DOI: 10.5507/tvv.2018.006 Trendy ve vzdělávání 2018
24
TRADIČNÍ HANDS-ON A VZDÁLENÉ LABORATOŘE
S ARDUINEM PRO KAŽDÉHO
LUSTIG František, CZ
Resumé V současné době se zdá, že počet vzdálených laboratoří na celém světě stagnuje nebo spíše
klesá. Vývoj nových reálných vzdáleně řízených laboratoří je zřejmě příliš složitý a nákladný,
vyžaduje trvalý servis apod. V příspěvku přicházíme s alternativním řešením, které nepoužívá
profesionální měřicí systémy, ale zaměříme se snadno dostupnou Arduino desku, aby si mohl
vzdálený experiment vyzkoušet opravdu každý DIY (Do It Yourself) začátečník a neprogramátor. Na
Arduinu bude prezentována naše zdarma dostupná softwarová stavebnice „Remduino Lab SDK“
a některé kompletní vzdálené experimenty.
Klíčová slova: vzdálené laboratoře, Arduino, ISES
HANDS-ON AND REMOTE LABORATORIES WITH ARDUINO FOR EVERYONE
Abstract The number of remote laboratories around the world seems to be stagnating or rather
declining. The development of new real remote remote control laboratories is probably too complex
and costly, it requires a permanent service, etc. In the paper we come up with an alternative solution
that does not use professional measurement systems, but we will focus on the easily accessible
Arduino board. Every beginner and non-programmer can build a remote experiment with Arduino
and our freely downloadable software kit "Remduino Lab SDK".
Key words: remote laboratories, Arduino, ISES
Úvod
Počet vzdálených laboratoří na celém světě i v České republice stagnuje nebo spíše klesá. Například
současný významný celoevropský projekt Go-Lab (2018) zahrnuje pouze 63 on-line vzdálených
experimentů, v ČR projektu „e-laboratoř iSES“ běží asi 40 vzdálených experimentů. Proč je toto číslo
tak nízké? Vývoj nových reálných vzdáleně řízených laboratoří je zřejmě příliš složitý a nákladný,
vyžaduje trvalý servis apod. V příspěvku přicházíme s alternativním řešením, které nepoužívá
profesionální systémy jako LabVIEW (ve světě) či ISES (v ČR). Máme sice k dispozici profesionální
řešení vzdálených experimentů se systémem ISES, ale aby si mohl vzdálený experiment vyzkoušet
opravdu každý DIY (Do It Yourself) začátečník a neprogramátor, tak nyní přicházíme s novou
platformou – deska Arduino a zdarma dostupná softwarová stavebnice „Remduino Lab SDK“.
Dále mnoho příspěvků často diskutuje a porovnává vzdálené, virtuální a vzdálené laboratoře nebo
jejich integraci. Uživatelé vzdálené laboratoře mají často pochybnosti, zda je vzdálený experiment
skutečně reálný. Proto přicházíme s novým typem experimentu -"hands-on-remote" experiment, který
je integrací hands-on a vzdáleného experimentu. A budeme ho demonstrovat rovněž na platformě
Arduino a „Remduino Lab SDK“. Student nebo učitel sestaví experiment a klasicky (hands-on, resp.
s počítačem) ho demonstruje před třídou. Ale ovládací program tohoto experimentu umožňuje bez
jakýchkoliv úprav, aby tento experiment mohli sledovat, ale i řídit, studenti ze svých lavic
prostřednictvím svých mobilních zařízení (BYOD, Bring Your Own Device). Takovýto experiment
nazýváme „near remote experiment“ (blízký vzdálený experiment). A úplně nakonec – ten samý
experiment, bez jakýchkoliv úprav, je ihned vzdáleně přístupný mimo školní budovu prostřednictvím
DOI: 10.5507/tvv.2018.006 Trendy ve vzdělávání 2018
25
internetu jako standardní vzdálený experiment, který zde pro odlišení nazýváme „far remote
experiment“ (daleký vzdálený experiment).
1 Trendy v řešení vzdálených laboratoří
První vzdálené experimenty se začaly objevovat s příchodem Internetu kolem roku 1991, (Aktan,
1996), (Schumacher, 2007), (Gröber, 2007) aj. Naše první vzdálené experimenty na MF-UK Praha
byly vytvořeny v letech 2001-2002 a byly založeny na Java runtime prohlížečovém pluginu (Schauer,
Lustig, 2008), (ISES WEB Control, 2012). Tato technologie měla bezpečnostní problémy a zastarala.
