ΚΕΠΛΗΝΕΤ Ηλείας - Διαδικτυακό Σεισμόμετρο

«Διαδικτυακό Σεισμόμετρο» από το 1ο ΕΠΑ.Λ. Πύργου

Παρουσίαση του έργου «Διαδικτυακό Σεισμόμετρο»
Συμμετοχή σε διαγωνισμούς και εκδηλώσεις
Αναφορές σε συνέδρια & ημερίδες
Βίντεο επίδειξης λειτουργίας
Σεισμογραφήματα

Παρουσίαση του έργου «Διαδικτυακό Σεισμόμετρο»

των Νίκου Αδαμόπουλου¹ και Θανάση Πανόπουλου²
¹(ΠΕ19), ΚΕ.ΠΛΗ.ΝΕ.Τ. ΔΔΕ Ηλείας, 1ο ΕΠΑ.Λ. Πύργου
²(ΠΕ17), 1ο ΕΠΑ.Λ. Πύργου

1. Εισαγωγή

Στο άρθρο αυτό παρουσιάζεται ένα έργο που δημιουργήθηκε κατά τη διάρκεια των σχολικών ετών 2006-7 και 2007-8 μέσω συνεργασίας ομάδων μαθητών του 1ου ΕΠΑ.Λ. Πύργου (βλ. Εικόνα 1) με την επίβλεψη και καθοδήγηση των καθηγητών τους. Περιλαμβάνει αισθητήρες σεισμικών δονήσεων που συνδέονται σε ηλεκτρονικό κύκλωμα, το οποίο τροφοδοτεί συνεχώς με μετρήσεις ειδικό λογισμικό σε Η/Υ. Το λογισμικό διαχειρίζεται τα δεδομένα αυτά και τα απεικονίζει αυτόματα στον παγκόσμιο ιστό. Από κάποια ένταση σεισμικής δόνησης και πάνω μπορεί να αποστείλει αυτόματα ηλεκτρονικό μήνυμα, να ενεργοποιήσει ηχητικό συναγερμό και να αποκόψει παροχή ηλεκτρικού ρεύματος, φυσικού αερίου, κ.ά. Όλα τα μέρη που το αποτελούν, συμπεριλαμβανομένων των αισθητήρων, του ηλεκτρονικού κυκλώματος και του λογισμικού, δημιουργήθηκαν εξ ολοκλήρου στα πλαίσια του έργου.

Εικόνα 1: Μαθητές από την ομάδα έργου του σεισμόμετρου

Το έργο χρηματοδοτήθηκε κυρίως από το πρόγραμμα «Δαίδαλος», στα πλαίσια της πράξης «Ανάπτυξη και Εφαρμογή Προγραμμάτων Επίδειξης και Βράβευσης Εκπαιδευτικών Έργων» μαθητών των Δημοσίων ΤΕΕ και ΣΕΚ του Γ΄ ΚΠΣ με συγχρηματοδότηση κατά 75% από το Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο και κατά 25% από εθνικούς πόρους.

2. Μεθοδολογική προσέγγιση

Η σκέψη για την υλοποίηση αυτού του έργου οφείλεται στα θετικά αποτελέσματα δύο άλλων έργων, του «Βιονικό Χέρι» και του «Τηλερομπότ», που υλοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια των προηγούμενων σχολικών ετών, μέσω συνεργασίας ομάδων μαθητών του Τομέα Πληροφορικής για τη συγγραφή των απαραίτητων λογισμικών ελέγχου και του Τομέα Ηλεκτρολογίας για τη δημιουργία των ηλεκτρομηχανικών κατασκευών. Πρόκειται για εποπτικές κατασκευές, που ελέγχονται τόσο χειροκίνητα όσο και από Η/Υ, και παρουσιάζουν τις αρχές λειτουργίας, τα υλικά και το λογισμικό που χρησιμοποιούνται στη ρομποτική.

Μετά την ολοκλήρωση αυτών των έργων, και με δεδομένη την εμπειρία που αποκτήθηκε πάνω στην υλοποίηση έργων μεγάλων σε μέγεθος, αποφασίστηκε η δημιουργία ενός ακόμα έργου με τη μέθοδο project και με συνεργασία δύο ομάδων μαθητών των ίδιων Τομέων του σχολείου. Η ομάδα Πληροφορικής δημιούργησε το λογισμικό καταγραφής και διαχείρισης των μετρήσεων, η ομάδα Ηλεκτρολογίας τους αισθητήρες σεισμικών δονήσεων, ενώ και οι δύο μαζί δημιούργησαν το ηλεκτρονικό κύκλωμα ψηφιοποίησης των σημάτων.

