UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA

Poučevanje, Predmetno poučevanje

Tanja Stanić

IZVEDBA ODDALJENEGA LABORATORIJA PREKO GSM KOMUNIKACIJE S PRIMERI

UPORABE PRI ŠOLSKEM EKSPERIMENTALNEM DELU

Magistrsko delo

Ljubljana, 2015

UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA

Poučevanje, Predmetno poučevanje Matematika - tehnika

Tanja Stanić

IZVEDBA ODDALJENEGA LABORATORIJA PREKO GSM KOMUNIKACIJE S PRIMERI

UPORABE PRI ŠOLSKEM EKSPERIMENTALNEM DELU

Magistrsko delo

Mentor: dr. Slavko Kocijančič, izr. prof.

Ljubljana, 2015

Zahvala

Zahvaljujem se mentorju, izr. prof. dr. Slavku Kocijančiču, za konkretne usmeritve in strokovno vodenje pri nastajanju magistrskega dela. Obenem se zahvaljujem tudi za povabilo

k opravljanju dela demonstratorja na Pedagoški fakulteti Univerze v Ljubljani, ki me je

najbolj zbližalo z elektroniko in robotiko. Hvala za predano znanje in dane možnosti

samostojnega pridobivanja izkušenj in novega znanja skozi različne dejavnosti v času vašega mentorstva pri opravljanju dela demonstratorja.

Zahvaljujem se asistentu, Davidu Rihtaršiču, in kolegu, Tomažu Kušarju, za usmeritve in

pomoč pri programiranju.

Največjo zahvalo namenjam staršem, fantu in vsem bližnjim, ki so do konca verjeli vame, ter seveda hvala vsem ostalim, ki so kaj doprinesli k nastanku magistrskega dela.

Ko hodiš, pojdi zmeraj do konca

Spomladi do rožne cvetice, poleti do zrele pšenice,

jeseni do polne police,

pozimi do snežne kraljice, v knjigi do zadnje vrstice,

v življenju do prave resnice,

v sebi do rdečice čez eno in drugo lice.

A če ne prideš ne prvič ne drugič do krova in pravega kova poskusi:

vnovič in zopet in znova.

(Tone Pavček)

I

POVZETEK Laboratorijske vaje ne glede na raven izobraževanja predstavljajo temeljno obliko organiziranega dela za prenos teoretičnega znanja v praktično uporabo. Ena od oblik laboratorijev, ki se v zadnjem desetletju po svetu uveljavlja na številnih univerzah, je oddaljeni laboratorij. V delu je opredeljen profesionalni oddaljeni laboratorij, njegova zgradba in uporaba ter prednosti in slabosti uporabe tovrstnih laboratorijev. Pravi izziv predstavlja misel, na kakšen način bi lahko izdelali osnovni koncept oddaljenega laboratorija in ga nato vključili v raziskovalno in eksperimentalno delo na osnovnošolski ravni izobraževanja. Da bi tovrstno tehnologijo približali učiteljem in otrokom, predstavljamo nizkocenovni oddaljeni laboratorij, ki deluje preko GSM komunikacije in omogoča kontinuirano zbiranje podatkov o temperaturi iz oddaljenih lokacij v naravnem okolju ter tudi njihovo grafično predstavitev. Predstavljamo vse sestavne dele oddaljenega laboratorija in programsko ter dodatno opremo za testiranje, postavitev in uporabo le-tega. Vsi koraki za namestitev opreme so tudi natančno opisani in prikazani v prilogah. Vključitev oddaljenega laboratorija v osnovno šolo prikažemo s tremi predlogi uporabe oddaljenega laboratorija pri šolskem raziskovalnem in eksperimentalnem delu. Delovanje sistema je preizkušeno v danih okoliščinah, zanesljivost delovanja pa bi bilo v prihodnje potrebno preizkusiti in prikazati še v različnih okoliščinah. KLJUČNE BESEDE: Oddaljeni laboratorij, elektronski merilni sistem, GSM komunikacija, tehniško izobraževanje, prenos podatkov na daljavo, naravoslovni šolski laboratorij.

II

The Implementation of a Remote Laboratory using GSM Communication with Examples from

School Experimental Work

SUMMARY Laboratory work represents the basic form of organized work for the transfer of theoretical knowledge to practical use, no matter the level of education. One form of laboratories recognized by numerous universities worldwide in the last decade is the remote laboratory. The following paper defines the professional remote laboratory, its construction and use, and the advantages and disadvantages of its usage. The real challenge is figuring out a way to build the basic concept of remote laboratory and then including it in the research and experimental work at the primary level education. In order to bring this kind of technology closer to teachers and children we present the low cost remote laboratory, which operates via GSM communications and enables continuous collection of data on temperature from remote locations in the natural environment as well as their graphic representation. We are representing all the components of a remote laboratory, the software and additional test equipment, installation and usage. All the steps for installing the equipment are also accurately described and shown in the Annexes. Inclusion of remote laboratories in elementary schools is shown with three proposals for usage of the remote laboratory for school research and experimental work. Functioning of the system is tested in the given circumstances, operational reliability should also be examined and demonstrated in different circumstances in the future. KEY WORDS: Remote laboratory, electronic measuring system, GSM communication, engineering education, remote data transmission, science school laboratory.

III

KAZALO

1 UVOD ................................................................................................................... 1

2 RAZISKOVALNO IN EKSPERIMENTALNO DELO V TEHNIŠKEM

IZOBRAŽEVANJU ....................................................................................................... 3

2.1 LABORATORIJSKO DELO V TEHNIŠKEM IZOBRAŽEVANJU ..................... 3

2.2 RAZISKOVALNO IN EKSPERIMENTALNO DELO PRI NARAVOSLOVNO-

TEHNIŠKIH VSEBINAH V SLOVENSKEM OSNOVNEM ŠOLSTVU ........................ 4

2.2.1 Projekt Verižna reakcija........................................................................... 9

3 ODDALJENI LABORATORIJI V TEORIJI IN PRAKSI ........................................11

3.1 OPREDELITEV ODDALJENEGA LABORATORIJA ......................................11

3.2 PREDNOSTI IN SLABOSTI ODDALJENIH LABORATORIJEV .....................12

3.3 ZGRADBA ODDALJENIH LABORATORIJEV ...............................................13

3.4 UPORABA ODDALJENIH LABORATORIJEV ...............................................14

4 PREPROST ODDALJENI LABORATORIJ .........................................................17

4.1 NAČRTOVANJE IZDELAVE ODDALJENEGA LABORATORIJA ..................17

4.2 SESTAVNI DELI ODDALJENEGA LABORATORIJA ....................................17

4.2.1 Arduino UNO ..........................................................................................17

4.2.2 GSM/GPRS modul ITEAD SIM900 s SIM kartico ...................................19

4.2.3 Elektronsko merjenje temperature ..........................................................20

4.2.4 Pametni mobilni telefon ..........................................................................21

4.3 POVEZAVA SESTAVNIH DELOV ODDALJENEGA LABORATORIJA ..........22

5 PROGRAMSKA IN DODATNA OPREMA ZA TESTIRANJE ODDALJENEGA

LABORATORIJA ........................................................................................................23

5.1 DELOVANJE ODDALJENEGA LABORATORIJA ..........................................23

5.1.1 GSM komunikacija in SMS .....................................................................23

5.1.2 UART komunikacija ................................................................................24

5.1.3 AT ukazi .................................................................................................24

5.2 TESTIRANJE GSM/GPRS MODULA ITEAD SIM900 ...................................25

5.2.1 Program Terminal ..................................................................................25

5.2.2 Namestitev programa Terminal ..............................................................26

5.2.3 Povezava GSM/GPRS modula ITEAD SIM900 z računalnikom .............26

5.3 PROGRAMIRANJE KRMILNIKA ARDUINO UNO .........................................30

5.3.1 Programsko orodje Bascom-AVR ...........................................................31

IV

5.3.2 Namestitev programskega orodja Bascom-AVR .................................... 31

5.3.3 Namestitev programatorja AvrDUDE ..................................................... 31

5.3.4 Zagon programa Bascom-AVR ............................................................. 31

5.3.5 Osnove programiranja s programskim orodjem Bascom-AVR ............... 34

5.3.6 Programska koda krmilnika Arduino UNO ............................................. 35

5.4 PRIKAZ MERITEV ....................................................................................... 43

5.4.1 Mobilna aplikacija SMS to Text ............................................................. 43

5.4.2 Program Microsoft Office Excel ............................................................. 45

6 PREDLOGI UPORABE ODDALJENEGA LABORATORIJA PRI ŠOLSKEM

EKSPERIMENTALNEM DELU .................................................................................. 53

6.1 MERJENJE TEMPERATURE V BLIŽNJI STOJEČI VODI ............................ 53

6.2 MERJENJE TEMPERATURE V RASTLINJAKU .......................................... 54

6.3 RAZISKOVALNI DNEVI DEJAVNOSTI Z UPORABO ODDALJENEGA

LABORATORIJA .................................................................................................... 56

6.4 MOŽNOSTI ZA NADGRADNJO ODDALJENEGA LABORATORIJA ............ 57

7 DISKUSIJA ......................................................................................................... 59

8 ZAKLJUČEK ...................................................................................................... 61

9 LITERATURA IN VIRI ......................................................................................... 63

10 PRILOGE ............................................................................................................... I

10.1 Namestitev programskega orodja BASCOM-AVR DEMO 2.0.7.5 .................... I

10.2 Namestitev programa WinAVR ...................................................................... VI

10.3 Nastavitev programatorja AvrDUDE v programskem orodju BASCOM ........... X

10.4 Prikaz izvoza kratkih sporočil v besedilno datoteko ...................................... XII

10.5 Programska koda za makro Graf v programu Excel .................................... XVI

10.6 Zgoščenka ................................................................................................. XVII

V

AKRONIMI IN OKRAJŠAVE

ADC ang. Analog to Digital Converter (analogno digitalni pretvornik)

ASCII ang. American Standard Code for Information Interchange (ameriški standardni nabor znakov za izmenjavo informacij)

CSV ang. Comma Separated Values (vrednosti, razmejene z vejicami)

GPRS ang. General Packet Radio Service (mobilna podatkovna storitev v okviru standarda GSM)

GSM ang. Global System for Mobile Communications (svetovni standard mobilnih komunikacij)

IKT Informacijsko komunikacijske tehnologije OŠ Osnovna šola PWM ang. Pulse-Width Modulation (pulzno-širinska modulacija) SIM ang. Subscriber Identity Module (modul z naročnikovo

identiteto) SMS ang. Short Message Service (servis za kratka sporočila) TIT OŠ predmet tehnika in tehnologija TXT ang. Text File (besedilna datoteka) UART ang. Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

(komunikacijski vmesnik za asinhroni prenos podatkov) USART ang. Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/

Transmitter (komunikacijski vmesnik za sinhroni/asinhroni prenos podatkov)

UN Učni načrt USB ang. Universal Serial Bus (univerzalno serijsko vodilo) VBA ang. Visual Basic for Applications (programsko orodje za

Microsoft Office programe)

1

1 UVOD Pri študiju tehniških smeri (avtomatika, elektronika, mehatronika, robotika itd.) je za boljše razumevanje teorije nujno potrebno eksperimentalno delo. Poleg tega so študenti bolj motivirani za učenje novih konceptov, kadar se učijo z uporabo resničnih aplikacij in se tako počutijo kot inženirji. Pri tovrstnem praktičnem delu in učenju igra pomembno vlogo aktivnost študentov v učnem procesu [1]. Z eksperimentalnim delom se v slovenskem izobraževalnem sistemu pri naravoslovno-tehniških predmetih srečujemo že od osnovne šole. Z integracijo in razvojem e-izobraževanja je vedno večja potreba po novih načinih organizacije laboratorijskega dela. Prve spremembe so se pričele z uvedbo navideznih laboratorijev (ang. virtual laboratory), ki zgolj simulirajo realne poskuse v laboratorijih. Čeprav je znanje, pridobljeno s simulacijami, dragoceno, ima še vedno večjo vrednost izvajanje eksperimentov na pravih napravah [2]. Vedno več univerz po svetu v zadnjem desetletju uvaja oddaljene laboratorije, ki jih v času izobraževanja uporabljajo študenti pri obveznem praktičnem delu [1]. Postavitev takšnih laboratorijev terja visoke stroške, hkrati pa večina obstoječih postavljenih oddaljenih laboratorijev predstavlja zaprte sisteme, ki onemogočajo samogradnjo in razvoj pri postavitvi poskusov v laboratoriju [3]. Pri postavljanju oddaljenih laboratorijev za namen izobraževanja je izobraževalna vrednost teh laboratorijev pravi izziv, saj predstavljajo oviro postavljeni fiksni sistemi, ki jih študenti ne morejo sami spreminjati in eksperimentirati tudi v tem smislu [3]. Zanima nas eksperimentalno delo na terenu, kjer nimamo postavljenega takšnega laboratorija kot v izobraževalnih ustanovah niti dostopnega računalniškega okolja, a bi vseeno želeli dlje časa spremljati neke procese in opravljati dolgotrajnejše meritve fizikalnih spremenljivk. Zato se sprašujemo, kako torej na otrokom razumljiv način izdelati preprost oddaljeni laboratorij z nizkocenovno opremo, ki bo omogočal zbiranje podatkov iz oddaljenih lokacij v naravnem okolju, in na kakšen način ga vključiti v eksperimentalno delo na osnovnošolski ravni izobraževanja? V tujini [3] so že poskušali vpeljati oddaljene laboratorije na osnovnošolsko raven izobraževanja, a so obstoječi oddaljeni laboratoriji za starostno skupino otrok do 15 let prezahtevni. Poleg tega so za postavitev v šolah cenovno nedostopni, zato želimo podati rešitev in izdelati ter predstaviti nizkocenovni oddaljeni laboratorij, namenjen za postavitev in uporabo v naravnem okolju, ki bi ga poenostavili do te mere, da ne bi potrebovali internetne povezave niti profesionalnih laboratorijev z vso potrebno opremo za izvajanje poskusov. Za razumevanje osnovnih konceptov delovanja oddaljenega laboratorija bi bil dovolj že preprost sistem, ki deluje preko GSM-signala in podatke, zbrane s pomočjo merilnega sistema, uporabniku pošilja preko kratkih sporočil (SMS). Za tehnično izvedbo laboratorija je potreben pregled in izbira cenovno dostopne opreme, ki se morda že uporablja na pedagoškem področju. Nato načrtujemo in

2

preizkusimo izbrane sestavne dele oddaljenega laboratorija ter jih povežemo med seboj, da skonstruiramo prototip preprostega oddaljenega laboratorija. Potrebno je še preizkusili njegovo delovanje in zbrane podatke na nek način prikazati.

3

2 RAZISKOVALNO IN EKSPERIMENTALNO DELO V TEHNIŠKEM IZOBRAŽEVANJU

Splošno velja, da ima laboratorijsko delo in eksperimentiranje zelo pomembno vlogo v znanstveno podprtih izobraževalnih procesih. Kadar udeležencem učnega procesa ponudimo različne oblike skrbno načrtovanega praktičnega dela v času izobraževanja, lahko trdimo, da smo jim dali oporo in motivacijo za učenje in tako lažje dosežemo zastavljene učne cilje [3]. V začetku predstavljamo oblike laboratorijskega dela v tehniškem izobraževanju ter na podlagi učnih načrtov izpostavljamo pomen učenja in sodelovanja v raziskovalnem in eksperimentalnem delu na osnovnošolski ravni.

2.1 LABORATORIJSKO DELO V TEHNIŠKEM IZOBRAŽEVANJU Klasične laboratorijske vaje se običajno izvaja v treh delih: priprava, izvedba in preverjanje. V pripravi ali teoretičnem delu se študente seznani z namenom laboratorijskih vaj, metodami in načinom merjenja ter potrebno opremo in pripomočki za njihovo delo. Faza izvedbe predstavlja praktični del vaj, kjer gre za ročno izvedbo eksperimenta oziroma vaj, zbiranje meritev in beleženje rezultatov [2]. Z vidika izobraževalne ustanove so največje težave klasičnega laboratorijskega dela naslednje [2]:

- zastarela oprema, - pomanjkanje možnosti za zbiranje meritev in periodično umerjanje

merilnih instrumentov, - majhno število funkcionalnih instrumentov, - pomanjkanje specializiranih in dragih instrumentov, - združljivost med instrumenti in dobljenimi rezultati, - preverjanje kakovosti dobljenih meritev in poročil, - spremljanje oziroma beleženje udeležbe študentov na vajah.

Študenti pa so izpostavili naslednje težave [2]:

- obdelava dobljenih meritev, - točna in kakovostna interpretacija dobljenih rezultatov, - časovna omejenost laboratorijskega dela, - kompleksnost laboratorijskega dela, - interakcija učenec-učitelj je zmanjšana zaradi neprijetnega preverjanja in

vzpostavljanja povezav med komponentami, merilnimi instrumenti in drugo opremo.

Tem težavam se za delno izboljšanje učnega procesa in laboratorijskega dela večinoma lahko izognemo z uporabo osebnih računalnikov in informacijsko komunikacijske tehnologije (IKT). Aplikacija oziroma uvedba računalnikov v učni proces omogoča večjo dostopnost učnega gradiva. Prav tako so računalniki pomembna podpora pri organizaciji in izvajanju predavanj in vaj ter drugih raziskovalnih dejavnosti. Tudi komunikacija v smeri študent-profesor in študent-

4

študent se v vseh treh delih laboratorijskih vaj lahko izboljša in poenostavi z uporabo nove tehnologije [2]. Navidezni ali virtualni laboratoriji (ang. virtual laboratory) prav tako pripomorejo k odpravljanju težav pri klasičnem laboratorijskem delu. Koncept virtualnega laboratorija je takšen, da realne meritve pri poskusu zamenjamo s simulacijo poskusa. Tu gre za preprost način učenja na daljavo. Slabost takšnega laboratorija pa je, da uporabnik nima fizičnega stika z realno strojno opremo, na kateri se poskus izvaja, in s tem razlogom je uporaba takšnega laboratorija najbolj smiselna v fazi priprave študentov za laboratorijsko delo [2]. Številne univerze pa so za laboratorijsko delo (npr. pri študiju elektronike in nadzornih sistemov) razvile in postavile svoj oddaljeni laboratorij. S konceptom oddaljenih laboratorijev draga oprema postane široko dostopna in omogoča individualni pristop posameznika do uporabe laboratorijske opreme [2]. Nekatere smeri tehniškega izobraževanja vključujejo tudi neobhodne terenske vaje. Na primer za študente fizike na Pedagoški fakulteti Univerze v Ljubljani pri didaktiki fizike laboratorijske vaje delno potekajo tudi v naravi, v obliki terenskega dela. Uporaba oddaljenega laboratorija v okviru terenskih vaj se zdi smiselna z vidika uvajanja nove tehnologije v izobraževalni proces, katere uporaba zagotovo deluje motivacijsko za študente. Poleg tega je primerna za zbiranje meritev raznih spremenljivk iz oddaljenih lokacij v naravi, kjer jih sicer iz različnih razlogov ne moremo kontinuirano beležiti. Podatke, zbrane z uporabo oddaljenega laboratorija, potem lahko študenti preučujejo v okviru laboratorijskih vaj na fakulteti ali pa samostojno doma. Uporaba oddaljenega laboratorija v naravnem okolju ne bi smela nadomestiti terenskega dela, lahko ga le dopolnjuje in izboljša.

