Рисунок 2.11 - Интерфейс администратора лаборатории для назначения времени удалённой работы

После того как администратор удалённой лаборатории сделал оборудование доступным, студенты могут зарезервировать удобное для себя время из числа предложенных временных интервалов. Пример выбора времени приведен на рисунке 2.12.

Длительность каждого временного интервала определяется преподавателем, исходя из педагогических и технических соображений.

Доступ к ресурсам удалённой лаборатории осуществляется через защищённое Интернет-соединение по протоколу HTTPS. Это позволяет безопасно передавать данные и даёт уверенность конечным пользователям в безопасности работы в данной системе.



Рисунок 2.12 - Интерфейс студента для выбора подходящего временного интервала работы на стенде

При работе с Labicom.net в браузере пользователя в адресной строке появляется зелёная область защищённого соединения (рисунок 2.13)

Рисунок 2.13 - Индикация защищённого соединения www.labicom.net в адресной строке браузера

Не смотря на всю сложность информационных технологий и программной реализации данного портала, конечный пользователь работает только с веб-страницей, полученной с зарегистрированного адреса и зашифрованной при помощи SSL. Labicom.net использует только стандартные интернет-технологии (HTML, CSS, JavaScript) и не использует платформозависимые возможности (например, технологии подобные ActiveX). Наилучшую работу портала обеспечивают современные браузеры (такие как Google Chrome).

Пример подключенной лаборатории. Удалённая лазерная лаборатория (рисунок 2.14) МГТУ им. Н.Э. Баумана (RLL - Remote Laser Laboratory) является первым резидентом платформы Labicom.net. Она является ярким и характерным примером использования интернет-технологий для улучшения качества инженерного образования.

Данная лаборатория предоставляет возможность работы с лазерным стендом по сети Интернет. Программная часть RLL состоит из лабораторного сервера, написанного на LabVIEW, web-сервера Labicom.net и web-клиента (интернет-приложения в браузере пользователя).

Рисунок 2.14 - Стенд удалённой лаборатории RLL

Лабораторный сервер позволяет администратору лаборатории работать с оборудованием в режиме off-line, а также наблюдать за действиями пользователя во время использования ресурсов лаборатории. На рисунке 2.15 приведен графический интерфейс администратора лаборатории.

Приложение-клиент данной удалённой лаборатории представляет собой веб-страницу, содержащую элементы контроля для выполнения работы на лабораторном лазерном стенде (см. рисунок 2.16).

Рисунок 2.15 - Графический интерфейс пользователя лабораторного сервера RLL (администратора лаборатории)



Рисунок 2.16 - Графический интерфейс интернет - страницы пользователя RLL

Дальнейшая работа. В настоящее время Labicom.net находится в фазе активной разработки и тестирования. Предстоит решить технические вопросы передачи лабораторных данных в реальном времени, эффективной передачи потокового видео с веб-камер удалённых лабораторий, а также создать подробные руководства пользователей и локализации на другие языки. Не смотря на большое количество работы, которое остаётся проделать, основные элементы инфраструктуры платформы уже успешно работают, поэтому в ближайшем будущем следует подключить другие удалённые лаборатории для дальнейшего развития проекта и более полного тестирования.

2.2 Сравнительный анализ ЛУД

Сравнительный анализ технических характеристик достоинств и недостатков вышеописанных ЛУД приведен в таблице 2.1.

Все выше описааные ЛУД имеют как достоинства, так и недостатки. Большим достоинством портала «нанолаборатория РГРТУ с дистанционным доступом к комплексу нанотехнологического исследовательского оборудования» является наличие возможности не только проведения научных экспериментов, но и дистанционного обучения, в свою очередь автоматизированный лабораторный практикум удаленного доступа МГТУ им. Н. Э. Баумана больше направлен на организацию экспериментальных исследований. На данный момент портал РГРТУ находится в стадии тестирования, что не позволяет относиться к ней с полным доверием, в то время как АЛП МГТУ им. Н.Э. Баумана функционирует с 2000 года.

В АЛП УД Российского университета дружбы народов отсутствует возможность использования реального оборудования, что исключает возможность использования их опыта в создании ЛУД в нашем университете.

Технология DiscoverLab Corporation используемая во Всемирной студенческой лаборатории WWSL - World Wide Student Laboratory представляет экономические и технические затруднения для ее использования как основной при создании АСЭИ СТУ АУЭС.

Интернет-платформа Labicom.net предоставляет готовое профессиональное решение для задач, возникающих у большинства on-line лабораторий, и освободив педагогические и научные коллективы от необходимости программирования одинаковых систем. Таким образом, при использовании платформы Labicom.net создатели удалённых лабораторий могут сконцентрировать свои усилия и средства на задачах, специфических только для данной конкретной лаборатории, что должно улучшить её качество и сократить время разработки и внедрения

На основании проведенного сравнительного анализа (таблица 2.1) для разрабатываемой АСЭИ СТУ АУЭС в качестве аналога используется автоматизированный лабораторный практикум удаленного доступа МГТУ им. Н.Э. Баумана [8], так как используется наиболее доступная технология National Instruments, совместимая с используемым оборудованием в лаборатории АУЭС «Энергосбережение и возобновляемые нетрадиционные источники энергии». В то же время концепция создания web - сайта была выбрана как и у портала РГРТУ.

