Laboratório Remoto Integrado a um Ambiente Virtual de Aprendizagem

para o Estudo de Efeitos Não-Lineares em Fibras Ópticas

Remote Laboratory Integrated to a Virtual Learning Environment for the Study

of Non-Linear Effects in Optical Fibers

Sérgio Szpigel1 Centro de Ciências e Humanidades, Universidade Presbiteriana Mackenzie, SP

Joaquim Pessoa Filho2 Faculdade de Computação e Informática, Universidade Presbiteriana Mackenzie, SP

Eunézio Antonio de Souza3 Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Presbiteriana Mackenzie, SP

Erik Aceiro Antonio4 Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Presbiteriana Mackenzie, SP

Resumo A associação da tecnologia Web com a automação de instrumentos por computador tornou possível o desenvolvimento dos chamados Laboratórios Remotos ou WebLabs - ambientes distribuídos que permitem acessar e controlar experimentos reais através de uma rede de comunicação ou da Internet. Neste trabalho, descrevemos as principais características de um WebLab desenvolvido para o estudo de efeitos não-lineares em fibras ópticas, destinado a apoiar e complementar atividades em cursos de Comunicações Ópticas presenciais e a distância. O WebLab é integrado a um ambiente virtual de ensino-aprendizagem implementado na plataforma MOODLE, através de um novo módulo de atividades desenvolvido pelo grupo do Laboratório de Fotônica Mackenzie. Palavras-chave: Laboratórios Remotos, Fibras Ópticas, Ambiente Virtual de Aprendizagem. Abstract The association of web technology with instrument automation by computer has made possible the development of the so called Remote Laboratories or WebLabs – distributed environments that allow to access and control real experiments through a communication network or the Internet. In this work we describe the main characteristics of a WebLab developed for the study of non-linear effects in optical fibers, aimed to support and complement activities in face-to-face and distance courses in Optical Communications. The WebLab is integrated to a virtual learning environment implemented in MOODLE, through a new activity module developed by the Mackenzie Photonics Laboratory group. Key words: Remote Laboratories, Optical Fibers, Virtual Learning Environments.

1 szpigel@mackenzie.br 2 joaquim@mackenzie.br 3 thoroh@mackenzie.br 4 aceiro@gmail.com

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1. Introdução O advento da Internet e o desenvolvimento das Tecnologias da Informação e Comunicação (TIC´s) geraram novos espaços para a comunicação e colaboração entre grupos de pessoas localizadas em regiões geograficamente distintas. No cenário educacional, as TIC´s têm sido cada vez mais utilizadas na implementação de atividades de aprendizagem on-line. A Web passou a incorporar as chamadas Redes de Aprendizagem (HARASIM et al., 1995; PALLOFF e PRATT, 1999), possibilitando a criação de ambientes virtuais onde ocorre intensa interação entre professores e estudantes no processo de aquisição e construção de conhecimento. Uma grande variedade de sistemas baseados na tecnologia Web tem sido desenvolvida, integrando ferramentas de groupware e recursos para comunicação on-line síncrona e assíncrona. Entre os vários sistemas disponíveis, destaca-se a plataforma de código aberto MOODLE (DOUGIAMAS e TAYLOR, 2003), Sistema de Gerenciamento de Cursos (Course Management System - CMS) adotado por um número cada vez maior de instituições de ensino em todo o mundo. Uma tecnologia que tem apresentado desenvolvimento crescente na última década é a automação de instrumentos de medida por computador. A associação da tecnologia Web com a automação de instrumentos tornou possível o desenvolvimento dos chamados Laboratórios Remotos ou WebLabs - ambientes distribuídos que permitem acessar e controlar experimentos reais através de uma rede de comunicação ou da Internet (NEDIC et al., 2003). Vários trabalhos relacionados à automação e controle remoto de experimentos através da Internet têm sido desenvolvidos e atualmente já existem vários laboratórios remotos em operação (TELEROBOT, 2006). Entre os laboratórios remotos existentes destacam-se: o Microelectronics Weblab (DEL ALAMO et al., 2002; HARDISON et al., 2005) e o iLab (HARWARD et al., 2004), do Massachussets Institute of Technology (MIT); o laboratório remoto do Department of Electrical Engineering da National University of Singapore (CHEN et al., 1999); o AIM (Automated Internet Measurement), desenvolvido colaborativamente pelo Rensselaer Polytechnic Institute e pela Norwegian University of Science and Technology (FJELDLY et al., 1999; SHEN et al., 1999); o laboratório remoto do Swiss Technology Institute de Laussane (GILLET et. al., 2002; LATCHMAN et al., 1999). Neste trabalho, descrevemos as principais características de um WebLab desenvolvido para o estudo de efeitos não-lineares em fibras ópticas, destinado a apoiar e complementar atividades em cursos de Comunicações Ópticas presenciais e a distância. Foram desenvolvidos aplicativos e interfaces gráficas de usuário para o controle e aquisição de dados dos instrumentos utilizados em um experimento remoto de medida do coeficiente não-linear de uma fibra óptica, bem como um aplicativo integrado à interface de usuário para simulação numérica da medida.

