Transkrypt

1 Platforma zdalnego laboratorium jako element wspomagający eksperyment naukowo-badawczy" mgr inż. Marcin Godziemba-Maliszewski Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej

2 Innowacyjne Systemy Wspomagania Technicznego Zrównoważonego Rozwoju Gospodarki Zadanie III.5.2. Modułowa aparatura badawcza dla innowacyjnych metod kształcenia w obszarze zaawansowanych technologii zrównoważonego rozwoju Celem jest opracowanie zdalnego laboratorium o rozproszonych zasobach wyposażonego w wirtualną aparaturę badawczą i dydaktyczną z zaimplementowanymi aplikacjami sprzętowymi i informatycznymi umożliwiającymi użytkownikom, studentom i naukowcom zdalny dostęp przy wykorzystaniu mediów szerokopasmowej komunikacji, w tym również poprzez urządzenia mobilne POIG /09-02 kierownik zadania: mgr inż. Marcin Godziemba-Maliszewski

3 Plan prezentacji: Zadania stawiane zdalnemu laboratorium Model zdalnego laboratorium Egzemplifikacja modelu zdalnego laboratorium zdalny dostęp do laboratorium naukowo-badawczego i badawczo-dydaktycznego wirtualne przyrządy pomiarowe zintegrowane z technikami AR wirtualna aparatura do e-nauczania zaawansowanych systemów pomiarowo-sterujących Podsumowanie 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 1 z 35

4 Cel budowy platformy zdalnego laboratorium Platforma zdalnego laboratorium badawczo-dydaktycznego: Określenie problemu badawczego, wybór metody badawczej, wybór aparatury Planowanie i harmonogramowanie eksperymentu Przeprowadzenie eksperymentu akwizycja i zapis danych pomiarowych Analiza wyników, dyskusja wyników, dokumentowanie eksperymentu Symulacja eksperymentu lub odtworzenie eksperymentu Udostępnienie wyników i zasilenie systemu eksperckiego 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 2 z 35

5 Warstwowa struktura laboratorium 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 3 z 35

6 Model zdalnego laboratorium 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 4 z 35

7 Kluczowe moduły zdalnego laboratorium 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 5 z 35

8 Struktura centralnej baz danych do gromadzenia wyników pomiarów 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 6 z 35

9 Implementacja procedur komunikacji pomiędzy elementami struktury wirtualnego laboratorium naukowo-badawczego Dostęp do urządzania za pośrednictwem odnośnika w drzewie: Komunikacja XML oparta o WebService - przesyłane dane w formie datagramu: 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 7 z 35

10 Procedury zdalnego dostępu dla urządzeń w ramach struktury zdalnego laboratorium naukowo-badawczego Podstawowa charakterystyka zdalnego dostępu do przyrządu pomiarowego : Wyniki pomiarów oraz stan urządzenia jest uaktualniany cyklicznie z określoną przez projektanta WPP lub użytkownika częstością, Każda wystawiana informacja posiada sygnaturę czasową, Komunikacja klienta z serwerem pomiarowym odbywa się na zasadzie polecenieodpowiedź, Potwierdzenie wykonania\otrzymania polecenia w odpowiedzi zwrotnej z WS, Komunikacja z wykorzystaniem zestawu poleceń, Dane przesyłane są w formacie datagramu, Dane wideo przesyłane są w formacie MJPEG - rozmiar klatki, stopień kompresji oraz częstotliwość ustawiana przez operatora WPP, System priorytetów dostępu do strumienia wideo w przypadku wielodostępu, Możliwość rozdzielenia strumienia i jego parametrów w zależności od priorytetów i obciążenia, Adaptacyjna zamiana współczynnika kompresji oraz częstości odświeżania w zależności od dostępnej przepustowości łącza, 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 8 z 35

11 Procedury zabezpieczeń przed nieuprawnionym dostępem do zasobów zdalnego laboratorium Negatywna Negatywna Pozytywna NIE TAK Komunikacja z wykorzystaniem usług sieciowych poprzez szyfrowany kanał z wykorzystaniem protokołu SSL Każdy z wirtualnych przyrządów pomiarowych posiada indywidualną parę kluczy prywatnych i publicznych Szyfrowanie asymetryczne (z kluczem publicznym lub prywatnym) Autoryzacja aplikacji klienckiej na poziomie tworzenia sesji Autoryzacja użytkownika z wykorzystaniem pary kluczy Autentykacja datagramu 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 9 z 35

12 Implementacja procedur komunikacji pomiędzy elementami struktury wirtualnego laboratorium naukowo-badawczego Aplikacje typu klient - serwer Dedykowana aplikacja Internetowa (SilverLight, Flash) Komunikacja za pośrednictwem usług sieciowych Osadzenie obiektu LabVIEW na stronie WWW 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 10 z 35