Таблица 2.1 - Сравнительный анализ ЛУД

Лаборатории удаленного доступа	Применяемая технология	Количество лабораторных практикумов	Наличие уникального оборудования	Достоинства	Недостатки
Автоматизированный лабораторный практикум удаленного доступа МГТУ им. Н. Э. Баумана	Преимущественно National Instruments	50	Да	Наличие большого количества уникального оборудования	Сложности при регистрации пользователя
Портал «Нанолаборатория РГРТУ с дистанционным доступом к комплексу нанотехнологического исследовательского оборудования»	Moodle	6 научных экспериментов и большое количество лабораторных работ	Да	Наличие широкого спектра подключенного уникального оборудования, а также возможность дистанционного обучения	Проект находится в стадии тестирования
АЛП УД Российского университета дружбы народов	National Instruments	24	Нет	Удобство использования, доступность	Отсутствие реального экспериментального оборудования
Всемирная студенческая лаборатория WWSL - World Wide Student Laboratory	DiscoverLab Corporation	38	Да	Наличие большого количества уникального оборудования, международный проект, широкий спектр возможностей	Сложности при регистрации пользователя, языковой барьер
Labicom.net	Преимущественно National Instruments	1	-	Предоставляет готовую инфраструктуру для размещения лаборатории: систему резервации лабораторного времени, бесплатный хостинг, защищённый канал передачи данных (SSL-сертификат)	Проект находится в стадии тестирования

Глава 3. Разработка автоматизированной системы экспериментальных исследований «Солнечная теплогенерирующая установка» в режиме удаленного доступа

3.1 Постановка задачи

В Алматинском университете энергетики и связи в учебно-научной лаборатории «Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии» разрабатываются несколько лабораторных практикумов (АЛП) на базе автоматизированных систем экспериментальных исследований (АСЭИ) для исследования различных объектов: фотоэлектрической станции, ветроустановки, котельной установки, станции метеонаблюдений, солнечной теплогенерирующей установки, тригенерационной установки.

Цель работы заключается в применении новейших компьютерных технологий и свойств сети Интернет в учебном процессе при разработке АСЭИ солнечной теплогенерирующей установки (СТУ). Предназначение данной установки заключается в том, чтобы замещать централизованное теплоснабжение и горячее водоснабжение альтернативными источниками энергии.

АСЭИ позволяет проводить различные виды экспериментальных исследований: выявление наиболее лучших вариантов организации тепло и электроснабжения и ГВС, сбор и обработка измерительной информации станции метеонаблюдений и измерения солнечной радиации, а также оценка качества выхлопных газов и др.

Задача данной работы состоит в разработке АСЭИ СТУ в режиме удаленного доступа. В результате выполнения работ на I этапе были разработаны:

- концепция дистанционного проведения эксперимента;

- методология удаленного реального эксперимента;

- архитектура информационно-образовательного ресурса;

- прототип информационно-образовательного ресурса;

- алгоритм выполнения дистанционного эксперимента.

В рамках разработанной концепции дистанционный эксперимент должен реализовывать следующие базовые элементы:

1) доступ пользователя к программному интерфейсу управления устройством;

2) многоракурсное удаленное видеонаблюдение за экспериментом;

3) аудиосвязь между оператором и удаленными пользователями;

4) сохранение данных выполненного эксперимента на компьютере удаленного пользователя.

Представленные элементы создают «эффект присутствия» удаленного пользователя в лаборатории в которой расположены исследовательское оборудование. Для регламентации последовательности действий и взаимодействия оператора и пользователя при выполнении дистанционного эксперимента необходима разработка методологии удаленного эксперимента.

В соответствии с разработанной методологией при выполнении дистанционного эксперимента используется следующая последовательность действий:

1) процедуры регистрации и авторизации на информационно-образовательном ресурсе;

2) запрос на использование оборудования и заключение договора;

3) подготовка клиентского компьютера для выполнения удаленного эксперимента;

4) согласование времени выполнения эксперимента;

5) подготовка исследовательского оборудования к эксперименту, запуск серверно-коммуникационной и информационной систем обеспечения дистанционного выполнения эксперимента;

6) выполнение дистанционного эксперимента;

7) сохранение данных в базе данных;

8) завершение соединения, протоколирование, формирование отчета о выполнении работы.

Выполнение дистанционного эксперимента осуществляется посредством сети Internet. Сайт (п. 4.3.1) содержит окна доступа к программному интерфейсу управления устройством, окна видеодоступа к лаборатории и аудиоканал связи с оператором, что создает «эффект присутствия» и обеспечивает полноценное участие в выполнении эксперимента. Сайт также обеспечивает доступ к базе данных выполненных экспериментов и содержит информационно-образовательные ресурсы.

В ходе выполнения работ были разработаны структура и наполнение сайта. Доступ к комплексу оборудования для солнечных коллекторов осуществляется в соответствии с разработанной методологией и алгоритмом выполнения дистанционного эксперимента. Алгоритм выполнения работ регламентирует последовательность выполнения дистанционного эксперимента в образовательных и научных целях.

Особенностью реализации проекта является создание универсального подхода к обеспечению удаленного доступа к комплексу аппаратно-программных средств.

Другой особенностью является распределенный характер учебно-исследовательской лаборатории комплексных исследований с удаленным доступом. Такой подход обеспечивает охват максимально широкого спектра оборудования для исследования солнечных излучении, предоставляемого в режиме удаленного доступа и позволяет дальнейшее малозатратное расширение возможностей элемента научно-образовательной инфраструктуры путем подключения к информационному ресурсу оборудования других организаций.

В результате выполнения работ на 2 этапе были выполнены следующие действия:

- исследована солнечная теплогенерирующая установка;

- разработана структура и исследованы задачи АСЭИ СТУ;

- исследованы способы и методы организации удаленного доступа;

- разработан АЛП СТУ, для которого:

- разработан виртуальный стенд для исследования характеристик солнечной теплогенерирующей установки и теоретического расчета в среде графического программирования LabVIEW;

- разработан интерфейс физического стенда для проведения физических экспериментов на солнечной теплогенерирующей установке и в среде графического программирования LabVIEW;

- разработана БД результатов физического эксперимента;

- разработана методика проведения физического эксперимента в режиме удаленного доступа;

- проведены эксперименты на СТУ в ручном режиме работы ГНУ.

3.2 Солнечная теплогенерирующая установка учебно-научной лаборатории АУЭС «Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии»

Лабораторный стенд солнечной теплогенерирующей установки включает в себя следующие основные элементы: солнечные коллектора; тепловой насос; бак аккумулятор; теплообменник; теплоизолированный трубопровод для подачи теплоносителя (нагретой воды) из теплообменника в солнечный коллектор; теплоизолированный трубопровод для подачи теплоносителя из солнечного коллектора в теплообменник. На трубопроводе установлены датчик температуры, расходомер и вентиль. Вентиль должен обеспечивать плавную регулировку расхода теплоносителя с точностью ±1%. Солнечные коллектора установлены на гелионавигационной установке в корзинах, закрепленных на турелях и поворачивающихся с помощью двигателей ИМ4 и ИМ5 по тангажу. Турели установлены на двигателях ИМ2 и ИМ3, которые поворачивают их по азимуту. Вся эта конструкция крепится на траверсе, которую поворачивает двигатель ИМ1 по солнцу.