Proto byly všechny experimenty kolem roku 2013 přepracovány na JavaScript. Počet vzdálených
laboratoří na celém světě se mění: v roce 2004 bylo přibližně 60 vzdálených laboratoří, v roce 2006
se počet zvýšil na 120 a v roce 2011 bylo vytvořeno více než 300 vzdálených laboratoří. Např.
současný projekt GO-LAB (2018) nyní nabízí pouze 63 vzdálených experimentů (květen 2018). Náš
projekt „e-laboratoř iSES“ na MFF-UK Praha (Dvorak, 2013) poskytuje 18 online vzdálených
laboratoří. Používá naše vlastní softwarové řešení "iSES Remote Lab SDK" a měřicí systém ISES.
Další významný projekt využívající ISES a "iSES Remote Lab SDK" je (RemLabNet, 2018) v Trnavě
na Slovensku.
Další projekty používají různé softwarové a hardwarové platformy Většina těchto vzdálených
experimentů je založena na hardware LabVIEW, např. (WebLab Deusto, 2018), (RExLAB, 2018),
(UNILabs, 2018) aj. Ale zdá se, že platforma LabVIEW je příliš komplikovaná pro začátečníky
a neprogramátory. Dále jsou vzdálené experimenty často založeny na různých vývojových
platformách DIY s mikrokontroléry, obvykle Arduino a Raspberry (Kaluz, 2018), (Sobota, 2013),
(Cvjetkovic, 2017). Nově se objevují vzdálené experimenty založené na vývojové platformě
programovatelných polí (FPGA).
Jaký je pokrok ve vývoji a šíření vzdálených laboratoří? Proč je počet skutečných vzdálených
laboratoří tak nízký? Můžeme zmínit několik možných důvodů: vzdálené laboratoře jsou příliš drahé,
vyžadují trvalé služby a poměrně složitě se vyvíjejí nové. Po roce 2010 začaly mnohé z existujících
volně přístupné vzdálené experimenty mizet. Univerzity začaly aktivně blokovat volné přístupy
a zpřístupňovaly své vzdálené experimenty pouze svým studentům. Dále vidíme, že se provozovatelé
vzdálených laboratoří spíše soustředí na „vyšší“ management laboratoří, RLMS (Remote Laboratory
Management Systems), cloudy, Massive Open Online Courses (MOOC) a Massive Open Labs
(MOOL).
2 Vzdálené laboratoře se zjednodušenými systémy ISES
Zjednodušování tvorby vzdálených experimentů jsme nejdříve začali zjednodušováním systému
ISES. Kromě profesionální verze ISES, která má mnoho vstupů a výstupů, velkou vzorkovací
frekvenci aj. jsme vyrobili verze ISES-LAN a ISES-WIN (viz obr.1).
DOI: 10.5507/tvv.2018.006 Trendy ve vzdělávání 2018
26
Obrázek 1 – Nové zjednodušené měřicí systémy ISES-LAN a ISES-WIN
ISES-LAN má kromě měřicího systému vestavěný plnohodnotný Windows počítač (ne Arduino, či
Raspberry Pi aj.). ISES-WIN má vestavěný Windows 10 počítač s barevnou dotykovou obrazovkou.
Obě verze mají 2x analogový vstup, 1x analogový výstupní kanál, 5x digitální výstupy/vstupy se
vzorkovací frekvencí 100 kHz. Řídicí software "iSES Remote Lab SDK" dokáže pracovat až se
4 panely ISES-LAN nebo ISES-WIN.
Stavebnicový software „iSES Remote Lab SDK“ pro snadnou tvorbu vzdálených experimentů má na
serverové straně software MeasureServer, pro komunikaci s měřicím panelem, WebServer pro
vytvoření WWW aplikace a též ImageServer, který distribuuje videopřenos pořízený webovou
kamerou. Klienti se ke vzdálenému experimentu připojují pomocí běžných webových prohlížečů
(Internet Explorer, Google Chrome aj.).
Pro vytvoření uživatelského rozhraní experimentu jsme připravili knihovnu cca 20 komponent
JavaScriptu (widgety) - "iSES Remote Lab SDK". Tato knihovna je volně distribuována pod licencí
Creative Commons. Jednotlivé widgety jsou vysoce konfigurovatelné a poskytují mnoho důkladně
zdokumentovaných možností, které umožňují dokonce i neprogramátorům vytvářet kompletní
rozhraní pro měření a řízení s přenosem dat a videa.