2.2 RAZISKOVALNO IN EKSPERIMENTALNO DELO PRI NARAVOSLOVNO-TEHNIŠKIH VSEBINAH V SLOVENSKEM OSNOVNEM ŠOLSTVU

Pregled učnih načrtov osnovnošolskih naravoslovnih in tehniških predmetov (obveznih in izbirnih) [5] prikazuje, da je na primer pri pouku naravoslovja najmanj 40 odstotkov, pri pouku biologije pa najmanj 20 odstotkov celotnega obsega ur namenjenih raziskovalnemu in terenskemu delu, ki zajema tudi zbiranje in analizo podatkov. Hkrati tudi pri drugih predmetih veliko operativnih ciljev zahteva uporabo različnih metod in oblik dela, kot so merjenje, načrtovanje, opazovanje, eksperimentiranje itd. Naravoslovje. Učni načrt (UN) za obvezni predmet naravoslovje v 6. in 7. razredu OŠ [6] v ospredje postavlja splošne cilje, ki so usmerjeni v pridobivanje različnih naravoslovnih zmožnosti, zato mora v ta namen najmanj 40 odstotkov pouka naravoslovja temeljiti na aktivnostih učencev, kot je raziskovalno-eksperimentalno delo v razredu in na terenu. Generalno učenci pri pouku naravoslovja urijo in razvijajo spoznavne postopke, veščine in spretnosti ter oblikovanje stališč in vrednot. Med drugim je potrebno učencem predstaviti postopke pridobivanja, obdelave in vrednotenja podatkov ter jih usmerjati v razvijanje eksperimentalnih spretnosti in metod raziskovanja. Natančneje,

5

splošni cilji poudarjajo, da je pri eksperimentalnem delu pomemben razvoj učenčeve zmožnosti presoje o potrebi podatkov, poznavanje načinov zbiranja le-teh ter zopet presoje o njihovi ustreznosti. Napovedovanje eksperimentalnih rezultatov, sistematično opazovanje, opisovanje, beleženje rezultatov in meritev pa obdelava in predstavitev so osnovne faze tehnike raziskovanja, pri katerih je koristno tudi povezovanje znanja uporabe IKT za iskanje, zbiranje, shranjevanje in predstavljanje informacij. Učence navajamo tudi na izbiro in uporabo primerne in varne opreme ter obvladovanje veščin terenskega in eksperimentalnega dela. Med minimalnimi standardi znanja, ki so pogoj za uspešno nadaljevanje izobraževanja učencev, so standardi, ki so neposredno povezani z raziskovalnim in eksperimentalnim delom in od učencev pričakujejo, da znajo (I) izvesti poskuse po navodilih in pri tem poskrbeti za lastno varnost in varnost drugih, (II) ustrezno uporabljati pripomočke, opremo in tehnologijo (npr. lupa, mikroskop, štoparica, tehtnica, gorilnik, merilni valj idr.) pri eksperimentalnem delu, (III) zbirati kvalitativne in kvantitativne podatke z opazovanjem in izvajanjem meritev, jih ustrezno zapisati in urediti (besedilno, s tabelami in grafi ipd.). Predlogi v didaktičnih priporočilih za uresničevanje ciljev predmeta temeljijo na konstruktivističnem načinu poučevanja. Kar pomeni, da učenci ne le dodajajo in nadgrajujejo svoje znanje, ampak ga morajo s časom tudi konceptualno spreminjati, torej napačne predstave in spoznanja zamenjati z novimi, tistimi, ki so bližje znanstveni resnici. Tu je torej pomembna učiteljeva vloga, da ustvari spodbudno učno okolje in situacije, ki omogočajo učencem odkrivanje, ustvarjanje in oblikovanje znanj skozi spoznavne postopke: opazovanje, opisovanje, primerjanje, uvrščanje, razvrščanje, napovedovanje, induktivno in deduktivno sklepanje, dokazovanje, eksperimentiranje, reševanje problemov itn. [6]. Biologija. UN za obvezni predmet biologija v 8. in 9. razredu OŠ [7] v uvodni opredelitvi predmeta navaja, da učenci v izobraževalnem procesu spoznavajo posebne metode, ki vodijo do bioloških spoznanj, kot so opazovanje in eksperimentiranje ter celostna interpretacija podatkov v kompleksnih sistemih ter njihove omejitve. Poleg tega med splošnimi cilji navaja, da je pri učencih potrebno razvijati (I) sposobnost za prepoznavanje kompleksnih problemov in njihovo reševanje (tudi z interdisciplinarnim pristopom) ter znanstven način razmišljanja, (II) učenje na podlagi opazovanj, poskusov in ročnih spretnosti, (III) zmožnost za uporabo sodobne tehnologije, iskanja in obdelave podatkov in ekstrakcije informacij; zaporedje meritev (opazovanje) podatek rezultat informacija, (IV) zmožnost za sodelovanje, odgovornost pri delu ter za načrtovanje in izvajanje preprostih bioloških raziskav (poskusov oziroma opazovanj) ter interpretacije rezultatov in sposobnost kompleksnega mišljenja. Podrobneje UN med operativne cilje in vsebine 8. in 9. razreda uvršča sklop, imenovan Raziskovanje in poskusi, v katerem učenci nadgradijo znanje naravoslovja in spoznajo metode raziskovanja v biologiji, se naučijo načrtovati preproste raziskave (znajo izbrati in uporabiti ustrezna orodja in tehnologijo za izvajanje poskusov, zbiranje podatkov in prikaz podatkov), smiselno zastavljati raziskovalna vprašanja, kritično zbrati in analizirati podatke, na podlagi tega in zbranih rezultatov odgovoriti na zastavljena raziskovalna vprašanja ter o poteku in rezultatih raziskave ustrezno pisno in ustno poročati. V raziskavah na različne načine zbirajo podatke, najpogosteje je to izvedeno fizično z uporabo optičnih priprav, meritev ali preko računalnika. Postopek analize rezultatov raziskave

6

predvideva tudi, da se učenci naučijo in znajo izdelati ustrezen graf za prikaz podatkov. Koncept tega vsebinskega sklopa je, da znanstveni napredek učencev temelji na zastavljanju smiselnih vprašanj in izvajanju dobro načrtovanih raziskav. V opombah je navedeno, da se procesne cilje iz tega sklopa dosega s smiselnim vključevanjem v druge vsebinske sklope in da morajo biti uresničeni v obsegu najmanj 20 odstotkov vseh ur predmeta, pri katerih se učence deli v skupine [7]. Za konec avtorji UN med didaktičnimi priporočili za uresničevanje ciljev predmeta predlagajo: »Učenci naj pri pouku poglobijo razumevanje bioloških konceptov s čim več eksperimentalnega in terenskega raziskovanja ter drugih, za uresničevanje ciljev smiselno uporabljenih aktivnosti (npr. delo z viri informacij, uporaba IKT, projektno delo, raziskovalne naloge, samostojno in skupinsko delo). V pouku naj bodo razvidni raziskovalna naravnanost, celostni pristop in aktualnost biologije kot dinamične sodobne znanosti, ki pomembno vpliva tudi na naše vsakdanje osebno in družbeno življenje« [7, str. 28]. Dodajajo še: »Preprosta eksperimentalna dela so zasnovana tako, da so vanje vključene vse faze raziskovanja in izvajanja eksperimentalnega dela, ki vodijo v razumevanje bioloških konceptov in razvijanje procesnih ciljev. Posamezna eksperimentalna dela se načrtuje v sklopih, ki obsegajo minimalno vsaj po dve šolski uri ali več glede na organizacijo dela na šoli. Učitelj strokovno avtonomno glede na svoj koncept pouka vključuje eksperimentalna dela v sklope, kamor se ta dela najbolje vključujejo oziroma vodijo v osvajanje bioloških ciljev in konceptov« [7, str. 37]. Pomembno je torej, da učitelj učence usmerja v razvijanje načel znanstvenega pristopa pri raziskovanju, da skrbno izbere poskuse in učencem dovoljuje razumno mero samostojnosti pri izvajanju poskusov. Vedno naj bodo raziskovalna vprašanja in cilji v povezavi z učno snovjo, da učenci lažje povežejo usvojeno znanje in nova spoznanja [7]. Fizika. UN za obvezni predmet fizika v 8. in 9. razredu OŠ [8] navaja, da pouk fizike razvija sposobnost učencev za proučevanje naravnih pojavov, tako da učenci spoznajo ter usvojijo jezik in metode, ki se uporabljajo pri proučevanju fizikalnih pojavov, in se seznanijo s preprostimi fizikalnimi pojmi, ki povzemajo naše vedenje o naravi. Splošni cilji predmeta so podobno kot pri naravoslovju in biologiji tesno povezani z raziskovanjem in eksperimentiranjem. Učenci (I) sistematično odkrivajo pomen eksperimenta pri spoznavanju in preverjanju fizikalnih zakonitosti, (II) načrtujejo in izvajajo preproste poskuse in raziskave, obdelujejo podatke, analizirajo rezultate poskusov in oblikujejo sklepe, (III) preverjajo izide preprostih napovedi in spoznavajo pomembnost povezovanja eksperimentalnega znanja s teoretičnim, analitičnim in sintetičnim razmišljanjem itd. UN dopušča določena razhajanja med letno pripravo ur in dejansko izvedbo pouka, razlogi za to pa so interaktivno delo, dodatna razlaga težje razumljivih snovi, eksperimentalno delo učencev, terensko delo, večja zastopanost aktivnih metod in oblik dela ipd. Eksperimentalnemu delu je v didaktičnih priporočilih namenjene kar nekaj pozornosti. Že pri predstavitvi operativnih je ob nekaterih ciljih zapisana oznaka za eksperimentiranje (E). Priporočljivo je, da učenci zapisane cilje dosegajo z eksperimentalnim delom in izvajanjem poskusov. Lahko jih dosežejo pri rednem pouku, v okviru dni dejavnosti in medpredmetnega povezovanja z drugimi naravoslovnimi ali družboslovnimi področji ali kot projektno delo. Napisana je tudi tabela s predlogi za eksperimentalno delo učencev po posameznih vsebinskih sklopih.

7

Kemija. V UN za obvezni predmet kemija v 8. in 9. razredu OŠ [9] je kemija definirana kot temeljna naravoslovna in eksperimentalna veda, ki proučuje snovi, njihovo zgradbo, lastnosti in spremembe. Kot splošnoizobraževalni predmet v OŠ je usmerjena v pridobivanje in razvijanje temeljnih kemijskih znanj in spretnosti, pouk kemije pa je zasnovan na izkustvenem, eksperimentalno-raziskovalnem in problemskem pristopu, kar prispeva k razumevanju delovanja naravoslovnih znanosti in pozitivnemu odnosu do naravoslovja. Eden izmed splošnih ciljev predmeta je, da učenci razvijajo eksperimentalno-raziskovalne spretnosti in veščine. Učenci se učijo tudi metod raziskovanja v kemiji, pri čemer je pomembno njihovo kritično mišljenje. Učijo se načrtovanja eksperimentalno-raziskovalnega dela, iskanja in zbiranja podatkov iz različnih virov, presojanja, kdaj so informacije potrebne, postavljanja hipotez in raziskovalnih vprašanj, načrtno opazujejo, zapisujejo opažanja/meritve in jih uporabijo kot vir podatkov, pri iskanju, zbiranju, shranjevanju, obdelavi in predstavljanju informacij si pomagajo z IKT. Torej razvijajo eksperimentalno-raziskovalni pristop, kjer se navajajo na izbiro in uporabo primerne opreme za varno delo, opredeljujejo dejavnike poskusov, poznajo kontrolne poskuse, presojajo o zanesljivosti dobljenih rezultatov in se pri predstavitvah navajajo na argumentirano sklepanje. Glede na stopnjo vključevanja eksperimentalno-raziskovalnega pristopa v pouk (za doseganje operativnih ciljev), dva minimalna standarda znanja določata, da učenec ob koncu predmeta za napredovanje v višji razred zna opazovati, opisovati in izvesti preproste poskuse ter iz opažanj izpeljati osnovne ugotovitve in da obvlada osnovne eksperimentalne tehnike. Splošni standardi znanja, ki se navezujejo na eksperimentalno-raziskovalno delo k minimalnima standardoma dodajajo, da učenec opredeli spremenljivke, ki jih je potrebno upoštevati pri izvedbi poskusa, zastavlja raziskovalna vprašanja in načrtuje poskus ter opiše oziroma argumentirano predstavi potek, opažanja in ugotovitve samostojnega eksperimentalnega dela oziroma demonstracijskih poskusov. Sodobno poučevanje kemije torej temelji na eksperimentalnem in problemsko naravnanem pouku (eksperimentalno-raziskovalni pristop, izkustveno in problemsko učenje, eksperimentalno delo je temeljna učna metoda), kar pomeni, da je pri pouku ključno postavljanje problemskih, znanstvenih vprašanj in organizacija aktivnosti, s katerimi učenci sami odkrivajo nekatera dejstva, pojme, rešujejo probleme, analizirajo podatke itd. Tudi pri kemiji je najmanj 20 odstotkov ur pouka namenjenih eksperimentalnemu delu. Didaktična priporočila so, da eksperimentalno delo, kjer je le mogoče, učitelji razširijo tudi s terenskim delom in uporabo IKT. Da bi le-to resnično spodbujalo miselne in akcijske dejavnosti učencev, je pomembno, kako je zasnovano. Primerno je, če je odprto in problemsko zasnovano ter povezano z življenjem in okoljem, v katerem živimo. »Eksperimentalno delo ima pri pouku kemije dvojno vlogo: obravnava kemijskih pojmov na podlagi eksperimentalnih opažanj kot vira primarnih podatkov ali preverjanje teorij oziroma raziskovalnih hipotez« [9, str. 23]. Priporočeno je tudi, da naj bo pri načrtovanju učnih oblik eksperimentalnega dela poudarek na samostojnem eksperimentalnem delu učencev (skupinsko delo, delo v dvojicah, individualno delo), vsekakor dopolnjeno z demonstracijskimi poskusi, kamor naj bodo aktivno vključeni tudi učenci [9].

8

Tehnika in tehnologija. Je obvezni predmet v 6., 7. in 8. razredu OŠ. Opredeljujejo ga štiri široka glavna področja, ki se med poukom prepletajo in jih učenci v največji meri spoznavajo s svojo dejavnostjo. Ta področja so tehnična sredstva, tehnologija, organizacija dela in ekonomika [10]. V UN predmeta [10] raziskovalno in eksperimentalno delo v času pouka ni posebej izpostavljeno. Splošni cilji predmeta sicer med drugim navajajo, da učenci z eksperimentiranjem, poustvarjanjem in ustvarjanjem, snovanjem in načrtovanjem ter organiziranjem in vrednotenjem dela rešujejo tehnične in tehnološke probleme ter si pri tem razvijajo ustvarjalne sposobnosti. So pa med didaktičnimi priporočili poleg projektne naloge predlagane tudi druge metode dela, kot so raziskovalno, opazovalno in preučevalno delo, uporaba IKT in drugo. Zapisano je tudi, da naj v sklopu medpredmetnih povezav učenci uporabljajo IKT, knjižnično-informacijsko znanje, izvedejo raziskave idr. V vsakem razredu je 20 odstotkov t.i. rezervnih ur, ki so namenjene aktualizaciji, poglabljanju v okviru projektov, povezavam z drugimi področji in predvsem tistim vsebinam, ki učence najbolj zanimajo [10]. V ta sklop ur se lahko umesti tudi raziskovalno in eksperimentalno delo. Poleg rednega pouka lahko v OŠ raziskovalno in eksperimentalno delo vključimo v dneve dejavnosti. Koncept dni dejavnosti [11] v opredelitvi pojasnjuje, da so dnevi dejavnosti (kulturni, naravoslovni, športni in tehniški dnevi) tisti del obveznega programa OŠ, ki medpredmetno povezujejo discipline in predmetna področja, vključena v predmetnik OŠ. Sicer so vsebinsko in organizacijsko določeni v letnem delovnem načrtu šol, ciljno pa so usmerjeni v t.i. prenos teorije v prakso. Natančneje naj bi dnevi dejavnosti učencem omogočili utrjevanje in povezovanje znanja, pridobljenega pri posameznih predmetih in predmetnih področjih, uporabo tega znanja in njegovo nadgrajevanje s praktičnim učenjem v kontekstu medsebojnega sodelovanja in odzivanja na aktualne dogodke v ožjem in širšem družbenem okolju [11]. Deleži posameznih sklopov dni dejavnosti v OŠ so predstavljeni v preglednici 2.1. Preglednica 2.1: Razporeditev dni dejavnosti glede na razred in poimenovanje dni [11].

razred

poimenovanje dni I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. skupaj

Kulturni dnevi 4 4 4 3 3 3 3 3 3 30 Naravoslovni dnevi 3 3 3 3 3 3 3 3 3 27 Športni dnevi 5 5 5 5 5 5 5 5 5 45 Tehniški dnevi 3 3 3 4 4 4 4 4 4 33

skupaj 15 15 15 15 15 15 15 15 15 135

Posamezni dnevi dejavnosti se izvajajo v sklopu 5 pedagoških ur [11]. Za naravoslovno-tehniško področje to pomeni 60 dni dejavnosti in kar 300 pedagoških ur na voljo za povezovanje znanja iz različnih področij skupaj v celoto. Izhodišča dni dejavnosti temeljijo na spodbujanju vedoželjnosti, ustvarjalnosti in samoiniciativnosti učencev, usposabljanju za samostojno opazovanje in pridobivanje izkušenj in znanja, razvijanju spretnosti ter na samostojnem reševanju problemov. Pogosto potekajo v obliki projektnega dela, saj na ta način dnevi dejavnosti omogočajo razvijanje elementov raziskovalnega učenja

9

in dela učencev na šoli - od načrtovanja nalog, zbiranja podatkov, do oblikovanja ugotovitev in predstavitve rezultatov [11]. Na podlagi izhodišč, učnih oblik in časovnega okvira, ki je na voljo za naravoslovno-tehniško področje, so torej projekti v okviru dni dejavnosti zelo primerni za vključevanje oddaljenega laboratorija. Z uporabo oddaljenega laboratorija učencem omogočimo in na nek način osmislimo uporabo sodobne tehnologije pri pouku, pokažemo drugačen način zbiranja podatkov v naravnem okolju, predvsem pa spodbujamo medpredmetno povezovanje, kar je pravzaprav namen dni dejavnosti. 2.2.1 Projekt Verižna reakcija Primer dobrega sodelovanja med univerzo oziroma fakulteto in osnovnimi šolami je triletni mednarodni šolski projekt Verižna reakcija (ang. Chain Reaction) [12], ki temelji na raziskovalnem učenju naravoslovja in tehnike v šolskih letih od 2013/2014 do 2015/2016. V projekt je vključenih 9 evropskih držav: Slovenija, Velika Britanija, Italija, Slovaška, Turčija, Bolgarija, Francija, Nemčija, Grčija ter Irska, Gruzija in Jordanija. Slovensko skupino predstavlja Oddelek za fiziko in tehniko s Pedagoške fakultete Univerze v Ljubljani v sodelovanju z različnimi osnovnimi šolami iz cele Slovenije. Projekt vključuje od 14 do 16 let stare učence in njihove učitelje. Namen projekta je razvijanje naravoslovno-tehniškega razmišljanja in praktičnih spretnosti sodelujočih učencev, pri čemer dotični sodelujejo z znanstveniki, gospodarstveniki in tudi učitelji. Cilji projekta [12] so poleg razvijanja raziskovalnega razmišljanja in praktičnih spretnosti tudi:

- prilagoditev in razširitev nabora gradiv za raziskovalno učenje naravoslovja in tehnike,

- preko usposabljanja učiteljev spodbuditi uporabo raziskovalnega učenja pri pouku naravoslovja in tehnike,

- razvijanje sposobnosti za timsko delo, - razvijanje sposobnosti za predstavitev svojih rezultatov na različnih

nivojih, - promocija Evropskega združenja učiteljev, - izvedba nacionalnih in mednarodnih konferenc.