СТУ на базе УНЛ АУЭС «Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии» (см. рисунок 2.1) включает в себя: 1 - солнечные коллектора, 2 - тепловой насос, 3 - бак-аккумулятор, 4 - циркуляционные насосы, 5 - автоматический клапан (задвижка), 6 - расходомер, 7 - вентиль с электродвигателем, 8 - датчик температуры (термометр сопротивления), 9 - датчик давления (манометр), 10 - трехходовой клапан с электродвигателем, 11 - расширительный бачок для сброса лишнего давления в баке аккумуляторе, 12 - расширительный бачок для регулирования давления в системе, 13 - ручная задвижка.

Рисунок 3.1 - Лабораторная установка СТУ

Солнечные лучи, проникая через стекло, нагревают теплоноситель. Теплоноситель под действием циркуляционных насосов выходит из коллектора, а на его место поступает новая порция теплоносителя. Далее нагретый теплоноситель передается по трубам в теплообменник и отдает свое тепло воде в баке - аккумуляторе. Тепловой насос нагревает теплоноситель до нужной температуры, находящийся в баке-накопителе, из которого уже горячая вода подаётся в систему отопления.

Часть тепла от теплового насоса нагревает воду в бойлере, которая подаётся в систему горячего водоснабжения.

Солнечные коллектора расположены на гелионавигационной установке (гелиостате).

Гелиостат - устройство для поворота солнечных панелей к солнцу под определенным углом по тангажу и азимуту. Схема гелиостата представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2- Схема гелиостата

Обозначения на рисунке:

1 - опора;

2 - поворотная траверса;

3 - турель (2 штуки);

4 - корзина солнечной панели (2 штуки);

ИМ - 1 - исполнительный механизм поворотной траверсы;

ИМ - 2, ИМ - 3 - исполнительные механизмы поворота турелей (по горизонту);

ИМ - 4, ИМ - 5 - исполнительные механизмы поворота корзины (по тангажу).

ИМ - 1, ИМ - 2, ИМ - 3 поворачиваются по азимуту.

Устройство состоит из пяти двигателей с несущей траверсой. Первый основной двигатель ИМ-1 осуществляет поворот всей траверсы по отношению к солнцу. Два двигателя ИМ-2 и ИМ-3 вращаются вокруг своей оси и относительно траверсы, и служат для поворота солнечных панелей по азимуту. Азимут - это часовой угол в градусах. Каждый час изменяется на 15° от начала отсчета 12 часов дня.

Оставшиеся два двигателя ИМ-4 и ИМ-5 установлены на двух азимутальных двигателях, и вращаясь на них, служат для поворота солнечных панелей по тангажу. Так как наивысшая высота солнца над горизонтом в широте города Алматы не превышает 70°, то максимальный угол поворота по тангажу принят за 90°. В нашем случае при помощи гелиостата мы сможем менять угол наклона солнечных панелей и вычислить наилучший угол к солнцу, при котором повысится КПД. Реальный вид гелионавигационной установки с солнечными коллекторами изображен на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Гелионавигационная установка

3.3 Разработка структуры и постановка задачи АСЭИ СТУ

Основу АСЭИ составляет лабораторный сервер, подключение лабораторных установок к которому осуществляется посредством устройства ввода-вывода, либо устанавливаемых на его системных шинах, либо подключаемых посредствам соответствующих портов (COM,USB), (рисунок 3.4). Под лабораторным сервером понимается обычный персональный компьютер (ПК), который в сочетание с устройством ввода-вывода и соответствующим программным обеспечением (ПО) реализует функции различных измерительных приборов и позволяет автоматизировать процессы измерения и управления.

Рисунок 3.4 - Схема АСЭИ СТУ

В рамках разработанной системы дистанционный эксперимент должен реализовывать следующие базовые элементы:

1) доступ пользователя через web-сайт к программному интерфейсу управления устройством;

2) передача управления контроллером NI Compact Field Point от сервера к пользователю;

3) сохранение данных выполненного эксперимента в базе данных, а также обработка и выполнение запросов удаленным пользователем.

Функционирование АСЭИ СТУ в режиме удаленного доступа осуществляется по принципу клиент-сервер. Доступ удаленных пользователей (студент или преподаватель) к лабораторным ресурсам осуществляется через глобальную сеть интернет. Задействованные в системе лабораторные ресурсы носят распределенный характер, так как не требуют локализации в рамках одного помещения, а могут являться отдельными лабораториями, расположенными как в одном, так и в разных учебных заведениях ВУЗа, соединенными локальной сетью. Таким образом, необходимо реализовать передачу данных между удаленным пользователем и лабораторной установкой. Передача данных должна быть обеспечена по двум участкам:

1) глобальная сеть интернет (удаленный пользователь - глобальный сервер системы),

2) локальная сеть ВУЗа (сервер системы - лабораторные ресурсы).

В соответствии с разработанной методологией при выполнении дистанционного эксперимента используется следующая последовательность действий:

1) прежде всего, необходимо связаться с менеджером АУЭС и заключить договор;

2) пройти регистрацию и авторизацию на сайте АСЭИ;

3) подать заявление на выполнение лабораторной работы на физическом стенде;

4) согласовать время выполнения эксперимента;

5) подготовка исследовательского оборудования к эксперименту;

6) выполнение дистанционного эксперимента;

7) сохранение данных в базе данных;

8) завершение соединения, протоколирование, формирование отчета о выполнении работы.

АСЭИ решает такие задачи как: определение количество тепловой энергии падающей на коллектор, удельная мощность коллектора, температура теплоносителя на выходе, КПД коллектора, тепловые потери, и т.д.

3.4 Создание web - сайта

Web - сайт был написан на языке PHP и создан с помощью фреймворка Bootstrap.

