INTRODUÇÃO E MOTIVAÇÃO...1

SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO E MOTIVAÇÃO...1 1.1 A INTERNET COMO INSTRUMENTO DE PROGRESSO PEDAGÓGICO...5 1.2 LABORATÓRIO COMO FERRAMENTA PEDAGÓGICA...6 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO...8 2. LABNET LABORATÓRIO DE ACESSO REMOTO...9 2.1 INTRODUÇÃO...9 2.2 OBJETIVOS E PERSPECTIVAS DO LABNET...11 2.3 TECNOLOGIA DE SUPORTE PARA A INTERAÇÃO USUÁRIO-EXPERIMENTOS...16 2.3.1 Servidor de Internet...19 2.3.2 Páginas dinâmicas com ASP (Active Server Pages)...19 2.3.3 Componentes ActiveX...20 2.3.4 Tecnologia nas respostas dos experimentos ao usuário...23 2.3.5 Conclusão...24 2.4 SISTEMA DE AUTOMATIZAÇÃO DE EXPERIMENTOS...24 2.4.1 Introdução...24 2.4.2 SADAC...24 2.4.3 Aplicação básica do SADAC...28 2.5 CONCLUSÃO...29 3. EXPERIMENTOS COM O LABNET...30 3.1 INTRODUÇÃO...30 3.2 ACIONAMENTO DE MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA VIA INTERNET...31 3.3 OBTENÇÃO DA RESPOSTA DE UM MOTOR DC A SINAIS DE EXCITAÇÃO ESPECÍFICOS...35 3.3.1 Sinal de excitação: degrau...37 3.3.2 Sinal de excitação: duplo-degrau...40 3.3.3 Sinal de excitação: rampa...42 3.3.4 Sinal de excitação: pulso...44 3.4 CONTROLADOR PROPORCIONAL-INTEGRAL-DERIVATIVO (PID) VIA INTERNET...46 3.5 PROPOSTA DE GUIAS DE EXPERIMENTOS UTILIZANDO A PLATAFORMA LABNET...49 3.5.1 Guia de experimento: estudo dos motores de corrente contínua...49 3.5.2 Guia de experimento: controle de sistemas mecânicos usando controlador PID...55 3.6 VALIDAÇÃO E TESTE DO SISTEMA...58 3.7 CONCLUSÃO...59 iii

4. ASPECTOS EDUCACIONAIS NO USO DO LABNET...60 4.1 INTRODUÇÃO...60 4.2 LABORATÓRIOS DE ACESSO REMOTO EM ENSINO E PESQUISA...60 4.3 CONCLUSÃO...62 5. PROPOSTAS FUTURAS...63 6. CONCLUSÃO...64 APÊNDICES...66 BIBLIOGRAFIA...73 iv

LISTA DE TABELAS TABELA 1 EXEMPLOS DE UTILIZAÇÃO DA PLATAFORMA LABNET...14 TABELA 2 DESCRIÇÃO DOS COMPONENTES DE AUTOMATIZAÇÃO DOS EXPERIMENTOS ATIVOS...23 TABELA 3 EFEITOS DO CONTROLADOR PID...56 TABELA 4 EMPREGO DO LABNET EM DISCIPLINAS DE ENGENHARIA ELÉTRICA...59 v

LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 APLICAÇÕES DO LABNET...4 FIGURA 2 SERVIDOR DE EXPERIMENTOS...10 FIGURA 3 EXPERIMENTOS ATIVOS NO LABNET...13 FIGURA 4 REDE DE COMPUTADORES DA UFMA...15 FIGURA 5 LABNET COM DIVERSOS SERVIDORES DE EXPERIMENTOS...16 FIGURA 6 ESTRUTURA DA COMUNICAÇÃO ENTRE CLIENTE E EXPERIMENTOS...18 FIGURA 7 INTERAÇÃO ESTUDANTES EXPERIMENTOS...18 FIGURA 8 COMPONENTES ACTIVEX...21 FIGURA 9 SADAC ACOPLADO AO MICROCOMPUTADOR...25 FIGURA 10 A PIP INTERLIGANDO O BARRAMENTO DO PC E O BARRAMENTO DO SADAC...26 FIGURA 11 PIP INTERLIGANDO VÁRIAS PIS S E PIE S...27 FIGURA 12 UMA PIS ACOPLADA A UM CONVERSOR D/A...27 FIGURA 13 UMA PIE ACOPLADA A UM CONVERSOR A/D...28 FIGURA 14 EXPERIMENTO PADRÃO DO SADAC...28 FIGURA 15 EXPERIMENTO BÁSICO EM FÍSICA...29 FIGURA 16 ESTÁGIOS DA EXECUÇÃO DE EXPERIMENTOS...31 FIGURA 17 CONFIGURAÇÃO ATUAL DO SISTEMA DE ACIONAMENTO DO MOTOR DC...32 FIGURA 18 TELA INICIAL DO ACIONAMENTO REMOTO DO MOTOR DC...32 FIGURA 19 MAPA DE ENDEREÇOS DO SADAC...33 FIGURA 20 ACIONAMENTO E RESPOSTA REMOTA DO MOTOR DC...34 FIGURA 21 TELA DE ENTRADA DO EXPERIMENTO DE AQUISIÇÃO DE DADOS...36 FIGURA 22 TELA DE ENTRADA DE DADOS : DEGRAU...37 FIGURA 23 JANELA INDICANDO MOTOR LIGADO...38 FIGURA 24 JANELA DE RESPOSTA : DEGRAU...39 FIGURA 25 TELA DE ENTRADA DE DADOS : DUPLO-DEGRAU...40 FIGURA 26 JANELA DE RESPOSTA : DUPLO-DEGRAU...41 FIGURA 27 TELA DE ENTRADA DE DADOS : RAMPA...42 FIGURA 28 JANELA DE RESPOSTA : RAMPA...43 FIGURA 29 TELA DE ENTRADA DE DADOS : PULSO...44 FIGURA 30 JANELA DE RESPOSTA : PULSO...45 FIGURA 31 TELA DE ENTRADA DE DADOS DO CONTROLADOR PID REMOTO...47 FIGURA 32 JANELA DE RESPOSTA : CONTROLE PID...48 FIGURA 33 MODELO FÍSICO DO MOTOR DC...49 FIGURA 34 DIAGRAMA DE BLOCOS DO MOTOR DC...52 vi

FIGURA 35 FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA SIMPLIFICADA DO MOTOR DC...53 FIGURA 36 DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM SISTEMA COM CONTROLADOR...55 FIGURA 37 GERAÇÕES DA EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA...69 vii

ABREVIATURAS E SÍMBOLOS A/D - Analógico Digital D/A - Digital Analógico EaD Educação a Distância PIE - Placa de Interfaceamento de Entrada PIP - Placa de Interfaceamento Principal PIS - Placa de Interfaceamento de Saída SADAC - Sistema de Aquisição de Dados para Automação e Controle de Processo WWW World Wide Web viii

1. INTRODUÇÃO E MOTIVAÇÃO A principal marca do processo de transformação em que vivemos é a velocidade das mudanças, o que exige do homem uma capacidade cognitiva apurada em altos níveis de abstração, na qual os métodos educacionais são de extrema importância para o desenvolvimento das qualificações na formação do estudante. De acordo com Dermeval Saviani 1, a educação praticamente coincide com a própria existência humana (SAVIANI apud FERRETTI, 1994). No decorrer da evolução da educação percebe-se que, em um contexto histórico, na medida que o homem evolui, ocorrem avanços nas técnicas pedagógicas. Para visionar potencialidades em uma nova ferramenta para a educação é mister refletir sobre as origens e o desenvolvimento histórico da educação. Neste sentido, é apresentado, nos apêndices A e B, um breve histórico da educação brasileira e da educação a distância, respectivamente. O surgimento da Internet e a popularização do computador estão no centro do debate sobre o emprego das novas tecnologias na educação. Os desenvolvimentos de aplicativos que utilizam essas tecnologias nada mais são que instrumentos didáticopedagógicos. A criação de ambientes de aprendizagem é o fundamento destas tecnologias. As tecnologias educacionais não criam ambientes que prescindem do professor, este sempre terá um papel importante no processo e as tecnologias devem oferecer a ele a possibilidade de dinamizar o ambiente de ensino e com isto melhorar as condições de aprendizagem do educando. Deste modo, as tecnologias educacionais, no contexto de aplicativos que englobam computadores e a Internet, são auxiliares na criação do ambiente de aprendizagem moderno. Com relação à Internet, existem basicamente três modalidades de utilização dos recursos desta rede em instituições de ensino de um modo geral, que são: 1 Dermeval Saviani é professor titular em história da educação da faculdade de educação da UNICAMP. 1

