เสริม IoT เชิงปฏิบัติในรายวิชาสาขาวิศวกรรมระบบควบคุม

ปัจจุบันการพัฒนาอุปกรณ์ที่เรียกว่า IoT (Internet of Things) กำลังได้รับความนิยมอย่างสูงและสามารถประยุกต์ใช้ในงานหลากหลายประเภท ทำให้การเรียนการสอนในมหาวิทยาลัยต้องปรับตัวเพื่อรองรับความต้องการของตลาด โดยเฉพาะในสาขาต่างๆ ด้านวิทยาศาสตร์ วิทยาการคอมพิวเตอร์ และวิศวกรรมศาสตร์ ที่มีช่องทางและโอกาสที่ดีในการนำเอา IoT มาช่วยในการสื่อสารข้อมูล แสดงผลและควบคุม และโดยเหตุผลที่อุปกรณ์ด้านอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์มีขนาดเล็กลงทำให้การเรียนรู้ไม่จำเป็นต้องอยู่แต่ในห้องปฏิบัติการเท่านั้น เพียงแต่ท่านมีฮาร์ดแวร์ที่ใช้ไฟเลี้ยงจากพอร์ต USB และโน้ตบุกก็สามารถทดลองเขียนโปรแกรมได้แม้ในที่สาธารณะเพียงแค่ต้องการ wifi hotspot เท่านั้น

วิศวกรรมระบบควบคุมเป็นสาขาหนึ่งที่สามารถใช้ประโยชน์จาก IoT ได้อย่างมีประสิทธิภาพ พิจารณากรณีที่ฮาร์ดแวร์ตัวควบคุมและพลานต์ติดตั้งในบริเวณที่เข้าถึงได้ยาก หรือมีความเสี่ยงต่อผู้ปฏิบัติงาน จึงมีความจำเป็นที่จะต้องดึงข้อมูลมาแสดงผลรวมถึงสั่งงานควบคุมจากระยะไกล การใช้สัญญาณ WiFi และอินเทอร์เน็ตจะช่วยเพิ่มระยะทางได้มากกว่า Bluetooth นอกจากนั้นการใช้บริการคลาวด์เช่น NETPIE ยังช่วยในการพัฒนาส่วนติดต่อผู้ใช้ที่ใช้งานสะดวกและสวยงามได้โดยไม่ยาก

ในฐานะผู้สอนในรายวิชาของคณะวิศวกรรมศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับงานระบบควบคุม ผู้เขียนได้ปรับปรุงเนื้อหารายวิชาเพื่อสอดแทรกการประยุกต์ใช้ IoT เชิงปฏิบัติ ตัวอย่างเช่นในวิชา 01220533 การวัดและวิเคราะห์สัญญาณและระบบในงานอุตสาหกรรม ในหลักสูตรวิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต สาขาเทคโนโลยีการผลิตทางอุตสาหกรรม โดยเริ่มในปีการศึกษานี้เป็นครั้งแรก พบว่าได้รับความสนใจจากผู้เรียนอย่างมากเมื่อได้เห็นผลจากการรันโปรแกรมบนตัวอุปกรณ์ที่ต่อกับคอมพิวเตอร์ของตนเอง แม้แต่ผู้ที่มีประสบการณ์ในการพัฒนาระบบฝังตัวก็สามารถเรียนรู้และเกิดแรงจูงใจเมื่อมองเห็นประโยชน์ในการใช้งานจริง

อย่างไรก็ตามการสอนในลักษณะเชิงปฏิบัติเช่นนี้เป็นสิ่งที่ผู้สอนที่คุ้นเคยกับการอธิบายตาม powerpoint ที่เตรียมมาอย่างดีจะต้องปรับตัวค่อนข้างมาก เพราะผู้เรียนแทบทุกคนที่ทำการทดลองครั้งแรกจะไม่ประสบผลสำเร็จ เกิดปัญหาขึ้นหลากหลาย ซึ่งผู้สอนจะต้องพยายามหาข้อผิดพลาดและช่วยแก้ไข ซึ่งผู้เขียนเองยอมรับว่าได้เกิดความเข้าใจในหลายเรื่องดีขึ้นมากจากการแก้ปัญหาในชั้นเรียน