3.4.1 Описание языка PHP

PHP -- это язык программирования, который давно уже перерос свое название. Дело в том, что первоначально это был просто набор макросов, предназначенных для создания несложных личных Web-страниц, и название РНР -- не более чем аббревиатура от слов personal home page (личная домашняя страница). Но со временем набор макросов превратился в полноценный язык программирования, с помощью которого можно создавать развитые Web-узлы, обменивающиеся информацией с современными базами данных.

По мере того как развивались возможности языка, росла и его популярность. По данным компании NetCraft (http://www.netcraft.com), на ноябрь 1999 г. технология РНР использовалась более чем на 1 миллионе Web-узлов, а к февралю 2000 г. эта цифра достигла 1,4 млн. По данным компании E-Soft, PHP -- это самый популярный модуль для сервера Apache, оставивший позади даже ModPerl.

В настоящее время создатели РНР называют его обработчиком гипертекста (HyperText Preprocessor). Это язык программирования, используемый на стороне сервера (server side scripting language), конструкции которого вставляются в HTML-текст.

В отличие от обычного HTML-текста Web-страницы, программа на РНР не передается браузеру, но обрабатывается препроцессором РНР или его модулями. Фрагменты HTML-текста при этом остаются без изменений, а операторы РНР выполняются и результат их обработки вставляется в HTML-текст, после чего все вместе передается браузеру. Программа на РНР может делать запрос к базе данных, создавать графические изображения, читать и записывать файлы, общаться с внешними серверами, то есть возможности такой программы практически не ограничены.

Фрагменты программного кода (так называемые сценарии) РНР записываются прямо в коде HTML Web-страниц. При этом они помещаются внутрь особого парного тега <?php... ?>. Давайте наберем в Блокноте вот такой HTML-код, содержащий небольшой сценарий РНР (выделен полужирным шрифтом):

<HTML>

<HEAD>

<TITLE>Пример в PHP</TITLE>

</HEAD>

<BODY>

<?php echo "<p>Добро пожаловать!</p>"; ?>

</BODY>

</HTML>

Оператор вывода echo выводит строковое значение, указанное после него, в то место страницы, где сам находится. Что касается самого строкового значения, то оно заключено в двойные кавычки (это важно!) и содержит HTML-код обычного абзаца, содержащего слово Добро пожаловать!

3.4.2 Фреймворк Bootstrap

Bootstrap - это open source фреймворк, созданный на базе JavaScript и CSS и оперирующий отдельным языком, представляющим собой расширение каскадных таблиц -- LESS. Фреймворк обладает множеством встроенных инструментов, которые могут использоваться вместе с HTML или с любыми системами управления контентом (включая WordPress), поддерживающими внешние стили. Таким образом, его можно применять для создания любых веб-сайтов. Фреймворк содержит в себе определение базовых стилей для всех основных возможностей, применяющихся на сайтах: для аккордеонов, уведомлений, выпадающих списков, групп кнопок, каруселей, лейблов, списков, модальных окон, навигационных панелей, навигационных вкладок.

3.4.3 Создание web - сайта АСЭИ СТУ на PHP

Программное обеспечение лаборатории «Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии» выполнено на LabVIEW версии 8.5 и имеет возможность установки сервера.vi, что позволяет выполненным и исполняемым файлам доступ в сети. На нынешнем этапе тестирование программ выполнялась в локальной сети, в дальнейшем планируется выход в глобальную сеть. Блок-схема алгоритма программы управления экспериментом в ЛУД СТУ АУЭС предоставлена на рисунках 3.5-3.7. Подробное описание алгоритма работы на сайте по данным блок-схеме приведены ниже.

На главной странице (см. рисунок 3.8) пользователь может выбрать следующие вкладки, которые будут доступны только после регистрации:

- Выбрать виртуальные лабораторные работы;

- Учебный материал;

- Подать заявку на проведение эксперимента.

С помощью главного меню страницы есть возможность перейти на вкладки «Регистрация» (где вводятся все данные студента для получения доступа к работе на физическом стенде в режиме удаленного доступа), «Расписание» (содержит список студентов, дату и время проведения работы) и «Контакты» (см. рисунок 3.9) (содержит контактные данные университета).

Для того чтобы провести экспериментальные исследования на установке в режиме удаленного доступа, необходимо перейти по ссылке «Как стать участником научного эксперимента» (см. рисунок 3.10), где пользователь может найти всю необходимую информацию.

Листинг web-сайта на языке PHP приведен в приложении А.

После заключения договора с университетом, необходимо далее перейти на вкладку «Регистрация» (см. рисунок 3.11) и ввести свои данные, а также запомнить свой пароль и логин, которые были введены при регистрации для получения доступа к закрытой до этого момента информации.

Выбрав ссылку «Автоматизированная система экспериментальных исследований» (см. рисунок 3.12), пользователь переходит на страницу, где перечислены четыре автоматизированных лабораторных практикумов (АЛП), выбрав один из которых можно провести работу (но только после подачи заявки на выполнение эксперимента).

После регистрации и подачи заявки на выполнение эксперимента, пользователь заходит на страницу данной установки, т.е. АСЭИ СТУ (см. рисунок 3.13), в которой можно:

- прочитать описание установки нажав на «Описание СТУ»;

- перейти к работе на физическом стенде в режиме УД нажав на «Провести работу»;

- перейти к работе на виртуальном стенде, нажав на «ВЛР»

- в случае возникновения интереса к среде графического программирования LabView перейти по ссылке «LabView».



Рисунок 3.5 - Блок-схема алгоритма программы управления экспериментом в ЛУД СТУ АУЭС



Рисунок 3.6 - Блок-схема алгоритма подпрограммы «Работа на виртуальном стенде»



Рисунок 3.7 - Блок-схема алгоритма подпрограммы «Работа на физическом стенде»



Рисунок 3.8 - Главная страница сайта АСЭИ СТУ

Рисунок 3.9 - Вкладка «Контактные данные»

Рисунок 3.10 - Вкладка «Как стать участником научного эксперимента»



Рисунок 3.11 - Вкладка «Регистрация»

Рисунок 3.12 - Страница «АСЭИ»

Рисунок 3.13 - страница «АСЭИ СТУ»

На странице «Провести работу» (см. рисунок 3.14) необходимо ввести свой логин и пароль и нажать на кнопку «войти».