13 Implementacja procedur komunikacji pomiędzy elementami struktury wirtualnego laboratorium naukowo-badawczego Grupa aplikacji udostępnianych bezpośrednio na serwerze pomiarowym Zdalne udostępnianie aplikacji z wykorzystaniem serwera aplikacji 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 11 z 35

14 Wirtualne przyrządy pomiarowe Aplikacje informatyczne wchodzące w skład wirtualnego przyrządu pomiarowego umożliwiającego zdalny dostęp do aparatury naukowobadawczej: aplikacja webowa zarządcy systemu zdalnego laboratorium, aplikacja desktopowa posadowiona na serwerze pomiarowym, aplikacja kliencka desktopowa realizująca zdalny dostęp bądź symulację aplikacja kliencka uruchamiana z poziomu przeglądarki WWW aplikacja klienta wirtualnego wykorzystująca rozszerzoną rzeczywistość interaktywna instrukcja obsługi wykorzystująca rozszerzoną rzeczywistość usługa sieciowa i prosta aplikacja internetowa uruchomiona bezpośrednio na serwerze www wbudowanym w urządzenie 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 12 z 35

15 Egzemplifikacja platformy realizującej zdalny dostęp do aparatury naukowo-badawczej 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 13 z 35

16 Egzemplifikacja modelu zdalnego laboratorium Aplikacja typu klient-serwer Wersja desktopowa dla MS Windows Wersja webowa 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 14 z 35

17 Wirtualne przyrządy pomiarowe zintegrowane z technikami AR Dwa tryby pracy: 1. Interaktywna instrukcja obsługi 2. Realizacja szkolenia w oparciu o symulator / zdalnego pomiaru 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 15 z 35

18 Wirtualne przyrządy pomiarowe zintegrowane z technikami AR Prototyp wirtualnego stanowiska laboratoryjnego do symulacji działania urządzenia oraz do zdalnego wykonywania pomiarów z wykorzystaniem technologii AR 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 16 z 35

19 Wirtualne przyrządy pomiarowe zintegrowane z technikami AR Przeprowadzanie badania z wykorzystaniem WPP i technologii AR 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 17 z 35

20 Wirtualne przyrządy pomiarowe zintegrowane z technikami AR Moduł interaktywnej instrukcji z wykorzystaniem technik rozszerzonej rzeczywistości Wykorzystanie technik rozszerzonej rzeczywistości do wspomagania samouczenia użytkownika w obsłudze urządzenia oraz w prowadzeniu badań dla przykładu penetrometru laserowego do badania reologicznych środków smarnych 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 18 z 35

21 Interaktywna instrukcja serwisowa 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 19 z 35

22 Egzemplifikacja modelu zdalnego laboratorium Platforma zarządzająca Wersja desktopowa Wirtualne przyrządy pomiarowe Wersja webowa Przeprowadzenie testów zintegrowanego środowiska zdalnego laboratorium: platforma zarządzająca wersja desktopowa aplikacji klienckiej wersja webowa wirtualnego przyrządu pomiarowego symulator urządzenia wykorzystujący techniki rzeczywistości rozszerzonej 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 20 z 35

23 Modele algorytmiczne do generacji wyników pomiarów dla komputerowych symulatorów aparatury pomiarowej Lokalna sieć komputerowa Serwer baz danych B1 Użytkownicy B3 Monitoring Użytkownik zdalny Internet Dane użytkownika Autoryzacja Wybór eksperymentu Serwer zarządzający Obsługa zgłoszenia B2 Eksperymenty B4 Id, dane eksperymentu Id eksperymentu Id użytkownika Dane zwrotne Id eksperymentu Wyniki, dane pomiarowe Serwer zarządzający Przygotowanie danych, raportów, dokumentów i materiałów wideo Id Baza wyników pomiarów Repozytorium Raportów Dokumentów Rejestracji wideo Raporty 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 21 z 35

24 Egzemplifikacja modelu algorytmicznego do generacji wyników pomiarów dla komputerowych symulatorów aparatury pomiarowej Logowanie do systemu symulatorów programowych Pobranie wyników pomiarów z bazy danych Uruchomienie symulatora 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 22 z 35

27 Symulatory programowe pakiety dystrybucyjne Budowa symulatora 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 25 z 35

28 Zestawy symulatorów z dziedziny fizyki, elektrotechniki i elektroniki Eksperyment symulacyjny umożliwia obserwacje zachowania się modeli realnych obiektów lub zjawisk w rzeczywistości wirtualnej, stworzonej za pomocą programu komputerowego co ułatwia przyswajanie i zapamiętywanie wiedzy przez słuchaczy Przykłady opracowanych ćwiczeń: Rzut poziomy, pionowy i ukośny Spadek swobodny Równia pochyła Wahadło fizyczne Ruch po okręgu Dynamika ruchu Ruch harmoniczny i fale Prawa gazowe Przewodnictwo cieplne metali Zderzenia sprężyste i niesprężyste Podstawowe zagadnienia optyki Zwierciadła i soczewki Optyka falowa 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 26 z 35