1. Modalidade Exploratória: Nesta modalidade o estudante apenas busca informações na rede, de diversas formas, tais como: FTP (File Transfer Protocol) e World Wide Web (Web ou WWW). 2. Modalidade Informativa: Não se limita a atitudes passivas como receptores de informações, contribuindo ativamente na distribuição de informação, através dos seguintes instrumentos: e-mails, listas de discussão, newsgroups, IRC (Internet Relay Chat) e World Wide Web dinâmica. 3. Modalidade Educativa: na forma da educação a distância, a teleducação. Com o desenvolvimento da Internet gráfica (WWW), as fronteiras para a educação a distância se expandiram, podendo reunir-se num só meio de comunicação as vantagens dos diferentes modos de se comunicar informações e idéias, de forma cada vez mais interativa, reduzindo-se custos e ampliando as possibilidades de aprendizado. A educação a distância é um recurso de incalculável importância como modo apropriado para atender a grandes contingentes de estudantes de forma mais efetiva que outros recursos. A escolha da modalidade da educação a distância como meio de dotar as instituições educacionais de condições para atender às novas demandas por ensino e treinamento ágil, célere e qualitativamente superior, tem por base a compreensão de que esta é capaz de atender com grande perspectiva de eficiência, eficácia e qualidade aos anseios de universalização do ensino e, também, como meio apropriado à permanente atualização dos conhecimentos gerados de forma cada mais intensa pela ciência e cultura humana. Dentro do contexto de novas tecnologias de suporte ao ensino a distância, este trabalho tem como principal objetivo apresentar uma tecnologia educacional moderna para uso no ensino presencial e a distância o laboratório a distância e mostrar o desenvolvimento e a implementação deste tipo de laboratório tecnológico, acessado remotamente via Internet, como uma plataforma suporte a realização de experimentos tecnocientíficos, chamada de LabNet (SOUZA e COSTA FILHO, 2001c). Esta plataforma consiste essencialmente em disponibilizar ao aluno, através da Internet, a possibilidade de 2

manipular e visualizar experimentos monitorados e controlados por uma estação digital de aquisição de dados (SOUZA e COSTA FILHO, 2001i). O conceito de laboratório de acesso remoto via Internet não é novo. GOLDBERG et al. (1995) e BOHUS et al. (1996) desenvolveram experimentos, em controle automático, acessados remotamente. SHOR e BHANDARI (1998) desenvolveram um aplicativo de aprendizagem a distância que permite aos usuários o uso de experimentos conduzidos remotamente no laboratório de engenharia de controle na Universidade Estadual de Oregon (KO, 2001). Nestes trabalhos e em várias publicações mais recentes (KIKUCHI et al., 2001) (HAHN e SPONG, 2000) (EXEL et al., 2000) (SHEN et al., 2000) (SHAHEEN et al., 1998), os conceitos de hand-on e learning by doing 2 são poucos explorados, uma vez que as plataformas de suporte são dedicadas e direcionadas a experimentos específicos onde são empregados kits tecnológicos prontos e disponíveis no mercado, tais como: placas de aquisição, instrumentação, softwares comercial tipo LabVIEW (SHAHEEN et al., 1998) e WINCON (EXEL et al., 2000). A característica inovadora e a principal contribuição deste trabalho é a proposição de uma plataforma de suporte a multi-experimentos, onde é possível realizar, a distância, vários experimentos de natureza distinta concebidos e implementados em laboratório (SOUZA e COSTA FILHO, 2001d). Em adição, a estrutura de hardware e software da plataforma LabNet apresenta características que permitem a inserção de novos experimentos laboratoriais nas diversas áreas científicas segundo as técnicas hand-on e learning by doing (SOUZA e COSTA FILHO, 2001f). Na figura 1, são visualizadas as possíveis aplicações e a estrutura multi-experimentos do LabNet. 2 Técnicas do construtivismo. Hands on e Leaning by doing são métodos que utilizam montagens, construções, projetos de processos e aplicativos desenvolvidos pelos próprios alunos no auxílio do processo de aprendizado. 3

Figura 1 Aplicações do LabNet As principais características do LabNet são: 1. Execução dos experimentos em tempo real; 2. Modularidade, permite a inserção de novos experimentos e fácil ampliação de suas aplicações; 3. Uso no ensino presencial e a distância; 4. Facilidades de armazenamento e recuperação de dados dos experimentos, visualização dos resultados das análises e possibilidade de alteração de parâmetros do projeto; 5. Conveniente e economicamente vantajoso utiliza-lo para um grande número de estudantes. 6. Custo baixo e decrescente por estudante, depois dos investimentos iniciais o laboratório a distância tende a ficar mais barato; Com este trabalho de pesquisa, espera-se desenvolver um ambiente de aprendizagem a distância que possibilite, a um grande número de estudantes e de profissionais, a realização de experimentos conduzidos remotamente em laboratório. 4

Como área de concentração inicial, descrito neste trabalho, o Labnet fornece uma plataforma de suporte para experimentos, enfatizando a realização e geração de atividades de laboratório nas sub-áreas especializadas que fundamentam o desenvolvimento de controle automático de sistemas e máquinas, tais como: técnicas de controle por servomecanismo, análise de sistemas dinâmicos multivariáveis, eletrônica digital e analógica, medição de grandezas físicas. 1.1 A Internet como instrumento de progresso pedagógico A Internet propicia o acesso a arquivos e banco de dados remotos e a troca de informações, independentemente de distâncias físicas. Esta rede rompe as barreiras de espaço e de tempo, permite o compartilhamento de informações e a comunicação em tempo real. Este cenário tecnológico é cada vez mais acessível aos estudantes. Somando a disseminação do uso da Internet com as estruturas de hipertexto e de multimídia interativa, percebe-se que essas tecnologias são adequadas, particularmente, ao uso educativo. É bem conhecido o papel fundamental do envolvimento pessoal do aluno no processo de aprendizagem. Quanto mais ativamente uma pessoa participa da aquisição de um conhecimento, mais ela irá integrar e reter aquilo que aprender. O hipertexto e a multimídia interativa, graças à sua dimensão reticular ou não linear, favorecem uma atitude exploratória, ou mesmo lúdica, face ao material a ser assimilado. É, portanto, um instrumento bem adaptado a uma pedagogia ativa (LEVY, 1993, p. 40). A introdução da tecnologia da informação como ferramenta de trabalho pedagógico possibilita uma forma de aprendizado mais ativa, onde os estudantes comunicamse através da Internet e desenvolvem habilidades de sintetizar informações, ao mesmo tempo em que vão dominando o conteúdo programático dos cursos. Com a Internet, o corpo docente ganha um recurso inovador para a transmissão de conhecimento. A educação formal, contudo, apresenta uma tendência histórica em retardar a incorporação de inovações em suas práticas pedagógicas (SANTOS, 1999). O potencial da 5

Internet, entretanto, pode alterar este quadro, pois formas efetivamente inovadoras de educação utilizando serviços disponíveis nesta rede podem ser pensadas e postas em prática. O uso educacional da Internet apoia-se em diferentes vertentes de pesquisa e desenvolvimento, e exemplos de utilização podem ser dados em aplicações hipermídia, sites educacionais, sistemas de cursos à distância e salas de aula virtuais. 1.2 Laboratório como ferramenta pedagógica A partir da definição de educação como processo de formação da competência humana e do conceito de competência como a condição de não apenas fazer, mas de saber fazer e sobretudo de refazer (DEMO, 1998, p.5), pode-se traçar com maior clareza o objetivo principal no desenvolvimento de ferramentas pedagógicas tecnológicas para as instituições de ensino. O processo de aprendizado é fortemente baseado na prática e no trabalho desenvolvido pelos próprios estudantes. Esse tipo de aprendizado requer facilidades mínimas de infra-estrutura: bibliotecas e laboratórios. No que tange a práticas laboratoriais, tem-se em mente, de imediato, a necessidade de horários especiais, locais especiais e equipamentos especiais; por fim, de toda uma estrutura dedicada e restritiva para tais práticas. Deste modo, o laboratório clássico necessita ser repensado. O laboratório de pesquisa precisa ser internalizado como atitude cotidiana, não apenas atividade especial, de estrutura especial, para horários especiais. A questão fundamental é tornar o laboratório de pesquisa um ambiente didático habitual, para desfazer a expectativa arcaica de que pesquisa em laboratório é algo notável. Tornando as práticas laboratoriais mais freqüentes, simples, modernas e prazerosas, pode-se providenciar que exista na instituição de ensino um ambiente positivo, para se conseguir do estudante participação ativa, presença dinâmica, interação e motivação para o questionamento reconstrutivo na confluência entre teoria e prática (a pesquisa busca na prática a renovação da teoria e na teoria a renovação da prática) (id. ibid. p.8). Segundo SANTOS (1997): "O aprendizado ocorre quando novas estruturas são construídas via a associação de novos nós com outros já existentes. Quanto mais ligações 6