Projekt Verižna reakcija v šolah izvajajo v obliki dni dejavnosti. Učne vsebine so osredotočene na okoljske naravoslovno-tehniške vsebine in perspektive življenja v vesolju, proces učenja pa je zasnovan na induktivnih metodah poučevanja, pri čemer učenci preizkušajo in optimizirajo vodne turbine [13, 14], zeleno ogrevanje, optimizirajo vetrne turbine, pametne električne avtomobile [15, 16] itd. Učenci vse poskuse opravljajo v učilnicah in laboratorijih. Z gradivi, ki so prilagojena kurikulumu in kulturi vsake posamezne države, prinaša projekt tudi trdni in trajnostni okvir učenja naravoslovno-tehniških vsebin. Projekt omogoča razvoj in širjenje raziskovalnega pristopa in učenja. Model projekta je cikličen, kar pomeni, da v projektu vsako novo šolsko leto sodelujejo novi učitelji in učenci iz različnih slovenskih osnovnih šol. Na ta način omogočijo sodelovanje čim večjemu številu ljudi. Sodelujoči učenci ne le spoznavajo

10

raziskovalno učenje in reševanje naravoslovno-tehniških problemov na podlagi skupinskega dela, soočijo se tudi z dokumentacijo in predstavitvijo svojega dela. Najprej predstavljajo na šolski ravni, nato na nacionalni konferenci in najboljša skupina od vseh sodelujočih šol tudi na mednarodni konferenci. Konference so namenjene predvsem vzpodbudi in potrditvi dobrega dela učencev, saj spodbudijo učence k čim bolj natančnemu raziskovalnemu delu ter jim omogočajo, da ostalim sodelujočim in obiskovalcem pokažejo svojo kreativnost in domiselnost [12]. Dosedanji rezultati testiranj znanja pred in po izvedbi tehniških dni kot tudi zadovoljstvo učencev [15] kažeta, »da bi medpredmetno naravnan pristop k izvajanju tehniških dni lahko bil osnova za predlog, kako prepričati pristojne, naj vendarle vrnejo predmet TIT v 9. razred« [12].

11

3 ODDALJENI LABORATORIJI V TEORIJI IN PRAKSI

Pogost problem klasičnih laboratorijev je prostorska stiska, čas priprave eksperimentov in nenazadnje sredstva, ki jih je potrebno vlagati v vzdrževanje in obnavljanje laboratorijev [1]. V tem pogledu je uvedba oddaljenega laboratorija v učno okolje pomenila korak naprej [2]. Dandanes so oddaljeni laboratoriji na različnih univerzah po svetu nujno potrebni v visokošolskem tehniškem učnem okolju, saj odpravljajo večino ovir v klasičnih laboratorijih [1]. Organizirani so tako, da študentom omogočajo krajevno in časovno neodvisno uporabo, kar pomeni, da na pravih napravah kadarkoli in kjerkoli izvajajo eksperimente [2]. V poglavju so podrobneje obravnavani oddaljeni laboratoriji, predstavljene so njihove prednosti in slabosti, zgradba ter uporaba.

3.1 OPREDELITEV ODDALJENEGA LABORATORIJA Termin spletno eksperimentiranje (ang. Web-based experimentation) Hercog [17] opredeli kot spletne rešitve, ki uporabnikom omogočajo izvedbo eksperimentov na daljavo. Navaja tudi, da je spletno eksperimentiranje način opazovanja in upravljanja virtualnega ali realnega procesa z ustrezno vizualno predstavitvijo procesa in uporabo ustreznih krmilnih naprav. Kadar imamo iz enega centra dostop do več takšnih eksperimentov, govorimo o laboratorijih, ki so glede na način delovanja bodisi virtualni bodisi oddaljeni laboratoriji. Oddaljeni laboratorij uporabnikom omogoča izvajanje poskusov oziroma eksperimentov, ki so postavljeni v izobraževalnih laboratorijih, izvajajo pa se v realnem času preko oddaljenega dostopa tj. svetovnega spleta [5]. V primerjavi s klasičnim laboratorijem je za to, da omogočimo oddaljeni dostop, v klasičen laboratorij potrebno vnesti nekaj sprememb, ki so vidne na sliki 3.1. V klasičnem laboratorijskem okolju je uporabnik prisoten v laboratoriju in uporablja opremo z lastnimi rokami, kot posledico izvedbenih dejanj pa dobiva neposredne povratne informacije. Z oddaljenim laboratorijem pa je uporabnik povezan preko osebnega računalnika (ali katere druge naprave npr. prenosnika, pametnega telefona, tabličnega računalnika) in svetovnega spleta. Gre torej za posredno medsebojno vplivanje med človekom in laboratorijsko opremo. Za upravljanje oddaljeni laboratorij uporablja posebno opremo ali pa direkten dostop preko spletnih aplikacij oziroma brskalnikov. Uporabnikovi ukazi se posredujejo v sprejemni sistem, ki ga najpogosteje predstavlja računalniški sistem, ki je neposredno povezan z laboratorijsko opremo, kjer se izvedejo zahtevani ukazi [18]. Po izvršenih ukazih uporabniku vrača povratno informacijo, kaj se v laboratoriju dogaja. Takšno interakcijo imenujemo dvosmerna komunikacija. Kadar so laboratoriji preprostejši in komunikacija poteka od oddaljenega laboratorija k uporabniku ali obratno, gre za izvedbo enosmerne komunikacije [5]. Oddaljeni laboratoriji torej uporabnikom

12

omogočajo izvajanje dejavnosti na daljavo, pri čemer ni zahtevana njihova prisotnost na mestu postavitve laboratorijske opreme [17].

Slika 3.1: Primerjava klasičnega (a) in oddaljenega laboratorija (b); prevedeno iz [18].

V praksi meja med virtualnimi in oddaljenimi laboratoriji ni povsem ločena, ker spletni eksperimenti pogosto združujejo virtualne in oddaljene eksperimente [17].

3.2 PREDNOSTI IN SLABOSTI ODDALJENIH LABORATORIJEV Kadar govorimo o prednostih oddaljenih laboratorijev, velja omeniti naslednje [3, 17, 19]:

- časovna neodvisnost (uporabnikom omogočajo časovno neomejen dostop do laboratorijske opreme),

- krajevna neodvisnost (uporabnikom omogočajo dostop od koderkoli, kjer imajo dostop do svetovnega spleta),

- večji izkoristek laboratorijske opreme sledi iz prejšnjih dveh alinej, - laboratorijska oprema je za izvajanje eksperimentov posameznemu

uporabniku na voljo dlje časa, - izvajanje eksperimentov je omogočeno tudi osebam s posebnimi

potrebami, - izmenjava inovativnih eksperimentov med inštitucijami (le-te nimajo

vedno pogojev za razvijanje visoko kakovostnih eksperimentov na veliko različnih področjih, so bolj specializirane na posamezna področja),

- izmenjava visokocenovne opreme med inštitucijami, - vključevanje laboratorijskega dela pri študiju na daljavo.

13

Ena od šibkih točk oddaljenih laboratorijev je njihova visoka cena, saj je za postavitev takšnih laboratorijev potrebna kompleksna oprema (fizična in programska) in redna podpora, da vse deluje, kot mora [19]. Omenimo lahko še dve slabosti oddaljenih laboratorijev [3, 17]:

- posreden stik z laboratorijsko opremo in napravami ter zaradi tega tudi omejena interakcija, kar se tiče usposabljanja pri ročnih motoričnih spretnostih,

- oddaljeni laboratoriji niso primerni za uporabo na vseh naravoslovno-tehniških področjih, predvsem tistih, kjer je pri eksperimentiranju pomemben tudi vonj (npr. kemija),

- uporabljajo se le obstoječi eksperimenti, saj po večini ne podpirajo samogradnje ali spreminjanja poskusov.

3.3 ZGRADBA ODDALJENIH LABORATORIJEV V grobem je zgradba laboratorijev z oddaljenim dostopom skoraj vedno enaka in je sestavljena iz naslednjih komponent: eksperimentalna laboratorijska nastavitev, ki povezuje oddaljene uporabnike, da lahko dostopajo do strežnika, in računalnik, povezan s strežnikom in opremljen s potrebnimi vhodnimi/izhodnimi moduli za komunikacijo z eksperimenti oziroma laboratorijsko opremo [2]. Če širše pogledamo, delovanje oziroma sistem oddaljenega laboratorija vsebuje dve komunikacijski zanki. Prva je regulacijska zanka, ki se izvaja na laboratorijskem strežniku v realnem času in preko oddaljene vhodne/izhodne opreme izvaja vodenje eksperimenta, druga pa je nastavitvena zanka, ki je namenjena izmenjavi podatkov med uporabnikom in strežnikom [17], obe sta prikazani na sliki 3.2.

Slika 3.2: Prikaz informacijskih zank v oddaljenem laboratoriju1 [17].

Oddaljeni laboratorij vsebuje tudi dodatne servise kot so registracija novih uporabnikov (uporabniško ime in geslo), proces za preverjanje uporabnikov (strežnik se mora prepričati, da je uporabnik res to, kar trdi, da je), podroben opis poskusov in navodila za izvajanje le-teh, rezervacijski sistem za posamezni poskus itd. [17].

1 Kratica TCP pomeni protokol za nadzor prenosa, IP pa internetni protokol.

14

3.4 UPORABA ODDALJENIH LABORATORIJEV Večje univerze se soočajo s problemom velikega števila vpisanih študentov in omejeno razpoložljivostjo zaposlenih (tj. asistentov in tehničnih sodelavcev). Pri visokem vpisu študentov je nujno potrebno ustrezno število zaposlenih, ki nadzirajo študente pri delu, odgovarjajo na njihova vprašanja in jih z nasveti vodijo v času izobraževanja. Vpisani študenti imajo različne intelektualne zmogljivosti in predvsem različne interese, kar je lahko razlog za manj učinkovito delovno izkušnjo v času predavanj ali vaj. Zato oddaljeni laboratoriji ponujajo elegantno rešitev številnih pedagoških vprašanj. Z uporabo oddaljenega laboratorija lahko vsak študent rešuje vaje v svojem tempu in glede na svoje interese, pri tem pa mu ni potrebno čakati na ostale, da bi ga dohiteli. To zvišuje motivacijo študentov [1]. Na področju elektrotehnike najpogosteje zasledimo dva tipa oddaljenih laboratorijev. Prvi so oddaljeni merilni laboratoriji, namenjeni zbiranju merskih podatkov, ki so uporabnikom na voljo za kasnejšo analizo, drugi pa so oddaljeni laboratoriji s področja avtomatskega vodenja, kjer se algoritem vodenja izvaja v zanki tako, da najprej pošljemo podatke na vhode oddaljenega laboratorija, sistem podatke procesira in jih preko izhodov pošlje nazaj uporabniku. S tehniškega in varnostnega zornega kota je izvedba oddaljenih laboratorijev in eksperimentov s področja avtomatskega vodenja zahtevnejša od izvedbe oddaljenih merilnih aplikacij [17]. Obstaja že več oddaljenih laboratorijev, ki so uporabljeni na področju učenja o obnovljivih virih energije [19, 20]. V [19] je predstavljena strojna in programska oprema nizkocenovnega oddaljenega laboratorija z uporabo konstrukcijske zbirke Lego Mindstorms NXT v2.0 za obnovljivo energijo vetra in sonca. Prvi eksperiment z vetrno energijo prispeva k razumevanju, kako je veter direktno povezan z nastankom energije, saj učence usmerja v to, da opazujejo, kako nastane električna napetost in kolikšna je pri različni moči vetra. Drugi eksperiment pa je osredotočen na to, v kakšni korelaciji sta solarna matična plošča in vpadni kot sončeve svetlobe. Učenci preko električne napetosti ugotavljajo kateri vpadni kot žarkov je najbolj primeren, da bi zagotovili največjo napetost. Učenci nato za domačo nalogo zbrane podatke grafično prikažejo, pretvarjajo merske enote, predvsem vat (W) in joule (J), raziščejo uporabo enot na domačih računih za elektriko itd. Eksperimenta sta prikazana na sliki 3.3.

Slika 3.3: Lego eksperiment a) za preučevanje energije vetra in b) za preučevanje energije sončeve svetlobe [19].

15

Drugi primer [20, 21] predstavlja oddaljeni laboratorij za preučevanje sončeve svetlobne energije, ki je namenjen študentom tehnike in tehnikom po celem svetu. Sestavljen je iz pilotne sončne elektrarne, ki vsebuje dve plošči sončnih zbiralnikov s površino 3 m2, le-ti se nahajata na strehi stavbe Higher Technical Institute na Cipru (ta inštitut danes spada pod ciprsko Univerzo za tehnologijo), toplotnega izoliranega rezervoarja z vodo ter druge pomožne opreme in pripomočkov. Prav tako je opremljen z vsemi potrebnimi merilnimi pripomočki, nadzornimi in komunikacijskimi napravami, ki so potrebne za oddaljeni dostop, nadzor in zbiranje ter obdelavo podatkov. V [20] je podanih nekaj grobih opisov primerov uporabe tega oddaljenega laboratorija, med drugimi je tudi primer raziskovanja trenutnega izkoristka sončnega zbiralnika ali določitev porabljene energije iz rezervoarja segrete vode. Uporabnik zbira podatke o pretoku vode, temperaturi, vpadnem kotu svetlobnih žarkov itd. in nato z uporabo nekaterih termodinamičnih enačb preuči izkoristek in karakteristike zbiralnika ter jih primerja s podatki proizvajalca. Uvajanje oddaljenih laboratorijev v osnovne in srednje šole se kljub nekaterim predlogom za uvedbo še ni precej uveljavilo. Vzrokov za to je več, med drugim neozaveščenost učiteljev naravoslovja o uporabi in dostopnosti oddaljenih laboratorijev, univerzitetni oddaljeni laboratoriji niso prilagojeni za izvajanje eksperimentov, primernih za osnovnošolce in srednješolce, tudi učna gradiva so prezahtevna za mlajše uporabnike in niso dostopna v različnih jezikih, v šolah ni povsod internetne povezave, zadnja ovira pa je pomanjkanje sodelovanja osnovnih in srednjih šol z univerzami, kar naj bi se v zadnjih letih sicer že izboljševalo [22]. Kljub temu obstajajo nekatere implementacije oddaljenih laboratorijev v osnovne in srednje šole [3, 23]. Avtorji [3] menijo, da je eksperimentalno delo v osnovni in srednji šoli ključnega pomena, da se obdrži vpis študentov v izobraževalne ustanove za poklice, ki temeljijo na znanosti. Za kakovostno izvajanje laboratorijskega dela pa je največja omejitev to, da nakup in vzdrževanje profesionalne laboratorijske opreme močno presega proračunska sredstva šol. Rešitev zato vidijo v uporabi oddaljenih laboratorijev. Izvedli so raziskavo z uporabo oddaljenih laboratorijev v osnovni šoli (uporabniki so bili učenci dveh različnih šol, stari med 9 in 11 let). Sprva so bili ti laboratoriji namenjeni uporabi različnih fakultet, nato pa so nekatere eksperimente prilagodili za uporabo v šoli. Cilj raziskave [3] je bil preučiti odziv učencev na laboratorijsko delo brez neposrednega stika z laboratorijsko opremo. Izvajali so tri različne eksperimente. Primer eksperimentalne naprave za primer Peltonove turbine se nahaja na University of Technology v Sydneyu. Postavljena sta dva rezervoarja za vodo, iz zgornjega se voda preko turbine pretaka v spodnjega, tako poganja turbino in proizvaja električno energijo za napajanje razsvetljave v simulirani hiši. Učenci so raziskovali povezavo med hitrostjo vodnega toka, tlakom, močjo elektrarne itd. Rezultati raziskave [3] kažejo, da učenci pred uporabo oddaljenega laboratorija niso imeli jasne predstave o oddaljenem nadzoru fizičnih sistemov preko svetovnega spleta, pogosto so to enačili z daljinsko vodenimi igračami. Ugotovili so, da učencem veliko pomenijo dobro napisana navodila za uporabo, ki jim lahko sledijo. Učenci so kot dobro ocenili izbiro eksperimentov. O delu v oddaljenem laboratoriju v skupinah so bila mnenja deljena, le nekaj učencev je menilo, da se je sodelovanje v supini

16

izboljšalo. Več kot dve tretjini učencev sta odgovorili, da je bilo delo v oddaljenem laboratoriju zabavno ali zelo zabavno, zanimiva in vznemirljiva se jim je zdela uporaba te tehnologije. Tretjina učencev meni, da so se naučili zelo veliko, ostali dve tretjini pa, da so naučili malo. Glede razvoja spretnosti sta dve tretjini učencev odgovorili, da so razvili nekaj spretnosti, najpogostejši odgovori so bili konstruiranje, upravljanje, IKT spretnosti, interpretacija grafov in podatkov. Sama laboratorijska izkušnja se je večini učencev zdela pomembna. Večina učencev meni, da z oddaljenim laboratorijem dobimo bolj zanesljive podatke in da je opravljanje meritev lažje v primerjavi s klasičnimi laboratoriji. Končna slika glede prednosti in slabosti uporabe oddaljenih laboratorijev je na podlagi tega primera morda malo bolj jasna, a vseeno odgovori učiteljev kažejo, da so učenci tehnologijo dobro sprejeli, potrebno pa je še postoriti, da bodo tudi didaktično več prispevali k učnemu procesu in bodo bolj povezani z učnimi načrti.

17

4 PREPROST ODDALJENI LABORATORIJ Preprost oddaljeni laboratorij je sestavljen iz štirih glavnih komponent in pomožne programske in druge opreme. Predstavljene so glavne komponente in povezava le-teh v oddaljeni laboratorij.

4.1 NAČRTOVANJE IZDELAVE ODDALJENEGA LABORATORIJA

Glavno vodilo pri načrtovanju oddaljenega laboratorija je, kako na otrokom razumljiv način izdelati preprost oddaljeni laboratorij z nizkocenovno opremo, ki bo omogočal zbiranje podatkov iz oddaljenih lokacij v naravnem okolju. Osnovna ideja izdelave preprostega oddaljenega laboratorija izhaja iz [5], kjer potrebujemo tipala za merjenje fizikalnih količin, povezana s krmilnikom, ki bere te podatke in jih preko UART komunikacije prenese na GSM modul, v katerem je SIM kartica, preko katere modul na uporabnikov GSM aparat oziroma mobilni telefon pošilja kratka sporočila SMS z meritvami.

