METODE PRACTICE DE IMPLEMENTARE A LABORATOARELOR VIRTUALE ONLINE PENTRU DOMENIUL ELECTRONICII SAU AUTOMATICII METHODS FOR THE IMPLEMENTATION OF ONLINE

Transcriere

1 METODE PRACTICE DE IMPLEMENTARE A LABORATOARELOR VIRTUALE ONLINE PENTRU DOMENIUL ELECTRONICII SAU AUTOMATICII METHODS FOR THE IMPLEMENTATION OF ONLINE VIRTUAL LABORATORIES IN ELECTRONICS OR AUTOMATION CORNEL CONSTANTIN-EUGEN Postdoctorand Institutul de Economie Mondială Academia Română Universitatea Hyperion din Bucureşti, Ştiinţe Exacte şi Inginereşti eugen.cornel@hyperion.ro Rezumat: Laboratoarele virtuale online sunt o cerinţă pentru un învăţământ modern şi eficient, care să pună la dispoziţia studenţilor şi elevilor instrumentele educaţionale corespunzătoare dezvoltării oricărui profil de viitor angajat în economia românească sau internaţională. Lucrarea prezintă câteva instrumente practice pentru dezvoltarea de laboratoare virtuale online pentru domeniul electronicii sau automaticii, punându-se accentul pe resursele hardware-software disponibile astăzi la preţuri mici şi într-o varietate mare. Un rol important îl are progresul electronicii moderne prin apariţia microcontrolerelor şi dezvoltarea de module şi platforme care să necesite eforturi cât mai mici de programare şi implementare. Astfel, în lucrare se prezintă şi o demonstraţie practică de implementare a unor astfel de platforme electronice de laborator care să fie accesate, monitorizate şi controlate de la distanţă cu ajutorul unor tehnici şi servicii web. Cuvinte cheie: laborator virtual, platformă electronică, e-learning, servicii web Clasificare JEL: L63, L86 Abstract: Online virtual labs are a requirement for a modern and efficient education. They can facilitate appropriate educational tools for the future development of any employee profile in Romanian or international economy. The paper presents some practical tools for the development of online virtual labs in the fields of electronics and automation. Our research will highlight the role of hardware-software resources available today at low prices and a large variety. An important role is played by the advent of modern electronics microcontrollers progress and development of modules and platforms that require little effort as programming and implementation. Thus, the paper presents a practical demonstration and deployment of such electronic laboratory platform to be accessed, monitored and controlled remotely by means of techniques and web services. Keywords: virtual laboratory, electronic platform, e-learning, web services 98

2 1. Stadiul actual al cercetărilor în domeniu În ultimii ani au apărut organizaţii care oferă produse şi servicii complete pentru învăţământul modern, inclusiv laboratoare virtuale pentru domeniile electronică sau automatică. Costurile de achiziţie ale unui sistem integrat complet pentru o serie de lucrări de laborator sunt de ordinul a zeci de mii de euro. Dezavantajul major: costurile ridicate. Un exemplu de furnizor în ţară al unor astfel de echipamente didactice aduse din import este firma TECHNO VOLT S.R.L.[1] (figura 1). Fig. 1 Exemplu de laborator virtual, platformă integrată oferită de [1] Sursa: Imagine creată utilizând sursa publică: În ţara noastră există instituţii de învăţământ, în special de stat, care au achiziţionat astfel de sisteme didactice cu ajutorul fondurilor europene sau de la statul român. Totuşi, alte instituţii nu-şi pot permite achiziţionarea lor, dar sunt nevoite să găsească soluţii alternative, pentru a rămâne competitivi în mediul academic şi a avea capacitatea să furnizeze un proces de învăţământ modern. Soluţii alternative de implementare a laboratoarelor virtuale Electronica modernă a permis dezvoltarea de module şi platforme revoluţionare, bazate pe microcontrolere de 8, 32 şi chiar 64 de biţi, suficient de performante pentru dezvoltarea de sisteme variate precum platforme de laborator în domeniile electronică şi automatică. Majoritatea unor astfel de module se produc în China şi chiar de producători chinezi, în consecinţă, având preţuri foarte scăzute de achiziţie. Drept avantaje se enumeră: Costuri FOARTE mici; Ofertă extinsă de biblioteci de programe pentru platformele cu microcontrolerele pe 8 biţi (exemplu: ARDUINO); Implementarea rapidă a instalaţiilor electronice implicate, datorită unei conectivităţi uniformizate. Iar ca şi dezavantaj: 99

3 Cunoştinţe de programare avansată pentru implementarea laboratoarelor utilizând microprocesoare ARM pe 32 sau 64 de biţi. 2. Demonstraţie practică Pe perioada cercetării în mobilitatea transnaţională la universitatea TUM am proiectat şi testat un laborator virtual online pentru monitorizarea şi controlul unei platforme electronice, echipată cu senzori şi elemente de acţionare. Obiectivul a fost integrarea unei pagini HTML în cadrul unui curs pe o platformă Moodle, în scopul demonstrării unei posibilităţi de integrarea a laboratoarelor tehnice în sistemele de învăţare la distanţă, Moodle în cazul de faţă (figura 2). Fig. 2 Integrarea unei patforme electronice ca laborator virtual în Moodle Sursa: Imagine creată utilizând sursa publică: Platforma electronică a aplicaţiei Componentele electronice utilizate în dezvoltarea platformei fizice de laborator sunt: Platforma de dezvoltare ARDUINO NANO, având un microcontroler AVR Atmel ATmega328P pe 8 biţi; Adaptor pentru conectivitate reţea, Arduino ETHERNET SHIELD (WIZnet W5100); Un senzor cu ultrasunete, HC-SR04; Un senzor de temperatură, LM35; Un servo-motor; Un LED RGB; Placă de test tip breadboard. 100