Рисунок 3.14 - страница «Провести работу»

3.4.4 Реализация удаленного доступа к лабораторному стенду

После идентификации имени и пароля откроется доступ к эксперименту. Появится интерфейс программы (см. рисунок 3.15), разработанной в LabVIEW. В данной части программы осуществляется передача управления от сервера к клиенту для управления контроллером National Instruments Compact Field Point. Пользователю необходимо собрать схему и выбрать режим гелионавигационной установки (ГНУ). После чего следует перейти к работе на физическом стенде, нажав на кнопку «Перейти на Физический стенд».

Описание блок диаграммы:

1 - условия загорания проводов между оборудованием;

2 - Case выбор режима ГНУ;

3 - Case выбора открытия файла (физический стенд): Open VI Reference (открытие новой лабораторной работы), Invoke Node (активировать ее);

4 - сброс кнопок: Reinitialize to Default;

5 - кнопка «Перейти на физический стенд».



Рисунок 3.15 - Интерфейс передачи управления контроллером

Рисунок 3.16 - Блок - диаграмма

После нажатия на кнопку «Перейти на физический стенд», пользователь переходит непосредственно к работе на физическом стенде и анализирует реальные данные, получаемые от СТУ. То есть, перед ним открывается интерфейс физического стенда, описанный в подразделе 4.2

После анализа и работы на физическом стенде, пользователь на вкладке «Расчеты» нажав на кнопку «Обработка данных», переходит непосредственно к работе с данными, занесенными в БД. То есть, открывается интерфейс «Обработка данных», где пользователь выполняет запросы к БД, описанные в подразделе 4.3. После этого он завершает удаленный эксперимент, нажав на кнопку «STOP».

Глава 4. Разработка автоматизированного лабораторного практикума Солнечной теплогенерирующей установки

4.1 Разработка виртуальной лабораторной работы СТУ в среде Lab View Real Time

Для создания прикладного программного обеспечения компьютерных систем сбора и обработки измерительной информации сегодня применяются специализированные средства, использующие принцип объектно-ориентированного программирования. Среди таких средств наиболее развитой и универсальной является среда графического программирования Lab VIEW фирмы National Instruments.

4.1.1 Описание среды графического программирования LabVIEW

Среда графического программирования Lab VIEW фирмы National Instruments предназначена для создания прикладного программного обеспечения информационно-измерительных систем, а также различных компьютерных систем сбора и обработки экспериментальных данных.

National Instruments LabVIEW - признанный лидер среди промышленных программных средств разработки систем моделирования, управления и тестирования. С момента появления в 1986 г. инженеры и ученые во всем мире стали применять LabVIEW на всех стадиях разработки изделий, добиваясь при этом более высокого качества, сокращая время выхода продукции на рынок, повышая эффективность проектирования и производства.

Графическое программирование и использование принципа потока данных LabVIEW естественным образом привлекает ученых и инженеров, поскольку открывает интуитивно понятный подход к созданию автоматизированных измерительных и управляющих систем. Сочетание языка потокового программирования со встроенными функциями ввода-вывода, элементами управления и индикаторами интерактивного пользовательского интерфейса делает выбор LabVIEW идеальным для ученых и инженеров.

Система LabVIEW включает в себя:

- ядро, обеспечивающее работоспособность программных процессов, разделение аппаратных ресурсов между процессами;

- компилятор графического языка программирования "G";

- интегрированную графическую среду разработки, выполнения и отладки программ;

- набор библиотек элементов программирования в LabVIEW, в том числе библиотеки графических элементов пользовательского интерфейса, библиотеки функций и подпрограмм, библиотеки драйверов, библиотеки программ для организации взаимодействия с измерительно-управляющими аппаратными средствами и т.п.;

- развитую справочную систему;

- обширный набор программ-примеров с возможностью как тематического, так и алфавитного поиска.

Программирование в системе LabVIEW максимально приближено к понятию алгоритм. После того, как вы продумаете алгоритм работы своей будущей программы, вам останется лишь нарисовать блок-схему этого алгоритма с использованием графического языка программирования "G". Не потребуется думать о ячейках памяти, адресах, портах ввода-вывода, прерываниях и иных атрибутах системного программирования. Данные будут передаваться от блока к блоку по "проводам", обрабатываться, отображаться, сохраняться в соответствии с вашим алгоритмом. Мало того, сам поток данных будет управлять ходом выполнения вашей программы. Ядро LabVIEW может автоматически использовать эффективные современные вычислительные возможности, такие как многозадачность, многопоточность и т.п. Процесс программирования в LabVIEW похож на сборку какой-либо модели из конструктора. Программист формирует пользовательский интерфейс программы - "мышкой" выбирает из наглядных палитр-меню нужные элементы (кнопки, регуляторы, графики и т.д.) и помещает их на рабочее поле программы. Аналогично "рисуется" алгоритм - из палитр-меню выбираются нужные подпрограммы, функции, конструкции программирования (циклы, условные конструкции и прочее). Затем также мышкой устанавливаются связи между элементами - создаются виртуальные провода, по которым данные будут следовать от источника к приемнику. Если при программировании случайно будет сделана ошибка, например какой-то провод будет подключен "не туда", то в большинстве случаев LabVIEW сразу обратит на это внимание программиста. После того, как алгоритм - блок-схема нарисован, программа готова к работе. Помимо библиотек, входящих в состав комплекта поставки системы LabVIEW, существует множество дополнительно разработанных программ. Многие из них свободно доступны через Internet. Собственные разработки пользователей, накопленные в процессе работы, могут размещаться в новых библиотеках и могут быть многократно использованы в дальнейшем.

Система программирования LabVIEW имеет встроенный механизм отладки приложений. В процессе отладки разработчик может назначать точки остановки программы, выполнять программу "по шагам", визуализировать процесс исполнения программы и контролировать любые данные в любом месте программы. Система LabVIEW позволяет защитить программы от несанкционированного изменения или просмотра их исходного кода. При этом разработчик может либо использовать пароли на доступ к приложениям, либо вовсе удалить исходный код из работающего приложения [9].

