가상공간 즉 웹상에서 가상 실험실을 개발하여 공학 실험교육을 수행하려는 시도가 많이 이루어지고 있다. 본 논문에서는 가상교육의 현실성 부족이라는 문제점의 해결책으로 실시간 원격실험실을 제안하고 구현하였다. 원격실험실은 실험실험 관련 회로 및 장비를 웹상에서 원격 제어하여 실험을 하며, 그 결과 데이터 및 영상 정보를 되돌려 받을 수 있도록 하는 기능을 제공하여 학습자로 하여금 시간과 장소에 구애 없이 현장감 있는 실험학습을 수행할 수 있도록 설계 구현되었다. 서버 클라이언트 환경에서 개방형 JAVA WEB START 기술, FTP 기술, TELNET 기술 등 인터넷 활용 기술을 기반으로 하는 본 논문의 원격 실험실 모듈은 저렴한 비용으로 구현할 수 있고, 실시간 하드웨어 제어와 관련된 다양한 분야의 공학실험교육에 효과적으로 적용할 수 있을 것이다.
가상공간 즉 웹상에서 가상 실험실을 개발하여 공학 실험교육을 수행하려는 시도가 많이 이루어지고 있다. 본 논문에서는 가상교육의 현실성 부족이라는 문제점의 해결책으로 실시간 원격실험실을 제안하고 구현하였다. 원격실험실은 실험실험 관련 회로 및 장비를 웹상에서 원격 제어하여 실험을 하며, 그 결과 데이터 및 영상 정보를 되돌려 받을 수 있도록 하는 기능을 제공하여 학습자로 하여금 시간과 장소에 구애 없이 현장감 있는 실험학습을 수행할 수 있도록 설계 구현되었다. 서버 클라이언트 환경에서 개방형 JAVA WEB START 기술, FTP 기술, TELNET 기술 등 인터넷 활용 기술을 기반으로 하는 본 논문의 원격 실험실 모듈은 저렴한 비용으로 구현할 수 있고, 실시간 하드웨어 제어와 관련된 다양한 분야의 공학실험교육에 효과적으로 적용할 수 있을 것이다.
There have been a large number of trials of the experimental education in engineering using virtual laboratories implemented in virtual space, namely on the Web. Although virtual education is regarded as an effective educational means that overcomes the limit of time and space and bring high teaming...
There have been a large number of trials of the experimental education in engineering using virtual laboratories implemented in virtual space, namely on the Web. Although virtual education is regarded as an effective educational means that overcomes the limit of time and space and bring high teaming effects, the problem of lack of reality must be solved. The present study proposed and implemented a real-time remote laboratory as a solution for the problem of lack of reality in virtual education. The remote laboratory provides functions with which learners can perform experiments by remote-controlling circuits and equipment related to experiments and practices on the Web and gets data and image information, so through it learners can make realistic experiments at any time and in any place. The remote laboratory module based on Internet open sources such as JAVA Web start technology, FTP technology and Telnet technology in server-client environment can be implemented at low cost, and is effectively applicable to engineering experiment education in various areas related to real-time hardware control.
There have been a large number of trials of the experimental education in engineering using virtual laboratories implemented in virtual space, namely on the Web. Although virtual education is regarded as an effective educational means that overcomes the limit of time and space and bring high teaming effects, the problem of lack of reality must be solved. The present study proposed and implemented a real-time remote laboratory as a solution for the problem of lack of reality in virtual education. The remote laboratory provides functions with which learners can perform experiments by remote-controlling circuits and equipment related to experiments and practices on the Web and gets data and image information, so through it learners can make realistic experiments at any time and in any place. The remote laboratory module based on Internet open sources such as JAVA Web start technology, FTP technology and Telnet technology in server-client environment can be implemented at low cost, and is effectively applicable to engineering experiment education in various areas related to real-time hardware control.
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문제 정의
본 논문에서는 가상교육의 현실성 부족이라는 문제점의 해결책으로 실시간 원격실험실을 제안하고 구현하였다. 제안한 시스템은 실험을 하기 위해서는 컴파일러와 실험 키트 등이 요구되므로 학생들은 실험 키트가 있는 학교에서만 실험을 할 수 밖에 없는 실정을 극복하고 언제 어디서나 실험을 할 수 있는 원격 마이크로콘트롤러 실험실로서 학습자들은 값비싼 장비나 소프트웨어를 구입하지 않고 원격지에 있는 하드웨어와 소프트웨어 자원을 공유하여 실험할 수 있는 시스템이다.