puderem ser feitas entre o conhecimento anterior e o novo, melhor a informação será compreendida, e mais facilmente ocorrerá o aprendizado". Se for considerado que um indivíduo aprende aumentando, combinando e rearranjando mapas cognitivos, então pode-se supor que as informações teóricas são melhor compreendidas quando associadas às informações práticas (SILVEIRA et al., 1998). Deste modo, aumentando a freqüência e diminuindo a distância entre a teoria e a prática, pode-se aumentar a assimilação de conhecimentos. Para uma melhor qualidade e maior freqüência na elaboração e realização de experimentos, os laboratórios exigiriam uma infra-estrutura de assistência, suporte material e docente com custos operacionais, muitas vezes proibitivos, proporcionais ao aumento da demanda discente. A constatação de tais problemas práticos nos levou, a partir dos resultados efetivos de nossa prática laboratorial dentro do princípio geral do learning by doing, aliados à pressão de estudantes que reivindicam a realização de experimentos, a considerar a possibilidade de, adotando essa mesma orientação, propor um laboratório de acesso continuado, ininterrupto e remoto via Internet. A questão, portanto, é viabilizar um canal direto de interação entre os estudantes e os experimentos. Neste contexto, o LabNet almeja ser uma contribuição à educação, possibilitando aos estudantes e profissionais a realização de experimentos remotamente e praticados em qualquer horário e lugar, ou seja, a distância. Desta forma, espera-se, também, contribuir para: 1. Motivar um número maior de alunos para o desenvolvimento de atividades práticas; 2. Oportunizar novas experiências a nível institucional, com a inserção de novos experimentos laboratoriais de diversas áreas científicas de acordo com a implementação de novos projetos; 3. Melhorar o desempenho acadêmico dos alunos envolvidos; 4. Diminuir a evasão do curso através da motivação proporcionada pelas 7

atividades práticas; 5. Melhorar a infra-estrutura de laboratórios, pois os investimentos iniciais do laboratório a distância tendem a ser mais barato e com custos decrescentes por estudante; 6. Fortalecer linhas de pesquisas que venham a contribuir para o surgimento de novas tecnologias de ensino; 7. Desenvolver atividades de laboratórios e oficinas, com equipamentos especializados e modulares para maximizar o valor pedagógico e aprofundar os conhecimentos nas áreas tecnocientíficas. 1.3 Organização do texto Este trabalho foi divido em seis capítulos. O presente capítulo apresenta a proposição de um laboratório a distância como uma nova tecnologia educacional. O capítulo 2 apresenta a organização e estrutura tecnológica (hardware e software) para a implementação da plataforma de suporte para o laboratório de acesso remoto, ressaltando os aspectos potenciais de aplicação em multiexperimentos. No capítulo 3, são propostos o sistema de automatização de experimentos e as interfaces gráficas de usuário para interação, via Internet, dos estudantes com os experimentos. Experimentos em controle digital de um servomotor de corrente contínua ilustram o funcionamento do Labnet. O capítulo 4 apresenta os aspectos educacionais no uso de laboratórios de acesso remoto e como podem auxiliar o ensino e a pesquisa. Finalmente, no capítulo 5, são apresentadas algumas propostas para futuras implementações e melhorias do LabNet e no capítulo 6, tem-se a conclusão deste trabalho. 8

2. LABNET LABORATÓRIO DE ACESSO REMOTO 2.1 Introdução Sistemas de educação a distância apresentam análogos virtuais dos componentes de uma escola convencional (SANTOS e SANTOS, 1999, p.2). Atualmente, por meio da Internet, os estudantes têm acesso direto a conteúdos, bancos de dados, atividades de aprendizagem, exercícios de correção automática e podem recorrer à orientação de professores a qualquer tempo e a partir de qualquer lugar. Percebe-se que o termo virtual e o armazenamento de informações são amplamente utilizados em educação a distância baseado na Internet. Um laboratório de acesso remoto incluirá na educação a distância termos como informações reais e atuais no sentido de que estas informações não são oriundas de dados armazenados e sim criados em decorrência da realização de um específico e determinado procedimento experimental. A utilização de tecnologia educacional em um ambiente de execução de experimentos laboratoriais via Internet requer um maior aparato em equipamentos e dispositivos para, remotamente, ativar, executar, visualizar, medir e realizar aquisição de dados dos experimentos. O primeiro passo na implementação do LabNet foi o desenvolvimento de uma estação digital de interfaceamento de dados para uso didático e profissional, passível de reprodução, modular e de fácil expansão, para a realização de experimentos, em tempo real, por meio do computador (SOUZA e COSTA FILHO, 2001b). Nesta estação, chamada de SADAC, ocorre o acionamento e o monitoramento dos experimentos e tem a finalidade de interfacear o computador com vários dispositivos elétricos e/ou eletrônicos, tais como: conversores D/A e A/D, atuadores, sensores, instrumentos de medição e de acionamento. O SADAC é caracterizado pela simplicidade construtiva, robustez e os baixos custos envolvidos. O próximo passo foi o desenvolvimento da plataforma de interação usuárioexperimentos via Internet, chamada de servidor de experimentos. O servidor de experimentos é o sistema que propicia a automatização dos experimentos e é formado por um computador 9

do tipo PC, operando como servidor de Internet, equipado com o SADAC. Em síntese, o SADAC é uma estação de aquisição de dados de 8 bits e permite a interface de até 256 dispositivos de entrada e/ou de saída de dados. Na figura 2, está representada a estrutura de hardware do servidor de experimentos. Figura 2 Servidor de experimentos O LabNet, por meio da Internet, vai prover a troca de informações entre os estudantes e o servidor de experimentos. Deste modo, o estudante poderá enviar dados para uma estação, realizar um experimento previamente implementado e receber informações tais como: imagens, gráficos, áudio e tabelas de acordo com as respostas reais do experimento. É importante salientar que o tempo real do experimento é preservado, pois todos os procedimentos de acionamento, monitoramento e de aquisição de dados, referente ao experimento, são processados no servidor de experimentos, sem a influência da taxa de transmissão da conexão do usuário com a Internet. Por outro lado, não é necessária nenhuma carga (download) e/ou instalar qualquer software localmente, evitando problemas de incompatibilidade com o sistema do usuário. 10

2.2 Objetivos e perspectivas do LabNet O LabNet é uma plataforma tecnológica para ensino orientado a experimentos em atividades de educação presencial e remota via Internet com pretensão de atuar em diversas áreas da ciência. No ensino presencial, o LabNet, de acordo com as técnicas hands-on e learning by doing, propicia aos estudantes de Engenharia Elétrica a possibilidade de: (a) Remontagem e/ou reconstrução da estação digital, cuja implementação envolve conhecimentos de técnicas digitais, microprocessadores, linguagem de programação, controle e automação, dentre outros conhecimentos; e (b) Desenvolvimento de experimentos automatizados que envolvem estudos de sensores, atuadores, medição e instrumentação. Tem-se então uma estrutura de ensino que, oferecendo um objetivo bem definido a construção de servidores de experimentos junto a um processo de interdisciplinaridade, envolve aplicações práticas de várias áreas da Engenharia Elétrica e permite criar situações a partir das quais os estudantes se confrontam, em sala de aula, com a possibilidade de confirmação prática da teoria, contribuindo substancialmente para o ensino, pesquisa e desenvolvimento tecnológico. Por exemplo: GONÇALVES (2000) e MIRANDA (2000) desenvolveram controladores avançados de forno industrial e máquinas rotativas, respectivamente, utilizando a citada estrutura. Aplicado no ensino a distância, o LabNet oferece aos estudantes da UFMA e de outras instituições de ensino e pesquisa a possibilidade de utilização remota dos laboratórios equipados com experimentos automatizados e interligados a um servidor de experimentos. Desta forma, o uso desta tecnologia de ensino permitirá a diminuição de custos de implantação de laboratórios, ampliará a oferta e a rapidez na realização de experimentos e beneficiará estudantes de várias instituições de ensino e de níveis escolares diferentes. 11