Созданную в среде LabVIEW прикладную программу принято называть Виртуальным прибором (ВП). В состав прикладной программы на LabVIEW входят две основные составляющие:

- лицевая панель виртуального прибора (Front Panel);

- функциональная панель или блок-диаграмма (Diagram).

Лицевой панелью (Front panel) (см. рисунок 3.4) называется окно, через которое пользователь взаимодействует с программой.

Рисунок 4.1 -Лицевая панель LabVIEW

Рисунок 4.2 - Блок-диаграмма

Лицевая панель (Front Panel) представляет собой интерактивный пользовательский интерфейс виртуального прибора, имитирующий лицевую панель традиционного прибора. На ней могут находиться ручки управления, кнопки, графические индикаторы и другие элементы управления (controls), которые являются средствами ввода данных со стороны пользователя, и элементы индикации (indicators) - средства вывода данных из программы. Лицевая панель в основном состоит из совокупности элементов управления (controls) и индикаторов (indicators) (см. рисунок 3.4). Элементы управления позволяют пользователю ввести данные: они передают данные в блок-диаграмму виртуального прибора. Индикаторы отображают выходные данные, являющиеся результатами выполнения программы.

Блок-диаграмма (Block Diagram) является исходным программным кодом ВП, созданным на языке графического программирования LabVIEW. Блок-диаграмма представляет собой реально исполняемое приложение. Компонентами блок-диаграммы являются: виртуальные подприборы, встроенные функции LabVIEW, константы и структуры управления. Объекты лицевой панели представлены на блок-диаграмме в виде соответствующих терминалов (terminals), через которые данные могут поступать от пользователя в программу и обратно.

Блок-диаграмма LabVIEW соответствует строкам текста в обычных языках программирования вроде С или Basic - это такой же реально исполняемый код.

4.1.2 ВЛР «Исследование характеристик солнечной теплогенерирующей установки»

При разработке виртуального стенда лабораторного практикума использовался метод имитационного моделирования. Под имитационным моделированием понимают машинное моделирование на ЭВМ, воссоздающее режим функционирования исследуемой системы с использованием математической модели объекта исследования и модели случайных воздействий.

Виртуальные модели воспроизводят погрешности, возникающие в приборах при измерении входной величины и учитывают их случайный характер.

Экспериментальное определение характеристик коллекторов даёт понимание специфических особенностей в работе коллекторов. В работе предложена методика теплоэнергетического расчета коллектора. Для выполнения расчета необходима исходная информация о проектируемом объекте теплоснабжения, данные о климатических условиях местности, о свойствах теплоносителя, значения коэффициентов, строительных норм и т.п.

Целью теплового расчёта плоского коллектора является определение тепловых потерь с его поверхности и суточный КПД.

Пользовательский интерфейс для работы на виртуальном стенде содержит 2 вкладки: окно оператора и расчеты. На вкладке «Окно оператора» представлена структурная схема солнечной теплогенерирующей установки и располагаются элементы управления входных параметров, задаваемых оператором (см. рисунок 4.3). На вкладке «Расчеты» располагаются элементы отображения расчетных данных (см. рисунок 4.4).

Рисунок 4.3 - Пользовательский интерфейс для работы на виртуальном стенде



Рисунок 4.4 - Интерфейс расчетных данных для виртуального стенда

На рисунке 4.5 представлена блок-диаграмма программы АЛП СТУ. На данной блок-диаграмме запрограммирован интерфейс виртуального стенда, представленного на рисунке 4.3 [12].

Рисунок 4.5 - Блок - диаграмма интерфейса виртуального стенда

1 - Входные сигналы, подаваемые с фронт панели в подпрограмму «Расчет КПД», где проводится расчет кпд первого коллектора согласно формулам, описанным в разделе (1.2.1.2). Перечень данных входных сигналов:

- угол наклона коллектора к горизонту;

- широта;

- число слоев остекления 1 коллектора;

- температура на входе;

- теплоемкость 1 коллектора;

- азимут поверхности 1 коллектора;

- расход теплоносителя 1 коллектора.

2, 3, 7, 8, 9 - Выходные данные, получаемые от подпрограммы «Расчет КПД»:

- коэффициент положения коллектора при рассеянной радиации;

- приведенная оптическая характеристика при рассеянной радиации;

- зенитный угол 1, 2 коллектора;

- угол падения солнечных лучей;

- кпд коллектора;

- оптический кпд;

- тепловые потери;

- удельная мощность;

- температура на выходе;

- расчетная температура;

- солнечная радиация, падающая на коллектор;

- интенсивность (i);

- угол высоты солнца;

- приведенная оптическая характеристика при прямой радиации;

- коэффициент положения коллектора при прямой радиации.

4 - дневное время, задаваемое в подпрограмму «Расчет КПД»;

5,11 - подпрограмма «Расчет КПД», выполняющая расчет КПД солнечного коллектора;

6 - Входные сигналы, подаваемые с фронт панели в подпрограмму «Расчет КПД», где проводится расчет кпд первого коллектора согласно формулам, описанным в подразделе (1.2.1.2). Перечень данных входных сигналов:

- угол наклона коллектора к горизонту;

- широта;

- число слоев остекления 2 коллектора;

- температура на входе;

- теплоемкость 2 коллектора;

- азимут поверхности 2 коллектора;

- расход теплоносителя 2 коллектора.

10 - панель, содержащая две вкладки: «окно оператора» и «расчеты».

4.2 Разработка интерфейса для работы на физическом стенде

Разработанный интерфейс для физического стенда визуализирует входные сигналы, полученные с датчиков физического установки с помощью контроллеров NI Compact Field Point, среды графического программирования LabView. Это угол наклона коллектора к горизонту, азимут поверхности, температура на входе и выходе, температура окружающей среды и другие показатели.

Пользовательский интерфейс для работы с физическим стендом (см. рисунки 4.6 и 4.7) имеет 2 вкладки: физический стенд и расчеты. На вкладке «Физический стенд» располагаются элементы отображения параметров, получаемых непосредственно с датчиков (см. рисунок 4.6). На вкладке «Расчеты» располагаются элементы отображения массивов выходных данных и графиков зависимостей КПД от параметров: азимута поверхности и угла наклона коллектора к горизонту (см. рисунок 4.7).