4.2 SESTAVNI DELI ODDALJENEGA LABORATORIJA V nadaljevanju predstavljamo glavne komponente oddaljenega laboratorija. 4.2.1 Arduino UNO Arduino je odprtokodna (ang. open source) prototipna platforma, ki temelji na uporabniku prijazni in preprosti strojni in programski opremi. Izdelki, tj. Arduino ploščice, so sposobni brati informacije na vhodih (npr. osvetljenost na senzorjih, prst na tipki, sporočila na socialnih omrežjih) in jih pretvoriti v izhodne informacije (npr. vklop svetleče diode (LED), zagon motorja, objava na svetovnem spletu). Vsi tovrstni ukazi so podani z nizom navodil, ki jih programiramo preko odprtokodne Arduino programske opreme, temelječe na programski aplikaciji IDE (ang. integrated development environment), ki računalniškim programerjem zagotavlja širok nabor objektov za razvoj programske opreme. V preteklem času in še danes je Arduino srce tisočih projektov, od najbolj preprostih vsakdanjih objektov do kompleksnih znanstvenih instrumentov. Okrog odprtokodne platforme se je zbrala prava svetovna skupnost ustvarjalcev, ki vključuje študente, ljubiteljske ustvarjalce, programerje in profesionalce. Njihovi prispevki skupaj predstavljajo neverjetno količino dostopnega uporabnega znanja, ki je lahko v veliko pomoč tako začetnikom kot strokovnjakom [24]. Izbrani krmilnik Arduino UNO, prikazan na sliki 4.1, je bistvena komponenta našega oddaljenega laboratorija. Beseda »uno« v italijanščini pomeni ena in je bila izbrana za oznako Arduinove prve ploščice z USB (ang. Universal Serial Bus, univerzalno serijsko vodilo) priključkom, ki danes predstavlja referenčni model za platformo Arduino. Za delovanje uporablja mikrokrmilnik ATmega328P, družine Atmel [25]. Vsebuje 14 digitalnih priključkov, ki jih lahko nastavimo kot vhodne ali izhodne, od teh se jih 6 lahko uporablja kot PWM

18

(pulzno-širinska modulacija) izhode. Poleg tega ima še 6 analognih vhodov, 16 MHz keramični resonator, USB priključek, »jack« vtičnico za napajanje in gumb za ponastavitev. Za uporabo krmilnika ga z AC/DC napajalnikom priključimo na omrežno napetost ali ga preko USB priključka in USB kabla povežemo z računalnikom. Potrebujemo USB kabel s priključkoma USB-A in USB-B. Nanj lahko prenesemo program za delovanje, ki je napisan v določenem programskem jeziku (Bascom, C++ …). [24] Podrobnejši tehnični podatki krmilnika so podani v preglednici 4.1.

Slika 4.1: Krmilnik Arduino UNO [24].

Preglednica 4.1: Osnovni tehnični podatki krmilnika Arduino UNO [24].

Mikrokrmilnik ATmega328P

Delovna frekvenca 16 MHz

Napajanje

Delovna napetost 5 V

Priporočena vhodna napetost 7-12 V

Mejna vhodna napetost 6-22 V

Vhodi/izhodi

Digitalni vh./izh. priključki 14 (od tega je 6 PWM izhodov)

PWM digitalni V/I priključki 6

Analogni vh. priključki 6

Električni tok

Enosmerni el. tok za vh./izh. priključke

20 mA

Enosmerni el. tok za 3,3 V priključek 50 mA

Pomnilniki

Flash Memory 32 KB (ATmega328P) od katerega 0,5 KB porabi bootloader2

SRAM 2 KB (ATmega328P)

EEPROM 1 KB (ATmega328P)

Mehanski podatki

Dolžina 68,6 mm

Širina 53,4 mm

Masa 25 g

2 Bootloader je koda, ki se izvrši preden prične delovati katerikoli operacijski sistem na neki napravi.

19

4.2.2 GSM/GPRS modul ITEAD SIM900 s SIM kartico GSM/GPRS modul ITEAD SIM900, prikazan na sliki 4.2, predstavlja samostojen sklop elektronskih komponent in vezja, ki temelji na modulu SIM900. Krmilimo ga preko AT ukazov, na tak način pa komunicira tudi z drugimi krmilniki. Je popolnoma združljiv z Arduino krmilniki. Modul ima 8 priključkov, dva za napajanje (negativni (-) za ozemljitev in pozitivni (+) za napetost +5 V), štiri za UART komunikacijo (TX in RX priključek ter Debug TX in Debug RX), dva za vklop in ponovni zagon modula (P – power, RST – reset) [26]. Osnovni tehnični podatki modula ITEAD SIM900 so predstavljeni v preglednici 4.2.

Slika 4.2: (a) zgornja stran in (b) spodnja stran modula ITEAD SIM 900 [27].

Preglednica 4.2: Osnovni tehnični podatki modula ITEAD SIM900 [26].

Napajanje

Delovna napetost 5 V (min. 4,5 V in maks. 5,5 V)

Hitrost komunikacije 115200 bitov/s

Drugo

Komunikacijski protokol UART

GSM frekvenčni pasovi 4 (ang. quad band) - 850/900/1800/1900 MHz

Mehanski podatki

Dolžina 71,4 mm

Širina 66,0 mm

Višina 1,6 mm

Delovna temperatura -40° C do 85° C

Za pošiljanje sporočil iz modula na pametni mobilni telefon potrebujemo tudi veljavno mini SIM kartico s predplačniškim paketom ali naročnino pri mobilnem operaterju. V kolikor imamo mikro SIM kartico, je v modulu ne bomo mogli uporabiti brez adapterja (okvirček za standardno velikost mini SIM kartice), slika 4.3.

20

Slika 4.3: Razlika med mikro in mini SIM kartico [28].

Za boljši signal smo modulu dodali preprosto anteno. Na spodnjo stran priključka za anteno smo prispajkali žico, slika 4.4. Za izračun dolžine žice l potrebujemo podatek o valovni dolžini, ki jo izračunamo po enačbi 4.1, pri čemer je λ valovna dolžina, c hitrost svetlobe (c = 299 792 458 m/s) in f frekvenca (glede na najbolj znana frekvenčna pasova: f1 = 900 MHz, f2 = 1800 MHz). Po enačbi 4.2 smo izračunali dolžino vodnika za anteno pri osnovni frekvenci f1 (če bi računali za f2, ki je dvakratnik f1, bi v enačbi namesto četrtine valovne dolžine izračunali polovico valovne dolžine). Torej dolžina antene znaša približno 8,3 cm in to velja za λ/4 pri osnovni frekvenci 900 MHz, ista dolžina žice deluje tudi pri frekvenci 1800 MHz, ki deluje v načinu λ/2.

(4.1)

(4.2)

Slika 4.4: Spodnja stran modula z vodnikom na mestu antene.

4.2.3 Elektronsko merjenje temperature Temperatura je zagotovo ena od spremenljivk, ki najbolj povezuje naravoslovne predmete s tehniko. Zato smo za predstavitveni primer zbiranja podatkov z oddaljenim laboratorijem izbrali merjenje temperature s temperaturnim tipalom. Prvi predlog uporabe temperaturnega tipala je bil NTC termistor, vezan v delilnik napetosti in priključen na ADC vhod krmilnika Arduino UNO. Za meritev,

21

ki jo pošljemo po kratkem sporočilu SMS, bi nato izmerjeno napetost (odčitano vrednost na ADC vhodu) v programu preračunali v temperaturo. Specifična upornost termistorja je v splošnem odvisna od temperature. Idejo smo opustili, ker je NTC (negativni temperaturni koeficient) termistor nelinearen upor (z velikim temperaturnim koeficientom) in bi nam povzročal preglavice pri zbiranju podatkov. Za merjenje temperature smo izbrali temperaturno tipalo LM35, slika 4.5. To tipalo deluje v območju -55 °C do 150 °C. Napetost na izhodu tipala je linearno odvisna od temperature in se spreminja za 10 mV/°C. Tipalo pri sobni temperaturi deluje na ±0,25 °C natančno, v skrajnih mejah pa na ±0,75 °C natančno. Pri temperaturi 25 °C znaša izhodna napetost temperaturnega tipala LM35 250 mV. Z nižanjem ali višanjem temperature izhodna napetost tipala pada ali narašča in pri temperaturi -55 °C znaša -550 mV, pri temperaturi 150 °C pa 1500 mV oziroma 1,5 V [29].

Slika 4.5: Temperaturni senzor LM35 [30].

Pri testiranju temperaturno tipalo priključimo na prototipno ploščico. Za kasnejšo praktično uporabo pa mu ustrezno podaljšamo nožice z vodniki in jih s skrčkami zaščitimo, da se ne dotikajo med seboj. Na ta način tipalo tudi pripravimo za uporabo v različnih medijih (zraku, vodi itd.). 4.2.4 Pametni mobilni telefon Izbira pametnega mobilnega telefona za preprosti oddaljeni laboratorij je podkrepljena z dejstvi, da tehnologija napreduje iz dneva v dan, posledično so pametni telefoni cenovno dostopni vsakomur, omogočajo delovanje prek GSM komunikacije in omogočajo shranjevanje in uporabo aplikacij za pretvarjanje kratkih sporočil SMS v vrste datotek, ki jih lahko odpremo v računalniku in vsebino sporočil pretvorimo v podatke. Pametni telefon je elektronska naprava, ki združuje funkcije prenosnega računalnika in mobilnega telefona [31]. Natančnejši opis naprave najdemo v Oxfordovem angleško-angleškem slovarju [32], kjer je pametni telefon definiran kot mobilni telefon, ki opravlja veliko

22

računalniških funkcij, navadno ima zaslon občutljiv na dotik, dostop do interneta in operacijski sistem, v katerem delujejo shranjene mobilne aplikacije. Oblika in znamka pametnega telefona v tem primeru nista pomembni, bistveno je, da ima telefon operacijski sistem Android, različico vsaj 1.5, ker je izbrana mobilna aplikacija za pretvarjanje kratkih sporočil SMS v besedilno datoteko izdelana tako, da deluje na tej in na novejših različicah operacijskega sistema.

4.3 POVEZAVA SESTAVNIH DELOV ODDALJENEGA LABORATORIJA

Najprej na krmilnik Arduino UNO z vodniki vežemo temperaturni senzor LM35. Postavimo ga kot na sliki 4.6 in skrajno levo nožico vežemo na napajanje (priključek 5 V na krmilniku, rdeči vodniki), srednjo nožico na analogni vhod (priključek A0 na krmilniku, oranžna vodnika) in desno nožico na ozemljitev (priključek GND na krmilniku, črna vodnika). Nato sledi povezava krmilnika z modulom. Povežemo ju s štirimi vodniki s krmilnikom. Najprej povežemo priključek RX (ang. receive data, po tem priključku prejemamo podatke v modul) modula ITEAD SIM900 s priključkom številka 3 na krmilniku (zelen vodnik) in še TX (ang. transmit data, po tem priključku pošiljamo podatke iz modula) priključek modula s priključkom številka 2 (rumen vodnik). Sledi povezava minus priključka na modulu s priključkom GND na krmilniku (ozemljitev, moder vodnik) in nazadnje še plus priključek modula s priključkom 5 V na krmilniku (napajanje, desni rdeč vodnik). Čeprav ima krmilnik Arduino UNO priključka RX in TX, ju nismo povezali na priključka TX in RX modula, ker krmilnik ta dva priključka uporablja za komunikacijo z računalnikom. Uporabili smo priključka 2 in 3 ter ju v programski kodi nastavili na TX in RX.

Slika 4.6: Povezava senzorja, modula in krmilnika.

23

5 PROGRAMSKA IN DODATNA OPREMA ZA TESTIRANJE ODDALJENEGA LABORATORIJA

Glavni sestavni deli preprostega oddaljenega laboratorija so tipalo, GSM/GPRS modul ITEAD SIM900, krmilnik Arduino UNO in pametni mobilni telefon. Da bi postavili oddaljeni laboratorij in ga pripravili za delovanje, potrebujemo še nekaj dodatne opreme, kot sta na primer USB kabel, programator eProDasFTDI, in nekaj programske opreme na računalniku in pametnem mobilnem telefonu. V tem poglavju so predstavljeni komunikacijski protokoli za komunikacijo med glavnimi sestavnimi deli, program Terminal za testiranje GSM/GPRS modula ITEAD SIM900 in samo testiranje modula na računalniku. Predstavljeno je tudi programsko orodje Bascom-AVR za programiranje Atmelovih mikrokrmilnikov in programska koda za krmilnik Arduino UNO. Na koncu je predstavljena mobilna aplikacija za pretvorbo kratkih sporočil SMS v tekstovno datoteko in obdelava zbranih meritev v računalniškem programu Microsoft Office Excel.

5.1 DELOVANJE ODDALJENEGA LABORATORIJA Za postavitev oddaljenega laboratorija in nastavitev njegovega delovanja je potrebno poznati nekaj osnovnih komunikacijskih protokolov, ki so predstavljeni v nadaljevanju. 5.1.1 GSM komunikacija in SMS Za komunikacijski medij med GSM/GPRS modulom ITEAD SIM900 in mobilnim telefonom, na katerega iz modula pošiljamo kratka sporočila SMS, smo izbrali GSM sistem. Glavni razlog za izbiro je široka pokritost sistema, sistem je brezžičen, kar zagotavlja mobilnost oddaljenega laboratorija, stroški delovanja so nizki in tudi hitrost prenosa podatkov je za naše potrebe povsem primerna. Kratica GSM (Global System for Mobile Communications) označuje trenutno najbolj razširjen digitalni celični telekomunikacijski sistem po celem svetu. Mobilne storitve po celem svetu nam omogoča meddržavno sodelovanje mobilnih operaterjev [33]. GSM sistem deluje v različnih frekvenčnih pasovih. Najbolj znani so pasovi 900 MHz frekvence (GSM 900), 1800 MHz frekvence (GSM 1800) in tudi 1900 MHz in 2100 MHz. Delovanje temelji na SIM (ang. Subscriber Identity Module) kartici, ki predstavlja modul z uporabnikovo identiteto in dodeljeno številko za uporabo v mobilnem omrežju. GSM omogoča kakovostno izmenjavo informacij [34]. SMS (Short Message System) je komunikacijski mehanizem, ki sprejema in pošilja kratka sporočila SMS na mobilnem telefonu prek mobilnega omrežja. SMS deluje na način shranjevanja in posredovanja, to pomeni, ko pošiljatelj pošlje kratko sporočilo SMS, le-to ne pride neposredno do prejemnika, ampak se najprej shrani v SMSC (ang. Short Message Center), SMSC center pa nato pošlje sporočilo naprej prejemniku. Če ima prejemnik izklopljeno napravo ali je izven dosega mobilnega omrežja, center sporočilo avtomatično shrani in ga odpošlje, ko je prejemnik zopet v območju storitev [33].

24

5.1.2 UART komunikacija Za dvosmerni prenos podatkov smo z dvema vodnikoma preko dvosmernega serijskega komunikacijskega protokola UART povezali GPRS/GSM modul ITEAD SIM900 in krmilnik Arduino UNO. Enosmerni asinhronski serijski prenos podatkov nam omogoča pošiljanje podatkov iz vira proti prejemniku po enem vodniku. Za prevajanje med paralelnim zapisom in serijskim zapisom podatkov obstaja integrirano vezje, ki se imenuje UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). Oznaka univerzalni nakazuje, da je oblika zapisa podatkov in hitrosti prenosa podatkov nastavljiva. UART vmesnik je sestavni del vsakega računalnika, saj je primeren za povezavo vhodno-izhodnih naprav in za komunikacijo računalnika z okolico. Vsebujejo ga tudi mikrokrmilniki [35]. Komunikacijski vmesniki, ki so vgrajeni v mikrokrmilnike, so namenjeni povezovanju med samimi mikrokrmilniki, med mikrokrmilniki in računalniki ali med mikrokrmilniki in zunanjimi integriranimi vezji, kot so zunanji pomnilniki, razni senzorji, ADC (analogno digitalni pretvornik) ipd. [35]. Mikrokrmilnik ATmega328P, ki je sestavni del krmilnika Arduino UNO, ima vgrajene tri komunikacijske vmesnike: Serial Peripheral Interface (SPI), Inter-Integrated Circuit (I2C) in programabilni Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter (USART) [25]. Slednji omogoča sinhroni in asinhroni serijski prenos podatkov, ostala dva pa samo sinhroni serijski prenos [35]. Velja si zapomniti, da morata biti sprejemni (RX) in oddajni (TX) priključek za izvedbo serijske komunikacije med dvema sistemoma, z uporabo U(S)ART-a, križno povezana [35]. 5.1.3 AT ukazi AT ukazi (komande) so navodila, ki se uporabljajo za nadzor modemov. Kratica AT izhaja iz angleške besede attention in se uporabi v vsaki ukazni vrstici. Predpona AT ni del ukaza, je pa zapisana pred vsakim ukazom, da modemu sporoči, kje se prične nova ukazna vrstica. Za nadzor GSM/GPRS modulov in mobilnih telefonov se uporablja set ukazov, ki so enaki tistim za nadzor običajnih žičnih modemov. Imajo pa dodaten set ukazov, ki je specifičen za GSM tehnologijo, ker vključuje še ukaze, povezane s kratkimi sporočili SMS. V primeru oddaljenega laboratorija AT ukaze uporabimo za nadzor GSM/GPRS modula ITEAD SIM900. V nadaljevanju predstavljamo komande, ki smo jih uporabili za testiranje modula, s krepkim besedilom so označene tiste, ki smo jih uporabili za kasnejše delovanje oddaljenega laboratorija. Več o AT ukazih za SIM900 najdemo v [36].

AT+GMI

Ukaz pošljemo za identifikacijo proizvajalca. Hkrati preverimo, če povezava deluje. V kolikor je proizvajalec identificiran, dobimo odgovor: SIMCOM_Ltd

25

OK

AT+CPIN= "****"

Ukaz preveri, če je vnešena prava PIN koda SIM kartice (namesto **** vnesemo štirimestno PIN kodo). Če je vnesena prava PIN koda, se

pojavi odgovor OK, sicer pa sporoči napako z odgovorom ERROR.

AT+COPS?

Prikaže, s katerim mobilnim operaterjem je trenutno povezan. Odgovor

dobimo v obliki: +COPS: 0,0,"Si.mobil"

AT+CMGS="+386********",145

Tukaj vnesemo naše sporočilo.

Ukaz za pošiljanje kratkih sporočil SMS. Ukaza za različni obliki sporočil (PDU način ali besedilno sporočilo) se razlikujeta, predstavljamo način pošiljanja za besedilno sporočilo. Najprej vnesemo prejemnikovo telefonsko številko (namesto znakov *), nato število 145 (predstavlja obliko telefonske številke, ker se telefonska številka prične s +, moramo nastaviti na 145, sicer bi nastavili na število 129) in vsebino sporočila, nato za pošiljanje potrebujemo še znak za kombinacijo tipk na tipkovnici Ctrl+z (ASCII koda v šestnajstiškem sistemu je $1A, v desetiškem pa 26), ki označuje konec sporočila. Če je sporočilo uspešno poslano, se to

prikaže kot +CMGS: Tukaj vnesemo naše sporočilo.

AT+CMGL="x"

Prikaže oziroma izpiše kratka sporočila SMS. Na mestu x lahko vnesemo

ukaze za: REC UNREAD – prejeta neprebrana sporočila, REC READ –

prejeta prebrana sporočila, STO UNSENT – shranjene osnutke, STO

SENT – shranjena poslana sporočila in ALL – vsa sporočila.