본 연구에서는 산업 분야에 많이 쓰이고 있는 80196 마이크로콘트롤러를 교육하는 웹 기반 원격실험 실을 구현하였다. 마이크로콘트롤러의 개념을 익히기 위해서는 실험이 매우 중요하다.
것이다. 본 실험에서는 LCD에 출력되는 숫자의 값을 일정한 시간을 간격으로 카운트하는 프로그램소스이다. 프로그램소스의 main함수는 아래와 같고, 실험에서 적용할 파일 이름 led项坦4.
LED가 동작하는 실험을 학습하게 된다. 본 실험에서는 LED의 일정한 시간 동안 불빛이 발하다가 소멸하다가를 반복하게 하는 프로그램소스를 실험하게 된다. 프로그램소스의 main함수부분은 아래와 같고, 실험에서 적용 할 파일 이름 led.
가설 설정
본 논문에서 구현한 마이크로콘트롤러 실험에 대한 전체적인 과정은 LCD 실험을 예로 설명을 진행할 것이다. 본 실험에서는 LCD에 출력되는 숫자의 값을 일정한 시간을 간격으로 카운트하는 프로그램소스이다.
제안 방법
할 수 있게 된다[15]. 본 연구에서는 80196KC를 제어하기 위한 소스프로그램을 컴파일하는데 IC96 컴파일 러를 사용하였다.
장비와 로컬컴퓨터가 구성된 상태에서 소스를 컴파일과 링크하여 생성된 실행 파일을 직렬통신으로 전송을 한다. 실행파일을 전송을 한 후에 실행 파일을 마이크로콘트롤러 실행시스템에서 실행시켜 소스 파일의 실행 결과를 확인하였다. 하지만 이러한 실험을 하기 위해서는 컴퓨터에 컴파일러가 설치되어 있어야 하며, 마이크로콘트롤러 실험 키트 회로가 있어야 한다.
그러나 제안한 원격컴파일시스템은 서버측에 설치된 C 컴파일러 IC96을 원격으로 사용하여 컴파일하는 시스템으로 파일송수신모듈, 컴파일 모듈, 텍스트파일 입출력 모듈, 소스입력 모듈, 메시지화면 출력 모듈로 구성되었고 원격컴파일시스템의 구성도는 [그림2] 와 같으며, 각각의 모듈을 설명한다.
보통 시스템을 구현하는데 방법에 있어 파일을 송수신하는 시스템의 경우에 서버 모듈과 클라이언트모듈을 제작하여 파일송수신을 한다. 하지만 본 연구에서는 많은 시스템에서 사용되는 FTP 서버 프로그램에 접속하여 파일의 업로드와 다운로드하도록 모듈을 구성하였다. FTP 모듈은 로그인처리부, 폴더경로변경 부, 파일 송신부, 파일 수 신부, 메시지 송수 신부로 구성되었다.
사용하였다. JNLP를 사용하여 학습자들의 컴퓨터에 학습자들이 작성한 프로그램소스를 저장하도록 Java Web Start를 동작 시켜 마이크로콘트롤러 실험실을 실행시켰다. Java Web Start는 웹브라우저와 연결되어 동작하는 헬퍼 애플리케이션으로 웹문서에 JNLP(Java Network Launching Protocol) 파일을 링크해서 애플리케이션을 웹 브라우저에서 실행시킨다.
서버프로그램을 사용하였다. 원격 컴파일시스템의 Telnet 모듈에서는 Telnet 통신 포트인 21번 포트로 Telnet 서버를 접속하여 마이크로콘트롤러 실험실의 컴파일, 링크, 실행명 령을 제어하였다. 원격 컴파일시스템의 Telnet 모듈에서는 [그림 4]의 과정으로 동작하게 하였다.
학습자들이 작성한 소스프로그램을 전송을 위하여 FTP 클라이언트에서 파일의 업로드와 다운로드를 할 수 있도록 프리웨어 FTP 서버 프로그램을 사용하였다. 원격컴파일시스템의 FTP 모듈에서는 F통신 포트인포트인 23번 포트로 FTP 서버를 접속하여 파일을 송수신하였다.
C96으로 설정하여 실험하였다. 마이크로콘트롤러 실험실에서는 학습자들의 학습효과를 높이기 위해서 웹카메라로 촬영되는 마이크로콘트롤러를 보면서 실험을 하게 된다. 학습자들은 접속을 한 후에 마이크로콘트롤러의 상태를 확인하고 80196KC 원격컴파일러의 하이퍼 링크를 선택하여 마이크로콘트롤러 실험실을 동작시킨다.