No que se refere à estrutura física e à quantidade de módulos experimentais de um laboratório, os custos da sua implantação elevam-se de acordo com o número de estudantes que irão utilizá-lo ao mesmo tempo. O LabNet possibilita o aumento da quantidade de estudantes por módulos de experimento, pois vários estudantes poderão estar conectados ao servidor simultaneamente ou em locais e horários distintos. Deste modo, determinados cursos podem aumentar a oferta ou oferecer disciplinas de laboratório com o uso de laboratórios via Internet. A área física e o layout do laboratório poderão também sofrer reduções devido à diminuição na quantidade de módulos de experimento e na redução ou eliminação da presença de estudantes no espaço físico no laboratório. O tempo gasto entre o início e o fim da montagem de um experimento é importante para o aprendizado. O estudante poderá não perceber qual conhecimento é útil, pois poderá não distinguir o que é resultado do experimento do que é montagem do aparato necessário para a implementação deste experimento. Desta forma, normalmente, um tempo considerável é dedicado à montagem do experimento para garantir sua realização correta e a repetibilidade das condições experimentais em detrimento do tempo que deve ser dedicado aos testes e análises comparativas de resultados práticos e teóricos. Estas dificuldades em experimentos remotos não existem, uma vez que o aparato de instrumentos e equipamentos necessário para realização de experimentos estão prontos para uso. Deste modo, são requeridas do estudante somente informações iniciais do experimento, sem a necessidade de se preocupar com detalhes de montagem, importantes somente numa primeira etapa de conhecimento do experimento. Neste sentido, o professor poderá, de forma interativa e intensa, diversificar as situações experimentais que venham a estimular a capacidade de investigação e aumentar o aprendizado do aluno. Com o emprego do LabNet, é possível que instituições de ensino (IE), que dominam certas práticas laboratoriais, possam disponibilizar seus equipamentos e experimentos para outras IE s, beneficiando instituições que careçam de tais práticas. Em adição, a socialização dos recursos do LabNet poderá diminuir a distância entre níveis de escolaridade diferentes. Por exemplo, estudantes de nível médio podem usar experimentos disponíveis em instituições de nível superior para ampliação de seus estudos. 12

É importante salientar também que o LabNet permite a aplicação imediata dos conhecimentos científicos adquiridos em sala de aula, pois com a facilidade de acesso e interação, via Internet, com os experimentos, podem-se realizar práticas laboratoriais no decorrer do curso ou até em plena sala de aula, possibilitando ao professor a realização, de forma fácil e rápida, de demonstrações práticas do assunto abordado. Neste trabalho, o laboratório de automação e controle do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Maranhão será o primeiro beneficiado com a plataforma LabNet. Os experimentos pilotos estão relacionados com a área de automação e controle de motores elétricos (Ver capítulo 3). A figura 3 mostra a configuração de experimentos atuais e disponíveis para os estudantes. Figura 3 Experimentos ativos no LabNet Com a possibilidade de expansão e com o desenvolvimento de projetos de experimentos automatizados, podem-se vislumbrar outras possíveis aplicações da plataforma LabNet em laboratórios tecnocientíficos, como pode ser visto na tabela 1. Neste contexto, para diversificação das aplicações do LabNet, sugere-se a adoção do termo servidor de experimentos Engenharia, indicando que este servidor disponibiliza experimentos na área de Engenharia. Outros exemplos podem ser: servidor de experimentos Física, servidor de 13

experimentos Química, etc. Entretanto, as características modulares e flexíveis dos servidores permitem que experimentos de áreas distintas possam ser automatizados em um mesmo servidor. Laboratório Experimentos Controle de motores DC e AC. Controle Controle de temperatura. Controle de Nível. Engenharia Energia Experimentos com medição de energia elétrica. Instrumentação Experimentos com sensores, calibradores, instrumentos. Eletrônica Experimentos com microcontroladores. Espectroscopia de Experimentos que indicam a estrutura da Materiais organização espacial dos átomos. Química Experimentos com a resolução, Cristalografia refinamento, visualização das estruturas Estrutural tridimensionais de materiais. Modelagem Molecular Experimentos com representação e estudos das moléculas em telas gráficas. Biologia Coleta de dados meteorológicos. Experimentos com medição de posição, Cinemática velocidade e aceleração de objetos móveis. Experimentos de queda livre de corpos. Física Experimentos de plano inclinado. Óptica Experimentos com feixe de luz (proveniente de laser). Fluidoestática Experimentos e estudo da pressão. Tabela 1 Exemplos de utilização da plataforma LabNet Outro dado relevante, nesta proposta de diversificação do LabNet, é que os estudantes de engenharia e dos outros cursos nas diversas áreas científicas poderão interagir 14

em projetos conjuntos de desenvolvimento de experimentos, pois a automatização destes experimentos necessitará dos conhecimentos de ambas as partes. De um lado, a implementação de sensores, instrumentos, medidores, atuadores e softwares, e por outro lado, os aspectos funcionais próprios dos experimentos. O Campus da Universidade Federal do Maranhão, por exemplo, é integrado por uma rede de fibras ópticas com modernos instrumentos de comunicação de voz e dados. Esta rede é o meio do acesso à Internet pela comunidade universitária e sua estrutura é vista na figura 4. Figura 4 Rede de computadores da UFMA A disponibilidade desta rede de computadores possibilita a criação de aplicações em educação a distância com baixo custo, pois não são necessários investimentos adicionais em rede de comunicação. Portanto, a estrutura do LabNet, dentro da perspectiva de sua diversificação, pode ser configurada numa rede de servidores de experimentos como mostrada na figura 5. Desta forma, os estudantes podem acessar remotamente, a partir de qualquer ponto de conexão com a Internet, os experimentos associados a cada servidor de experimentos, independentemente de lugar e horário. 15

Figura 5 LabNet com diversos servidores de experimentos 2.3 Tecnologia de Suporte para a Interação Usuário-Experimentos No projeto de criação e implantação do LabNet, várias ferramentas de programação (linguagens, servidores de Internet, sistemas operacionais, editores gráficos e etc.) foram pesquisadas com o intuito de realizar a interação usuário-experimento (UE). Os critérios adotados para esta escolha foram: (a) Operacionalidade da interação UE a maioria das ferramentas de desenvolvimento de aplicações para a Internet não oferece a possibilidade de comunicação com o hardware; (b) Portabilidade com as principais plataformas (PC, UNIX); (c) Independência de sistema operacional; (d) Processamento, referente ao experimento, realizado no servidor. 16

Os itens (b) e (c) têm o intuito de abranger o maior número de usuários e facilitar o uso da plataforma LabNet. Em relação ao item (d), o processamento realizado no servidor torna o sistema independente da taxa de transmissão da rede e não compromete sua execução em tempo real e, consecutivamente, as respostas do experimento. A grande dificuldade no desenvolvimento do LabNet se deveu ao fato de que o sistema de aquisição de dados e acionamento dos experimentos, SADAC, não dispunha de aplicativos de software disponíveis no mercado que permitissem a interação (entrada e saída de dados), via Internet, de usuários com o sistema e consecutivamente com os experimentos. Deste modo, houve a necessidade de se conceber toda uma estrutura de software de comunicação que possibilitasse esta interação. Foram investigadas várias linguagens de programação (Delphi, JAVA, HTML, C++), aplicativos (LabView, MatLab/Simulink 3 ) e plataformas (Windows, Linux). Dentro dos critérios de escolha citados, foram adotadas as tecnologias descritas a seguir. Para disponibilizar o servidor de experimentos para o uso via Internet adotouse o Microsoft Personal Web Server executado sobre o sistema operacional Windows 98. As páginas de interação (envio e recepção de dados) do usuário com o LabNet são operacionalizadas em ASP (Active Server Page) (HOMER, 2000). O acesso ao SADAC é realizado por meio de componentes ActiveX, via interface COM (Component Object Model) (CHUNG, 2001) (THAI, 1999) (MICROSOFT, 2000), cujo ambiente de programação adotado é o C++Builder. Os Applets JAVA 4, aplicativos que são processados em navegadores ou browser 5 (HALL, 2000), são empregados para a visualização dos resultados experimentais. Na figura 6, é mostrada a estrutura da comunicação estudante-experimento. O estudante envia os dados de inicialização a um determinado experimento, via ASP, pelo navegador, processa um específico componente, previamente desenvolvido, que dá acesso ao 3 MATLAB e SIMULINK são marcas registradas da MathWorks Inc. 4 Linguagem de programação desenvolvida pela SUN Microsystems. 5 Programa utilizado para visualizar as páginas da World Wide Web. 17

