สร้างอุปกรณ์ไอโอทีกำเนิดสัญญาณบน ESP32 และ NETPIE

อุปกรณ์ไอโอทีกำเนิดสัญญาณ หรือที่ผู้เขียนเรียกย่อว่า SGIoT (Signal Generator Internet of Thing) อาจจะเป็นสิ่งประดิษฐ์ใหม่ที่ยังไม่ค่อยมีใครพูดถึงนัก เนื่องจากมิใช่เป็นอุปกรณ์ที่ใช้งานทั่วไปในชีวิตประจำวัน แต่หากท่านศึกษาด้านวิศวกรรมศาสตร์หรือวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะสาขาที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้า ระบบควบคุม ฟิสิกส์ คงจะเคยได้ใช้งานเครื่องกำเนิดสัญญาณในห้องปฏิบัติการเพื่อวิเคราะห์วงจร ศึกษาผลตอบสนองความถี่ หรือกระตุ้นพลวัตของระบบ เครื่องมือที่ใช้ส่วนใหญ่มีคุณสมบัติหลักคือความเที่ยงตรงและความเชื่อถือได้สูง มีฟังก์ชันช่วยให้ใช้งานง่าย กำเนิดสัญญาณได้หลายชนิดและได้ถึงความถี่สูงมากๆ แต่อาจไม่มีความจำเป็นต้องเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ต ที่สำคัญคือราคาจะสูงตามคุณภาพ การที่จะลงทุนซื้อมาสักเครื่องใช้ทดสอบต้นแบบฮาร์ดแวร์ที่สร้างขึ้นเป็นงานอดิเรกอาจจะทำให้ถูกค้อนจาก CEO ที่บ้านได้ ดังนั้นในบทความนี้จะนำเสนอการสร้างอุปกรณ์กำเนิดสัญญาณบน ESP32 ที่สั่งงานผ่านอินเทอร์เน็ตได้โดย NETPIE จุดเด่นของโครงการนี้คือมีต้นทุนต่ำ พกพาสะดวก ใช้งานได้ดีในย่านความถี่ต่ำถึงประมาณ 1 KHz และที่สำคัญเป็นการเพิ่มทักษะการเขียนโปรแกรม ESP32+การพัฒนา NETPIE Freeboard SGIoT เป็นอุปกรณ์ที่เหมาะสมสำหรับประกอบการสอนเชิงปฏิบัติการในชั้นเรียนเกี่ยวกับการพัฒนา IoT ด้านวิศวกรรมไฟฟ้า เครื่องกล ระบบควบคุม โดยเฉพาะเมื่อเนื้อหาเกี่ยวข้องกับการประมวลผลสัญญาณดิจิทัล การแปลง Z อัลกอริทึม FFT การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้า ผลตอบสนองความถี่ของตัวควบคุมป้อนกลับ

พัฒนาระบบควบคุมบน ESP32 โดยไลบรารี FreeRTOS

ในบทความก่อนหน้านี้ได้กล่าวแนะนำไลบรารี FreeRTOS ที่มาพร้อมกับ Arduino Core ของ ESP32 โดยเน้นประเด็นสำคัญคือการกำหนดคอร์ประมวลผลให้กับทาสก์ เพื่อให้สามารถใช้ทรัพยากรฮาร์ดแวร์ของ ESP32 ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพราะการเขียนโปรแกรมโดยปกติบน Arduino IDE คอร์หมายเลข 0 จะไม่ถูกใช้งาน ข้อได้เปรียบจากการใช้ ESP32 ที่เหนือกว่า ESP8266 จะยังไม่ชัดเจนตราบเท่าที่เราไม่สามารถใช้ประโยชน์จากฮาร์ดแวร์ทั้งหมดอย่างเต็มที่ สำหรับโครงงานพื้นฐานเช่นอ่านข้อมูลจากเซนเซอร์และแสดงผลผ่านอินเทอร์เน็ต คงไม่มีความจำเป็นที่ต้องใช้ ESP32 และ FreeRTOS แต่ผู้อ่านที่ติดตามเรื่องราวจากบล็อกนี้คงทราบว่างานควบคุมอุตสาหกรรมจะมีความซับซ้อนมากกว่า โดยเฉพาะตัวควบคุมป้อนกลับเช่น PID จะต้องการคาบเวลาในการประมวลผลที่คงที่และเป็นอิสระจากงานอื่น งานควบคุมสมรรถนะสูงต้องการอัตราการสุ่มที่เร็วขึ้น ดังนั้นคำสั่งในลูปควบคุมจะต้องมีเพียงเท่าที่จำเป็น งานอื่นเช่นส่วนรับคำสั่ง การส่งข้อมูลออกพอร์ตอนุกรม จอแสดงผล หรืออินเทอร์เน็ตควรถูกแยกออกจากลูป ลักษณะการทำงานเรียลไทม์แบบหลายเทรด (multithread) นี้เองทำให้การใช้ FreeRTOS มีความเหมาะสมอย่างยิ่ง นอกจากนั้นยังเป็นไลบรารีที่ใช้งานง่ายและเอื้ออำนวยต่อการจัดการและการบำรุงรักษาซอฟต์แวร์