ผู้พัฒนาจำนวนมากเรียนรู้เกี่ยวกับ IoT โดยเริ่มต้นจากอุปกรณ์วัดอุณหภูมิและความชื้น เพราะเซนเซอร์หาได้ง่ายราคาต่ำ และสะดวกในการใช้งาน ข้อจำกัดคือเป็นงานที่ตัวอุปกรณ์รับข้อมูลมาเพื่อแสดงผลเท่านั้น งานที่เกี่ยวข้องกับระบบควบคุมป้อนกลับจะมีความท้าทายมากกว่า เพราะนอกจากการอ่านค่าจากเซนเซอร์แล้ว วิศวกรจะต้องเข้าใจการออกแบบและอิมพลิเมนต์ตัวควบคุม ซึ่งหากทำงานไม่ถูกต้องอาจทำให้ระบบเสียเสถียรภาพและเกิดความเสียหายหรืออันตรายได้ ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่ผู้เรียนจะต้องตรวจสอบผลตอบสนองที่ได้จากระบบจริงเปรียบเทียบกับการจำลองโดยคอมพิวเตอร์ทุกครั้ง

ตัวอย่างหนึ่งที่น่าสนใจและเกิดขึ้นเสมอเมื่อเราละเลยข้อจำกัดของฮาร์ดแวร์ รูปด้านล่างเป็นการเปรียบเทียบผลตอบสนองขั้นบันไดของตัวควบคุมเชิงเส้นที่นิสิตได้ออกแบบ จะเห็นว่ามีความแตกต่างกันมากทั้งที่ได้ทำตามขั้นตอนอิมพลิเมนต์อย่างถูกต้องทุกประการ ทิ้งให้เป็นอาหารสมองสำหรับผู้อ่านว่าอะไรเป็นสาเหตุที่ทำให้ผลตอบสนองจากระบบจริง (สีแดง) ไม่ได้ตามที่ออกแบบไว้ ((สีน้ำเงิน)

ปัจจัยหนึ่งที่จะช่วยลดปัญหาในการสอนเชิงปฏิบัติลงได้คือฮาร์ดแวร์จะต้องมีความเชื่อถือได้ หากให้ผู้เรียนเสียบอุปกรณ์บน protoboard จะใช้เวลามากและเกิดปัญหาสายหลวมไปจนถึงช็อตทำให้อุปกรณ์หรือคอมพิวเตอร์เสียหาย ด้วยเหตุนี้จึงสร้างบอร์ด LAG3 ทำหน้าที่จำลองพลานต์ถังน้ำ 3 ระดับ และสามารถเสียบบอร์ดผลิตภัณฑ์ ESP8266 ตามโมเดลที่หาซื้อได้ ตัวอย่างในรูปคือบอร์ดที่ออกแบบสำหรับ NodeMCU

ตัวอย่างแต่ละการทดลองจะมีโปรแกรม ESP8266 ให้เป็นตุ๊กตา โดยผู้เรียนต้องแก้ไขโปรแกรมบางส่วนเพื่อให้ทำงานได้ โครงสร้างโปรแกรมจะเป็นแบบเรียลไทม์อย่างง่าย คืออัลกอริทึมควบคุมรันในไทเมอร์ที่กำหนดคาบเวลาได้ ส่วนรับคำสั่งและแสดงผลอยู่ในฟังก์ชัน loop() มีฟังก์ชันรับคำสั่งจากผู้ใช้และแยกส่วนคำสั่งกับพารามิเตอร์ออกจากกัน ซึ่งจะทำให้การใช้งานร่วมกับ NETPIE สะดวกขึ้น

ทำไมถึงเลือก NETPIE ?