29 Zestawy symulatorów z dziedziny fizyki, elektrotechniki i elektroniki Przykłady opracowanych ćwiczeń z dziedziny elektroniki i elektrotechniki Prawo Ohma, pomiar rezystancji, badanie praw Kirchhoffa Badanie całkującego i różniczkującego układu RC Badanie układów RLC Badanie diody półprzewodnikowej Badanie tranzystora bipolarnego Badanie tranzystora unipolarnego Badanie wzmacniacza operacyjnego Pomiary rezystancji przy prądzie stałym Prawo Ohma i pomiar rezystancji Mierniki cyfrowe Obwody prądu sinusoidalnego Moc czynna bierna i pozorna Rezonans napięć i prądów Pomiary mocy w układach 3-f Symulacja działania silnika prądu stałego Symulacja działania silnika indukcyjnego Symulacja działania silnika prądu przemiennego Projektowanie i symulacja działania transformatora 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 27 z 35

30 Wirtualna aparatura do e-nauczania Modelowy wirtualny przyrząd pomiarowy Pomiar temperatury, napięcia, prądu Programowanie minimalnej i maksymalnej wartości napięcia i prądu Odczyt wejść/wyjść binarnych Generator sygnału sinusoidalnego o zmiennej pulsacji i amplitudzie oraz generatory liczb losowych o programowanych wartościach: minimalnej i maksymalnej Dotykowy pulpit operatora (HMI) typ HG1F-SB22BF-W Potencjometr regulacja napięcia 0 10 V Potencjometr regulacja prądu 4 20 ma 4xAI unit FC4A-J4CN1 CPU Slim FC5A-D16RS1 Wentylator 24VDC RS 232C E1 RS 485C RS232 FC4A-HCP1 do HMI Ethenet Webserwer FC4A-SX5ES1E Wyłącznik różnicowo-prądowy 10A/10mA Wyłącznik główny RS 232C E1 FC5A-SIF2 Pt100 Zasilacz 24V/60W PS5R-SD VAC, 50/60Hz DC RJ45 ETHERNET Przełączniki NC-NO-(NC) nastawy wejść binarnych 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 28 z 35

31 Wirtualna aparatura do e-nauczania Modelowy wirtualny przyrząd pomiarowy aplikacja klient/serwer Wersja webowa Wersja klient-serwer aplikacji 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 29 z 35

32 Modułowa budowa, Zestawy wirtualnej aparatury do e-nauczania zaawansowanych systemów pomiarowo-sterujących Autonomiczna, bezobsługowa praca Możliwość zastosowania sterownika bezpieczeństwa możliwość zdalnego programowania sterownika podstawowego przez studentów Możliwość realizacji zarówno ćwiczeń softwarowych (programowanie sterownika pod konkretne zastosowania) jak i części związanej z pomiarami Praca systemu w czasie rzeczywistym 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 30 z 35

33 Zestawy wirtualnej aparatury do e-nauczania zaawansowanych systemów pomiarowo-sterujących Regulacja i pomiary ciśnienia 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 31 z 35

34 Zestawy wirtualnej aparatury do e-nauczania zaawansowanych systemów pomiarowo-sterujących Regulacja i pomiary przepływu cieczy 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 32 z 35

35 Model linii technologicznej Zestawy wirtualnej aparatury do e-nauczania zaawansowanych systemów pomiarowo-sterujących 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 33 z 35

36 Zestawy wirtualnej aparatury do e-nauczania zaawansowanych systemów pomiarowo-sterujących Układ pneumatyczno-hydrauliczny 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 34 z 35

37 Podsumowanie Zdalne laboratorium - możliwości, zalety, ograniczenia: Zdalne planowanie i projektowanie przebiegu eksperymentu Zdalna obserwacja eksperymentu (techniki audio wizualne) Zdalna wizualizacja przebiegu eksperymentu Zdalne monitorowanie przebiegu eksperymentu Zdalny dostęp do zasobów aparaturowych w innym ośrodku lub uczelni Integracja rozproszonych zasobów aparaturowych Możliwość stosowania w badaniach naukowych i dydaktyce (LMS i LCMS) Stymulacja współpracy pomiędzy jednostkami dydaktycznymi, naukowymi, badawczymi i podmiotami gospodarczymi Problemy z prowadzeniem eksperymentu w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem sieci Internet Ograniczone współdzielenie zasobów informacyjnych pomiędzy laboratoriami Problemy z udostępnianiem serwerów pomiarowych 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 35 z 35

38 Dziękuję za uwagę. Marcin Godziemba-Maliszewski 20 luty 2014 r. - Warszawskie Seminarium Środowiskowe Postępy Edukacji Internetowej slajd 35 z 35