SADAC e, por conseguinte, executa o experimento. Deste modo, este canal de comunicação proposto permite ao estudante manipular, controlar, supervisionar e receber informações de seus experimentos. Figura 6 Estrutura da comunicação entre cliente e experimentos Outra maneira de visualizar o processo de comunicação é mostrada na figura 7. Cada cliente (estudante) tem sua própria seção de usuário, com número de identificação exclusivo (este número é utilizado para individualizar os arquivos de respostas 6 do experimento para cada cliente), onde o servidor disponibiliza os componentes ActiveX específicos para cada processo experimental. Desta forma, o estudante tem acesso ao SADAC, onde ocorre a execução automatizada do experimento. Figura 7 Interação estudantes experimentos 6 As respostas dos experimentos são armazenadas em arquivos de texto para posterior uso no envio do resultado experimental ao cliente. 18

É importante ressaltar que vários estudantes podem ter acesso às páginas dos experimentos, dar entrada e modificar os dados iniciais, mas somente um estudante pode executar um determinado experimento por vez, e que quando dois ou mais pedidos de execução forem acionados, somente o primeiro, em uma ordem cronológica, será atendido e aos demais será enviada uma mensagem de servidor ocupado. 2.3.1 Servidor de Internet A estrutura do servidor de experimentos do LabNet é constituída por um computador de arquitetura PC executado sobre o sistema operacional Windows 98 e um programa servidor de Internet. Um programa servidor é um sistema multi-usuários que gerencia recursos compartilhados e é responsável pelo escalonamento das requisições iniciadas pelos clientes (ORFALI et al., 1999). O programa servidor de Internet utilizado é o Microsoft Personal Web Server (PWS 4.0) que reúne uma funcionalidade, que transforma o Microsoft Windows 98 em uma plataforma para compartilhamento de informações em páginas da WWW e contêm os seguintes recursos: uma interface de administração gráfica e de serviços WWW, limite de dez conexões de acesso e com uso típico de publicação em Intranet 7 e Internet. Vários testes de acesso ao servidor PWS foram realizados com base na estrutura de interação estudanteexperimento, onde se verificaram as seguintes vantagens deste servidor para o projeto do LabNet: facilidade de instalação, simplicidade de administração, confiabilidade e disponibilidade de uso sem restrição. 2.3.2 Páginas dinâmicas com ASP (Active Server Pages) As páginas dinâmicas são o resultado de um programa executado no servidor de Internet, que se encarrega de enviar os dados do cliente (navegador) a um determinado aplicativo no servidor, e de receber os resultados produzidos por este e retorná-los ao cliente. 7 Redes corporativas que utilizam a tecnologia e infra-estrutura de comunicação de dados da Internet. Utilizadas na comunicação interna de uma empresa. 19

Páginas dinâmicas são de fundamental importância onde a natureza da informação muda constantemente e necessita de atualizações imediatas e automáticas. A tecnologia ASP (Active Server Pages) é a tecnologia de páginas dinâmicas adotada no LabNet. As páginas ASP são páginas HTML (Hipertext Language Markup) complementadas com uma linguagem de script 8 (VBScript ou JavaScript) (HOMER et al., 2000). A linguagem de script adotada é a VBScript, por ser a linguagem padrão para o servidor PWS. Todos os navegadores existentes no mercado podem acessar páginas desenvolvidas em ASP, pois o código ASP é interpretado e executado no servidor quando solicitado pelo navegador do cliente, sendo que este último recebe apenas o conteúdo HTML. As páginas ASP permitem o processamento de componentes ActiveX, utilizados, neste caso, para acessar o SADAC. Desta maneira, o usuário, via navegador, pode executar seus experimentos a partir destas páginas. 2.3.3 Componentes ActiveX O grande desafio na implementação do LabNet foi efetivar a comunicação entre o usuário e os experimentos, pois os softwares para desenvolvimento de aplicações na Internet comportam-se independentes das plataformas computacionais e com isto, acessar um recurso de uma determinada plataforma, no caso as portas de entrada e saída do SADAC acoplado a um PC, tornou-se tarefa exigente e árdua. Esta etapa da comunicação foi estabelecida com o uso de componentes activex, baseada na interface COM (Component Object Model), que possibilita a chamada de procedimentos de objetos remotos (ORPC (Object Remote Procedure Call)) (CHUNG et al. 2001) (WANG, 2001). Em geral, as interfaces COM funcionam como uma interface padrão para comunicação entre diversos tipos de aplicativos. 8 Pequenos programas executados no servidor 20

Um componente cria instâncias de objetos encapsulados em programa executável (EXE) ou em biblioteca de ligações dinâmicas (DLL 9 ) (THAI, 1999). Estes objetos contêm as funções de acesso ao SADAC e o algoritmo de execução dos experimentos. Na interação com navegadores, os componentes, geralmente, são encapsulados em DLL s. Em síntese, na figura 8, vê-se que o programa navegador acessa os componentes, cujo código de programa contém algoritmos e funções de acesso direto ao SADAC, via interface COM e que, em conseqüência, permite que o usuário execute, de forma automatizada, seus experimentos. A interação navegador-componente activex é transparente para o usuário, pois o componente se encarrega das comunicações que se fazem necessárias (MICROSOFT, 2000). Os componentes activex podem ser compilados em várias linguagens, tais como: C++, Visual Basic, Delphi, Java. A linguagem de programação adotada para a implementação dos componentes activex do LabNet é o C++, no ambiente C++Builder. Figura 8 Componentes ActiveX 9 Biblioteca dinâmica de ligação: um arquivo que contém uma ou mais funções que são compiladas, "linkadas" e armazenadas separadamente dos processos que as utilizam. 21

Os procedimentos de automatização de cada experimento têm suas particularidades, tais como: tipo de atuador, sensores, medidores, modos de acionamento, monitoração e supervisão, etc. Desta maneira, em cada experimento, faz-se necessário desenvolver o algoritmo de execução, compilar o componente específico e incorporá-lo em uma DLL. Na tabela 2, são descritos os componentes, seus métodos e parâmetros utilizados para automatização dos experimentos atualmente ativos no LabNet e mostrados na figura 3. Experimentos Componentes Métodos Parâmetros Nome Função Tipo / Nome Ativar motor DC e medir velocidade Resposta ao Degrau do Motor DC Resposta ao Pulso do Motor DC Resposta à Rampa do Motor DC teste resposta resposta resposta saida entrada degrau pulso rampa Saída do dado Vsaida pelo endereço Porta_Saída do SADAC Retorna dado do endereço Porta_Entrada do SADAC Envia um degrau, com valor de tensão Vmax, para o endereço Porta_Saida e lê K amostras, em intervalos de To miliseg., do endereço Porta_Entrada. Salvar a resposta no arquivo User.m. User é um identificador próprio do usuário. Envia um pulso, com valor de tensão Vmax, para o endereço Porta_Saida por um período de Tp miliseg. e lê amostras por um período de (Tp+ Tp*Repete), em intervalos de To miliseg., do endereço Porta_Entrada. Salvar a resposta no arquivo User.m. User é um identificador próprio do usuário. Envia uma rampa, com valor de tensão linearmente crescente até Vmax, por um período de Tsubida miliseg., para o endereço Porta_Saida e lê amostras por um período de (2* Tsubida), em intervalos de To miliseg., do endereço Porta_Entrada. Salvar a resposta no arquivo User.m. User é um identificador próprio do usuário. int Porta_Saida float Vsaida int Porta_Entrada long User int Porta_Saida int Porta_Entrada int K float To float Vmax long User int Porta_Saida int Porta_Entrada float To float Vmax float Tp float Repete long User int Porta_Saida int Porta_Entrada float Vmax float Tsubida float To 22