AT+CMGF=x

S tem ukazom nastavimo vrsto oziroma obliko sporočila. Na mestu x

lahko vnesemo število 0 – PDU način ali 1 – besedilno sporočilo.

5.2 TESTIRANJE GSM/GPRS MODULA ITEAD SIM900 GSM/GPRS modul ITEAD sim900 s krmilniki komunicira prek AT ukazov, zato smo pred povezavo modula s krmilnikom Arduino UNO njegovo delovanje preizkusili z brezplačnim programom Terminal, dostopnim na spletni strani [37]. 5.2.1 Program Terminal Terminal je uporabno orodje za aplikacije serijske komunikacije. Uporablja se za komunikacijo z različnimi napravami, kot so modemi, usmerjevalniki (ang. router), vgrajeni mikrokrmilniški sistemi, GSM aparati, GPS moduli itd. [37].

26

5.2.2 Namestitev programa Terminal S spletne strani [37] na računalnik prenesemo najnovejšo različico datoteke za namestitev programa s končnico .zip. Datoteko nekje na našem disku

razpakiramo in ko program potrebujemo, zaženemo Terminal.exe, ikona . Odpre se programsko okno, ki je prikazano na sliki 5.1.

Slika 5.1: Programsko okno programa Terminal.

5.2.3 Povezava GSM/GPRS modula ITEAD SIM900 z računalnikom Za povezavo GSM/GPRS modula ITEAD SIM900 z računalnikom smo uporabili računalnik, modul, prototipno ploščico, USB kabel (s priključkoma USB-A in USB-B), programator eProDasFTDI, SIM kartico in vodnike, slika 5.2. Mikrokrmilnik na modulu in programator smo povezali s komunikacijskim protokolom UART, slednji nam omogoča povezavo mikrokrmilnika z računalnikom prek RS232 protokola, sliki 5.3 in 5.4.

Slika 5.2: Elementi za povezavo modula z računalnikom.

27

Slika 5.3: Prikaz povezave GSM/GPRS modula ITEAD SIM900 in programatorja FTDI [26, 38].

Slika 5.4: Elektrotehniška shema povezave modula in programatorja.

28

Programator vstavimo v prototipno ploščico. Vzamemo štiri vodnike in s prvim povežemo RX priključek programatorja s TX priključkom modula, z drugim povežemo TX priključek programatorja z RX priključkom modula, ostala dva vodnika ostaneta za napajanje, z enim povežemo + (napetost 5 V) priključek modula z enim izmed VCC priključkov programatorja, z drugim pa - (ozemljitev, 0 V) priključek modula in GND priključek programatorja, sliki 5.3 in 5.4. Sedaj programator z USB kablom povežemo z računalnikom. Odpremo program Terminal. Na nadzorni plošči v upravitelju naprav z dvoklikom na vrstico Vrata (COM in LPT) preverimo, v katera vrata smo priključili modul. Nato v programskem oknu programa Terminal preverimo, če je izbral prava vrata. V levem zgornjem kotu kliknemo na gumb Connect, da se modul in računalnik povežeta (ko sta povezana, se gumb preimenuje Disconnect). V okvirčku Baud rate nastavimo še hitrost komunikacije 115200 bitov/s, slika 5.5.

Slika 5.5: Programsko okno pri povezavi GSM/GPRS modula ITEAD SIM900 z računalnikom.

Za lažje izvajanje ukazov, ki jih pogosto potrebujemo, si nastavimo makre3. V spodnjem delu programskega okna v okvirčku Macros kliknemo na gumb Set macros in odpre se pogovorno okno Macro settings, slika 5.6. V okvirčke pod Transmit Macros vnesemo AT ukaze. Na konec vsakega AT ukaza, predstavljenega v poglavju 5.1.3, vnesemo še tri znake: $0D, ki so pomembni za dokončanje AT ukaza. Te znaki pomenijo ASCII kodo v šestnajstiškem sistemu za CR (ang. Carriage Return) ali bolj znano kot tipko Enter na tipkovnici (ASCII koda v dvojiškem sistemu bi bila 13). V desno okence vnesemo kratico za naš AT ukaz in kratica se takoj prikaže tudi na gumbu desno od tega okenca.

3 Makro predstavlja določeno zaporedje ukazov, ki jih pri večkratni uporabi istih opravil zaženemo z enim ukazom [31].

29

Slika 5.6: Primer vnosa makrov.

Priporočljivo je makre shraniti. To storimo s klikom na gumb Save, kar pomeni shrani, odpre se pogovorno okence Shranjevanje kot, slika 5.7. V okencu Shrani v izberemo ciljno mapo, v okence Ime datoteke vnesemo ime in kliknemo gumb Shrani.

Slika 5.7: Shranjevanje makrov.

30

Preizkus delovanja v primeru naših makrov potem poteka po naslednjih korakih (izpis na zaslonu je prikazan na sliki 5.8):

1. korak: v okvirčku Macros kliknemo gumb GMI za identifikacijo proizvajalca,

2. korak: kliknemo na gumb SIM, da preverimo pravilnost PIN kode, 3. korak: kliknemo na gumb OP, s tem dobimo informacijo o izbranem

operaterju, 4. korak: kliknemo na enega izmed gumbov XY, kjer je zapisan prejemnik

našega sporočila, 5. korak: v belo vnosno vrstico vnesemo naše sporočilo, desno od vnosne

vrstice kliknemo na gumb Send, 6. korak: nazadnje kliknemo še na gumb ctrl+z, s tem označimo konec

sporočila in sporočilo je poslano.

Slika 5.8: Del programskega okna z vsebino pri testnem pošiljanju sporočila.

5.3 PROGRAMIRANJE KRMILNIKA ARDUINO UNO Krmilnik Arduino Uno najprej prek USB kabla (s priključkoma USB-A in USB-B) povežemo z računalnikom. Ta povezava nam zagotavlja tudi napajanje krmilnika, zato drugega napajalnika ne potrebujemo. Hkrati je krmilnik Arduino UNO povezan še z GSM/GPRS modulom ITEAD SIM900. Za programiranje Atmel mikrokrmilnika na krmilniku Arduino UNO uporabimo programsko orodje Bascom-AVR, ki je skupaj z osnovami uporabe in celotno programsko kodo za krmilnik predstavljeno v nadaljevanju.

31

5.3.1 Programsko orodje Bascom-AVR Programsko orodje Bascom-AVR smo izbrali na podlagi več razlogov. Predvsem so to pretekle izkušnje v času študija na Pedagoški fakulteti, pri predmetih projekti iz elektronike in robotika, poleg tega sta bistveni še dve dejstvi: demonstracijska (DEMO) verzija orodja je brezplačno dostopna na spletni strani [39] in programski jezik Basic, ki ga orodje uporablja, je dovolj preprost ter razumljiv za programiranje. DEMO verzija je popolnoma delujoča verzija z omejitvijo velikosti programske kode, ki jo lahko prevedemo. Programsko orodje je primerno za začetnike v svetu programiranja in po izkušnjah sodeč tudi za OŠ. V programskem orodju je na voljo tudi pomoč, kjer najdemo opise programskih ukazov in njihovo razlago na konkretnih primerih. Imamo tudi možnost spremljanja poteka izvajanja programa (debugger), kar nam olajša iskanje napak in pisanje programske kode. 5.3.2 Namestitev programskega orodja Bascom-AVR Za namestitev programskega orodja Bascom-AVR z omenjene spletne strani na računalnik prenesemo datoteko s končnico .zip. To datoteko nekje na našem disku razpakiramo in poiščemo datoteko setupdemo.exe. Slednjo zaženemo in sledimo postopku instalacije programa (Priloga 10.1). 5.3.3 Namestitev programatorja AvrDUDE Programator poskrbi, da programsko kodo oziroma program, ki ga napišemo v urejevalnem oknu programa na računalniku, prenesemo v mikrokrmilnik. Teh orodij je veliko in mnogo med njimi je tudi brezplačnih. Mi smo izbrali odprtokodni programator AvrDUDE. Najprej s spletne strani [40] prenesemo najnovejšo različico programske opreme WinAVR in jo namestimo (Priloga 10.2). Za tem prenesemo tudi datoteko ArduinoDUDE s končnico .zip, dostopno na [41]. To datoteko razpakiramo v ciljno mapo programa WinAVR. Če nismo spreminjali poti, se običajno shrani na računalniški disk C: C:\WinAVR-20100110\bin\. 5.3.4 Zagon programa Bascom-AVR

Program zaženemo s klikom na ikono BASCOM-AVR , ki jo v programskem okolju Microsoft Windows najdemo po naslednji poti: Start\Programi\MCS Electronics\BASCOM-AVR\BASCOM-AVR. V novejših različicah (npr. Windows 8.1) pa za zagon programa na začetnem zaslonu kliknemo na ikono za iskanje (lupa), vpišemo začetne črke programa in kliknemo na zgoraj omenjeno ikono BASCOM-AVR. Ko program zaženemo, se prikaže opozorilo, ki ga zapremo s klikom na gumb OK, slika 5.9. V kolikor želimo, da se opozorilno okno ne pojavlja več, obkljukamo to možnost in kliknemo na gumb OK.

32

Slika 5.9: Opozorilno okno ob zagonu programa Bascom-AVR.

Za tem sledi opozorilno okno z namigi, ki ga zapremo s klikom gumba Close, slika 5.10. Če ne želimo pojavljanja tega okna, lahko odstranimo kljukico, ki potrjuje pojavljanje tega okna, in nato kliknemo na gumb Close.

Slika 5.10: Okno z namigi.

Pri prvem zagonu programa Bascom-AVR se pojavi prazno programsko okno, slika 5.11. Ko naslednjič odpremo program, se odpre programska koda, ki smo jo nazadnje ali najpogosteje uporabljali in urejali.

33

Slika 5.11: Prazno programsko okno Bascom-AVR ob prvem zagonu.

Za pričetek programiranja moramo odpreti novo urejevalno okno, kar lahko

storimo na dva načina: (I) kliknemo na ikono Create a new file ali (II) z bližnjico, tj. hkrati pritisnemo kombinacijo tipk Ctrl in n na tipkovnici. Pojavi se urejevalno okno za pisanje programa in omogočene so nam vse ostale ikone in funkcije programa, slika 5.12.

Slika 5.12: Programsko okno s praznim urejevalnim oknom.

Pred samim programiranjem moramo nastaviti izbrani programator, ki bo programsko kodo prenesel na naš mikrokrmilnik, ki je del krmilnika Arduino UNO. Nastavitev je opisana v prilogi 10.3. Po tej namestitvi naš dokument shranimo. Za shranjevanje kliknemo zavihek File Save, odpre se pogovorno okno Shranjevanje kot, kjer poiščemo ciljno mapo, v katero se nam bodo ob

34

prevajanju programa shranjevale še ostale datoteke, ki so del programa, in kliknemo na gumb Shrani. Na sliki 5.13 predstavljamo še nekaj pomembnih ikon za nadaljnjo uporabo Bascom-a.

Slika 5.13: Prikaz pomembnih ikon pri programiranju.

5.3.5 Osnove programiranja s programskim orodjem Bascom-AVR Za pisanje in razumevanje programske kode moramo poznati nekaj osnov programskega jezika Basic. Uporabljamo lahko različne programske zanke, pogojne (IF) stavke, skoke na določen del programa, v ukaznih vrsticah si lahko beležimo komentarje itd. V nadaljevanju je predstavljenih nekaj osnovnih ukazov.

Dim spremenljivka as tip spremenljivke

S tem ukazom definiramo spremenljivko in ji določimo njen tip. Izbiramo lahko med:

- bit zavzame vrednost 0 ali 1,

- byte zavzame vrednosti med 0 in 255,

- integer cela števila od -32768 do 32767,

- word cela števila od 0 do 65535,

- long decimalna števila med -2147483648 in 2147483647,

- single decimalna števila med 1,5 × 10−45 do 3,4 × 1038,

- string lahko vsebuje do 254 tekstovnih znakov.

Dim spremenljivka(10) as tip spremenljivke

Spremenljivke deklariramo kot zaporedne podatke spremenljivka(1),

spremenljivka(2)… spremenljivka(10)

Wait 1 ali Waitms 100 ali Waitus 1000

Izvajanje programa se nadaljuje po 1 sekundi, 100 milisekundah ali 1000 mikrosekundah.

'Tukaj stoji komentar.

Za znakom ' lahko napišemo komentar.

Do [programski ukazi] … Loop

35

Programska zanka, v kateri se programski ukazi med besedama do in

loop izvajajo nenehno, dokler ne skočimo iz zanke.

Do [programski ukazi] … Loop Until [pogoj]

Programska zanka, podobna zgornji, razlika je v tem, da se programski ukazi izvajajo toliko časa, dokler zahtevani pogoj ni izpolnjen.

For i = 1 to 10

[programski ukazi]

Next i

Programska zanka s spremenljivko i, pri kateri lahko določimo, kolikokrat naj se programski stavki ponovijo (v tem primeru 10-krat).

If [pogoj] Then

[programski ukazi]

End If

Pogojni stavek If, ki izvede programske ukaze v primeru, ko je pogoj izpolnjen.

Goto mesto skoka

Z ukazom Goto se branje programa nadaljuje v vrstici z naslovom, ki

sledi besedi Goto (namesto besedne zveze mesto skoka). Naslov se

mora nahajati v svoji vrstici, za njim pa moramo postaviti ločilo dvopičje.

Gosub mesto skoka

Z ukazom Gosub se branje programa nadaljuje v vrstici z naslovom, ki

sledi besedi Gosub (namesto besedne zveze mesto skoka). Naslov se

mora nahajati v svoji vrstici, za njim moramo postaviti ločilo dvopičje in na koncu podprograma, ki ga napišemo pod naslov, napišemo še ukaz

Return, da se branje programa vrne na mesto, kjer se je skok pričel.

Med programiranjem lahko kadarkoli uporabimo programsko pomoč. Odpremo

jo s tipko F1 na tipkovnici ali s klikom na gumb , ki se nahaja v orodni vrstici. Pomoč je uporabnikom prijazna, saj so programski ukazi razloženi na konkretnih primerih. 5.3.6 Programska koda krmilnika Arduino UNO V nadaljevanju predstavljamo programsko kodo za komunikacijo med krmilnikom Arduino UNO in GSM/GPRS modulom ITEAD SIM900, ki smo jo prenesli na krmilnik Arduino UNO. Pisanje računalniških kod vedno pričnemo z osnovno konfiguracijo, kjer nastavimo vrsto mikrokrmilnika ($regfile = "vrsta mikrokrmilnika"),

frekvenco delovanja mikrokrmilnika (crystal = vrednost frekvence) in če je

potrebno tudi hitrost komunikacije ($baud = hitrost komunikacije). Za tem

glede na smer prenosa podatkov nastavimo tudi vrata (port) na vhodna ali izhodna (input/output). Kadar se informacija prenaša iz računalnika v krmilnik,

36

govorimo o izhodnem podatku in kadar se prenaša iz krmilnika v računalnik o vhodnem podatku. $regfile = "m328pdef.dat" Nastavimo vrsto mikrokrmilnika, ki ga bomo

programirali (m238pdef.dat).

$crystal = 16000000 Nastavimo frekvenco delovanja izbranega mikrokrmilnika (16 MHz = 16000000 Hz).

$baud = 115200

Nastavimo hitrost komunikacije (115200 bitov/s).

Wait 2 Počakamo 2 sekundi.

Config Portb = Output

Config Portd = &B0000_1010

Vrata »b« nastavimo kot izhodna. Drugi in četrti priključek vrat »d« nastavimo kot izhodni, ostali so vhodni.

Sledi nastavitev analogno digitalnega pretvornika (ADC). S parametrom

Prescaler nastavimo hitrost delovanja pretvornika, če nastavimo na Auto, bo

pretvornik deloval z največjo možno frekvenco. S parametrom Reference

določamo, katero referenčno napetost bomo izbrali. Config Adc = Single , Prescaler = Auto ,

Reference = Avcc

Start Adc

Enable Interrupts

Ukazne vrstice za nastavitev ADC, merimo od 0 V do 5 V. Vključimo napajanje ADC. Vključimo prekinitve.

Deklarirati moramo tudi razne spremenljivke, ki nam bodo v pomoč pri branju odgovorov modula in pri izpisovanju temperature. Vrsto oziroma tip spremenljivke izberemo glede na vrednosti, ki jih nameravamo shranjevati v spremenljivko. 'branje odgovorov

Dim Odgovor(10) As String * 80

Dim Cmd As String * 80

Dim Ok As String * 10

Dim A As Byte

Dim I As Byte

Dim J As Byte

'temperatura

Dim Temperatura As Word

Dim Digit_temp As Single

Dim Izpis_temp As String * 50

Dim Temp_t As String * 4

Deklariramo spremenljivke za branje odgovorov modula in za temperaturo.

Na krmilniku Arduino UNO sta bila priključka RX in TX zasedena za komunikacijo z računalnikom, zato nastavimo uporabljena dva priključka za

UART komunikacijo z modulom kar programsko. To storimo z ukazom Open

"comd.3:9600,8,n,1" For Output As #1, kar pomeni, da na priključku

D3 oddajamo signal (TX priključek), hitrost signala je 9600 bit/s, zaznamo 8 bitov brez paritete (n pomeni none) ter en stop bit na koncu. Na koncu ukaza

37

moramo določiti še, ali gre za izhod ali vhod, ter ga označiti s simbolom # in

številko. Ukaz Open "comd.2:9600,8,n,1" For Input As #2 določa,

da na priključku D2 sprejemamo signal (RX priključek). Kasneje v programski kodi (ko je to potrebno) uporabimo še ukaz za sprejemanje oziroma oddajanje

podatkov Print #1, podatek.

'UART - nastavitev TX in RX

Open "comd.3:9600,8,n,1" For Output As #1

'rx(sim) - tx(uno)

Open "comd.2:9600,8,n,1" For Input As #2

'tx(sim) - rx(uno)

Nastavimo priključka na krmilniku Arduino UNO za UART komunikacijo.

Časovnik (ang. timer) uporabimo, kadar želimo, da bi se del programa tj. časovno prekinitveni podprogram izvajal v določenih intervalih, ne glede na čas trajanja drugih ukazov. Časovnik je števec v mikrokrmilniku, ki z osnovno frekvenco oz. z nekim deliteljem le-te šteje od 0 do končnega števila. Ko prešteje do zadnjega števila, se izvajanje programa nadaljuje v določenem časovno prekinitvenem podprogramu. Običajno imajo mikrokrmilniki več časovnikov (Timer0, Timer1 …), ki se med seboj razlikujejo. Na primer Timer0 in Timer2 sta 8-bitna (štejeta od 0 do 255, nato se štetje ponovi), Timer1 pa je 16-biten (šteje od 0 do 65535, nato se štetje ponovi). Hitrost štetja časovnikov

nastavimo. V našem primeru izbrani časovnik nastavimo na funkcijo Timer in

tako je hitrost štetja odvisna od takta mikrokrmilnika in se jo lahko nastavi, da je 1/8, 1/64, 1/256 ali 1/1024 frekvence, s katero deluje mikrokrmilnik, kar

določimo z ukazom Prescale [42]. Prescale določimo na 1024, sedaj lahko

izračunamo, v kolikšnem času se izvrši časovno prekinitveni podprogram. Mikrokrmilnik deluje s frekvenco 16000000 Hz, ker smo določili, da časovnik deluje z 1/1024 frekvence, dobimo 16000000/1024, kar znaša 15625 in pomeni, da časovnik v eni sekundi prešteje do 15625. Ker je Timer1 16-biten, šteje od 0 do 65535, torej prešteje 65536 mest (upoštevamo še 0). Ker do 15625 prešteje v eni sekundi, do 65536 prešteje v 4,19 sekunde. 'časovnik za odgovore

Config Timer1 = Timer , Prescale = 1024

Enable Interrupts

Enable Timer1

On Timer1 Test

Nastavimo Timer1. Vključimo prekinitve. Vključimo Timer1. Nastavimo mesto izvajanja podprograma.