Рисунок 4.6 - Пользовательский интерфейс для работы на физическом стенде

Рисунок 4.7 - Интерфейс выходных данных для работы на физическом стенде

Разработанная блок-диаграмма представлена на рисунке 4.8

1 - DB Tools Open Connection является одним из основных объектов ADO, который представляет соединение с OLE DB (источник данных) [13]. Подключение объекта содержит методы для установки тайм-аутов и хранения информации о соединении.

2 - Расчет КПД коллектора по формулам, описанным в разделе 1.2.1.2.

3 - Получение данных от таблицы, в том числе дату и время (Get Date/Time string), а также преобразование этих данных в формат нужный для базы данных (To variant).

Рисунок 4.8 - Часть блок диаграммы интерфейса физического стенда: расчет кпд одного коллектора

4 - DB Tools Insert Data - передает данные в таблицу базы данных, определяемую по соединению, создавая новую строку в таблице.

5 - Передача данных в таблицу базы данных под именем «kol».

6 - DB Tools Close Connection - закрытие соединения с базой данных путем закрытия доступа к ссылке, определяющей это соединение.

7 - Запись данных в таблицу с помощью следующих компонентов:

- Merge signals - объединяет два или несколько сигналов и выводит один выходной;

- Build Table - преобразует данные в необходимые для записи в таблицу и передает в таблицу.

8 - Построение графиков зависимостей кпд от азимута поверхности, угла наклона коллектора к горизонту и от потерь.

На рисунке 4.8 приведена часть блок-диаграммы интерфейса физического стенда, где показан тепловой расчет коллектора. Так как, тепловые расчеты коллекторов идентичны, то на рисунке 4.8 отображен, расчет одного коллектора.

4.3 Разработка базы данных в СУБД MS SQL

Процесс проектирования базы данных включает несколько этапов [15]:

- системный анализ предметной области;

- инфологическое проектирование;

- датологическое проектирование;

- физическое проектирование.

4.3.1 Системный анализ предметной области

Цель: выявить основных пользователей будущей базы данных (б/д) и их требования к ней. То есть задачи, которые будет решать база данных.

Этапы проведения системного анализа:

1) Обоснование необходимости разработки б/д (содержательная постановка задачи в которой описана предметная область и цель создания б/д);

2) Определение будущих пользователей б/д и анализ их деятельности (диаграмма as is) и их информационные потребности (to be);

3) Анализ форм входных и выходных потоков данных (DFD - диаграмма);

4) Разработка алгоритма обработки данных (минимспецификации в виде диаграммы деятельности).

В качестве средства управления жизненным циклом разработки применяется методика Rational Unified Process семейства Rational Rose.

В среде Rational Rose существует несколько диаграмм:

- диаграмма прецедентов;

- диаграмма действий;

- диаграммы состояний;

- диаграммы последовательностей и кооперации.

Диаграмма прецедентов - это графическое представление всех или части актеров, прецедентов и их взаимодействий в системе. В каждой системе обычно есть главная диаграмма прецедентов, которая отображает границы системы и основное функциональное поведение системы. Другие диаграммы могут создаваться при необходимости.

Требуется разработать информационную систему (ИС) для автоматизации учета эффективности работы ГНУ и количества пользователей, работающих на ней. Система должна предусматривать режим введения системного каталога, отражающего перечень режимов ГНУ:

1) ручной;

2) с ЗУ-50;

3) автоматический;

4) с постоянной разницей;

5) жесткий режим;

6) подсолнух.

При выборе любого из режимов с 2 солнечных батарей, расположенных на ГНУ снимаются автоматически данные о:

1) угол наклона к горизонту;

2) азимут поверхности;

3) расход теплоносителя;

4) температура на входе;

5) температура на выходе;

6) теплоемкости;

7) температура окружающей среды;

8) время снятия данных.

На основании этих данных после переключения режима рассчитывается КПД и строятся графики зависимости КПД от температуры окружающей среды, угла наклона к горизонту, азимута поверхности.

БД используют оператор и пользователи из других университетов. Пользователи могут просматривать графики за любой день и любой режим, а также наличии аварийных ситуаций.

Сведения о пользователе должны содержать:

1) Название учебного заведения.

2) Специальность.

3) Курс.

4) Код доступа, уникальный для каждого учебного заведения.

5) Логин.

6) Пароль.

Разрешается работать с установкой 1 пользователю не более 1 часа. При работе пользователя с ГНУ всем остальным запрещается доступ к ней. Пользователи из одного учебного заведения не могут работать параллельно с двух компьютеров.

Администратор следит за эффективностью работы ГНУ, аварийными ситуациями, передачи управления ГНУ пользователям и пишет отчет о работе за день, который заносится в БД и передается руководству.

Администратор должен иметь:

1) Логин.

2) Пароль.

При работе с ГНУ записывается

1) Время начала работы.

2) Имя пользователя.

3) Время окончания работы.

4) Режим работы на ГНУ.

5) Аварийные ситуации (необязательно).

Примеры диаграммы прецедентов приведены на рисунках 4.9-4.10.



Рисунок 4.9 - Диаграмма прецедентов AS IS

Рисунок 4.10 - Диаграмма прецедентов TO BE

DFD --диаграммы потоков данных (см. рисунок 4.11). Так называется методология графического структурного анализа, описывающая внешние по отношению к системе источники и адресаты данных, логические функции, потоки данных и хранилища данных, к которым осуществляется доступ.

Диаграмма потоков данных (data flow diagram, DFD) -- один из основных инструментов структурного анализа и проектирования информационных систем.



Рисунок 4.11 - DFD --диаграмма

Внешними сущностями диаграммы является ГНУ и Оператор. ГНУ - гелионавигационная установка, с которой снимаются данные:

1) Угол наклона к горизонту.

2) Азимут поверхности.

3) Расход теплоносителя.

4) Температура на входе.

5) Температура на выходе.

6) Теплоемкости.