Resposta ao Duplo- Degrau do Motor DC Controle PID do Motor DC resposta controle duplodegrau pid Envia um duplo-degrau, com valor de tensão Vmax, por um período de Tvmax miliseg. e após valor de tensão Vmin, por um período de Tvmin miliseg., para o endereço Porta_Saida e lê as amostras durante o intervalo ( Tvmax + Tvmin), em intervalos de To miliseg., do endereço Porta_Entrada. Salvar a resposta no arquivo User.m. User é um identificador próprio do usuário. Envia sinais de controle, proveniente do processamento de um algoritmo PID com parâmetros Kp, Ti, Td e SetPoint, para o endereço Porta_Saida e lê K amostras, em intervalos de To miliseg., do endereço Porta_Entrada. Salvar a resposta (velocidade do motor) no arquivo User.m, sinal de controle no arquivo User.a e sinal de erro no arquivo User.e. User é um identificador próprio do usuário. 23 long User int Porta_Saida int Porta_Entrada float To float Tvmax float Tvmin float Vmax float Vmin long User int Porta_Saida int Porta_Entrada int K float To float SetPoint float Kp float Ti float Td Tabela 2 Descrição dos componentes de automatização dos experimentos ativos 2.3.4 Tecnologia nas respostas dos experimentos ao usuário Um ambiente de acesso a experimentos tem que ser caracterizado por uma interface gráfica interativa em que o estudante possa manipular as informações do experimento e receber seus resultados. A partir disso, a navegação neste ambiente tem que ser flexível, de fácil interação e utiliza-se de diversos recursos diferentes como hipertextos, botões, figuras, gráficos, tabelas e formulários. O objetivo é que o estudante tenha noção do espaço real dos experimentos e possa visualizar, manipular e explorar os dados deste, em tempo real, no seu espaço virtual. Todo experimento produz certos tipos de respostas. Estas respostas são de vital relevância para o processo de aprendizado do estudante. Para a implementação do ambiente, recorreu-se ao uso da realidade virtual, de início em baixa escala, como uma tentativa de visualização do experimento por meio de figuras ilustrativas e gráficas utilizando a linguagem

Java. A realidade virtual é uma técnica avançada de interface, onde o usuário pode realizar imersão, navegação e interação em um ambiente previamente projetado (HANCOCK, 1995) e, de uma maneira simplificada, é a forma mais avançada de interface do usuário de computador disponível com aplicações na área de hardware e dispositivos de I/O (AUKSTAKALNIS e BLATNER, 1992). 2.3.5 Conclusão O atendimento ao maior número de estudantes, via Internet, utilizando qualquer tipo de sistema operacional e/ou plataforma foi o principal critério na escolha das ferramentas e tecnologias no desenvolvimento do LabNet. Evidentemente, a funcionalidade para tornar possível a interação estudante-experimento teve que ser atendida. Com o desenvolvimento deste canal de comunicação podem-se criar e desenvolver os mais variados experimentos tecnocientíficos para aplicação remota. 2.4 Sistema de automatização de experimentos 2.4.1 Introdução Um servidor de experimentos é o conjunto formado por um servidor de Internet, constituído por um computador executando um programa servidor de Internet, pelo SADAC e por módulos experimentais compostos de atuadores, sensores, instrumentos e dispositivos específicos para cada experimento. Esta seção descreve o sistema de acionamento e aquisição de dados, SADAC, utilizado na automatização dos experimentos. 2.4.2 SADAC O SADAC foi desenvolvido com o intuito de facilitar o interfaceamento, com o computador, de vários dispositivos, tais como: sensores, atuadores, dispositivos analógicos e/ou digitais, chaves, relés, conversores D/A e A/D, etc. O SADAC é um sistema de aquisição de dados de 8 bits e interfaceia até 256 24

dispositivos com o computador. Deste modo, por exemplo, se um experimento necessitar de 100 atuadores e 156 sensores, o SADAC tem capacidade para executar tal processo ou, de outra forma, controlar e monitorar vários experimentos. A figura 9 ilustra o SADAC conectado ao microcomputador. Figura 9 SADAC acoplado ao microcomputador O SADAC foi projetado para ser acoplado no barramento ISA de um computador da plataforma PC e é composto por três sistemas básicos: a) Placa de Interfaceamento Principal (PIP); b) Placa de Interfaceamento de Saída (PIS); c) Placa de Interfaceamento de Entrada (PIE). A PIP realiza as seguintes tarefas: Endereçamento principal (O barramento ISA de um PC dispõe de 16 linhas de endereço de I/O e a PIP é endereçada pelas 8 linhas mais significativas); Driver dos sinais do barramento ISA (amplifica os sinais utilizados no sistema para suprir as necessidades de vários sistemas, PIS s e PIE s, ligados em paralelo). 25

Para isolar as atividades do barramento do PC foi criado um barramento próprio para o sistema, chamado de barramento do SADAC. A PIP interliga esses barramentos, como mostrado na figura 10. Figura 10 A PIP interligando o barramento do PC e o barramento do SADAC Os sinais do barramento do SADAC são iguais, logicamente, aos do barramento do PC, ou seja, caso um sinal esteja ativo no barramento do PC então o sinal correspondente no barramento do SADAC estará também ativo. O circuito da PIP fornecerá potência suficiente para todos os dispositivos conectados ao barramento do SADAC, evitando causar algum dano ao computador. A PIS e a PIE são placas conectadas ao barramento do SADAC com a finalidade de realizar, respectivamente, a saída e entrada de dados de dispositivos externos. A PIS é endereçada pelas linhas de endereço do barramento do SADAC (que são as 8 linhas menos significativas do barramento ISA do PC) e contém um latch 10 para armazenar o dado proveniente do computador. A PIE também é endereçada pelas linhas de endereço do barramento do SADAC e contém um driver para receber sinais digitais externos. Na figura 11, verificam-se uma PIP e várias PIS s e PIE s conectadas ao seu barramento. 10 Célula de memória 26

Figura 11 PIP interligando várias PIS s e PIE s O barramento de endereço do SADAC, visto na figura 10, tem 8 bits de endereçamento, deste modo, a PIP pode conectar até 256 placas de interfaceamento. Uma função básica da PIS é enviar dados para um conversor D/A, como mostrado na figura 12. Se esta PIS for acionada, um byte, proveniente do computador, é enviado ao conversor D/A, que converterá este valor digital para o sinal analógico V o. Figura 12 Uma PIS acoplada a um conversor D/A A função básica da PIE é ler dados de um conversor A/D, como mostrado na figura 13. Caso esta PIE for acionada, o byte (valor da tensão V i convertido de analógico para digital) é lido pelo computador. 27

Figura 13 Uma PIE acoplada a um conversor A/D 2.4.3 Aplicação básica do SADAC Na figura 14, vê-se a estrutura básica de um experimento padrão, formada por: PIS, conversor D/A, sistema de entrada (atuadores, instrumentos de ativação), experimento, sistema de saída (sensores, medidores), conversor A/D e PIE. Desta forma, pode-se processar um algoritmo de automação que envia sinais de ativação ao experimento e recolher dados da saída deste, ou seja, sua resposta. Figura 14 Experimento padrão do SADAC 28

A estrutura de comunicação do LabNet permite que o estudante tenha acesso aos algoritmos de automação dos experimentos e torna possível o envio e recebimento de dados destes experimentos. Um experimento de plano inclinado, mostrado na figura 15, para medição de grandezas físicas, tais como: velocidade e aceleração, aplicado no ensino de física é um exemplo simplificado para ilustrar uma possível aplicação do SADAC. O estudante, via LabNet, enviará o comando de liberar a esfera. Com isto, poderá inferir sobre a velocidade e aceleração desta esfera de acordo com os valores recebidos do período de tempo de descida, comprimento e ângulo do plano inclinado, dentre outras variáveis. 2.5 Conclusão Figura 15 Experimento Básico em Física Toda funcionalidade do LabNet é decorrente do projeto de servidores de experimentos e da automatização de experimentos. O LabNet, propiciado pela concepção desses servidores, permite gerar de forma criativa e de baixo custo experimentos de acesso remoto. A criatividade, o vicionamento de novos experimentos automatizados e o contínuo desenvolvimento dos recursos da plataforma LabNet darão suporte à expansão gradual do e- lab (eletronic laboratory). 29