O WebLab é integrado a um ambiente virtual de ensino-aprendizagem implementado na plataforma MOODLE, através de um novo módulo de atividades - denominado Módulo WebLab - desenvolvido pelo grupo do Laboratório de Fotônica Mackenzie utilizando scripts PHP e componentes da própria plataforma MOODLE (SZPIGEL et al., 2007; PESSOA FILHO, 2007; PASCHOAL JR., 2006). O Módulo WebLab agrega funcionalidades para o gerenciamento, configuração e execução de atividades on-line envolvendo o controle de experimentos remotos e inclui também um aplicativo baseado em Java Media Framework (JMF) para transmissão de áudio e vídeo durante a execução remota do experimento. O trabalho apresentado aqui é parte das atividades relacionadas à participação do Laboratório de Fotônica Mackenzie no Projeto KyaTera do Programa TIDIA (Tecnologia da Informação para o Desenvolvimento da Internet Avançada) da FAPESP (TIDIA, 2006). O WebLab desenvolvido está conectado à rede estável do Projeto KyaTera, que interliga todos os laboratórios participantes através de uma malha ótica dedicada de fibras monomodo, cujo objetivo é fornecer serviços para promover a pesquisa colaborativa, tais como videoconferência de alta definição, VoIP e acesso à Internet 2.

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2. Estrutura Geral do Sistema e Integração ao Ambiente Virtual de Ensino-Aprendizagem Na Figura 1 é mostrada a estrutura geral do sistema desenvolvido para a implementação dos WebLabs (SZPIGEL et al., 2007; PESSOA FILHO, 2007; PASCHOAL JR., 2006; SZPIGEL, et al. 2006).

Figura 1 - Estrutura do sistema desenvolvido para implementação de WebLabs. Fonte: do autor.

Essa estrutura é baseada em um ambiente distribuído que permite a automação local dos instrumentos e o acesso e controle remoto de experimentos através da Internet em tempo real e com sensação de presença. Para a automação do experimento, os instrumentos são conectados a um computador localizado no laboratório, denominado Servidor Local. A conexão é feita por meio de cabos e placas de interface GPIB (General Purpose Interface Bus), USB ou Ethernet, variando de acordo com o equipamento. O controle dos instrumentos e a aquisição de dados são implementados através de drivers desenvolvidos com o programa de instrumentação e análise LabVIEW (LABVIEW, 2006), instalado no Servidor Local. A comunicação entre o cliente e o Servidor Local é mediada por um computador denominado Servidor Web, responsável pelo controle e gerenciamento do acesso aos experimentos. Um dispositivo de interconexão de redes (Switch) é utilizado para conectar o Servidor Local ao Servidor Web, bem como a estações locais que podem ser utilizadas para a monitoração do sistema. Completando o sistema, utiliza-se uma câmera digital (Webcam) conectada ao Servidor Local para a transmissão de áudio e vídeo, permitindo a visualização dos instrumentos em tempo real e a comunicação entre os usuários através de vídeo-conferência. O controle remoto do experimento é implementado utilizando-se uma arquitetura Cliente/Servidor dupla (CHEN et al., 1999), representada na Figura 2.

Figura 2 - WebLab baseado em uma arquitetura Cliente/Servidor dupla. Fonte: do autor.

Nessa arquitetura, a comunicação entre os computadores Clientes e o Servidor Local que controla os instrumentos do experimento é mediada pelo Servidor Web, através de um conjunto de aplicativos e programas de interface (Middleware). Para o controle remoto do experimento, os usuários utilizam uma GUI acessada através de um navegador Web, que reproduz no computador do cliente o VI (Virtual Instrument) instalado no Servidor Local, responsável pelo controle dos equipamentos na bancada. Para a execução do VI, é necessária a instalação do aplicativo LabVIEW Runtime Engine no computador do cliente.