7) Температура окружающей среды.

8) Время снятия данных.

Также снимаются данные об авариях.

Оператор пишет отчет об эффективности работы ГНУ и количестве пользователей, работавших на ней.

Хранилищами являются каталог и список о количестве пользователей.

В каталоге содержатся графы: данные с ГНУ, режимы работы ГНУ, рассчитанный КПД, графики и отчет оператора.

Список о количестве пользователей формируется при регистрации студентов.

Потоки данных:

- данные об авариях ГНУ передает для подсчета количества аварий за день;

- данные с ГНУ необходимы для подсчета КПД и построение графиков зависимости КПД от данных;

- после подсчета количества аварий, расчета КПД эти значения передаются в каталог;

- из каталога данные о КПД передаются для построения графика, в свою очередь готовые графики помещаются в каталог;

- для написания отчета необходимо просмотреть все данные с каталога и данные о количестве пользователей, после чего готовый отчет передается в каталог.

4.3.2 Инфологическое проектирование

На данном этапе по результатам проведения исследования предметной области строится инфологическая модель.

Цель: Исследование предметной области с точки зрения разработчика б/д, т.е. проведения анализа информационных объектов предметной области. Инфологическая модель представляет собой описание будущей б/д, представленная с помощью естественного языка (диаграмм, таблиц) и других средств, понятных как разработчику, так и пользователю.

Существует несколько подходов к описанию инфологической модели, один из них подход, основанный на применении ER - диаграмм.

Этапы инфологического проектирования:

1) выделение информационных объектов (сущностей) в заданной предметной области;

2) описание информационных объектов;

3) определение информационных связей между сущностями;

4) построение инфологической модели на уровне сущности;

5) описание атрибутов;

6) выделение первичного ключа;

7) построение инфологической модели на уровне ключей и атрибутов.

Инфологическое проектирование (т.е. построение модели данных) осуществлялось на инструментальном CASE-средстве Erwin на основе методологии IDEF1X [16].

Инструментальное CASE-средство Erwin

Для создания моделей данных в ERwin можно использовать две нотации: IDEF1X и IE (Information Engineering).

Методология IDEF1X - язык для семантического моделирования данных, основанных на концепции сущность-связь. Диаграмма сущность-связь предназначена для разработки модели данных и обеспечивает стандартный способ определения данных и отношения между ними.

Сущность в методе IDEF1X является независимой от идентификаторов, или просто независимой, если каждый экземпляр сущности может быть однозначно идентифицирован без определения его отношений с другими сущностями. Сущность называется зависимой от идентификаторов, или просто зависимой, если однозначная идентификация экземпляра сущности зависит от его отношения к другой сущности.

ERwin является наиболее популярным пакетом моделирования данных среди профессиональных разработчиков благодаря полной поддержке широкого спектра СУБД самого разного класса, включая Oracle, DB/2, Sybase, Informix, MS SQL Server, SQLBase, CA Ingres, Rdb, AS/400, Progress, Interbase, Watcom, в том числе: Clipper, dBase, Access, Fox, Paradox.

CASE-средство ERwin предназначено для разработчиков, проектировщиков БД, системных аналитиков для построения модели данных в процессе разработки технического проекта информационной системы. С помощью ERwin разработчик может, используя визуальные средства, описать логическую модель данных. На основе логической модели создается физическая модель для конкретной СУБД с использованием хранимых процедур и триггеров. Результатом работы по созданию физической модели может стать генерация структуры базы данных [11].

Инфологическое проектирование с помощью Erwin

Инфологическая модель базы данных показана на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12 - Инфологическая модель БД «GNU»

Описание атрибутов, входящих в сущности:

Таблица 4.1 - Data_GNU

Id_data	Уникальный номер сбора данных
Datatime_data	Дата и время снятия данных
Angle	Угол по тангажу
Azimut	Угол по азимуту
Rashod	Расход теплоносителя
T_vihod	Температура на выходе коллектора
T_vhod	Температура на входе коллектора
C	Теплоемкость теплоносителя
T_okr	Температура окружающей среды

Таблица 4.2 - Avariya

Id_avarii	Уникальный номер для сущности авария
Datetime_avarii	Дата и время, когда произошла авария
Number_error	Номер ошибки, т.е. место, где случилась авария

Таблица 4.3 - Katalog

id_kataloga	Номер записи в каталоге
Rezhim	Режим поворота коллектора
KPD	КПД установки
avariya	Наличие или отсутствие аварий

Таблица 4.4 - Polzovat

Id_klienta	Номер пользователя
VUZ	Название ВУЗа
Speciality	Специальность пользователя
Kurs	Курс на котором обучается пользователь
Kod_VUZa	Код необходимый для доступа в базу, уникальный для каждого ВУЗа
Address_VUZa	Страна, город, улица, дом

Таблица 4.5 - Otchet

id_otcheta	Номер отчета
KPD_1	Средний КПД по режиму 1
KPD_2	Средний КПД по режиму 2
KPD_3	Средний КПД по режиму 3
KPD_4	Средний КПД по режиму 4
KPD_5	Средний КПД по режиму 5
KPD_6	Средний КПД по режиму 6
Avariya	Количество аварий
Rezhim	Режим поворота коллектора
Kol-vo_polz	Количество пользователей за день

4.3.3 Датологическое проектирование

На данном этапе производится построение датологической модели на базе инфологической модели.

Цель: описание свойств понятий предметной области, их взаимосвязь и ограничения. То есть построение модели с учетом выбранной модели данных.

1) Этапы датологического проектирования:

2) Преобразование отношений;

3) Нормализация сущностей;

4) Построение полной атрибутивной модели.

Даталогическая модель базы данных GNU показана на рисунке 4.13.

Рисунок 4.13 - Даталогическая модель БД «GNU»

Описание атрибутов новой сущности

Таблица 4.6 - Adress_VUZa

id_adressa	Номер адреса
Gorod	Город, в котором находится ВУЗ
Strana	Страна, в которой находится ВУЗ
Ylica	Улица, на которой находится ВУЗ
Number_doma	Номер дома, в котором находится ВУЗ

4.3.4. Физическое проектирование