3. EXPERIMENTOS COM O LABNET 3.1 Introdução Muitas disciplinas foram alteradas através do uso da Internet. O contato contínuo com a tecnologia Internet, por parte dos estudantes, a elege como um agente motivador para a inserção de conteúdos experimentais no ensino. De acordo com KHEIR et al. (1996), experimentos em escala laboratorial e aprendizado assistido por computador ajudam os estudantes a observar fenômenos dinâmicos e a resolver problemas em projetos realísticos. Podem-se distinguir duas linhas de orientação para ensino prático, que se concretizam numa avaliação formativa e numa avaliação sumativa. A avaliação formativa é conduzida durante o desenvolvimento do experimento, com a finalidade de refinar e melhorar, interessando sobretudo aos estudantes diretamente envolvidos no experimento. Por outro lado, a avaliação sumativa é conduzida sobre experimentos acabados, com a finalidade de sustentar juízos finais e critérios de seleção sobre as respostas dos experimentos (GOMES e SILVA, 1996). O LabNet comportará esses dois aspectos: (a) Formativo: como a plataforma LabNet é modular, os estudantes de Engenharia Elétrica e de cursos técnicos podem, de acordo com a metodologia hand-on, percorrer todos os passos no desenvolvimento e implementação de experimentos, adquirindo conhecimentos de várias tecnologias presentes na plataforma que incluem as áreas de eletrônica, microprocessadores, linguagem de programação, automação e controle, redes de comunicação e outras sub-áreas, e (b) Sumativo: utiliza o produto final do LabNet, o laboratório a distância. A abordagem sumativa, objetivo principal deste trabalho, é caracterizada pela 30

capacidade do LabNet de realizar experimentos remotamente. Para teste piloto do protótipo, o primeiro servidor de experimentos do LabNet foi projetado e implementado contendo experimentos em Engenharia Elétrica, ressaltando, inicialmente, a área de automação e controle de motores de corrente contínua. Em geral, a realização de experimentos remotamente, do ponto de vista do usuário, é feita em três etapas: acionamento remoto, execução em laboratório e retorno da resposta. A figura 16 mostra estas etapas. Figura 16 Estágios da execução de experimentos 3.2 Acionamento de motor de corrente contínua via Internet O experimento básico do LabNet, na área de automação e controle, consiste em enviar um valor de tensão para acionar um motor de corrente contínua (motor DC) de baixa potência e receber, via Internet, o valor de tensão de um tacômetro, acoplado ao eixo do motor, proporcional à sua velocidade. No laboratório de Automação e Controle (LAC) da UFMA, está montado o experimento, conforme descrito na figura 17. Com este sistema, pode-se acionar e monitorar a velocidade de um motor DC, via Internet, como se o aluno estivesse presente no laboratório. 31

Figura 17 Configuração atual do sistema de acionamento do motor DC O acesso ao endereço eletrônico http://labnet.dee.ufma.br/acionamento.asp é o ponto de entrada para as tarefas de acionamento e medição de velocidade do motor DC remotamente. A tela de entrada é vista na figura 18. Nesta tela, temos a imagem pictórica do sistema montado e um formulário onde são requeridos, do aluno, os seguintes dados: Porta de Saída, Porta de Entrada, Tensão de Acionamento e é retornado a Tensão de Resposta da saída do motor DC. Também, nesta tela, está presente o botão Atualize os dados do Motor DC, responsável pelo acionamento e atualização de dados. Figura 18 Tela inicial do acionamento remoto do motor DC 32

Para melhorar a visualização e o entendimento do percurso percorrido pelos dados de acionamento e de leitura do tacômetro foi permitida ao aluno a possibilidade de modificar o endereço das portas de interfaceamento. É importante observar que o aluno terá acesso as 256 portas de E/S do SADAC e cada experimento presente no laboratório é conectado a determinadas portas, conforme a figura 19. No experimento descrito nesta seção, os endereços das portas de saída e de entrada de dados são, respectivamente, 240 e 241. Esta configuração permite a inserção de novos experimentos através das outras portas de interfaceamento disponíveis no SADAC. Deste modo, podem-se ter vários experimentos em um único servidor. Figura 19 Mapa de endereços do SADAC Na tela mostrada na figura 18, o estudante digita o valor de tensão, no campo Tensão de Acionamento, e clica no botão de Atualizar os dados do Motor DC. Desta forma, os dados são enviados ao servidor de experimento responsável pelo acionamento e leitura da tensão correspondente à velocidade rotacional, em tempo real, do motor. Por fim, o valor da 33

resposta é mostrado, ao estudante, no campo Tensão de Resposta. Na figura 20, a representação gráfica do eixo do motor DC gira proporcionalmente à velocidade real do motor no laboratório, proporcionando ao estudante uma noção visual de movimento. Nesta figura, vê-se um exemplo onde a tensão de acionamento é igual a 5 Volts e a tensão de resposta do motor é de, aproximadamente, 4,75 Volts. Figura 20 Acionamento e resposta remota do motor DC Os conhecimentos adquiridos pelo aluno neste experimento abrangem a aplicação dos conceitos de sinal de acionamento (atuador) e de sinal de resposta (sensor), importantes, por exemplo, na medição e no fluxo de sinais em um sistema de controle automático. Na área de máquinas elétricas, o estudante terá a oportunidade de realizar acionamentos, com vários níveis de tensão, e verificar a variação da velocidade do motor correspondente e inferir, por exemplo, sobre a dinâmica, na faixa de operação, deste tipo de motor. 34

Nesta primeira fase de contato com o LabNet, é desejável, dentro do aspecto formativo, que os estudantes conheçam os equipamentos e recursos envolvidos no experimento, incrementando, com auxílio do professor, seus conhecimentos nas várias áreas da Engenharia Elétrica que dão suporte ao LabNet no contexto de controle digital direto, como por exemplo: 1. Microprocessadores: Estrutura digital presente no SADAC compreende desde noções de bits e bytes a noções de fluxo de informações no barramento do PC. 2. Eletrônica: Montagem e projetos de circuitos eletrônicos. 3. Linguagem de Programação: Desenvolvimento de programa de acesso ao hardware e softwares aplicativos. 4. Tecnologias Internet: Uso de ferramentas de redes. Observa-se que este experimento pode ser utilizado na educação tecnológica tanto remotamente como presencialmente. 3.3 Obtenção da resposta de um motor DC a sinais de excitação específicos A estrutura da Figura 17, apresentada na seção anterior, é também utilizada no experimento de aquisição de dados da resposta do motor DC em relação a sinais de excitação padrões utilizados na identificação e análise de desempenho do motor. Qualquer sistema sofre inerentemente de erro estacionário em resposta a certos tipos de sinais de entradas ou de referência. Os sistemas podem ser classificados de acordo com a sua habilidade para seguir entrada em degrau, rampa, pulso, etc (OGATA, 1993, p. 231) (D AZZO, 1984, p.170). Por outro lado, alguns métodos de identificação de sistemas dependem do tipo de sinal de excitação (ASTROM e WITTENMARK, 1990, p.418). Deste modo, esse tipo de experimento proporciona aos estudantes obterem, de forma rápida e imediata, o comportamento da velocidade de um motor DC de acordo com 35

sinais, pré-determinados, de excitação. O acesso ao endereço eletrônico http://labnet.dee.ufma.br/aquisicao.htm é o ponto de entrada deste experimento. A tela de entrada, do referido endereço, é vista na figura 21. Nesta tela, o estudante escolhe o tipo de sinal de excitação a que vai ser submetido o motor DC. Os sinais de excitação, inicialmente considerados neste trabalho, são: degrau, duplo-degrau 11, rampa e pulso. São solicitadas, ao estudante, informações de parâmetros referentes a cada sinal de excitação. Estas informações são enviadas ao servidor de experimentos para a execução da tarefa em questão. Os resultados experimentais são mostrados por meio gráfico em seu navegador. Figura 21 Tela de entrada do experimento de aquisição de dados 11 Dois níveis de degrau consecutivos. 36