การรับส่งข้อมูลจากอุปกรณ์ IoT สั่งงานและแสดงผลสามารถกระทำผ่านบริการหลากหลาย มีทั้งฟรีและเสียเงิน ตัวอย่างเช่น ThingSpeak แต่ที่เลือก NETPIE เพราะพัฒนาโดยทีมผู้เชี่ยวชาญจาก NECTEC ซึ่งจากการใช้งานมาพบว่ามีความเชื่อถือได้สูง และมี NETPIE group ที่มีผู้รู้คอยให้ความช่วยเหลือ ที่สำคัญที่สุดคือการใช้บริการคลาวด์ในประเทศทำให้ลดเวลาการรับส่งข้อมูล ลดแบนด์วิดธ์ (ดังคำกล่าวว่าเราเพียงจะเปิดหลอดไฟบนเพดานผ่านอินเทอร์เน็ต แต่คำสั่งต้องวิ่งไป USA ก่อน)

NETPIE ให้บริการฟรีโดยมีข้อจำกัด เช่นมีเครดิตให้ 100 หน่วย ซึ่งเพียงพอสำหรับการใช้งานโดยทั่วไป (อุปกรณ์ IoT แต่ละตัวใช้ 1 หน่วย ในส่วนเก็บข้อมูลและแสดงผลของ NETPIE อาจใช้หลายหน่วย แต่ปัจจุบันผู้เขียนก็ยังมีเครดิตเหลือเกินครึ่ง) สำหรับผู้พัฒนาที่ต้องการทำเป็นธุรกิจอาจพิจารณาซื้อเครดิตเพิ่มตามรายละเอียดจากเว็บ NETPIE.io

โดยการใช้ฟังก์ชันต่างๆ ที่มีให้ สามารถสร้างส่วนติดต่อผู้ใช้ที่ใช้งานได้จริงดังตัวอย่างในรูป การเรียนรู้ในส่วนของ NETPIE นี้ใช้เวลาประมาณ 3 ชั้นเรียน (ครั้งะ 3 ชั่วโมง) โดยเริ่มต้นตั้งแต่การสร้าง account บน https://netpie.io สร้าง application และ keys แบบต่างๆ การเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ การสร้าง datasources การติดต่อสื่อสารแบบ chat และ publish widgets ต่างๆ บน Freeboard การใช้ Feed เพื่อเก็บข้อมูล การควบคุมโดยใช้ widgets หลายตัว รวมถึงรายละเอียดปลีกย่อยอื่นๆ ผู้สอนผ่านการอบรมเป็น NETPIE Certified Trainer จาก NECTEC และได้รับอนุญาตให้ใช้สื่อประกอบการสอนจากทีมพัฒนา NETPIE

นอกจากการสอนในรายวิชาประจำที่กล่าวถึงแล้ว ยังได้เปิดคอร์สฝึกอบรมเฉพาะสำหรับผู้ที่สนใจทั่วไป และรับจัดอบรมนอกสถานที่ ท่านสามารถติดตามข่าวสารได้จาก facebook group ดิว นินจา หรือติดต่อผู้สอนได้โดยตรง

ผู้เขียนมีความไฝ่ฝันอยู่เสมอ อยากจะพัฒนาฮาร์ดแวร์สนับสนุนการเรียนการสอนต้นทุนต่ำ ใช้ได้กับโอเพ่นซอร์ส สำหรับการศึกษาด้านระบบควบคุมโดยไม่ต้องถูกผูกขาดกับฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่ราคาประมาณว่าขายไตยังไม่พอซื้อ นวัตกรรมของระบบฝังตัวและ IoT ที่ก้าวหน้าอย่างรวดเร็วช่วยทำให้ความฝันนี้ใกล้ความเป็นจริงมากขึ้น