'časovnik za uro

Const Timer0reload = 156

Config Timer0 = Timer , Prescale = 1024

Load Timer0 , Timer0reload

On Ovf0 Timer0_isr

Enable Ovf0

Start Timer0

Enable Interrupts

Nastavimo Timer0. Nastavimo mesto izvajanja podprograma.

'spremenljivke za štetje časa

Dim Msec As Integer

Dim Sekunde As Byte

Dim Minute As Byte

Dim Ure As Byte

Deklariramo spremenljivke za štetje časa.

38

Ure = 0

Minute = 0

Sekunde = 0

Spremenljivke za čas nastavimo na vrednost 0.

Določenih znakov program ne pozna ali pa so privzeto uporabljeni za nek drug

namen. Tako v primeru, ko želimo poslati znak ", zapišemo ukaz Chr(34), kjer

je število 34 ASCII koda za ta znak v desetiškem sistemu. 'pošiljanje AT ukazov modulu

'proizvajalec

Cmd = "AT+GMI"

Gosub Send_cmd

Wait 2

'PIN koda

Cmd = "AT+CPIN =" + Chr(34) + "7704" +

Chr(34)

Gosub Send_cmd

Wait 2

'zaznavanje operaterja

Cmd = "AT+COPS?"

Gosub Send_cmd

Wait 2

Proizvajalca preverimo tako, da AT ukaz kot besedilo shranimo v spremenljivko Cmd in skočimo na mesto Send_cmd, kjer se nadaljuje branje podprograma. Ko se branje podprograma zaključi, spet bere naslednji AT ukaz. Za vsakim AT ukazom počakamo 2 sekundi.

V nadaljevanju preide na branje glavnega dela programske kode. 'glavni program

Main:

Do

If Msec > 999 Then

Msec = 0

Incr Sekunde

If Sekunde = 60 Then

Sekunde = 0

Incr Minute

If Minute = 60 Then

Minute = 0

Incr Ure

' na vsako uro pošljemo SMS z izmerjeno

temp.***********************************

Cmd = "AT+CMGS=" + Chr(34) +

"+38640******" + Chr(34) + ",145" +

Chr(13)

Print #1 , Cmd

Waitms 500

Temperatura = Getadc(0)

Digit_temp = Temperatura /

Imamo neskončno zanko Do…Loop, iz katere skočimo takrat, ko pošljemo kratko sporočilo SMS in želimo prebrati odgovor modula. Z blokom pogojnih stavkov nastavimo uro (po 60 s se minute povečajo za 1 itd.). V spremenljivko Cmd shranimo AT ukaz za pošiljanje kratkih sporočil SMS. Pošljemo vrednost spremenljivke prek TX priključka. Počakamo 500 ms. Odčitamo napetost na temperaturnem senzorju in

39

1023

Digit_temp = Digit_temp * 500

'izpis temp. na dve dec. mesti

Izpis_temp = Fusing(digit_temp

, "#.##")

Cmd = "T: " + Izpis_temp +

Chr(248) + "C"

Print #1 , Cmd

Cmd = Chr(26) '$1A=ctrl+z

Gosub Send_cmd

'*****************************************

End If

End If

Cls

End If

Loop

End

preračunamo vrednost temperature. V spremenljivko Izpis_temp shranimo vrednost temperature. V spremenljivko Cmd shranimo vsebino sporočila in jo pošljemo prek TX priključka. Prek TX priključka pošljemo še znake $1A v ASCII kodi (desetiško), ki pomenijo, da smo sporočilo zaključili. Skočimo na podprogram Send_cmd. Zaključimo pogojne stavke. Končamo zanko. Z End se konča vsak program.

Kadar uporabljamo časovnike, na konec programa (za besedo End) napišemo še časovno prekinitvene podprograme, ki naj se izvajajo. 'podprogram za branje odgovorov SIM

modula

Send_cmd:

For I = 1 To 10

Odgovor(i) = "1"

Next I

Print Cmd

Print #1 , Cmd

I = 0

Enable Timer1

Do

Timer1 = 0

I = I + 1

Input #2 , Odgovor(i)

A = Instr(odgovor(i) , "OK")

Loop Until A > 0

Disable Timer1

For J = 1 To I

Print Odgovor(j)

Next J

Return

'če v 4 s ni odg., pošlje odg., da ne

dela

Test:

Disable Timer1

40

Timer1 = 0

Portb.5 = Not Portb.5

For J = 1 To I

Print Odgovor(j)

Next J

Print "ne dela..."

Return

'nastavitve za TIMER0 - ura

Timer0_isr:

Load Timer0 , Timer0reload

Msec = Msec + 10

Return

Končano programsko kodo moramo prevesti v krmilniku razumljivo kodo. To storimo s klikom na gumb Compile program (bližnjica na tipkovnici: tipka F7), ki se nahaja v orodni vrstici. Prikaže se okence na sliki 5.14, kjer se v zgornjem pravokotniku izpiše, da se programska koda prevaja, v spodnjem pa, koliko odstotkov pomnilnika na krmilniku bo zavzela.

Slika 5.14: Prevajanje programa v HEX kodo.

Če smo v programski kodi storili napako, program kode ne bo mogel prevesti, nas bo pa na napako opozoril. Pod urejevalnim oknom se odpre okence Errors, kjer se izpiše vrstica z vsebino o napaki. Če dvokliknemo na to vrstico, se v programski kodi obarva rdeče, slika 5.15.

Slika 5.15: Oznaka vrstice, v kateri je napaka.

41

Po prevajanju kode se le-ta avtomatično prenese na mikrokrmilnik. Če imamo nastavitve nastavljene drugače, kliknemo na gumb Program chip (bližnjica na tipkovnici: tipka F4) in koda se bo prenesla na mikrokrmilnik. Ko se koda prenaša, se prikaže pogovorno okence na sliki 5.16. Za nadaljevanje lahko pritisnemo katero koli tipko na tipkovnici in okno se zapre.

Slika 5.16: Pogovorno okno ob prenosu programske kode na mikrokrmilnik.

Za spremljanje poslanih odgovorov potrebujemo še okence, kjer se bodo odgovori modula izpisovali. V orodni vrstici kliknemo na gumb Run terminal emulator (bližnjica na tipkovnici: hkrati pritisnemo tipki Ctrl in T) za spremljanje komunikacije med krmilnikom in modulom. Ob uspešni komunikaciji in pošiljanju kratkih sporočil SMS na pametni telefon, se v pogovornem oknu izpisujejo odgovori kot na sliki 5.17.

42

Slika 5.17: Izpis odgovorov modula v pogovornem oknu.

Tako smo delovanje oddaljenega laboratorija testirali, povezavo z računalnikom preko USB kabla lahko prekinemo in krmilnik Arduino UNO priključimo na napajanje. Priključka sta prikazana na sliki 5.18. Krmilnik in modul še enkrat zaženemo, kar pomeni, da zadržimo tipki RESET na obeh elementih in sistem deluje povsem avtonomno (off-line komunikacija).

43

Slika 5.18: Prikaz označenih priključkov za USB kabel (priključek USB-B), napajanje in anteno v oddaljenem laboratoriju.

5.4 PRIKAZ MERITEV Glede na porast vsesplošne uporabe pametnih mobilnih telefonov smo za GSM aparat izbrali kar pametni telefon z operacijskim sistemom Android (različica vsaj 1.5). S pomočjo mobilne aplikacije SMS to Text prejeta kratka sporočila SMS izvozimo v skupno besedilno datoteko. To datoteko nato odpremo v programu Microsoft Office Excel in podatke obdelamo ter meritve grafično prikažemo. V nadaljevanju so predstavljeni vsi koraki prikaza meritev na primeru merjenja temperature na domačem balkonu. 5.4.1 Mobilna aplikacija SMS to Text SMS to Text je aplikacija ali drugače rečeno orodje za varnostno kopiranje kratkih sporočil SMS, ponudnika SMeiTi, ki omogoča izvoz sporočil, pretvorjenih v običajno besedilo v besedilni datoteki s končnico .txt ali datoteko formata .csv (datoteka z vrednostmi, razmejenimi z vejicami). Obe vrsti datotek lahko odpremo in preberemo na pametnem mobilnem telefonu in računalniku. Za uporabo in delovanje aplikacije potrebujemo operacijski sistem Android 1.5 (znan tudi kot Cupcake) ali katero od novejših različic [43]. V trgovini z aplikacijami poiščemo brezplačno aplikacijo SMS to Text in jo prenesemo na pametni telefon. Naj omenimo, da za prenos aplikacije potrebujemo brezžično internetno povezavo ali zakupljen prenos podatkov. Za kasnejšo uporabo aplikacije tega ne potrebujemo več.

44

Slika 5.19: Ikona mobilne aplikacije SMS to Text [43].

Tapnemo na ikono, slika 5.19, tako aplikacijo zaženemo in že lahko nastavimo parametre za izvoz besedilne datoteke (datoteka s končnico .txt). Postopek izvoza datoteke je prikazan v prilogi 10.4. Po izvozu besedilne datoteke pametni telefon prek kabla z ustreznim USB priključkom povežemo z računalnikom. Poiščemo mapo, kamor smo shranili besedilno datoteko s končnico .txt in datoteko kopiramo na naš disk. Telefona ne potrebujemo več, zato lahko prekinemo povezavo z računalnikom. Nato kopirano datoteko odpremo v programu Beležnica in vidimo podatke kot na sliki 5.204. Zbrani so podatki: v prvem stolpcu datum prejetega kratkega sporočila SMS, v drugem stolpcu ura, ob kateri je bilo sporočilo prejeto, v tretjem je zapisana vrsta sporočila (in/out oziroma prejeto/poslano), v četrtem stolpcu je telefonska številka pošiljatelja in v zadnjem stolpcu izmerjena temperatura na dve decimalni mesti natančno, brez enote.

Slika 5.20: Podatki o prejetih kratkih sporočilih SMS z vsebino sporočil.

Preden podatke prenesemo v program Microsoft Office Excel, moramo ločilo pika pri podatku o temperaturi zamenjati z ločilom vejica, da bo lahko Excel ta podatek obravnaval kot število. To storimo na zelo preprost način. V menijski vrstici izberemo Uredi in Zmenjaj, slika 5.21.

4 Na slikah je z znaki * namerno prikrita telefonska številka, sicer se na teh mestih izpišejo arabske številke.

45

Slika 5.21: Prikaz poti do podokna za zamenjavo znakov.

Odpre se novo pogovorno okence Zamenjava, slika 5.22, kamor vnesemo v okvirček Najdi ločilo pika, v okvirček Zamenjaj z pa ločilo vejica. Za zamenjavo vseh pik kliknemo na gumb Zamenjaj vse. Zamenjava se izvede v trenutku in podatke moramo shraniti. V menijski vrstici pod Datoteka izberemo Shrani.

Slika 5.22: Postopek zamenjave ločila pika z ločilom vejica.

Sedaj so naši podatki pripravljeni za nadaljnjo obdelavo. 5.4.2 Program Microsoft Office Excel Excel je program za urejanje preglednic sistema Microsoft Office. Z njim lahko ustvarjamo in oblikujemo delovne zvezke, ki predstavljajo zbirke delovnih listov, ti pa so oblikovani iz celic tj. preglednic neskončnih dimenzij. Uporablja se za zbiranje in analizo podatkov, vsebuje številne funkcije in omogoča pisanje formul za računanje s številskimi podatki, ki jih lahko na različne načine obračamo in strokovno grafično predstavimo [44]. Če želimo avtomatizirati

46

določene procese in povezati predmete zbirke podatkov, obstaja tudi orodje za izdelavo makrov in programiranje. Programsko kodo pišemo v programskem okolju VBA (Visual Basic for Applications).

Za obdelavo in grafični prikaz zbranih meritev odpremo program Excel . V orodni vrstici izberemo zavihek Podatki Pridobi zunanje podatke (levo) Iz

besedila , slika 5.23.

Slika 5.23: Prikaz poti do podokna za pridobivanje podatkov iz zunanje datoteke.

Odpre se pogovorno okno, kjer poiščemo ciljno datoteko s končnico .txt in s klikom na gumb Uvozi sprožimo uvoz podatkov v preglednico v treh korakih. Prvi korak je prikazan na sliki 5.24. Pustimo privzete nastavitve, torej označena je vrsta, ki bo imela razmejena polja. Z uvozom bomo začeli pri prvi vrstici. Če ne želimo vseh podatkov iz datoteke, lahko pod to opcijo določimo tudi kakšno drugo vrstico. Kliknemo na gumb Naprej.

47

Slika 5.24: Prvi korak za uvoz podatkov.

V drugem koraku določimo ločila, ki jih vsebujejo podatki in nam bodo razmejila naša polja. Obkljukan je že Tabulator, mi obkljukamo še Presledek, slika 5.25. Za nadaljevanje kliknemo gumb Naprej.

Slika 5.25: Drugi korak za uvoz podatkov.

48

V zadnjem koraku določimo še obliko oziroma vrsto podatkov, ki jih uvažamo, slika 5.26. Nič ne spreminjamo, za vse stolpce pustimo obliko Splošno in kliknemo na gumb Dokončaj.

Slika 5.26: Tretji korak za uvoz podatkov.

Takoj se odpre še zadnje pogovorno okence Uvoz podatkov, saj moramo, preden se podatki pojavijo v delovnem listu programa Excel, določiti še, na katero mesto želimo vstaviti podatke. Pustimo izbiro Na obstoječ delovni list in celico =$A$1 ter kliknemo na gumb V redu, slika 5.27.

Slika 5.27: Določimo, na katero mesto bomo uvozili podatke.

49

V delovnem listu programa Excel se pojavijo podatki kot na sliki 5.28. Priporočljivo je, da datoteko takoj shranimo. To storimo pod zavihkom Datoteka Shrani.

Slika 5.28: Uspešno uvoženi podatki v delovni list programa Excel.

Ker za nadaljnji prikaz podatkov potrebujemo le informacije o datumu, uri in temperaturi, smo posneli makro, ki podatke uredi v obliko, ki je primerna za izdelavo grafa. Makro smo poimenovali Podatki, lahko ga zaženemo v zavihku Razvijalec Makri Podatki Zaženi ali z bližnjico, tj. kombinacijo tipk Ctrl in p na tipkovnici. Primer preoblikovanja podatkov iz slike 5.28 je viden na sliki 5.29.

Slika 5.29: Podatki, pripravljeni za grafični prikaz.

Za izdelavo grafa smo prav tako izdelali makro, ki smo ga poimenovali Graf. Makro smo programirali s programom Visual Basic, programska koda je v

50

prilogi 10.5. Za izdelavo grafa na sliki 5.30, ki prikazuje časovno odvisnost temperature, poskusno izmerjene na balkonu, lahko uporabimo bližnjico, tj. hkrati pritisnemo kombinacijo Ctrl in g tipk na tipkovnici ali ga zaženemo v zavihku Raziskovalec. Funkcija izdela celoten graf, ki mu moramo na koncu spremeniti le ime, saj ga v makru ne moremo določiti vnaprej, ker je le-to odvisno od kraja merjenja temperature.

Slika 5.30: Prikaz časovne odvisnosti temperature, merjene na balkonu.

Zelo pogosta interpretacija merskih podatkov je linearna interpolacija (povezava med točkami, dobimo lomljenko), ki za realne dogodke ni primerna. Vsaka meritev ima svojo toleranco, včasih kakšno vmesno meritev izpustimo ali izgubimo, zatorej točk v grafu ne povežemo med seboj. Če želimo spreminjanje temperature vseeno prikazati s črto, v Excelu lahko dodamo ustrezno trendno črto, ki po metodi najmanjših kvadratov izriše krivuljo med točkami, slika 5.31.

51

Slika 5.31: Izris trendne črte na grafu.

Če povzamemo celoten prikaz meritev: na pametnem telefonu pričnemo s pretvorbo prejetih kratkih sporočil SMS v besedilno datoteko. To datoteko odpremo v programu Beležnica in zamenjamo ločilo pika z ločilom vejica, shranimo. Nato odpremo program Excel, uvozimo podatke iz prej omenjene datoteke. Hkrati pritisnemo kombinacijo tipk na tipkovnici Ctrl in p, da preoblikujemo podatke, nato še Ctrl in g, da izdelamo graf in končni prikaz po želji shranimo. Če miško premaknemo na določeno točko na grafu, v pomožnem okencu natančno vidimo vrednost temperature ob določenem času.

52

53

6 PREDLOGI UPORABE ODDALJENEGA LABORATORIJA PRI ŠOLSKEM EKSPERIMENTALNEM DELU

S podanimi predlogi želimo učence aktivno vključiti v raziskovalno- eksperimentalni učni proces. Učni proces je delno predviden tudi v naravnem okolju, kar torej zajema terensko delo. Pri natančni izbiri dejavnosti je učitelj še vedno precej avtonomen, a dobro je, če načrtovane dejavnosti temeljijo na sodobnih oblikah učenja in poučevanja, ki jim rečemo tudi induktivne metode. Te metode temeljijo na konstruktivizmu, katerega glavni cilj je, da učenec gradi svoje znanje prek izkušenj, kar pomeni, da mora biti učni proces zasnovan tako, da učence čim bolj aktivno vključujemo vanj. V večini primerov učitelj takšen pouk prične s problemom ali izzivom, da učenci začutijo potrebo po novem znanju in razumevanju. Bistveno je, da učitelj opravlja vlogo mentorja, to pomeni, da učencem ne ponudi takoj vseh informacij, ampak jih usmerja in jim pomaga, da sami pridejo do novih spoznanj in novega znanja. Ker v življenju težko dosežemo popolnost, na koncu poglavja podajamo tudi predloge za izboljšavo preprostega oddaljenega laboratorija.

6.1 MERJENJE TEMPERATURE V BLIŽNJI STOJEČI VODI Med veliko drugimi kompetencami pri pouku fizike učenci razvijajo tudi kompetenco digitalne pismenosti in to z uporabo sodobne informacijske tehnologije, predvsem s simulacijami pojavov z interaktivnimi računalniškimi animacijami in z računalniškimi merjenji z vmesniki in senzorji. Pri pouku fizike računalnik lahko uporabljamo z vmesnikom kot merilno napravo za zajemanje in obdelavo podatkov, sredstvo za predstavitev meritev in modeliranje naravnih pojavov. Pri vsem tem je pomembno zavedanje, da je uporaba IKT lahko le dopolnilo eksperimentiranju učencev ali učiteljevi razlagi, ne pa njun nadomestek [8]. Predstavljeni predlog uporabe oddaljenega laboratorija pri eksperimentalnem delu pri predmetu fizika predstavlja dopolnitev predloga za eksperimentalno delo iz UN dotičnega predmeta. Vsebino lahko delno vključimo v redni pouk po obravnavi temperature oziroma kot dopolnitev same obravnave ali pa v obliki dni dejavnosti. Predlog za eksperimentalno delo iz UN za predmet fizika: Segrevanje vode »Učenci nadgradijo operativno poznavanje temperature kot količine, ki jo izmerimo s termometrom s kvantitativno definicijo Celzijeve lestvice (tališče in vrelišče vode). Učitelj poudari povezavo med spreminjanjem temperature in prejemanjem ali oddajanjem toplote« [8, str. 30]. Vsebinski sklop: toplota in notranja energija.