4 Fig. 3 Schema modulară de interconexiune a componentelor platformei electronice Sursa: Imagine creată utilizând sursa publică: Fig. 4 Platforma fizică electronică Sursa: Imagine creată utilizând sursa publică: Cu ajutorul acestei platforme se pot dezvolta aplicaţii de monitorizare şi control de la distanţă, precum: Controlul vitezei unui servomotor; Aprinderea/stingerea unui LED RGB; Citirea de date de la senzori (temperatură, ultrasunete). 101

5 În figura 3 se prezintă schema electronică bloc a platformei fizice, realizată de autor în aplicaţia grafică Fritzing [2]. Platforma ARDUINO NANO monitorizează parametrii de la senzori (temperatură, ultrasunete) şi comandă led-ul RGB şi servo-motorul. Operaţiunile de monitorizare şi comandă de la distanţă sunt posibile cu ajutorul modulului Ethernet WIZnet W5100, conectat şi comandat de platforma Arduino NANO. Figura 4 ilustrează interconectarea reală a tuturor componentelor platformei electronice. Placa de test tip breadboard a permis conectarea cu uşurinţă a componentelor şi modulelor în cadrul platformei electronice. Realizând un studiu de piaţă pentru achiziţionarea tuturor componentelor platformei electronice vom obţine următoarele costuri, utilizând magazinele online ebay.com şi hobbyking.com: Tabelul 1: Componentele platformei electronice Componentă / modul Preţ (USD) platforma de dezvoltare ARDUINO NANO 5 adaptor reţea Arduino ethernet (WIZnet W5100) 13 senzor cu ultrasunete HC-SR04 1 senzor de temperatură LM35 1 servo-motor cuplu 2.5 Kg.cm 6 led RGB 2 breadboard 5 TOTAL Sursa: Prelucrarea autorului 33 USD După cum se poate observa mai sus, preţurile de achiziţie pentru o astfel de platformă sunt foarte acceptabile, iar studiul realizat demonstrează inclusiv calitatea produsului final. 3. Codul sursă al aplicaţiei Întreaga aplicaţie software este dezvoltată cu ajutorul mediul de programare Arduino IDE [3], utilizând un limbaj de programare asemănător cu C/C++. Pagina HTML este integrată în codul C şi este furnizată prin protocolul TCP/IP cu ajutorul modulului Ethernet. În continuare se prezintă o parte a codului sursă al aplicaţiei: 102

6 103

7 În urma compilării şi execuţiei codului sursă, platforma electronică va furniza o pagină HTML, în care se pot observa datele primite de la senzori şi elemente web de acţionare a servomotorului şi LED-ului RGB. Platforma electronică furnizează adresă IP atribuită de către reţea, pentru accesul la pagina HTML. 4. Integrarea în platforma de e-learning MOODLE Pagina web este deservită de către platforma cu microcontroler Arduino Nano, prin modulul ethernet şi integrată în Moodle [4] cu ajutorul adresei IP şi locaţiei URL. Astfel, studenţii au posibilitatea studierii unor procese precum automatizarea direct dintr-o platformă de e-learning, inclusiv acţionarea unor elemente fizice de la distanţă prin intermediul acesteia. Figura 5 prezintă acest aspect. Fig. 5 Integrarea în Moodle paginii HTML furnizată de platforma electronică cu microcontroler Sursa: Cercetarea autorului Avantajul major al abordării constă în disponibilitatea serviciului educaţional de la distanţă, în cazul de faţă fiind studierea proceselor electronice sau de automatizare. Prin intermediul paginii web integrate se poate monitoriza temperatura senzorului LM35 şi detecţia unei mişcări în faţa senzorului cu ultrasunete HC-SR04. De asemenea, se pot acţiona butoanele LED1-ON şi LED1-OFF 104

8 pentru aprinderea şi stingerea led-ului RGB, respectiv butoanele Servo-0, Servo-45 şi Servo-90 pentru comanda mişcării servo-motorului la unghiuri de 0, 45 şi 90 de grade. 5. Concluzii În lucrarea de faţă am prezentat o metodă modernă şi financiar avantajoasă pentru implementarea de laboratoare virtuale online în domeniile electronicii sau automaticii. Abordarea s- a dovedit a fi o alternativă satisfăcătoare la produsele şi serviciile costisitoare oferite de unele companii din ţară. S-a ţinut cont de beneficiile oferite de electronica modernă, accesibilă şi ca preţ şi ca disponibilitate, studiul având ca finalitate dezvoltarea unei platforme electronice cu senzori şi elemente de acţionare, care poate fi accesată de la distanţă printr-o pagină web integrată într-un curs aflat pe o platformă de e-learning Moodle. Laboratoarele virtuale online sunt o cerinţă crescândă atât pentru avansul academic şi ştiinţific românesc, cât şi pentru pregătirea la un nivel înalt a viitorilor ingineri electronişti sau automatişti din România. Bibliografie [1]. Website TECHNO VOLT S.R.L., [2]. Platforma de proiectare electronică FRITZING, [3]. Pagina web a mediului de programare Arduino IDE, [4]. Platforma de e-learning open-source MOODLE, Acknowledgements Această lucrare a fost realizată cu sprijinul finanţării obţinute în cadrul proiectului de studii doctorale şi postdoctorale: Studii doctorale şi postdoctorale Orizont 2020: promovarea interesului naţional prin excelenţă, competitivitate şi responsabilitate în cercetarea ştiinţifică fundamentală şi aplicată românească Contract POSDRU/159/1.5/S/