마이크로콘트롤러 실험실에서는 학습자들의 학습효과를 높이기 위해서 웹카메라로 촬영되는 마이크로콘트롤러를 보면서 실험을 하게 된다. 학습자들은 접속을 한 후에 마이크로콘트롤러의 상태를 확인하고 80196KC 원격컴파일러의 하이퍼 링크를 선택하여 마이크로콘트롤러 실험실을 동작시킨다. 자바 Web Start의 실행에 의해서 마이크로콘트롤러 실험실이 실행된다.
동작하는 내용을 학습하게 된다. 본 실험에서는 DC모터가 시계방향으로 일정한 시간동안 돌아가고, 일정한 시간이 지나면 반시계방향으로 돌아가는 실험을 진행하였다. 프로그램소스의 main 함수 부분은 아래와 같고, 실험에서 적용할 파일 이름 motor.
제안한 시스템은 실험을 하기 위해서는 컴파일러와 실험 키트 등이 요구되므로 학생들은 실험 키트가 있는 학교에서만 실험을 할 수 밖에 없는 실정을 극복하고 언제 어디서나 실험을 할 수 있는 원격 마이크로콘트롤러 실험실로서 학습자들은 값비싼 장비나 소프트웨어를 구입하지 않고 원격지에 있는 하드웨어와 소프트웨어 자원을 공유하여 실험할 수 있는 시스템이다. 본 연구에서 제안한 원격실험실은 LabVIEW나 VEE 상용 툴을 사용하지 않고, 프로그래머에게 개방된 자바 Web Start, 자바 FTP, 자바 Telnet 기술을 이용하여 원격컴파일시스템과 실행시스템으로 구성하여 구현하였으므로, 시스템을 개발하는데 툴구매 비용이 들지 않았을 뿐만 아니라, 구현된 시스템은 서버측에 하드웨어와 소프트웨어 자원을 공유하므로 사용자들도 어떤 구매 비용도 들지 않는 장점을 가진다.
대상 데이터
본 연구에서는 마이크로콘트롤러 중 80196KC를 선택하였다. 80196KC는 16비트 마이크로콘트롤러로 많은 주변 장치들을 내장하고 있어 별도의 장치를 추가하지 않고도 아날로그입출력을 할 수 있으며 여러 분야에서 많이 활용되고 있는 제품으로 메모리는 486바이트의 레지스터 RAM, 외부인터페이스는 최대 64K바이트의 외부 데이터 메모리, 최대 64K바이트의 외부 프로그램 메모리, 5 개의 8비트 I/O port, 16bit의 타이머와 켑처기능을 가진 16비트 업/다운 카운터, 16비트 감시타이머, 하나의 동기 모드와 3개의 전이 중 비동기 모드를 가진 UART, 3채널의 PWM, 8채널의 10비트 A/D 변환기를 갖는 특징을 갖고 있다.
본 연구에서 제안한 원격 80196KC 마이크로콘트롤러실험실의 모델을 [그림 1]에서 제시하였다.
하지만 본 연구에서는 많은 시스템에서 사용되는 FTP 서버 프로그램에 접속하여 파일의 업로드와 다운로드하도록 모듈을 구성하였다. FTP 모듈은 로그인처리부, 폴더경로변경 부, 파일 송신부, 파일 수 신부, 메시지 송수 신부로 구성되었다. 로그인 처리 부에서는 서버의 주소, 사용자, 패스워드를 설정하여 서버와 접속을 처리한다.
최근에는 Telnet 서버가 거의 모든 운영체제에 내장되어 있어 Telnet 방식으로 명령어를 처리하는 방식은 좀 더 보편화될 것이다. 컴파일 모듈은 로그인 처리부, 폴더경로변경부, 제어메시지 송신부, 메시지 수신부로 구성되었다. 로그인 처리부에서는 서버의 주소, 사용자, 패스워드를 설정하여 서버와 연결된다.
마이크로콘트롤러 실험실은 JNLP를 사용해야 했으므로 XML형식의 JNLP를 사용하기 위해 자카르타 톰캣을 웹서버로 사용하였다. JNLP를 사용하여 학습자들의 컴퓨터에 학습자들이 작성한 프로그램소스를 저장하도록 Java Web Start를 동작 시켜 마이크로콘트롤러 실험실을 실행시켰다.
마이크로콘트롤러 실험실은 8이96KC회로부와 실험 실행 회로부, DC모터제어회로부로 구성하였다. 80196 KC 회로부는 서버로부터 직렬통신으로 실행파일을 전송받아 실행 회로부에 동작신호를 출력한다.