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2.1 Módulo WebLab O usuário acessa o WebLab através de um ambiente virtual de ensino-aprendizagem implementado na plataforma MOODLE. A integração do WebLab ao ambiente virtual de ensino-aprendizagem é implementada através de um novo módulo de atividades adicionado ao MOODLE, denominado Módulo WebLab, desenvolvido pelo grupo do Laboratório de Fotônica Mackenzie utilizando scripts PHP e componentes do próprio MOODLE. A estrutura desse módulo pode ser representada pelo Diagrama de Navegação OOHDM (Object-Oriented Hypermedia Design Method) e pelo Diagrama de Classes exibidos respectivamente nas Figuras 3 e 4.

Menu Principal(weblab)

Relatório

Experimento

Agendamento

Descrição

Descrição

Agendamento

Experimento

Relatório

enviar arquivo

por data

exlcuir agendamento

descrição

executar

webcam

título

descrição breve

descrição detalhada

arquivo

Figura 3 - Diagrama de Navegação OOHDM do Módulo WebLab. Fonte: do autor.

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Figura 4 - Diagrama de Classes do Módulo WebLab. Fonte: do autor.

Em tal esquema, optou-se por manter a associação entre as classes especializadas dentro do arquivo view.php. A base para a troca de mensagens entre as classes é a classe view, que realiza a instanciação da visualização escolhida pelo usuário e a operação save state para registrar uma sessão/estado atual. Seguindo o padrão do MOODLE, as funcionalidades do Módulo WebLab são executadas de forma diferenciada por três tipos de usuários: Administrador, Professor e Aluno. O usuário Administrador é o responsável pela ativação e configuração do Módulo WebLab na plataforma MOODLE, bem como pelo cadastramento de experimentos remotos e outros recursos utilizados no WebLab. O usuário Professor pode criar, configurar e gerenciar atividades envolvendo o uso de recursos do WebLab em seus cursos na plataforma MOODLE. O usuário Aluno pode acessar esses recursos e executar os experimentos remotos nos cursos em que estiver cadastrado. As ações dos usuários Administrador, Professor e aluno são representadas nos Diagramas de Casos de Uso mostrados respectivamente nas Figuras 5a e 5b.

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(a) (b)

Figura 5 - Diagramas de Casos de uso: (a) Administrador e Professor; (b) Aluno.

Fonte: do autor. Na Figura 6 é mostrada a tela utilizada pelo Administrador para cadastrar o WebLab, inserindo o nome da atividade e as URL´s para acesso aos VI´s de controle do experimento e interface da WebCam associada.

Figura 6 – Tela de Cadastramento do WebLab utilizada pelo Administrador. Fonte: do autor.

Nas Figuras 7a e 7b são mostradas, respectivamente, as telas utilizadas pelo Professor para definir os slots de tempo para execução do experimento remoto e para seleção dos recursos a serem disponibilizados.

(a) (b)

Figura 7 – Telas utilizadas pelo Professor: (a) Agendamento; (b) Experimento.

Fonte: do autor.

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2.2 Componente para Transmissão de Áudio e Vídeo Na primeira versão do sistema, a transmissão de vídeo para o monitoramento dos experimentos remotos era realizada através de um componente desenvolvido em LabVIEW, utilizando-se um driver genérico da Logitech disponibilizado na Internet (TREVELYAN, 2004). No aspecto relacionado à QoS (Quality of Service) verificou-se que a transmissão de vídeo por meio de um componente integrado ao VI do experimento não é uma solução ideal, uma vez que, para não comprometer a conexão do usuário com o experimento, o servidor Web da NI diminui a taxa de atualização do vídeo. Uma solução encontrada para melhorar o desempenho do sistema foi desvincular a interface de vídeo da interface do experimento, obtendo uma solução que depende de dois aplicativos distintos. Com o objetivo de melhorar ainda mais a QoS e superar as limitações impostas pelo servidor Web da NI, procuramos soluções alternativas. No desenvolvimento de um aplicativo para transmissão de áudio e vídeo, a escolha do protocolo a ser utilizado é um fator importante, pois influencia na velocidade de transmissão do streaming de vídeo e áudio (PESSOA FILHO et al., 2005). Aplicações multimídia sensíveis ao atraso normalmente operam com protocolos em tempo real, como o RTP e RTSP (SCHULZRINNE et al., 1998). O protocolo RTSP permite uma mobilidade interativa na mídia de forma a realizar algumas funções como iniciar, pausar, ou parar uma mídia. Ele é especificado na RFC 2326 como sendo um protocolo out-off-band, ou seja, as mensagens de controle de mídia são enviadas fora da banda de dados do RTP. A finalidade do RTP é garantir que a transmissão em tempo real seja efetivada de modo que o emissor receba um conjunto de segmentos devidamente configurados com informações relativas à transmissão. O receptor tem a responsabilidade de interpretar esse conjunto de segmentos e apresentá-los de forma coerente. Para isso, o Player precisa realizar a descompressão, remover a variação de atraso e corrigir erros. Uma implementação desses protocolos muito utilizada está presente no JMF, uma API que fornece grande versatilidade para manipular mídias com base no tempo, como áudio e vídeo, e assim integrá-las nas aplicações Java. Além disso, o JMF unifica o processamento da mídia com a arquitetura de transmissão de mensagens, utilizando protocolos que controlam o acesso à mídia, bem como o seu processamento e entrega em tempo. Considerando essas características, optou-se pelo desenvolvimento de um componente para transmissão de áudio e vídeo utilizando JMF adaptativo. Na Figura 8 é mostrada uma imagem do aplicativo JMF desenvolvido.