54

Cilji iz vsebinskega sklopa toplota in notranja energija [8]: - opredelijo temperaturo kot količino, ki jo pokaže termometer, - spoznajo Celzijevo in Kelvinovo temperaturno lestvico in znajo pretvarjati - zapise, - uporabijo termometer za merjenje temperature (E)5, - opišejo razliko med pojmoma temperatura in toplota, - s poskusi raziščejo zakonitosti prehajanja toplote (E).

Cilji pri uporabi oddaljenega laboratorija v učnem procesu:

- učenci spoznajo nov način merjenja temperature s temperaturnim senzorjem,

- postavijo merilni sistem v naravnem okolju, - zajete meritve grafično prikažejo.

Ko učenci pri poskusu v šolskem laboratoriju ugotovijo, kako se temperatura spreminja s prejemanjem in oddajanjem toplote, jim zastavimo problemsko vprašanje, kako se v naravi spreminja temperatura stoječe vode podnevi in ponoči. Učenci napovedo rezultate, nato jih vprašamo, kako bi to temperaturo izmerili. Skupaj diskutiramo o podanih predlogih, za tem jim učitelj predstavi preprost oddaljeni laboratorij (na tem mestu ne omeni tipala) in kakšen je namen njegove uporabe v tem primeru. Učencem lahko postavi izziv, da sami ugotovijo, na kakšen način oz. s čim bodo merili temperaturo. Najprej si ogledajo elemente oddaljenega laboratorija, nato pa lahko s pomočjo računalnika in svetovnega spleta raziskujejo, da pridejo do ugotovitev. Sledi diskusija o ugotovitvah. Tako spoznajo nov način merjenja temperature in zbiranja podatkov s temperaturnim tipalom. Po ustvarjeni predstavi o oddaljenem laboratoriju v spremstvu učitelja odidejo na teren in postavijo oddaljeni laboratorij (v kolikor imajo več opreme, jih lahko postavijo tudi več). Določen čas spremljajo podatke. Zbrane podatke nato prenesejo na računalnik, jih v programu Excel uredijo in grafično prikažejo, da vidijo časovno odvisnost temperature stoječe vode. Za zaključek še pisno predstavijo postopek merjenja temperature v naravi, pri čemer se učijo tudi brati podatke iz grafa in lastne ugotovitve poskusa. V tem primeru učitelj sam ali s pomočjo učencev (če tako načrtuje) »prilagodi« oddaljeni laboratorij za uporabo v naravnem okolju. To pomeni, da poskrbi za vodotesnost in zaščito ter napajanje sistema (npr. baterija, ki jo polnimo prek sončnih celic). Vsebina je za učence zagotovo zanimiva, saj presega okvire poučevanja fizike v razredu, vključuje terensko delo in tudi sodobno tehnologijo (računalnik in pametni mobilni telefon), kar na učence deluje motivacijsko.

6.2 MERJENJE TEMPERATURE V RASTLINJAKU UN za osnovnošolski predmet naravoslovje zajema vsebinski sklop živa narava, kjer se učenci med drugim seznanijo z zgradbo, delovanjem, razmnoževanjem,

5 Oznaka (E) pomeni, da je pri tem cilju priporočeno eksperimentalno delo.

55

rastjo in razvojem rastlin, spoznajo tudi nežive dejavnike okolja, kot so zemeljska privlačnost, temperatura, svetloba, zračni tlak, veter, vlažnost zraka, padavine, gostota snovi, ki določajo bivalne razmere za življenje živih bitij in vplivajo na njihov način življenja [7]. Te vsebine so primerne za predlog raziskovanja vpliva neživih dejavnikov na rast in razvoj rastlin. Najprimernejše je, če raziskovanje opravijo v naravnem okolju. Primer takšne raziskave je lahko primerjava rasti rastlin v rastlinjaku in izven njega, pri čemer učenci določijo nežive dejavnike, katerih vpliv bodo preučevali. V primeru raziskovanja vpliva temperature lahko kot orodje za zbiranje podatkov uporabijo preprost oddaljeni laboratorij. Tako merijo temperaturo v notranjosti rastlinjaka in zunaj njega. Veliko OŠ v Sloveniji sodeluje v raznih projektih, ki učencem, predvsem tistim iz urbanega okolja, skušajo spodbuditi zavest o pomembnosti narave, varovanju okolja in medsebojnem sodelovanju, zato v okviru teh projektov v šolskem okolišu negujejo vrtove. V kolikor ima šola takšen vrt z rastlinjakom, lahko učitelj raziskovanje vključi v redni pouk ali pa v obliki dni dejavnosti. Za izvedbo vsekakor ni pogoj šolski vrt, saj so zaradi uporabe oddaljenega laboratorija prostorsko neodvisni in lahko opravljajo meritve kjer koli v naravnem okolju. Tu vidimo tudi možnost razvoja ročnih spretnosti, saj v povezavi s področjem tehnike lahko učenci sami izdelajo rastlinjake za raziskovanje in jih postavijo v okolje. Poleg raziskovanja vpliva temperature se lahko odločijo še za preučevanje vpliva svetlobe na rast in razvoj rastlin ter tako temperaturno tipalo zamenjajo s tipalom, ki je občutljivo na svetlobo. Pogosto najdemo tudi poimenovanje lux tipalo, primer le-tega je prikazan na sliki 6.1. Svetila oddajajo elektromagnetna valovanja (EM) v velikem frekvenčnem razponu in vidna svetloba je le del tega valovanja. Ker oko ni občutljivo na celoten spekter EM valovanja, je osvetljenost smiselno meriti tako, kot svetlobo zaznava naše oko. Zato je bila tudi uvedena enota lux. Lux je torej enota za osvetljenost, ki predstavlja koncentracijo svetlobe na enoti površine (sestavljena enota lux: lm/m2), njena vrednost je prilagojena zaznavam naših čutil [45]. Lumen (lm) je enota za merjenje svetlobnega toka. To tipalo ne omogoča le merjenj na spektru vidne svetlobe, ampak tudi na spektru infrardeče svetlobe in t. i. full-spectrum svetlobe, ki predstavlja merjenje EM valovanja od infrardeče do bližnje ultravijolične svetlobe [46]. Tipalo je združljivo s krmilnikom Arduino UNO. V primeru uporabe svetlobnega tipala je potrebno delno spremeniti tudi programsko kodo, da bodo zbrani podatki ustrezni za analizo.

56

Slika 6.1: Primer svetlobnega tipala z dodanimi nožicami, ki jih prispajkamo na tipalo za uporabo le-tega na prototipni ploščici [46].

6.3 RAZISKOVALNI DNEVI DEJAVNOSTI Z UPORABO ODDALJENEGA LABORATORIJA

V okviru projekta Verižna reakcija, predstavljenega v poglavju 2.2.1, ki ga izvajajo v obliki dni dejavnosti, je ena od raziskovalnih tem tudi zeleno ogrevanje. Sončevo svetlobno energijo lahko izkoristimo za gretje vode v posebnih z vodo napolnjenih grelnikih oziroma zbiralnikih, ki na površini absorbirajo svetlobo, kar je razlog za to, da se voda v notranjosti segreje [12]. Na ta način segreto vodo najpogosteje uporabimo za ogrevanje doma in sanitarne vode. Namen vaje je seznaniti učence z delovanjem sončnega zbiralnika in z raziskovanjem poiskati parametre, ki vplivajo na njegov izkoristek. Natančneje se torej učenci na dnevih dejavnosti ukvarjajo z optimizacijo sončnih zbiralnikov za največji izkoristek. Gre za medpredmetno povezavo predmetov fizika in tehnika in tehnologija, saj učenci pri vaji ugotavljajo, kakšen mora biti grelnik, da bo le-ta čim bolje segreval vodo. Pri tem se seznanijo in učijo metod raziskovanja. Na začetku se učenci, razdeljeni v skupine, seznanijo s sončnimi zbiralniki in njihovo uporabo. Nato se pogovarjajo o idejah za izdelavo modela sočnega zbiralnika. Postavi se jih pred izziv oziroma zastavi problem, kako izboljšati sončni zbiralnik, da bo njegov izkoristek čim večji. Predlagajo svoje rešitve za izboljšave zbiralnikov. Postavijo hipoteze. Nato v skupinah raziščejo vpliv raznih parametrov, oblike, tipa površine, barve ipd. ter zbirajo podatke. S preučevanjem vpliva raznih parametrov prilagajajo grelnike in razvijajo tudi ročne spretnosti. Na koncu zbrane podatke ustrezno grafično prikažejo in rezultate podajo v obliki končnega poročila. Realizacijo svojih predlogov za izboljšave učenci izvajajo v učilnicah in zaradi poenostavljenega raziskovanja sončevo svetlobno energijo simulirajo z uporabo reflektorjev. Za tovrstno raziskavo bi bilo smiselno postaviti izdelane sončne zbiralnike v naravno okolje, kjer bi preizkusili segrevanje vode pri naravnih pogojih. V tem primeru bi bilo smiselno rezultate spremljati dlje časa in v raziskovanje vpeljati tudi oddaljene laboratorije, s katerimi bi kontinuirano merili temperaturo vode, ki priteka v grelnik, in temperaturo segrete vode v grelniku. Nato bi izrisali graf temperature v odvisnosti od časa in graf moči ali izkoristka zbiralnika v odvisnosti od časa za vsak dan opazovanja ter grafe primerjali med seboj. Po skupinah lahko nato učenci na njihovo pobudo raziskujejo na primer

57

razlike pri orientaciji grelnika proti južni ali severni nebesni strani, vpliv barve površine grelnikov na moč zbiralnika, vpliv izolacije grelnikov s kuhinjsko aluminijasto folijo ali z ekspandiranim polistirenom (stiroporom) itd.

6.4 MOŽNOSTI ZA NADGRADNJO ODDALJENEGA LABORATORIJA

Uporabljeni krmilnik Arduino UNO vsebuje ADC priključke, kamor smo priključili temperaturno tipalo. To pomeni, da pri uporabi oddaljenega laboratorija nismo omejeni le na prikazano merjenje temperature, ampak ga lahko nadgradimo z merjenjem drugih spremenljivk na teh priključkih. Poleg podanega primera merjenja temperature s temperaturnim tipalom lahko s tipalom, občutljivim na svetlobo, merimo tudi osvetljenost, z drugimi tipali pa še koncentracijo raznih plinov (kisik, ogljikov monoksid, ogljikov dioksid), relativno vlažnost, pH ipd. Morda se zdi pomanjkljivost oddaljenega laboratorija to, da podatkov grafično na računalniku ne moremo spremljati ves čas, ko je laboratorij vklopljen, ampak jih le zberemo in nato kasneje grafično prikažemo. Vsekakor lahko pametni telefon kadarkoli priklopimo na računalnik in prenesemo besedilno datoteko za predstavitev podatkov in si jih tako ogledamo s časovnim zamikom. Rešitev vidimo morda v uporabi še enega GSM modula, ki bi bil povezan s prvim GSM modulom in tudi z računalnikom. Prilagodili bi tudi programsko opremo in prejete podatke na računalniku spremljali ves čas. Drugi predlog je uporaba GSM modula ustreznih dimenzij, ki ga priključimo direktno na krmilnik Arduino UNO in tako ne potrebujemo dodatnih vodnikov za povezavo obeh enot. Primer takšnega modula je na sliki 6.2.

Slika 6.2: GSM modul, ki ustreza krmilniku Arduino UNO [47].

Predlagamo še nakup antene za GSM/GPRS modul ITEAD SIM900. Sicer je oddaljeni laboratorij tudi v našem primeru, ko smo namesto antene prispajkali vodnik, deloval brez večjih težav, težko pa primerjamo delovanje brez in z anteno, ker slednjega nismo uspeli preizkusiti.

58

59

7 DISKUSIJA Načrtovani oddaljeni laboratorij z merilnim sistemom, ki na mobilni telefon preko GSM komunikacije pošilja kratka sporočila SMS z meritvami, smo uspešno testirali za merjenje temperature. Zadovoljili smo tudi kriterij nizkih stroškov postavitve in uporabe oddaljenega laboratorija, saj vso izbrano programsko opremo namestimo brezplačno, hkrati je nizka tudi cena osnovnih sestavnih delov (vse sestavne dele, brez mobilnega telefona, trenutno lahko dobimo za manj kot 70 EUR) in končna cena poslanih kratkih sporočil SMS, ki je odvisna od izbranega operaterja ter končnega števila poslanih sporočil. Sistem smo tudi nadgradili s prenosom besedilne datoteke z zbranimi podatki na računalnik ter izdelali funkcije oziroma makre za preprosto urejanje in grafični prikaz meritev v programu Microsoft Office Excel. Torej smo izdelali in predstavili oddaljeni laboratorij za zbiranje in prikaz meritev iz oddaljenih lokacij v naravnem okolju. Opisanemu oddaljenemu laboratoriju, postavitvi in programskim nastavitvam le-tega za primer merjenja temperature bi lahko dodali še ustrezno programsko kodo za predlagani primer merjenja osvetljenosti in preizkusili ter prikazali primer napajanja z baterijami ali s polnilnimi baterijami, ki bi jih polnili s sončnimi celicami. Pregled učnih načrtov naravoslovnih predmetov razkriva velik poudarek na učenju raziskovanja, zato smo podali konkretne primere vključitve oddaljenega laboratorija v tovrstno delo v obliki rednega pouka ali dni dejavnosti. Uvajanje oddaljenega laboratorija na osnovnošolsko raven izobraževanja bi bilo smiselno uresničiti ter raziskati njegovo uporabnost, vpliv na učenje, na sam učni proces in zadovoljstvo uporabnikov. Torej dolgoročno gledano začeto delo lahko nadgradimo z evalvacijo dejanske uporabe oddaljenega laboratorija pri šolskem eksperimentalnem delu, na podlagi evalvacije potem laboratorij izboljšamo in zopet testiramo. Za takšno razširitev problema je potrebno preudarno načrtovanje in izvedba raziskave. Šolam bi predstavili projekt in jih povabili k sodelovanju, dejanske laboratorije bi uvedli v učni proces in morebiti na podlagi anketnih vprašalnikov ter pred- in post-testov zbrali ter evalvirali želene podatke. Oddaljeni laboratorij je možno vključiti tudi v srednje šole, katerih programi vključujejo področja elektrotehnika, elektronika, mehatronika in robotika. Tam bi dijaki lahko v obliki projektnega učnega dela obstoječi sistem nadgradili in tudi razširili področje uporabe le-tega na oddaljeno krmiljenje, nadzor sistemov, robotiko ipd.

60

61

8 ZAKLJUČEK V slovenskem osnovnošolskem izobraževalnem sistemu je pri naravoslovnih predmetih glede na vsebino učnih načrtov že na koncu druge in v začetku tretje triade predvideno učenje raziskovalnega in eksperimentalnega dela. Ne gre le za izvajanje poskusov, ampak tudi za praktično učenje tehnik in metod raziskovanja, od načrtovanja raziskav do končne pisne predstavitve rezultatov. Za namene zbiranja podatkov pri raziskovalno-eksperimentalnem delu smo izdelali nizkocenovni oddaljeni laboratorij, ki omogoča merjenje temperature. Nato izmerjene vrednosti v določenem časovnem intervalu prek GSM modula pošlje v obliki kratkih sporočil SMS na pametni mobilni telefon, na katerem kratka sporočila SMS pretvorimo v eno tekstovno datoteko, ki jo za tem prenesemo na računalnik. V računalniškem programu Microsoft Office Excel smo izdelali ukaze, s katerimi zbrane podatke uredimo in jih grafično predstavimo. Postavitev in uporaba oddaljenega laboratorija je zelo preprosta in hitra, saj so podana in podrobno opisana vsa navodila tako za povezavo sestavnih delov kot za programsko opremo in nastavitev oddaljenega laboratorija. Celoten postopek je zasnovan tako, da ga v okviru projektnega dela in ob pomoči oziroma vodenju učitelja lahko izvedejo tudi učenci pri izbirnem predmetu elektronika z robotiko ali robotika v tehniki. Uporabe oddaljenega laboratorija v slovenskih OŠ nismo zasledili, zato predvidevamo, da le-ti še niso uvedeni v šolsko prakso, ker pa se da učni proces z uporabo nove tehnologije obogatiti in narediti bolj zanimiv, podajamo tri primere uporabe oddaljenega laboratorija pri šolskem eksperimentalnem delu. Konkreten predlog za nadgradnjo oddaljenega laboratorija je vzpostavitev dvosmerne komunikacije v oddaljenem laboratoriju, ker se s to nadgradnjo poveča uporabnost oddaljenega laboratorija, torej se ga ne bo več uporabljalo samo za zbiranje in prikaz meritev, ampak bi z njim lahko tudi upravljali izhodne naprave. Bolj globalen predlog za nadaljnje reševanje problema pa je preizkus uporabe izdelanega oddaljenega laboratorija v realnem učnem procesu in evalvacija uporabe le-tega.

62

63

9 LITERATURA IN VIRI [1] C. M. Ionescu in ostali, A Remote Laboratory as an Innovative Educational Tool

for Practicing Control Engineering Concepts, Education, IEEE Transactions on, vol. 56, no. 4, 2013.

[2] B. Popović in ostali, Remote Control of Laboratory Equipment for Basic

Electronics Courses: A LabVIEW-Based Implementation, Computer Applications in Engineering Education, vol. 21, 2011.

[3] D. Lowe in ostali, Evaluation of the Use of Remote Laboratories for Secondary

School Science Education, Research in Science Education, vol. 43, 2013. [4] M. A. Prada in ostali, Challenges and solutions in remote laboratories.

Application to a remote laboratory of an electro-pneumatic classification cell, Computers and Education, vol. 85, 2015.

[5] T. Stanić, Uvajanje oddaljenega laboratorija v poučevanje naravoslovno-tehniških

vsebin, diplomsko delo (Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta, 2013).

[6] M. Skvarč in ostali, Učni načrt – Naravoslovje (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo in

šport, Zavod RS za šolstvo, 2011). [7] B. Vilhar in ostali, Učni načrt – Biologija (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo in šport,

Zavod RS za šolstvo, 2011). [8] J. Bajc in ostali, Učni načrt – Fizika (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo in šport,

Zavod RS za šolstvo, 2011). [9] A. Bačnik in ostali, Učni načrt – Kemija (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo in šport,

Zavod RS za šolstvo, 2011). [10] M. Fakin in ostali, Učni načrt – Tehnika in tehnologija (Ljubljana, Ministrstvo za

šolstvo in šport, Zavod RS za šolstvo, 2011). [11] Ministrstvo za izobraževanje, znanost in šport, Koncept dni dejavnosti, 1998

[http://www.mizs.gov.si/fileadmin/mizs.gov.si/pageuploads/podrocje/os/devetletka/program_drugo/Dnevi_dejavnosti.pdf], obiskano 21. 8. 2015.