3 Vzdálené experimenty s Arduinem
Vzdálené experimenty s Arduinem byly realizovány např. (Kaluz, 2018), (Sobota, 2013),
(Cvjetkovic, 2017). V těchto případech se využívalo spojení Arduino desky a Raspberry
jednodeskového počítače. Raspberry se zde staral o WEB server a videopřenos, vlastní měření se
provádělo přes Arduino. My jsme použili spojení Arduino a počítač. Desku Arduino-Uno využíváme
pouze jako převodník A/D a D/A, který je připojen přes USB port k PC s operačním systémem
Windows. Lite verze "Remduino Lab SDK" je volně stažitelná na úvodní stránce www.ises.info.
"Remduino Lab SDK" podporuje měření na vstupním pinu A0 (např. pro snímač teploty) a ovládání
jednoho digitálního výstupního pinu D3 (např. pro relé). Plná verze „Remduino Lab SDK“ sady
podporuje všechny Arduino desky a všechny vstupními/výstupními piny, XY záznam, ovládání
posuvníkem, dlouhodobý záznam, analogový výstup, aj. Obě verze samozřejmě poskytují živý
kamerový pohled, datový záznam a funkci exportu dat např. do MS Excel. Příklady ze softwarové
stavebnice "Remduino Lab SDK" mají nejjednodušší možný kód a většinou používají výchozí
nastavení pro všechny komponenty. Tyto jednoduché příklady lze libovolně sloučit a kombinovat,
takže i začátečníci jsou schopni rychle sestavit i složité vzdálené měřicí a řídicí rozhraní.
Při přednášce budou živě prezentovány jednoduché kompletní příklady vzdálených experimentů
s Arduinem a „Remduino Lab SDK“ (např. volt-ampérová charakteristika LED diod, nabíjení
DOI: 10.5507/tvv.2018.006 Trendy ve vzdělávání 2018
27
a vybíjení kondenzátoru, kmity na pružině, jednoduchá automatizace projekt „Vytápění a chlazení“),
(viz obr. 2). Tyto experimenty jsou opět volně stažitelné na www.ises.info. Je zde i podrobný návod
na instalaci. Tyto ukázkové kompletní vzdálené úlohy umožňují měření, řízení, záznam a export dat
a mají on-line videopřenos a lze zprovoznit během pár min.
Obrázek 2 – Vzdálené experimenty s Arduinem
4 „Hands-on-Remote“ experimenty
Hands-on experimenty jsou nezbytnou součástí přírodovědného vzdělávání. Rozšiřování
počítačových technologií přineslo počítačem podporované (CAE) experimenty. S příchodem
Internetu se objevily virtuální laboratoře s animacemi, simulacemi, či modelováním. O něco později
se zrodily vzdálené laboratoře. Nové technologie a možnosti zahájily diskuse odborníků, jaké
laboratoře jsou nejpřínosnější. Tak jak se experimenty rozdělily na hands-on, virtuální a vzdálené,
tak se nyní objevuje snaha o integraci vzdálených a virtuálních experimentů (integrovaný e-learning).
My se nyní pokoušíme o propojení hans-on a vzdálených experimentů. Přicházíme s „hands-onremote“
experimentem, který je zároveň hands-on a zároveň vzdálený. Student nebo učitel sestaví
školní experiment a klasicky (hands-on, resp. na počítači) ho demonstruje před třídou. Ale ovládací
program tohoto experimentu umožňuje bez jakýchkoliv úprav, aby tento experiment mohli sledovat
ale i řídit studenti ze svých lavic prostřednictvím svých mobilních zařízení (BYOD, Bring Your Own
Device). Takovýto experiment nazýváme „near remote experiment“ (blízký vzdálený experiment).
A úplně nakonec – ten samý experiment, bez jakýchkoliv úprav, je ihned vzdáleně přístupný mimo
školní budovu prostřednictvím internetu jako standardní vzdálený experiment, který zde pro odlišení
nazýváme „far remote experiment“ (daleký vzdálený experiment).
Arduino - Lite version
Arduino - VA char. of LEDs
Arduino - capacitor charging and discharging
DOI: 10.5507/tvv.2018.006 Trendy ve vzdělávání 2018
28
Naše nové "hands-on-remote" experimenty nevyžadují žádné další instalace, vzdálený experiment
může být publikován na webu a sdílen za cca 10 minut. Experimenty na dálku jsou dostupné
prostřednictvím smartphonů a dalších mobilních zařízení. V našem původním přístupu k dálkovému
experimentování (hands-on-remote) student zažívá všechny důležité fáze: 1. sestavení (instalace)
praktického experimentu (lokální), 2. vytvoření řídicí webové stránky s lokálním přístupem,
3. "vzdálené" řízení experimentu v rámci třídy a 4. "vzdálený" přístup k reálnému experimentu na
dálku, i mimo školu a po školním vyučování.