Όμως στα πλαίσια αυτού του έργου δοκιμάστηκαν κάποιες νέες προσεγγίσεις. Έτσι, λοιπόν, το «Διαδικτυακό Σεισμόμετρο» υλοποιήθηκε σταδιακά σε δύο φάσεις, κατά τη διάρκεια δύο σχολικών ετών, από διαφορετικές ομάδες μαθητών σε κάθε έτος. Βέβαια, το τμήμα του έργου που ολοκληρώθηκε στην πρώτη φάση ήταν πλήρως λειτουργικό. Στην έναρξη της δεύτερης φάσης ενημερώθηκαν κατάλληλα οι νέες ομάδες μαθητών για το έργο και την εξέλιξή του μέχρι εκείνη τη στιγμή. Στη συνέχεια αποφασίστηκαν από όλους μαζί τα νέα χαρακτηριστικά που θα υλοποιούνταν, δηλαδή ένας νέος τύπος αισθητήρα των σεισμικών δονήσεων και οι διαδικτυακές δυνατότητες του λογισμικού.

Εικόνα 2: Οριζόντιο και κατακόρυφο σεισμόμετρο του 1ου τύπου αισθητήρων

Επίσης, στο έργο αυτό αποφασίστηκε να δοθεί ακόμα περισσότερη έμφαση στη διάχυση ανάμεσα στις ομάδες των δύο Τομέων των γνώσεων και εμπειριών που αποκτούσαν, των μεθόδων υλοποίησης που εφάρμοζαν και των αποτελεσμάτων που διαπίστωναν. Δηλαδή υιοθετήθηκε μία πλήρως ολιστική προσέγγιση που διέτρεχε ένα πλήθος γνωστικών αντικειμένων και δεξιοτήτων.

3. Περιγραφή

Αισθητήρες σεισμικών δονήσεων

Στον πρώτο τύπο αισθητήρων, που κατασκευάστηκαν κατά την πρώτη φάση, περιλαμβάνονται δύο εκκρεμή με κατάλληλα προσαρμοσμένες μάζες, ώστε να έχουν τη δυνατότητα να ταλαντώνονται οριζόντια το ένα και κατακόρυφα το άλλο.

Όπως φαίνεται στην Εικόνα 2, το οριζόντιας ταλάντωσης σεισμόμετρο αποτελείται από μία οριζόντια δοκό που αιωρείται από μεταλλική χορδή, φέρει στο άκρο της μολύβδινο βάρος 2,5 κιλών και ταλαντώνεται οριζόντια με ιδιοπερίοδο 5 sec. Η απόσβεση της ταλάντωσης γίνεται υδραυλικά με πτερύγιο βυθισμένο σε λάδι. Το κατακόρυφης ταλάντωσης σεισμόμετρο αποτελείται από οριζόντια δοκό που συγκρατείται με ελατήριο, φέρει στο άκρο της μικρό μολύβδινο βάρος και ταλαντώνεται πάνω κάτω με ιδιοπερίοδο 3 sec. Η απόσβεση της ταλάντωσης γίνεται με τον ίδιο τρόπο. Η ιδιοσυχνότητά του ρυθμίζεται προσθαφαιρώντας βάρος και τεντώνοντας το ελατήριο. Και οι δύο δοκοί φέρουν μαγνήτες που μπορούν να κινούνται μπροστά από αντίστοιχα πηνία που είναι προσαρμοσμένα στη βάση.

Εικόνα 3: Το σεισμόμετρο με το 2ο τύπο αισθητήρων σε λειτουργία μέσα στο σχολικό εργαστήριο

Στο δεύτερο τύπο αισθητήρων, που κατασκευάστηκαν κατά τη δεύτερη φάση (βλ. Εικόνα 3), ένας σφαιρικός μαγνήτης είναι αναρτημένος σε ελατήριο με δυνατότητα να ταλαντώνεται οριζόντια και κατακόρυφα. Και σε αυτόν τον τύπο η απόσβεση της ταλάντωσης γίνεται υδραυλικά με πτερύγιο βυθισμένο σε λάδι, ενώ η ιδιοσυχνότητα ρυθμίζεται προσθαφαιρώντας βάρος και τεντώνοντας το ελατήριο. Στη βάση, και πολύ κοντά στην αιωρούμενη μάζα, είναι προσαρμοσμένα δύο πηνία με οριζόντιο και κατακόρυφο προσανατολισμό.

Κατά τη διάρκεια σεισμού, και στους δύο τύπους αισθητήρων οι μάζες παραμένουν ακίνητες λόγω αδράνειας, ενώ πάλλεται η βάση και μαζί της τα πηνία. Έτσι, τα δύο ζεύγη πηνίων-μαγνητών παράγουν δύο αντίστοιχα ασθενή αναλογικά ηλεκτρικά σήματα με τάση μερικών mV, τα οποία ενισχύονται σε τελεστικούς ενισχυτές και αποκόπτονται οι παρασιτικές συχνότητες σε φίλτρο 1-10 Hz, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.

Ηλεκτρονικό κύκλωμα ψηφιοποίησης σημάτων

Στο Σχήμα 2 απεικονίζεται το ηλεκτρονικό κύκλωμα της μετατροπής των δύο αναλογικών σημάτων του οριζόντιου και κατακόρυφου σεισμόμετρου σε ψηφιακά δεδομένα. Επίσης, απεικονίζεται ο τρόπος σύνδεσης του κυκλώματος με τον υπολογιστή μέσω της σειριακής θύρας RS-232.

Για αυτό το σκοπό χρησιμοποιήθηκε ο προγραμματιζόμενος μικροελεγκτής Microchip PIC16F690. Πρόκειται για ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα 20 ακίδων, τεχνολογίας CMOS, χαμηλής κατανάλωσης και χαμηλού κόστους, μόλις 2 έως 3€ ανά τεμάχιο. Περιλαμβάνει CPU των 8 bit, μνήμη RAM και μνήμη Flash για την αποθήκευση του λογισμικού (firmware) βάσει του οποίου θα λειτουργεί. Επίσης, διαθέτει μονάδα A/D μετατροπής μέχρι και 12 αναλογικών σημάτων σε ψηφιακά δεδομένα, ψηφιακές εισόδους και εξόδους, μονάδα σειριακής επικοινωνίας, timers, κ.ά.

Διαδικτυακό Σεισμόμετρο

Σχήμα 1: Ηλεκτρονικό κύκλωμα δημιουργίας των αναλογικών σημάτων

Η δημιουργία του λογισμικού του γίνεται σε συμβολική γλώσσα προγραμματισμού (assembly) ή και σε άλλες γλώσσες υψηλού επιπέδου. Η εγγραφή του λογισμικού στη μνήμη flash του ολοκληρωμένου μπορεί να γίνεται με τη βοήθεια ενός programmer κόστους περίπου 50€. H σύνδεση του programmer με τον υπολογιστή γίνεται μέσω κάποιας USB θύρας. Η ύπαρξη μνήμης flash επιτρέπει τον επαναπρογραμματισμό τού μικροελεγκτή πολλές χιλιάδες φορές.

Διαδικτυακό Σεισμόμετρο

Σχήμα 2: Ψηφιοποίηση των αναλογικών σημάτων και διασύνδεση με Η/Υ

Τα αναλογικά σήματα που προέρχονται από τα κυκλώματα ενίσχυσης και φιλτραρίσματος μετατρέπονται σε ψηφιακά δεδομένα μέσα στον PIC, ο οποίος τα μεταδίδει σε πραγματικό χρόνο στον υπολογιστή μέσω της σειριακής θύρας RS232. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα Maxim MAX232 μετατρέπει τα επίπεδα τάσεων των ψηφιακών σημάτων του PIC (0 και 5 Volt) σε επίπεδα συμβατά με τις προδιαγραφές της θύρας RS-232 (+15 και -15 Volt αντίστοιχα). Η δειγματοληψία κατά την ψηφιοποίηση στον PIC γίνεται 10 φορές το δευτερόλεπτο για κάθε αναλογικό σήμα.

Λογισμικό διαχείρισης των μετρήσεων

Για τη διαχείριση των ψηφιακών δεδομένων που λαμβάνονται από τον υπολογιστή, αναπτύχθηκε από την ομάδα του έργου ειδικό λογισμικό (Εικόνα 4) χρησιμοποιώντας το προγραμματιστικό περιβάλλον της Visual Basic.

Στις δυνατότητές του περιλαμβάνονται:

Αυτόματη καταγραφή των μετρήσεων που λαμβάνει και από τα δύο σεισμόμετρα οριζόντιας και κατακόρυφης ταλάντωσης.
Αποθήκευση των μετρήσεων σε αρχεία στο σκληρό δίσκο του υπολογιστή για περαιτέρω μελλοντική επεξεργασία και αξιολόγησή τους.
Γραφική απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο των μετρήσεων στην οθόνη του υπολογιστή σε ώρα GMT (Greenwich Mean Time) με τη μορφή ξεχωριστών σεισμογραφημάτων οριζόντιας και κατακόρυφης ταλάντωσης. Η απεικόνιση γίνεται με ανάλυση ένα pixel ανά μία μέτρηση. Λαμβάνοντας υπόψη το ρυθμό δειγματοληψίας στο ηλεκτρονικό κύκλωμα ψηφιοποίησης, προκύπτει κάλυψη 600 pixels κάθε 1 λεπτό της ώρας.
Ολίσθηση από το χρήστη των σεισμογραφημάτων αριστερά-δεξιά και αλλαγή της χρονικής κλίμακας της απεικόνισης (zoom).
Δυνατότητα για αυτόματη ανίχνευση της έναρξης ενός σεισμού και ενεργοποίηση της κατάστασης συναγερμού. Στην κατάσταση αυτή είναι δυνατό μέσω του ηλεκτρονικού κυκλώματος να ενεργοποιείται ηχητικός συναγερμός και να διακόπτεται η παροχή ηλεκτρικού ρεύματος, φυσικού αερίου, κ.ά., για λόγους ασφαλείας. Επίσης, είναι δυνατή η αυτόματη αποστολή ενημερωτικού μηνύματος ηλεκτρονικού ταχυδρομείου σε συγκεκριμένους παραλήπτες.
Περιοδική αυτόματη δημιουργία απεικονίσεων των τελευταίων μετρήσεων και ανάρτησή τους στο δικτυακό τόπο του σχολείου, στη διεύθυνση http://1epal-pyrgou.ilei.sch.gr/seismometer, όπως φαίνεται στην Εικόνα 5.

Διαδικτυακό Σεισμόμετρο

Εικόνα 4: Η 1η έκδοση του λογισμικού διαχείρισης των μετρήσεων

Το λογισμικό, που περιλαμβάνει περίπου 1400 γραμμές κώδικα, αναπτύχθηκε κατά τη διάρκεια και των δύο σχολικών ετών από διαφορετικές ομάδες μαθητών. Στην πρώτη φάση υλοποιήθηκαν οι βασικές δυνατότητες καταγραφής και απεικόνισης των σεισμογραφημάτων στην οθόνη του υπολογιστή, ενώ στη δεύτερη προστέθηκαν τα διαδικτυακά χαρακτηριστικά της ανάρτησης των σεισμογραφημάτων στον παγκόσμιο ιστό και της αποστολής ηλεκτρονικών μηνυμάτων.

Διαδικτυακό Σεισμόμετρο

Εικόνα 5: Ο δικτυακός τόπος με τα σεισμογραφήματα

4. Αποτελέσματα, συμπεράσματα & προτάσεις

Τόσο τα προηγούμενα έργα «Βιονικό Χέρι» και «Τηλερομπότ», όσο και το «Διαδικτυακό Σεισμόμετρο» έτυχαν μεγάλης δημοσιότητας από τα Μέσα Μαζικής Ενημέρωσης της περιοχής. Ουσιαστικά, αποτέλεσαν μια ευκαιρία «ανοίγματος» του σχολείου προς την τοπική κοινωνία, με δεκάδες αναφορές και άρθρα στον τοπικό και αθηναϊκό τύπο, αλλά και παρουσιάσεις από τους τοπικούς τηλεοπτικούς σταθμούς.

Ως προς τα εκπαιδευτικά αποτελέσματα, διαπιστώθηκε ότι εκπληρώθηκαν σε μεγάλο βαθμό οι σκοποί του προγράμματος «Δαίδαλος». Έτσι, δημιουργήθηκαν κίνητρα για την ανάπτυξη της δημιουργικότητας και εφευρετικότητας των μαθητών, του ομαδικού πνεύματος εργασίας, των ικανοτήτων έρευνας, συλλογής, αξιολόγησης και ορθής χρήσης της πληροφορίας. Οι μαθητές είχαν την ευκαιρία να έρθουν σε επαφή με πρακτικές εφαρμογές των γνώσεων που αποκτούν, να γνωρίσουν μεθόδους έρευνας και αναζήτησης τρόπων επίλυσης προβλημάτων, να αποκτήσουν εμπειρίες από την οργάνωση και διαχείριση ενός σχεδίου εργασίας, να αναλάβουν πρωτοβουλίες, να καλλιεργήσουν τις κλίσεις και τα ταλέντα τους, κ.ά.

Μία άλλη διάσταση που πρέπει να επισημανθεί είναι ότι μέσω τέτοιων σχολικών έργων είναι εφικτή η απομυθοποίηση της τεχνολογίας. Οι συμμετέχοντες κατανοούν ότι η τεχνολογία δεν είναι κάτι το μαγικό και το άπιαστο. Αν κάποιος διαθέτει τις απαραίτητες γνώσεις και δεξιότητες τότε μπορεί όχι μόνο να εξηγήσει τις αρχές λειτουργίας της, αλλά ακόμα και να δημιουργήσει τεχνολογία.

Τέλος, θα μπορούσαν κι άλλα σχολεία να αξιοποιήσουν την κατασκευή που δημιουργήθηκε εντάσσοντάς την στον εξοπλισμό κάποιου σχολικού εργαστηρίου, για παράδειγμα στο εργαστήριο Φυσικών Επιστημών, Πληροφορικής, κ.ά., ώστε να χρησιμοποιείται ως εποπτικό μέσο ή ως πειραματική διάταξη για ένα πλήθος μαθημάτων, όπως για παράδειγμα στα μαθήματα γενικής παιδείας Φυσική, Γεωλογία, Τεχνολογία και Πληροφορική των Γυμνασίων και Λυκείων, αλλά και στα μαθήματα ειδικότητας Βασικές Αρχές Πληροφορικής και Ψηφιακής Τεχνολογίας, Στοιχεία Προγραμματισμού σε Γραφικό Περιβάλλον, Βασικές Υπηρεσίες Διαδικτύου, Προγραμματιστικά Εργαλεία για το Διαδίκτυο, Ηλεκτροτεχνία, Αυτοματισμοί, Αναλογικά & Ψηφιακά Ηλεκτρονικά, και πολλά άλλα των ΕΠΑ.Λ. Σε τέτοια περίπτωση το απαραίτητο λογισμικό για την καταγραφή και διαχείριση των μετρήσεων στον υπολογιστή θα διατίθεται ελεύθερα από τους συντελεστές του «Διαδικτυακού Σεισμόμετρου». Το κόστος όλων των υλικών για τους αισθητήρες και το ηλεκτρονικό κύκλωμα υπολογίζεται σε 150€ περίπου, ενώ η συναρμολόγηση μπορεί να γίνεται εύκολα με τη βοήθεια κάποιων οδηγιών.

URLs:
http://1epal-pyrgou.ilei.sch.gr
http://www.my.ein.gr/daidalos
http://www.iceht.forth.gr/sxolikovraveio

Συμμετοχή σε διαγωνισμούς και εκδηλώσεις

Το έργο συμμετείχε στους παρακάτω σχολικούς διαγωνισμούς και εκδηλώσεις:

Διαγωνισμός του ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ. Η ομάδα έλαβε μέρος στο διαγωνισμό με τίτλο «Επιστημονικές & Τεχνολογικές Εργασίες» για μαθητές σχολείων της περιφέρειας Δυτικής Ελλάδας, όπου το «Διαδικτυακό Σεισμόμετρο» διακρίθηκε με έπαινο.

Ο διαγωνισμός πραγματοποιήθηκε τον Απρίλιο 2007 στην Πάτρα, στις εγκαταστάσεις του Ερευνητικού Ινστιτούτου Χημικής Μηχανικής και Χημικών Διεργασιών Υψηλής Θερμοκρασίας (ΕΙΧΗΜΥΘ) του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ).

Έκθεση του προγράμματος «Δαίδαλος». Η ομάδα έλαβε μέρος στην Περιφερειακή Έκθεση Δυτικής Ελλάδας που έγινε στην Πάτρα το Μάιο 2008 όπου και βραβεύθηκε.

Αναφορές σε συνέδρια & ημερίδες

Η εμπειρία και τα αποτελέσματα από τη δημιουργία του έργου παρουσιάσθηκαν στις εξής εισηγήσεις:

Συμμετοχή του 1ου ΕΠΑ.Λ. Πύργου στο πρόγραμμα «Δαίδαλος», Ν. Αδαμόπουλος, Α. Πανόπουλος, Διημερίδα «Ενημέρωση και Ευαισθητοποίηση Εκπαιδευτικών Τ.Ε.Ε. Ν. Ηλείας για τις Πράξεις του Επιχειρησιακού Σχεδίου Δράσης της Ε.Ε.», Πύργος, 7-8 Φεβρουαρίου 2008
Διαδικτυακό Σεισμόμετρο: Ολιστική Προσέγγιση, Συνεργατική Υλοποίηση & Απομυθοποίηση της Τεχνολογίας στο Σχολικό Εργαστήριο, Ν. Αδαμόπουλος, Α. Πανόπουλος, 1ο Εκπαιδευτικό Συνέδριο «Ένταξη και Χρήση των ΤΠΕ στην Εκπαιδευτική Διαδικασία», Βόλος, 24-26 Απριλίου 2009
Η εργασία από τα πρακτικά του συνεδρίου