[12] Projekt Chain Reaction, Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta

[http://www.chreact.si/], obiskano 10. 6. 2015. [13] S. Avsec, S. Kocijančič, Effectiveness of inquiry-based learning: how do middle

school students learn to maximise the efficacy of a water turbine?, International journal of engineering education, vol. 30, no. 6(A), 2014.

[14] S. Avsec, S. Kocijančič, The effect of the use of an inquiry-based approach in an

open learning middle school hydraulic turbine optimisation course, World transactions on engineering and technology education, vol. 12. no. 3, 2014.

64

[15] D. Rihtaršič, S. Avsec, S. Kocijančič, Experiential learning of electronics subject matter in middle school robotics courses, International Journal of Technology and Design Education, vol. 25, no. 3, 2015.

[16] S. Avsec, D. Rihtaršič, S. Kocijančič, A predictive study of learner attitudes

toward open learning in a robotics class, Journal of science education and technology, vol. 23, 2014.

[17] D. Hercog, Orodja in metode za hitro izvedbo prototipnih algoritmov vodenja in

oddaljenih eksperimentov, doktorska disertacija (Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 2009).

[18] Definition of Remote, Online, Virtual, Simulation and Distance Labs

[http://seiler.it/remote-and-virtual-labs/], obiskano 5. 8. 2015. [19] L. Tobarra in ostali, Low-Cost Remote Laboratories for Renewable Energy in

Distance Education, Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV), 11th International Conference on, 2014.

[20] I. Michaelides in ostali, Solar energy e-learning laboratory - Remote

experimentation over the Internet, International Journal of Online Engineering (iJOE), vol. 1, no. 5, 2005.

[21] I. M. Michaelides, P. C. Eleftheriou, Using Engineering Remote Laboratories to

Enhance Student Learning – a Distributed Learning Experience, International Journal of Engineering Education, vol. 25, no. 3, 2009.

[22] A.-C. Tannhäuser, C. Dondi, It’s Lab Time – Connecting Schools to Universities’

Remote Laboratories, New Perspectives in Science Education Conference on, 2012.

[23] R. Bragós in ostali, A Remote Laboratory to Promote the Interaction between

University and Secondary Education, Education Engineering (EDUCON), 2010 IEEE.

[24] Arduino Uno [http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno], obiskano 25. 6.

2015. [25] Podatkovna datoteka mikrokrmilnika ATmega328P

[http://www.atmel.com/images/atmel-8271-8-bit-avr-microcontroller-atmega48a-48pa-88a-88pa-168a-168pa-328-328p_datasheet_complete.pdf], obiskano 25. 6. 2015.

[26] SIM900/SIM900A GSM/GPRS Minimum System Module

[http://wiki.iteadstudio.com/SIM900/SIM900A_GSM/GPRS_Minimum_System_Module], obiskano 25. 6. 2015.

[27] GSM/GPRS modul ITEAD SIM900 [http://imall.itead.cc/sim900-sim900a-gsm-

gprs-minimum-system-module.html], obiskano 25. 6. 2015. [28] Mini in mikro SIM kartica [http://blog.pakhotin.com/2012/05/making-micro-sim-

card.html], obiskano 14. 8. 2015. [29] Podatkovna datoteka temperaturnega senzorja LM35

[http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf], obiskano 14. 8. 2015.

65

[30] Temperaturni senzor LM35 [http://www.electronics-lab.com/tag/lm35/], obiskano

14. 8. 2015. [31] Slovar novejšega besedja

slovenskega jezika [http://bos.zrc-sazu.si/SNB.html], obiskano 10. 8. 2015. [32] Oxford Dictionary, definicija pametnega telefona

[http://www.oxforddictionaries.com/definition/english/smartphone], obiskano 10. 8. 2015.

[33] X. Li in ostali, Implementation of GSM SMS Remote Control System Based on

FPGA, Information Science and Engineering (ICISE), 2010 2nd International Conference on, 4-6 Dec. 2010.

[34] C. D. Oancea, GSM Infrastructure Used for Data Transmission, Advanced Topics

in Electrical Engineering (ATEE), 2011 7th International Symposium on, 12-14 May 2011

[35] T. Kušar, Uporaba mikrokrmilnika pri brezžični komunikaciji, diplomsko delo

(Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta, 2006). [36] Priročnik za uporabo AT ukazov za GSM/GPRS modul ITEAD SIM900

[ftp://imall.iteadstudio.com/IM120417009_IComSat/DOC_SIM900_AT%20Command%20Manual_V1.03.pdf], obiskano 9. 7. 2015.

[37] Program Terminal [https://sites.google.com/site/terminalbpp/], obiskano 17. 6.

2015. [38] D. Rihtaršič, Mikrokrmilnik – UART komunikacija, Skripta za vaje predmeta

PROJEKTI IZ ELEKTRONIKE, [https://docs.google.com/document/d/1yEgMTE0epNZgIuRTAGQBkB7IC3cX32jNAsddacVaNxA/edit], obiskano 17. 6. 2015.

[39] Programsko orodje BASCOM AVR,

[http://www.mcselec.com/index.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=139], obiskano 10. 8. 2015.

[40] Prenos programa WinAVR [http://sourceforge.net/projects/winavr/files/WinAVR/],

obiskano 10. 8. 2015. [41] Prenos datoteke ArduinoDUDE.zip

[https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=sites&srcid=ZGVmYXVsdGRvbWFpbnxkcnRpcm9ib3Rpa2F8Z3g6MzQxM2NhNmJmM2IzZjU1Yg], obiskano 10. 8. 2015

[42] D. Rihtaršič, Primeri uporabe mikrokrmilnikov v programskem okolju Bascom,

diplomsko delo (Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta, 2005). [43] Mobilna aplikacija SMS to Text

[https://play.google.com/store/apps/details?id=com.smeiti.smstotext], obiskano 20. 8. 2015.

66

[44] Osnovna opravila v programu Excel 2010 [https://support.office.com/sl-si/article/Osnovna-opravila-v-programu-Excel-2010-be9e91b6-4ecb-4faa-8ae9-37e8974a1f8b], obiskano 17. 8. 2015.

[45] A. Tacer, Svetila s svetlečimi diodami, diplomsko delo (Maribor, Univerza v

Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 2008). [46] Svetlobno tipalo Adafruit TSL2561 Digital Luminosity/Lux/Light Sensor Breakout

[https://www.adafruit.com/products/439], obiskano 20. 8. 2015 [47] Cooking hacks GPRS/GSM Quadband Module for Arduino and Raspberry Pi

(SIM900) [https://www.cooking-hacks.com/documentation/tutorials/gprs-gsm-quadband-module-arduino-raspberry-pi-tutorial-sim-900/#step1], obiskano 20. 8. 2015.

I

10 PRILOGE

10.1 Namestitev programskega orodja BASCOM-AVR DEMO 2.0.7.5

Za namestitev programskega orodja Bascom-AVR 2.0.7.5 na računalnik s spletne strani [39] prenesemo datoteko s končnico .zip. To datoteko nekje na našem disku razpakiramo in poiščemo datoteko setupdemo.exe. Slednjo zaženemo in sledimo postopku instalacije programa. Najprej se prikaže okno na sliki 10.1. Za pričetek namestitve kliknemo na gumb Next.

Slika 10.1: Namestitev programskega orodja Bascom-AVR.

Preberemo licenčno pogodbo in obkljukamo I accept the agreement, kar pomeni, da se strinjamo s pogoji uporabe v licenčni pogodbi, slika 10.2. Potrdimo s klikom na gumb Next.

II

Slika 10.2: Licenčna pogodba z navedenimi pogoji uporabe.

Nadalje preberemo informacije o DEMO in drugih verzijah programskega okolja Bascom-AVR, slika 10.3. Za nadaljevanje namestitve kliknemo na gumb Next.

Slika 10.3: Dodatne informacije.

Računalnik nam sam predlaga ciljno mapo in ime mape na našem disku, kjer bo programsko orodje nameščeno, slika 10.4. Ime ciljne mape lahko po želji spremenimo. Ko izberemo oziroma določimo končno datoteko, kliknemo na gumb Next. V primeru, da mapa še ne obstaja, nas računalnik opozori s

III

podoknom, kjer vpraša, če lahko naredi svojo mapo. Potrdimo s klikom na gumb Da.

Slika 10.4: Izbira ciljne mape za namestitev programskega orodja Bascom-AVR.

Nato izberemo, katere komponente še želimo namestiti. V našem primeru smo izbrali predlagan paket komponent (Full instalation), slika 10.5. Po končni izbiri kliknemo na gumb Next.

Slika 10.5: Izbor komponent, ki jih želimo namestiti v programskem orodju.

IV

Izberemo tudi mapo, kamor se je v začetnem meniju namestilo programsko orodje. Mapo predlaga računalnik, lahko jo tudi spremenimo. Ko določimo končno datoteko, slika 10.6, za nadaljevanje kliknemo gumb Next.

Slika 10.6: Izbira mape v začetnem meniju.

Računalnik v nadaljevanju dokonča namestitev programskega orodja, slika 10.7.

Slika 10.7: Nameščanje programskega orodja.

Na koncu potrdimo še nameščanje dodatnih map, slika 10.8.

V

Slika 10.8: Nameščanje dodatnih map.

Sedaj je namestitev skoraj končana. Računalnik moramo ponovno zagnati, slika 10.9. Izberemo lahko prvo možnost Yes, restart the computer now, kar pomeni, da bomo računalnik takoj ponovno zagnali, ali drugo možnost No, I will restart the computer later, kar pomeni, da bomo računalnik ponovno zagnali sami pozneje. Po izbiri za konec kliknemo gumb Finish.

Slika 10.9: Ponovni zagon računalnika.

VI

10.2 Namestitev programa WinAVR Zaženemo datoteko WinAVR-20100110-install.exe. Odpre se okno, slika 10.10, v katerem izberemo slovenski jezik. Izbiro potrdimo s klikom na gumb OK.

Slika 10.10: Izbira jezika v postopku nameščanja programa WinAVR.

Nato se prikaže okno na sliki 10.11, kjer s klikom na gumb Naprej pričnemo namestitev.

Slika 10.11: Namestitev programa WinAVR.

Nadalje preberemo licenčno pogodbo in če se strinjamo s pogoji, za nadaljevanje namestitve kliknemo na gumb Se strinjam, slika 10.12.

VII

Slika 10.12: Licenčna pogodba s pogoji uporabe programa.

V naslednjem koraku izberemo pot in ciljno mapo namestitve programa WinAVR, slika 10.13. Za nadaljevanje kliknemo gumb Naprej.

Slika 10.13: Izbira ciljne mape za namestitev programa WinAVR.

Pred končno namestitvijo izberemo še komponente, ki jih želimo namestiti v programu, slika 10.14. Za potrditev kliknemo na gumb Namesti.

VIII

Slika 10.14: Izbor komponent, ki jih želimo namestiti v programu.

Računalnik v nadaljevanju dokonča namestitev programa, slika 10.15.

Slika 10.15: Nameščanje programa.

Namestitev programa zaključimo s klikom na gumb Dokončaj, slika 10.16.

IX

Slika 10.16: Zaključek namestitve programa WinAVR.

X

10.3 Nastavitev programatorja AvrDUDE v programskem orodju BASCOM

Odpremo Bascom-AVR in novo urejevalno okno. Nato v orodni vrstici izberemo zavihek Options in spodaj Programmer, slika 10.17.

Slika 10.17: Prikaz poti do pogovornega okna za nastavitev programatorja.

Odpre se pogovorno okno BASCOM-AVR Options, slika 10.18, v katerem nastavimo najprej Programmer: External programmer. Nato s kljukico označimo opcijo Program after compile. Spodaj v skupini Other nastavimo še Program: s klikom na ikono mape izberemo ciljno datoteko: C:\WinAVR-20100110\bin\ArduinoDude-BASCOM.bat in v okno Parameter vnesemo COM4 {FILE}6. Vnesene spremembe potrdimo s klikom na gumb OK.

6 Namesto COM4 je lahko tudi druga številka vrat. Na nadzorni plošči v upravitelju naprav z dvoklikom na vrstico Vrata (COM in LPT) preverimo, v katera vrata smo priključili krmilnik Arduino UNO.

XI

Slika 10.18: Nastavitve programatorja.

XII

10.4 Prikaz izvoza kratkih sporočil v besedilno datoteko Po zagonu aplikacije se nam odpre začetno okno na sliki 10.19 a, kjer so prikazane vse možnosti za natančno izbiro kratkih sporočil SMS, ki jih želimo pretvoriti v besedilno datoteko. Najprej izberemo pošiljatelja, tj. iz katerega pogovora bomo kratka sporočila SMS pretvorili v besedilno datoteko, zato tapnemo na Filter by conversation in odpre se okno na sliki 10.19 b.

a) b)

Slika 10.19: Začetno okno aplikacije a) in izbira pošiljatelja oziroma pogovora b).

Poiščemo želenega pošiljatelja, tj. telefonsko številko SIM kartice, ki je vstavljena v GSM/GPRS modul ITEAD sim900 in nam pošilja kratka sporočila SMS. Po izbranem pogovoru se na začetnem oknu pojavi kljukica, da je ta izbor zabeležen, slika 10.20 a. Sledi časovna izbira (glede na datum prejema kratkih sporočil SMS), tapnemo na Filter by date, odpre se okno na sliki 10.20b. Telefon ponudi prilagojen izbor z določenim začetnim in končnim datumom, a tu imamo veliko možnosti določanja parametra.

XIII

a) b)

Slika 10.20: Začetno okno z izbranim pošiljateljem a) in časovna izbira b).

Pod zavihkom Present range določimo trenutni izbor. Če se odločimo za predlagani prilagojeni izbor (Custom), moramo sami določiti začetni in končni datum. To storimo tako, da najprej tapnemo na Start date, odpre se koledar na sliki 10.21 a. S pomikanjem v smeri navzgor in navzdol iščemo po mesecih, ko izberemo želen datum, tapnemo na gumb V REDU in naš izbor je potrjen. Enako storimo za končni datum. Tapnemo na End date, zopet se odpre koledar, slika 10.21 b, in ponovimo prej opisani postopek.

a) b)

Slika 10.21: Koledar za izbiro začetnega datuma a) in končnega datuma b).

XIV

V primeru, da bi želeli izbrati sporočila, ki so bila prejeta ali poslana npr. včeraj, nam ni potrebno izbirati datumov, saj obstaja bližnjica. Tapnemo na Present range, vidimo vse možnosti, slika 10.22 a, in izberemo želeno. Po določenem časovnem parametru (v konkretnem primeru je to prilagojen izbor, od 13. avgusta 2015 do 16. avgusta 2015) tapnemo gumb V REDU, slika 10.22 b. Na začetnem oknu se ob Filter by date pojavi kljukica – izbor je zabeležen.

a) b)

Slika 10.22: Možnosti trenutnega izbora a) in končni izbor začetnega in končnega datuma b).

Določimo lahko tudi, katere vrste sporočil iz pogovora želimo izbrati (vse vrste, prejeta, poslana, osnutke), slika 10.23 a. Izberemo In SMS only, kar pomeni prejeta sporočila. Sledi izbira vrste datoteke, v katero bomo izvozili naša kratka sporočila SMS. Predlagana je besedilna datoteka s končnico .txt, zato ta izbor pustimo (sicer lahko izberemo tudi datoteko formata CSV, slika 10.23 b).

XV

a) b)

Slika 10.23: Možnosti izbire vrste sporočil a) in možnosti izbire vrste datoteke b).

Naš izbor kratkih sporočil SMS je določen. V primeru pomote lahko še vedno spremenimo parametre. V konkretnem primeru na sliki 10.24 a vidimo, da smo izbrali kratka sporočila iz pogovora z osebo Tanja, prejeta v času od 13. avgusta 2015 do 16. avgusta 2015 in jih bomo izvozili v besedilno datoteko s končnico .txt. Za takšne kriterije je bilo najdenih 10 kratkih sporočil SMS. Sledi še izvoz besedilne datoteke. Tapnemo na gumb EXPORT TO SD CARD, pojavi se okence za določanje imena besedilne datoteke, slika 10.24 b. Vnesemo želeno ime in tapnemo na gumb V REDU. Postopek izvoza datoteke je zaključen. V kolikor nimamo spominske kartice, se datoteka shrani na pomnilnik telefona.

a) b)

Slika 10.24: Začetno okno z izbranimi parametri a) in vnos imena besedilne datoteke b).

XVI

10.5 Programska koda za makro Graf v programu Excel Sub Graf()

' Graf Makro

' Izdelava grafa T(t).

'

' Bližnjica na tipkovnici: Ctrl+g

'

'določimo območje podatkov za x in y os

Dim Xaxis As Range

Dim Yaxis As Range

Set Xaxis = Range( "$E$2" , Range( "$E$2").end(xldown))

Set Yaxis = Range( "$F$2" , Range( "$F$2").end(xldown))

'definiramo spremenljivko C

Dim C As Chart

Set C = Activeworkbook.charts.add

'določimo vrsto grafa

With C

.charttype = Xlxyscatter

End With

'definiramo spremenljivko S

Dim S As Series

Set S = C.seriescollection.newseries

'na osi grafa nanesemo vrednosti

With S

.values = Yaxis

.xvalues = Xaxis

End With

With C.axes(xlcategory)

.majorunit = 0.125

End With

'poimenovanje osi grafa in dodajanje naslova grafa

With C

.axes(xlcategory , Xlprimary).hastitle = True

.axes(xlcategory , Xlprimary).axistitle.characters.text = "Čas

[datum in ura]"

.axes(xlvalue , Xlprimary).hastitle = True

.axes(xlvalue , Xlprimary).axistitle.characters.text =

"Temperatura [°C]"

.hastitle = True

.charttitle.text = "Vpiši naslov grafa"

.haslegend = False

End With

End Sub

XVII

10.6 Zgoščenka Na zgoščenki je v mapi 1_Programska_koda dostopna programska koda (datoteka UART_temperatura.bas), ki jo potrebujemo za programiranje krmilnika Arduino UNO. Dostopna je tudi programska koda za makro Graf (datoteka Graf.txt), ki jo v primeru nedelovanja makra vnesemo v program Microsoft Office Excel (izberemo zavihek Razvijalec Visual Basic). V mapi 2_Primer sta dve datoteki, ena s poskusnimi meritvami (datoteka Meritve.txt) in druga z izdelanim makrom Podatki za urejanje podatkov ter makrom Graf za izdelavo grafa (datoteka Poskusna.xlsb), v kateri lahko uporabnik preizkusi vstavljanje podatkov, urejanje podatkov ter izdelavo grafa. V mapi 3_Elektrotehniška_shema sta elektrotehniški shemi krmilnika Arduino UNO [24] in GSM/GPRS modula ITEAD SIM900 [26].

IZJAVA O AVTORSTVU MAGISTRSKEGA DELA

Podpisana Tanja Stanić, študentka z vpisno številko 01013906, izjavljam, da sem avtorica magistrskega dela z naslovom:

IZVEDBA ODDALJENEGA LABORATORIJA PREKO GSM KOMUNIKACIJE S PRIMERI UPORABE PRI ŠOLSKEM EKSPERIMENTALNEM DELU.

S svojim podpisom zagotavljam, da sem magistrsko delo izdelala samostojno pod mentorstvom izr. prof. dr. Slavka Kocijančiča.

V Ljubljani, avgust 2015 Podpis avtorice: