ดิว.นินจา: การอ่านค่าจากโมดูล LSM9DS1 เพื่อแสดงผลบน NETPIE Freeboard

อาจกล่าวได้ว่าส่วนที่สำคัญที่สุดในระบบที่ใช้คอมพิวเตอร์ในการแสดงผลหรือควบคุมคือการอ่านค่าจากอุปกรณ์ที่ใช้ในการเปลี่ยนค่าที่ต้องการวัดเป็นแรงดันหรือกระแสไฟฟ้า หรือเป็นโมดูลสำเร็จที่สามารถอ่านค่าได้ผ่านการสื่อสารประเภทต่างๆ ในปัจจุบันเซนเซอร์มีให้เลือกใช้อย่างหลากหลายขึ้นกับงานที่ต้องการใช้ คุณภาพ ราคา และคุณสมบัติอื่นๆ และส่วนใหญ่ที่มีการใช้งานแพร่หลายจะมีผู้พัฒนาไลบรารีสำหรับอ่านค่าไว้แล้ว โดยเฉพาะสำหรับ Arduino จึงไม่จำเป็นต้องเขียนโค้ดเองจากเริ่มต้น แต่ข้อเสียของการใช้ไลบรารีสำเร็จคือมักห่อหุ้มการตั้งค่าต่างๆ ไว้ภายใน ซึ่งบางครั้งต้องมีการดัดแปลงแก้ไข ซึ่งอาจเป็นปัญหาสำหรับผู้เริ่มต้น ในบทความนี้จะนำเสนอการอ่านค่าจากโมดูล LSM9DS1 ซึ่งเป็นอุปกรณ์สำหรับวัดค่าความเร่ง ความเร็วเชิงมุม และสนามแม่เหล็กใน 3 มิติ หวังว่าจะเป็นประโยชน์สำหรับผู้เริ่มต้นพัฒนา IoT ที่อยากจะเรียนรู้การอ่านค่าเซนเซอร์อื่นบ้าง นอกเหนือจากอุณหภูมิและความชื้น เนื้อหาจะกล่าวถึงการอ่านค่าจากโมดูลเพื่อแสดงผลบน NETPIE Freeboard เท่านั้นโดยยังไม่มีการควบคุมใดๆ

เพื่อความสะดวกบอร์ดฮาร์ดแวร์สำหรับบทความนี้จะเลือกใช้ node32pico จากบริษัท Ayarafun/LamLoei ในรูปที่ 1 เพราะมีโมดูล LSM9DS1 อยู่บนบอร์ด หากผู้อ่านต้องการใช้ผลิตภัณฑ์ ESP32 อื่นก็สามารถต่อวงจรเพิ่มเติมได้โดยหาบอร์ดเสริมที่มีโมดูลนี้อยู่ ตัวอย่างเช่น STEVAL-MKI159V1 จากบริษัท ST ผู้ผลิตโมดูล หรือผลิตภัณฑ์จากบริษัท SparkFun หรือ Adafruit ก็ได้ โดยเชื่อมต่อเข้ากับบัส i2c (โมดูลสามารถต่อกับบัส SPI ได้ แต่ตัวอย่างในบทความนี้จะกล่าวถึงเฉพาะ i2c)

รูปที่ 1 บอร์ด node32pico จากบริษัท Ayarafun/LamLoei

การทำงานของ LSM9DS1

ประโยชน์ของโมดูล LSM9DS1 คือใช้วัดคุณสมบัติการเคลื่อนที่สำคัญ 3 ค่า คือความเร่ง ความเร็วเชิงมุม และความแรง/ทิศทางสนามแม่เหล็ก ในชิพเดียวกัน

มาตรวัดความเร่ง (accelerometer) : เป็นตัวแสดงว่าความเร็วเปลี่ยนแปลงตามเวลาอย่างไร หน่วยวัดที่นิยมใช้คือ m/s2 และ g (มีค่าประมาณ 9.8 m/s2) วัตถุบนโลกที่ไม่เคลื่อนที่จะมีค่าความเร่งในทิศทางลงสู่พื้นเท่ากับ 1 g (วัดที่ระดับน้ำทะเล) โมดูล LSM9DS1 วัดค่าความเร่งมีหน่วยเป็น g และสามารถตั้งค่ามาตราส่วนเท่ากับ +/- 2, 4, 8 หรือ 16 g
ไจโรสโคป (gyroscope) : ใช้สำหรับวัดความเร็วเชิงมุม มีหน่วยเป็น องศาต่อเวลา (degree per second) มักใช้ตัวย่อ DPS สามารถตั้งค่ามาตราส่วน +/- 245, 500 หรือ 2000 DPS
มาตรวัดสนามแม่เหล็ก (magnetometer) : ใช้วัดกำลังและทิศทางของสนามแม่เหล็ก โดยตรวจจับจากอุปกรณ์ที่มีแม่เหล็กถาวร หรืออุปกรณ์ที่กำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หรือสนามแม่เหล็กของโลก โมดูลจะวัดค่ามีหน่วยเป็น เก้าส์ (gauss) ตัวย่อคือ Gs และสามารถตั้งมาตราส่วน +/- 4, 8, 12 หรือ 16 Gs

รูปที่ 2 แสดงการกำหนดแกนทั้ง 3 ของโมดูลเมื่อเทียบกับจุดกำหนดขาบนไอซี ทิศทางจะเป็นไปตามกฏมือขวา สังเกตว่าแกนของสนามแม่เหล็กจะถูกหมุน 90 องศารอบแกน z เมื่อเทียบกับแกนความเร่งและความเร็วเชิงมุม

รูปที่ 2 การกำนดทิศทางของแกนในโมดูล LSM9DS1 (ภาพจากดาต้าชีท)

ดังนั้นจะเห็นได้ว่าโมดูล LSM9DS1 สามารถวัดค่าความเร่ง ความเร็วเชิงมุม และสนามแม่เหล็กได้ 3 มิติ รวมเป็นข้อมูลทั้งหมด 9 ค่า หรือมองได้ว่าโมดูลประกอบด้วย 2 วงจรรวมอยู่ในตัวเดียวกัน ครึ่งหนึ่งคือส่วนไจโรและมาตรวัดความเร่ง ส่วนอีกครึ่งหนึ่งคือมาตรวัดสนามแม่เหล็ก โดยพิจารณาได้จากสัญญาณควบคุมแยกจากกัน เช่นขาเลือกชิพ (CS_AG และ CS_M) และขาข้อมูลออกสำหรับ SPI (SDO_AG และ SDO_M ซึ่งในการใช้งานกับบัส i2c จะใช้เป็นขาเลือกแอดเดรส)

โมดูล LSM9DS1 ใช้กับแรงดันไฟเลี้ยง 3.3 โวลต์ เท่านั้น หากนำไปต่อกับ Arduino ที่มีระดับลอจิก 5 โวลต์และใช้บัส SPI จะต้องมีตัวแปลงระดับแรงดัน ในที่นี้จะใช้ร่วมกับ ESP32 จึงไม่มีปัญหาเรื่องระดับแรงดัน

แอดเดรสของโมดูลเมื่อใช้งานกับบัส i2c

ในการใช้งานโมดูลร่วมกับบัส i2c แอดเดรสของโมดูลจะถูกกำหนดโดยขา CS_AG, CS_M, SDO_AG และ SDO_M ซึ่งศึกษาได้จากคู่มือ จากผังวงจรของบอร์ด node32pico พบว่าขา CS_AG, CS_M ต่อกับ 3.3 โวลต์ และ SDO_AG, SDO_M ต่อกับกราวด์ ในกรณีนี้แอดเดรสของภาค AG และ M จะถูกกำหนดเป็น 0x6A และ 0x1C ตามลำดับ

ไลบรารีสำหรับ Arduino

ในการใช้งานร่วมกับ Arduino IDE แนะนำให้ใช้ไลบรารีที่มีอยู่แทนการเขียนโปรแกรมเองใหม่ทั้งหมดเพื่อดึงข้อมูลจากโมดูล ทั้งนี้โมดูล LSM9DS1 มิใช่ผลิตภัณฑ์ใหม่ แต่ได้มีการใช้งานมาเป็นเวลาพอสมควรทำให้มีไลบรารีให้เลือกจากหลายผู้พัฒนา ส่วนใหญ่เป็นบริษัทที่จำหน่ายผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้อง เช่นบอร์ดเสริม เช่นบริษัท Adafruit และ SparkFun ในบทความนี้จะเลือกใช้ไลบรารีจากบริษัท SparkFun ซึ่งสามารถดาวน์โหลดได้จากเว็บของบริษัท รวมถึงข้อมูลเพิ่มเติมที่เป็นประโยชน์ เช่นขั้นตอนการติดตั้งไลบรารี ซึ่งในบทความนี้ขอข้ามไปเนื่องจากจะเหมือนกับการติดตั้งไลบรารีอื่นซึ่งผู้อ่านคงมีประสบการณ์แล้ว

ลิงก์สำหรับดาวน์โหลดไลบรารีของ SparkFun

หลังจากติดตั้งไลบรารีแล้ว เลือกตัวอย่างจากเมนูดังในรูปที่ 3 เซฟตัวอย่างนี้ในไดเรคทอรีอื่น เนื่องจากเราต้องแก้ไขส่วนของแอดเดรสให้ตรงกับวงจรบนบอร์ด node32pico

รูปที่ 3 เลือกตัวอย่าง LSM9DS1_Basic_I2C

ค้นหาบรรทัดที่กำหนดแอดเดรส และเปลี่ยนเป็นค่าดังนี้


#define LSM9DS1_M 0x1c 
#define LSM9DS1_AG 0x6A

คอมไพล์และโหลดลงบนบอร์ด node32pico เมื่อเปิดหน้าต่าง Serial Monitor จะแสดงข้อมูลที่อ่านได้จากโมดูล LSM9DS1 ดังเช่นในรูปที่ 4

รูปที่ 4 ผลจากการรันตัวอย่างที่แก้ไขแอดเดรสแล้ว

โปรแกรมตัวอย่างนี้จะแสดงการใช้งานไลบรารีพื้นฐาน ซึ่งมีลักษณะเป็นการโปรแกรมเชิงวัตถุ อธิบายโดยสังเขปคือเริ่มต้นวัตถุ imu จะถูกสร้างขึ้นและตั้งค่าให้ตรงตามการใช้งาน หลังจากนั้นจะเรียกใช้วิธี (methods) เพื่อดึงค่าข้อมูลที่ต้องการ ซึ่งโปรแกรมสาธิตการอ่านค่าทั้งหมดจากโมดูล และแสดงผลเป็นค่าที่ผ่านการคำนวณให้เป็นหน่วยที่ต้องการแล้ว สำหรับรายละเอียดการตั้งค่าต่างๆ สามารถศึกษาเพิ่มเติมได้จากข้อมูลในไลบรารีและจากเว็บของผู้พัฒนา

การแสดงผลบน NETPIE Freeboard

เมื่อสามารถอ่านข้อมูลจากโมดูลได้สำเร็จ การนำไปแสดงผลบน NETPIE ก็ไม่ใช่เรื่องยาก เพราะขั้นตอนก็จะเหมือนกับที่เคยนำเสนอในบทความก่อนหน้าและในหนังสือ

สร้าง Application และ keys สำหรับบอร์ด node32pico และ Freeboard
นำข้อมูล App ID, Key, Secret ใส่ด้านบนของโปรแกรม
กำหนดชื่อ Alias ของอุปกรณ์
กำหนดชื่อ topic ที่ต้องการ publish
สร้างสตริงข้อมูล และส่งให้คำสั่ง microgear.publish()
สร้าง Freeboard และ datasource เลือกแบบ microgear
บน Freeboard สร้าง widget แบบ Gauge จำนวน 9 ตัว เท่ากับจำนวนข้อมูลที่ publish
ในฟิลด์ Value ของ Gauge ใส่คำสั่งที่จะเลือกข้อมูลจากทั้งหมดที่ส่งมา แยกโดยเครื่องหมาย ","

ในส่วนของโปรแกรมบน ESP32 ได้ดัดแปลงจากตัวอย่างในไลบรารีโดยใช้ตัวแปรแบบ struct เพื่อทำให้จัดการข้อมูลได้ง่ายขึ้น ตามนิยามดังนี้


struct IMUData
{
  // acceleration data
  float ax;   // unit in g
  float ay;
  float az;
  // gyro data
  float gx;   // unit in deg/s
  float gy;
  float gz;
  // magnetic data 
  float mx;     // unit in Gs
  float my;
  float mz;
 };
struct IMUData imudata;

ซึ่งจะเก็บข้อมูลที่คำนวณให้เป็นหน่วยที่ต้องการแล้ว ตัวอย่างเช่น imudata.ax เก็บข้อมูลความเร่งในแนวแกน X และ imudata.gz เก็บข้อมูลความเร็วเชิงมุมรอบแกน Z เป็นต้น ข้อมูลจะถูกพับลิชให้ NETPIE เรียงลำดับดังนี้


ax, ay, az, gx, gy, gz, mx, my, mz

ไฟล์ทั้งหมดรวมอยู่ใน LSM9DS1_netpie.ino ดาวน์โหลดได้จากด้านล่างบทความนี้ เมื่อรันโปรแกรมและเปิด Serial Monitor จะเห็นการแสดงผลดังในรูปที่ 5 ซึ่งเมื่อสร้าง gauges บน NETPIE Freeboard แล้วจะเห็นการแสดงผลในรูปที่ 6

รูปที่ 5 ข้อมูลที่ถูก publish ให้ NETPIE

รูปที่ 6 การแสดงค่าข้อมูลบน NETPIE Freeboard

ซึ่งการแสดงผลแบบกราฟิกนี้จะทำให้เข้าใจการทำงานของโมดูล LSM9DS1 ได้ดีกว่าข้อความใน Serial Monitor มาก ตัวอย่างเช่นหากต้องการศึกษาผลจากแรงโน้มถ่วงที่กระทำกับแนวแกนทั้ง 3 ของโมดูล ทำได้โดยจับโมดูลให้มีทิศทางตามรูปที่ 7, 8, 9 ซึ่งจะได้ค่าความเร่ง (จากแรงโน้มถ่วง) ประมาณ 1 g ตามแนวแกน X,Y,Z ตามลำดับ

รูปที่ 7 วัดความเร่งจากแรงโน้มถ่วงตามแนวแกน X

รูปที่ 8 วัดความเร่งจากแรงโน้มถ่วงตามแนวแกน Y

รูปที่ 9 วัดความเร่งจากแรงโน้มถ่วงตามแนวแกน Z

การทดสอบสนามแม่เหล็กทำได้โดยเปรียบเทียบกับเข็มทิศเพื่อหาเส้นแรงแม่เหล็กตามทิศทางของขั้วโลก หรือวิธีที่ง่ายกว่าคือนำโมดูลไปวางใกล้แม่เหล็กถาวร เช่นซองใส่โทรศัพท์ดังเช่นในรูปที่ 10 จะเห็นว่าค่าที่วัดได้จะเพิ่มอย่างมากตามแนวแกนที่ตรงกับทิศทางของเส้นแรงแม่เหล็ก

รูปที่ 10 การวัดค่าสนามแม่เหล็กจากแม่เหล็กถาวร

การวัดค่าความเร็วเชิงมุมทำได้โดยหมุนตัวบอร์ดตามแนวแกนหลักในรูปที่ 2 แต่เนื่องจากค่าจะเปลี่ยนเฉพาะในช่วงสั้นๆ ของการหมุนเท่านั้น จึงไม่สามารถจับเป็นภาพนิ่งให้เห็นได้

คลิปวีดีโอนี้แสดงการเปลี่ยนแปลงของ Gauges ทั้งหมดเมื่อบอร์ดเคลื่อนที่

ดาวน์โหลดโปรแกรม : LSM9DS1_netpie.ino

ดิว.นินจา