ฝึกอบรม IoT สำหรับงานควบคุมอุตสาหกรรมโดย ESP32 และ NETPIE (ประจำปี 2561 ครั้งที่ 1 วันเสาร์ที่ 24 กุมภาพันธ์ 2561)

IoT for Industrial Control with ESP32 and NETPIE Workshop

โดยการแพร่หลายอย่างรวดเร็วของเครือข่ายอินเทอร์เน็ตในปัจจุบันทำให้การพัฒนาอุปกรณ์ที่เรียกว่า IoT (Internet of Things) ได้รับความสนใจเป็นอย่างสูง เชื่อว่าในอนาคตอันใกล้นี้อุปกรณ์เกือบทั้งหมดที่ล้อมรอบตัวเราจะสามารถเชื่อมต่อผ่านเครือข่าย ทำให้การตรวจสอบและควบคุมสามารถทำได้จากทุกพื้นที่ที่อินเทอร์เน็ตเข้าถึงได้ อย่างไรก็ตาม การฝึกอบรมรวมถึงบทความและเอกสารภาษาไทยที่มีอยู่ในปัจจุบันยังมุ่งเน้นงานประเภทเก็บข้อมูลและแสดงผล หรือการสั่งงานในลักษณะปิดเปิดเป็นหลัก ในขณะที่งานอุตสาหกรรมหลายประเภทต้องอาศัยระบบควบคุมป้อนกลับ เช่น เครื่องซีเอ็นซี หุ่นยนต์ การควบคุมระดับน้ำ แรงดัน หรือกระบวนการทางเคมี ซึ่งทำให้อัลกอรึทึมบนระบบฝังตัวมีความซับซ้อนมากขึ้น และต้องใช้ทรัพยากรทางฮาร์ดแวร์เช่นไทเมอร์เพื่อความแม่นยำในการสุ่มสัญญาณ

การติดตั้งและแก้ปัญหาไลบรารีสำหรับ ESP32 เพื่อใช้งานกับ Arduino IDE และ NETPIE

Update : บทความนี้ได้เขียนขึ้นในขณะที่ ESP32 เพิ่งออกสู่ตลาดเป็นเวลาไม่นาน ทำให้ขั้นตอนการติดตั้งเครื่องมือพัฒนามีความยุ่งยากโดยเฉพาะสำหรับผู้เริ่มต้น ณ ปัจจุบันการติดตั้ง ESP32 Arduino Core สามารถทำผ่าน Board Manager เช่นเดียวกับ ESP32 Microgear ที่ใช้ Library Manager ช่วยให้มีความสะดวกในการติดตั้งมากกว่าวิธีที่นำเสนอในบทความนี้ ดังนั้นเนื้อหาในบทความนี้จึงถูกเก็บไว้เพื่ออ้างอิงเท่านั้น แนะนำผู้อ่านติดตั้งเครื่องมือผ่าน Arduino IDE ซึ่งจะง่ายเหมือนกับการติดตั้งเครื่องมือ ESP8266

21 ตค 2562 : อ่านวิธีการติดตั้งล่าสุดได้จากภาคผนวก A บนเพจของหนังสือ "คู่มือนักพัฒนาไอโอที"

---

เชื่อว่าผู้อ่านหลายท่านคงได้ยินชื่อ ESP32 หรืออาจจะเคยลองเล่นบ้างแล้ว ESP32 เป็นผลิตภัณฑ์ใหม่จากบริษัท Espressif ผู้ผลิต ESP8266 ที่ได้รับความนิยมอย่างมากในปัจจุบัน โดยชิพตัวใหม่นี้มีคุณสมบัติที่เหนือกว่าหลายประการเช่น สามารถพัฒนาการสื่อสารทั้ง WiFi และ Bluetooth มีจำนวน ADC มากกว่า มีเอาต์พุต DAC มี 2 cores ฯลฯ วัตถุประสงค์ของบทความนี้มิใช่เป็นการลงรายละเอียดด้านฮาร์ดแวร์ของ ESP32 แต่เพียงเพื่อแนะนำการติดตั้งและแก้ปัญหาสำหรับผู้เริ่มใช้งานใหม่ ณ เวลาปัจจุบันที่เขียนนี้ (พย. 2560) ทั้งนี้เนื่องจากไลบรารีที่เกี่ยวข้องกับ ESP32 ยังอยู่ระหว่างการพัฒนาทำให้อาจเกิดปัญหาความเข้ากันไม่ได้ของซอฟต์แวร์ ซึ่งคงจะถูกปรับปรุงแก้ไขให้ดีขึ้นในอนาคต