Figura 8 – Aplicativo JMF para monitoramente do experimento remoto. Fonte: do autor.

A utilização de recursos de vídeo no contexto dos laboratórios remotos permite a visualização em tempo real dos instrumentos, intensificando a sensação de presença durante a execução remota do experimento.

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3. Montagem Experimental e Instrumentos Virtuais A crescente importância dos efeitos não-lineares em sistemas de comunicação óptica tem gerado grande interesse na medida precisa do índice de refração não-linear de fibras ópticas de vários tipos e diferentes composições (AGRAWAL, 2001). Nesse sentido, vários métodos têm sido propostos e utilizados para a medida do coeficiente não-linear de fibras ópticas, baseados em diferentes efeitos não-lineares tais como Auto-Modulação de Fase, Modulação de Fase Cruzada, Mistura de Quatro Ondas e Instabilidade Modulacional (BOSKOVIC et al., 1996; BATAGELJ, 2002). Neste trabalho, foi desenvolvido um WebLab para a medida do coeficiente não-linear de uma fibra óptica utilizando o Método da Auto-Modulação de Fase de Onda Contínua (BOSKOVIC et al., 1996; LAMMINPÄÄ et al., 2005; LAMMINPÄÄ et al. 2007), baseado na medida do deslocamento de fase não-linear induzido através do efeito Auto-Modulação de Fase com um sinal de entrada contínuo. Na Figura 9 é mostrado um esquema da montagem experimental utilizada.

Figura 9 – Montagem experimental para medida do coeficiente não-linear pelo método CW SPM. Fonte: do autor.

Utilizando-se o programa LabVIEW foram desenvolvidos os drivers e VI´s para controle e aquisição de dados dos instrumentos - laser sintonizável, medidor de potência óptica, analisador de espectro óptico e amplificador a fibra dopada com Érbio (EDFA) – bem como das GUI´s para execução do experimento. Para a realização do experimento, o primeiro passo do usuário é configurar os instrumentos de medida (OSA e Medidor de Potência) e ajustar os parâmetros dos lasers e do EDFA para obter um sinal de entrada na fibra adequado para a realização da medida do coeficiente não-linear. Na Figura 10 é mostrada a interface de controle do analisador de espectro óptico (OSA), utilizada para ajuste do sinal de entrada. As abas laterais permitem acessar as interfaces de controle dos demais instrumentos.

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Figura 10 – Interface para controle do OSA. Fonte: do autor.

Na Figura 11 é mostrada a interface para controle do laser sintonizável.

Figura 11 – Interface para controle do laser sintonizável. Fonte: do autor.

Após a configuração dos equipamentos o usuário acessa, através da aba superior, a interface para realização da medida do coeficiente não-linear, mostrada na Figura 12.

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Figura 12 – Interface para realização da medida do coeficiente não-linear. Fonte: do autor.

Nessa interface são exibidos ao usuário os controles para configuração da medida, os dados experimentais obtidos a cada passo da execução, os gráficos para análise dos resultados e o valor do coeficiente não-linear obtido ao final do experimento, juntamente com os cálculos intermediários. Para realizar a simulação da medida do coeficiente não-linear foi desenvolvido um sub-VI que integra uma rotina em MatLab para resolver a equação de Schrödinger Não-Linear pelo método Split-Step Fourier (MURPHY, T. E., 2007). Na Figura 13 é mostrada a interface utilizada para a simulação do experimento.