3.3.1 Sinal de excitação: degrau A figura 22 mostra a tela de operações na escolha, pelo estudante, do sinal de excitação em degrau. O estudante visualiza um formulário de entrada de dados para a realização do experimento. O campo Vmax especifica o valor da tensão do degrau a que vai ser submetido o motor DC. O campo Número de Amostras especifica a quantidade de leituras que o sistema de aquisição irá executar e o campo Tempo de Amostragem especifica o intervalo de tempo entre leituras consecutivas. Figura 22 Tela de entrada de dados : degrau Após atualizar os dados, clicando no botão Atualizar Dados, o estudante aciona o motor DC clicando no botão Acionar Motor DC e Plotar Gráfico da Resposta. Neste momento, as informações de acionamento são enviadas ao servidor de experimento, que processa essas informações e executa o experimento (aciona o motor e realiza a aquisição de dados deste). O estudante visualiza a janela Motor Ligado, mostrada na figura 23, no momento em que o motor está ligado e esta janela é removida no momento em que o motor é 37

desligado, caracterizando, deste modo, uma certa resposta ao estudante do pragmatismo do experimento. Figura 23 Janela indicando motor ligado Os dados da resposta do motor e do sinal de excitação são salvos em arquivo e o estudante pode realizar o download destes arquivos, por meio do hiperlink: Download: Sinal de Saída Sinal de Excitação, visto na janela Dados da Aquisição DEGRAU, mostrada na figura 24, e nesta mesma janela, o estudante pode visualizar a resposta gráfica do experimento. Assim, o estudante tem dois tipos de resposta: numérica e gráfica. O arquivo tem a seguinte forma: 0.611765 0.894118 1.270588 1.458824 1.741176 1.891778 2.023530 : 3.811765 : 4.658823 4.658823 4.564706 38

O estudante pode salvar este arquivo em seu computador e utilizar um programa de sua preferência, por exemplo: o MATLAB, para análise gráfica mais detalhada da resposta da velocidade do motor. A resposta gráfica, correspondente aos dados do arquivo citado, proporciona ao estudante uma visualização rápida da resposta do experimento e, a partir deste gráfico, podem ser realizados também vários estudos e pesquisas no que tange à identificação e controle de motor DC. Figura 24 Janela de resposta : degrau 39

3.3.2 Sinal de excitação: duplo-degrau Para acionar o motor DC com um sinal de excitação duplo-degrau, o estudante clica no botão Duplo-Degrau no endereço eletrônico http://labnet.dee.ufma.br/aquisicao.htm. Nesta opção, a tela de entrada de dados para o processo é vista na figura 25, onde é encontrado um formulário com os seguintes campos: (a) Vmax - tensão do primeiro degrau, (b) Vmin - tensão do segundo degrau, (c) Tmax - período de tempo em que a tensão de acionamento é igual a Vmax, (d) Tmin - período de tempo em que a tensão de acionamento é igual a Vmin e (e) Tempo de Amostragem. Figura 25 Tela de entrada de dados : duplo-degrau Após atualizar os dados, clicando no botão Atualizar Dados, o estudante aciona o motor DC clicando no botão Acionar Motor DC e Plotar Gráfico da Resposta. Neste momento, as informações de acionamento são enviadas ao servidor de experimento, que processa essas informações e executa o experimento. Do mesmo modo que o experimento Degrau, o estudante recebe a informação do estado do motor pela janela Motor Ligado e após 40

o término do processo, visualiza a janela Aquisição de Dados do Motor DC DUPLO- DEGRAU, onde é encontrada a opção para salvar os arquivos de saída e de excitação e visualizar o gráfico de resposta, como mostrado na figura 26. Figura 26 Janela de resposta : duplo-degrau 41

3.3.3 Sinal de excitação: rampa Para acionar o motor com um sinal na forma de rampa, o estudante clica no botão Rampa no endereço eletrônico http://labnet.dee.ufma.br/aquisicao.htm. Nesta opção, a tela de entrada de dados para o processo é vista na figura 27. Nesta tela, está disponível um formulário com os seguintes campos: (a) Vmax - tensão máxima da rampa, (b) Tsubida - período de tempo em que a tensão de acionamento é crescente de 0 a Vmax, (c) Tconstante - período de tempo em que a tensão de acionamento é igual a Vmax e (d) Tempo de Amostragem. Após atualizar os dados, clicando no botão Atualizar Dados, o estudante aciona o motor DC clicando no botão Acionar Motor DC e Plotar Gráfico da Resposta. Em seguida, o estudante recebe o gráfico do sinal de resposta, como mostrado na figura 28. Figura 27 Tela de entrada de dados : rampa 42

Figura 28 Janela de resposta : rampa 43

3.3.4 Sinal de excitação: pulso Para acionar o motor com um sinal na forma de pulso, clica-se no botão Pulso no endereço eletrônico http://labnet.dee.ufma.br/aquisicao.htm. Nesta opção, a tela de entrada de dados para o processo é vista na figura 29, onde é encontrado um formulário com os seguintes campos: (a) Vmax - tensão máxima do pulso, (b) N - número de repetições de Tp após o pulso, (c) Tp - período de tempo de duração do pulso e (d) Tempo de Amostragem. Figura 29 Tela de entrada de dados : pulso Após acionar o motor, o estudante recebe o gráfico do sinal de resposta deste experimento, conforme mostrado na figura 30. 44

Figura 30 Janela de resposta : pulso 45

3.4 Controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) via Internet Um workshop sobre Controle Digital: Presente, Passado e Futuro do PID organizado pela IFAC (International Federation of Automatic Control) na Universidade Politécnica da Catalunha, na Espanha, foi realizado em abril de 2000. Neste Workshop, Karl Astrom (ASTROM, 1990) proferiu comentários sobre várias referências que indicavam que o PID estava inoperante a décadas. Astrom concluiu que o PID básico ainda é bastante utilizado. Este PID, com algumas simples modificações (por exemplo: compensação de tempo de atraso, filtros para sistemas oscilatórios e escalonamento de ganhos), apresentará grandes possibilidades de aplicações no futuro. A conclusão do próprio workshop era que o PID ainda dominaria o mercado comercial, sendo favorito de muitos projetistas de controladores automáticos (COX, 2000). Cabe também ressaltar que anos de experiência estabeleceram os controladores PID como os mais usados em práticas de engenharia (MOSCINSKI e OGONOWSKI, 1995, p. 70). Isto se deve ao fato de que uma ampla variedade de processos industriais pode ser controlada, com boa precisão e robustez, através desta técnica, sendo sua atuação bastante conhecida por engenheiros e técnicos. Conclui-se assim, que o aprendizado e conhecimento de controle PID por parte dos estudantes de engenharia é de grande importância na sua formação como profissional. A disponibilidade de experimentos que incluem aplicações, via Internet, de controle PID nas mais diversas áreas da automação industrial vem estimulando o interesse e a iniciativa dos alunos pela realização dos experimentos (SOUZA e COSTA FILHO, 2001e). Deste modo, experimentos que abordam esta técnica de controle de forma prática e consistente são relevantes no processo de ensino-aprendizado. O endereço eletrônico http://labnet.dee.ufma.br/pid.asp dá acesso aos estudantes nos experimentos remotos sobre controlador PID. Na figura 31, visualiza-se a representação, em diagrama de blocos, do controlador implementado no LAC-UFMA bem como um formulário de entrada dos dados típicos de um PID. Deste modo, o aluno poderá inserir, após a especificação dos parâmetros do controlador PID básico (o método de sintonia do PID fica a critério do aluno), os seguintes dados: 46

1. Número de Amostras, K; 2. Tempo de Amostragem, To; 3. Tensão de referência, SetPoint; 4. Constante Proporcional, Kp; 5. Tempo Integral, Ti; 6. Tempo Derivativo, Td. Após entrar com os dados e atualizá-los, clicando no botão Atualizar Dados, o estudante aciona o controle clicando no botão Acionar Motor DC e Plotar Gráfico da Resposta. Realizado o experimento, o estudante tem a visualização dos resultados, como mostrado na figura 32, onde são apresentados os gráficos dos sinais de resposta (velocidade do motor), atuação (controle), setpoint e de erros transitório e regime. Figura 31 Tela de entrada de dados do controlador PID remoto 47

Figura 32 Janela de resposta : controle PID A aprendizagem à distância do projeto de controle PID com acesso rápido e flexível aos sistemas dinâmicos de interesse, permitirá, por exemplo, no caso do controle de velocidade de um motor DC, que o estudante possa manipular, analítica e graficamente, os seguintes aspectos de desempenho do motor DC: 1. Erro de regime permanente; 2. Tempo de subida; 3. Tempo de acomodação; 4. Sobre-sinal; 5. Tempo de pico máximo. Desta forma, um enfoque mais centrado no aprimoramento de técnicas de sintonia e na melhoria do desempenho da resposta do motor pode ser realisticamente realizado, evitando os pormenores presentes da montagem física do experimento. 48