80196 KC 회로부는 서버로부터 직렬통신으로 실행파일을 전송받아 실행 회로부에 동작신호를 출력한다. 실험실행회로부는 LCD, LED, 7-SEGMENT, DC 모터로 구성되었다. 마이크로콘트롤러 실험실에서는 마이크로콘 트롤러 실험과 정도에 따라 [그림 6]과 같이 실험하게 된다.
프로그램소스의 main함수는 아래와 같고, 실험에서 적용할 파일 이름 led项坦4.C96으로 설정하여 실험하였다. 마이크로콘트롤러 실험실에서는 학습자들의 학습효과를 높이기 위해서 웹카메라로 촬영되는 마이크로콘트롤러를 보면서 실험을 하게 된다.
본 실험에서는 DC모터가 시계방향으로 일정한 시간동안 돌아가고, 일정한 시간이 지나면 반시계방향으로 돌아가는 실험을 진행하였다. 프로그램소스의 main 함수 부분은 아래와 같고, 실험에서 적용할 파일 이름 motor.c96으로 실험을 진행하였다. 보드를 초기화하고 포트 A, B, C를 주소를 할당하고, 콘트롤 워드 레지스트터에 포트의 입출력형식을 지정하는 값 0x80을 출력한 후 DC 모터를 좌, 우로 무한히 회전시키는 프로그램의 예이다.
이론/모형
마이크로콘트롤러 실험실에서 컴파일, 링크, 실행의 제 어명 령을 전송위한 Telnet 서버프로그램은 프리웨어용 Telnet 서버프로그램을 사용하였다. 원격 컴파일시스템의 Telnet 모듈에서는 Telnet 통신 포트인 21번 포트로 Telnet 서버를 접속하여 마이크로콘트롤러 실험실의 컴파일, 링크, 실행명 령을 제어하였다.
성능/효과
본 연구에서 제안한 원격실험실은 LabVIEW나 VEE 상용 툴을 사용하지 않고, 프로그래머에게 개방된 자바 web start, 자바 FTP, 자바 Telnet 기술을 이용하여 원격컴파일 시스템과 실행 시스템으로 구성하여 구현하였으므로, 시스템을 개발하는데 툴 구매 비용이 들지 않았을 뿐만 아니라, 구현된 시스템은 서버 측에 하드웨어와 소프트웨어 자원을 공유하므로 사용자들도 어떤 구매비용도 들지 않는 장점을 가진다.
제안한 시스템은 실험을 하기 위해서는 컴파일러와 실험 키트 등이 요구되므로 학생들은 실험 키트가 있는 학교에서만 실험을 할 수 밖에 없는 실정을 극복하고 언제 어디서나 실험을 할 수 있는 원격 마이크로콘트롤러 실험실로서 학습자들은 값비싼 장비나 소프트웨어를 구입하지 않고 원격지에 있는 하드웨어와 소프트웨어 자원을 공유하여 실험할 수 있는 시스템이다. 본 연구에서 제안한 원격실험실은 LabVIEW나 VEE 상용 툴을 사용하지 않고, 프로그래머에게 개방된 자바 Web Start, 자바 FTP, 자바 Telnet 기술을 이용하여 원격컴파일시스템과 실행시스템으로 구성하여 구현하였으므로, 시스템을 개발하는데 툴구매 비용이 들지 않았을 뿐만 아니라, 구현된 시스템은 서버측에 하드웨어와 소프트웨어 자원을 공유하므로 사용자들도 어떤 구매 비용도 들지 않는 장점을 가진다.
본 연구에서 구축한 원격실험실에서는 LCD, DC모터, LED, 7-SEGMENT 중 DC 모터, LED의 예를 프로그래밍하고 컴파일하고 실행하여 원격으로 하드웨어를 제어하므로 원격실험의 가능성을 보였다.
따라서 구현된 원격실험실은 시간적 공간적 제약을 극복한 고가 실험장비와 소프트웨어를 공동으로 이용할 수 있으며 이론과 실험을 동시에 수행할 수 있는 실험실로 인터넷상에서 충분히 구현 가능함을 보였으며, 마이크로콘트롤러에 부착되는 다양한 센서실험콘텐츠가 개발될 경우 원격실험실의 활용도는 크게 증대될 것이다.
후속연구
향후 연구로서 계측데이터 전송성능 향상을 위한 전송방식개선 연구, 전자 소자값 원격제어에 관한 연구 및 실험실 구축, 그리고 이미 개발된 웹 기반의 가'상실험 콘텐츠와의 연동 등의 연구가 진행되어야 할 것이다.
참고문헌 (16)
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