Očekáváme, že tento přístup může vyvolat motivaci mezi potenciálními novými tvůrci vzdálených
experimentů. Věříme, že vzdálené experimenty s Arduino a "Remduino Lab SDK" by se mohly stát
zárodkem nové široké základny vzdálených experimentů.
Závěr
Viděli jsme, jak se pozitivně změnil postoj studentů ke vzdáleným experimentům, když si je
vyzkoušeli přímo ve škole během hodiny. Proto očekáváme, že by náš nový navrhovaný přístup
pomocí Arduino „hands-on-remote“ experimentů, který je opravdu snadno dostupný každému, mohl
vést k masivnějšímu vzdálenému experimentování a k vytvoření vysněných masivních otevřených
on-line laboratoří (MOOLs).
Literatura
Aktan, B. Bohus, C. Crowl, L. and Shor, M. H. (1996) Distance Learning Applied to Control
Engineering Laboratories. IEEE Transactions on Education. 39(3), 320-326.
Cvjetkovic, V. M. Stankovic, U. (2017). Arduino Based Physics and Engineering Remote
Laboratory. iJOE. 13(1), 87-105. Dostupné z https://doi.org/10.3991/ijoe.v13i01.6375.
Dvorak, J. Kuriscak, P. Lustig, F. (2013) iSES Remote Lab SDK – internet School Experimental
Studio for Remote Laboratory Software Development Kit, Business and License Agreement: SME
RNDr. Frantisek Lustig. U Druhe Baterie 29, 162 00 Praha 6, phone +420 602 858 056, 2013
[Online], [Accessed: 01-May-2018], unpublished.
e-laboratory project iSES, (2018) [Online]. Dostupné z http://www.ises.info/index.php/en [Accessed:
01-May- 2018].
GO-LAB, (2018) [Online]. Available: http://www.golabz.eu/, [Accessed: 01-May- 2018]. Dostupné
z http://www.ises.info/index.php/en/systemises/sdkisesstudio.
Gröber, S. Vetter, M. Eckert, B. and Jodl, H.-J. (2007). Experimenting from a Distance-Remotely
Controlled Laboratory (RCL). Eur. J. Phys. 28, 127-141.
ISES WEB Control - software pro vzdálené laboratoře se soupravou ISES, (2012), in Czech only,
unpublished. [Online], Dostupné z http://www.ises.info/old-site/index.php?f=relizace_vzdexp,
[Accessed: 01-May- 2018].
Kaluz, M. Cirka, L. Valo, R. Fikar, M. (2014) ArPi Lab: A Low-cost Remote Laboratory for Control
Education, In IFAC Proceedings Volumes. 47(3), 9057-9062. Dostupné
z https://doi.org/10.3182/20140824-6-ZA-1003.00963.
REMLABNET, (2018) [Online]. Dostupné z http://www.remlabnet.eu, [Accessed: 01- May-2018].
WebLab Deusto, (2018) [Online]. Dostupné z
https://weblab.deusto.es/weblab/client/?locale=es#page=experiment&exp.category=Visir
experiments&exp.name=visir, [Accessed: 01-May-2018].
RExLAB (2018) Remote Experimentation Laboratory [Online]. Dostupné z http://relle.ufsc.br/,
[Accessed: 01-May- 2018].
DOI: 10.5507/tvv.2018.006 Trendy ve vzdělávání 2018
29
Schauer, F. Lustig, F. Dvorak, J. Ozvoldova, M. (2008) An easy-tobuild remote laboratory with Data
Transfer Using the Internet School Experimental System. Eur. J. Phys. 29, 753-765.
Schumacher, D. (2007) Student Undergraduate Laboratory and Project Work. Editorial to the special
issue. Eur. J. Phys. 28(5).
Sobota, J., Pišl, R., Balda, P. and Schlegel, M. (2013). Raspberry Pi and Arduino boards in control
education. In 10th IFAC Symposium Advances in Control Education, 7–12. University of Sheffield,
Sheffield, UK.
UNILabs, (2018) Dostupné z http://unilabs.dia.uned.es/, [Accessed: 01-May-2018].
Kontaktní adresa:
František Lustig, doc. RNDr. CSc.,
KVOF, Matematicko-fyzikální fakulta UK Praha, Ke Karlovu 3, 120 00 Praha, ČR,
tel.: +420 602 858 056, e-mail: frantisek.lustig@mff.cuni.cz