Figura 13 – Interface para simulação do experimento. Fonte: do autor.

A interface de simulação é bastante semelhante à interface para execução do experimento real, permitindo, inclusive, a importação dos dados utilizados na medida com o objetivo de comparar os resultados experimentais com os simulados.

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4. Considerações Finais Neste trabalho descrevemos um WebLab desenvolvido no Laboratório de Fotônica Mackenzie para o estudo de efeitos não-lineares em fibras ópticas. Foram desenvolvidos aplicativos e interfaces gráficas com o programa LabVIEW para controle e aquisição de dados de instrumentos reais, que possibilitam a medida remota do coeficiente não-linear de uma fibra óptica, bem como a simulação numérica do experimento. Uma das principais características do WebLab desenvolvido é sua integração a um ambiente virtual de ensino-aprendizagem implementado com o MOODLE, através de um novo componente – denominado Módulo WebLab - que agrega funcionalidades para o gerenciamento, configuração e execução de experimentos remotos. O componente inclui também um aplicativo para transmissão de áudio e vídeo baseado em JMF. Uma integração mais profunda do WebLab ao ambiente virtual de ensino-aprendizagem será implementada futuramente, compreendendo o desenvolvimento de uma estrutura baseada em uma arquitetura orientada a serviços (Service Oriented Architecture – SOA), como a do MIT – iLab (HARDISON et al., 2005). Nos sistemas para laboratórios remotos propostos com base nessa arquitetura (YAN et al., 2005), as funções de controle e aquisição de dados dos instrumentos são empacotadas como Web Services, descritos em um arquivo WSDL (Web Services Description Language). O arquivo WSDL deve conter informações sobre os parâmetros de entrada/saída utilizados para operar os instrumentos e sobre a GUI correspondente ao painel do instrumento a ser gerada. Informações opcionais, tais como disponibilidade, QoS (Quality of Service) e metadados que descrevem experimentos como objetos de aprendizagem utilizando padrões baseados no IEEE LOM (Learning Object Metadata) (BAGNASCO, 2002), podem definidas em arquivos XML (eXtensible Markup Language), cujas operações para download podem ser definidas no arquivo WSDL. Uma das principais vantagens de utilizar Web Services em laboratórios remotos é que a comunicação com os instrumentos é realizada através da troca de mensagens SOAP (Simple Object Access Protocol) baseadas em XML via HTTP (Hypertext Transfer Protocol), garantindo a interoperabilidade do sistema. Testes preliminares de operação, envolvendo um pequeno grupo de estudantes de mestrado em Engenharia Elétrica, têm mostrado um bom desempenho geral do sistema desenvolvido com relação à transmissão de comandos e aquisição de dados dos instrumentos e indicado fortemente seu potencial como recurso para o ensino de Comunicações Ópticas. Uma análise mais precisa da efetividade do WebLab deverá ser realizada através da observação sistemática de sua utilização pelos estudantes e por meio de instrumentos baseados em modelos e padrões de avaliação de objetos de aprendizagem, como o utilizado no sistema MERLOT (Multimedia Educational Resource for Learning and Online Teaching) (MERLOT, 2007). 5. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio financeiro recebido da FAPESP através do Projeto TIDIA-KyaTera, do Instituto Presbiteriano Mackenzie através do Fundo Mackenzie de Pesquisa e da CAPES através da concessão de bolsas de estudo. 6. Referências Bibliográficas AGRAWAL, G. P. Non-linear Fiber Optics, 3ª ed., San Diego, CA: Academic Press, 2001. BAGNASCO, A.; CHIRICO, M.; SCAPOLLA, A.M. XML Technologies to Design Didactical Distributed Measurement Laboratories. In: Proc. of the 19th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference 2002 (IMTC), 2002. BATAGELJ, B. Need of Knowing Fiber Non-linear Coefficient in Optical Networks, In: Proc. of the 6th WSEAS International Conference on Communications, Rethymno, Greece, 2002. BOSKOVIC, A.; CHERNIKOV, S. V.; TAYLOR, J. R.; GRUNER-NIELSEN, L. e LEVRING, O. A. Direct Continuous-wave Measurement of n2 in Various Types of Telecommunication Fiber at 1.55 µm. Optics Letters, vol. 21, nº 24, pp. 1966-1968, 1996.

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