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

Topic: เรียนรู้ตัวกรองแบบดิจิทัลบน ESP8266 และ NETPIE

ในปัจจุบันอุปกรณ์ที่เป็นแบบแอนะล็อกทั้งในชีวิตประจำวัน ด้านการแพทย์ ในภาคอุตสาหกรรม และหลายสาขาวิชาเริ่มเหลือน้อยลงเนื่องจากข้อด้อยหลายประการเมื่อเทียบกับระบบดิจิทัลที่มาแทนที่ ตัวกรอง (filters) เป็นตัวอย่างหนึ่งที่ในอดีตสร้างจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่นตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำ ออปแอมป์ ปัญหาหลักที่เกิดขึ้นคือ วงจรจะกินพื้นที่แผ่นวงจรพิมพ์ตามขนาดและจำนวนของอุปกรณ์ หากต้องการเปลี่ยนโครงสร้างต้องออกแบบบอร์ดและลงอุปกรณ์ใหม่ บางครั้งหาค่าอุปกรณ์ที่คำนวณได้ไม่มีขาย อุปกรณ์มีการแปรค่าตามกาลเวลาและอุณหภูมิ การปรับความถี่คัทออฟต้องใช้อุปกรณ์แบบปรับค่าได้ซึ่งมีปัญหาเมื่อหน้าสัมผัสสกปรก แตกต่างจากอัลกอริทึมที่เป็นซอฟต์แวร์รันบนตัวประมวลผลที่มีความยืดหยุ่นมากกว่า และขจัดปัญหาต่างๆ ของระบบแอนะล็อกที่กล่าวถึงมา ในบทความนี้เราจะมาเรียนรู้การสร้างตัวกรองแบบความถี่ต่ำผ่าน (Low Pass Filter) หรือเรียกย่อว่า LPF โดยสามารถปรับความถี่คัทออฟ (cutoff frequency) ได้โดยคำสั่ง และเชื่อมต่อกับ NETPIE เพื่อปรับค่าได้จากระยะไกล นอกจากนั้นยังสร้างสัญญาณรบกวนขึ้นในโปรแกรมเพื่อศึกษาการทำงานของตัวกรอง

NETPIE Microgear : การสื่อสารโดยวิธี chat และ publish

NETPIE Microgear เป็นไลบรารีสนับสนุนสำหรับการพัฒนา IoT ร่วมกับ NETPIE โดยสามารถใช้ได้กับอุปกรณ์หลายประเภททั้งแบบฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ ผู้เขียนได้อธิบายการใช้งาน Microgear ขั้นพื้นฐานแล้วทั้งในเว็บนี้และในหนังสือ แต่จากปัญหาที่ถามโดยผู้ใช้งานพบว่าในบางกรณีต้องการการเชื่อมต่อที่นอกเหนือไปจากที่เคยกล่าวถึง เช่นการสื่อสารระหว่าง IoT หลายตัว ดังนั้นจุดมุ่งหมายของบทความนี้คืออธิบายภาพรวมของการสื่อสารโดยวิธี chat และ publish พร้อมสาธิตการรับส่งข้อมูลระหว่างบอร์ด NodeMCU 2 ตัวกับ NETPIE โดยหวังว่าจะตอบโจทย์ผู้พัฒนาที่ต้องการการทำงานในลักษณะดังกล่าว

การส่งข้อมูลจาก ESP32 ขึ้น NETPIE ผ่าน Arduino UNO + NB-IoT Shield

ปัจจุบัน NB-IoT เริ่มได้รับความนิยมมากขึ้นเมื่อมีเครือข่ายรองรับทั่วประเทศ โดยมีข้อดีด้านการใช้พลังงานน้อยและส่งได้ระยะทางไกล ทั้ง AIS และ True มีจำหน่ายผลิตภัณฑ์ NB-IoT shields โดยสามารถใช้งานร่วมกับบอร์ด Arduino ในตระกูล UNO/Mega และเมื่อไม่นานทีมพัฒนา NETPIE เริ่มเปิดตัวไลบรารี microgear สำหรับใช้งานร่วมกับ NB-IoT พร้อมบทความการใช้งานเบื้องต้น จากการทดสอบพบว่าใช้งานได้ดี ถึงแม้ว่าฟังก์ชันจะยังไม่ครบสมบูรณ์เท่ากับ microgear สำหรับฮาร์ดแวร์อื่นเช่น ESP8266 ก็ตาม

การใช้ REST API ดึงข้อมูลจาก Feed

ในหนังสือ “ระบบควบคุมและอินเทอร์เน็ตเชื่อมต่อสรรพสิ่ง” ที่อยู่ระหว่างจัดทำต้นฉบับเพื่อส่งสำนักพิมพ์พิจารณา ผู้เขียนได้เพิ่มเติมเนื้อหาเกี่ยวกับการดึงข้อมูลจาก NETPIE Feed โดยใช้ REST API เพื่อนำมาพล็อตและวิเคราะห์ใน Scilab หลังจากนั้นสามารถเขียนข้อมูลรูปแบบ CSV เพื่อเปิดใน Excel ได้ เห็นว่าอาจเป็นประโยชน์สำหรับผู้ใช้งานโดยทั่วไป ที่ถึงแม้อาจไม่ได้ใช้ Scilab แต่สามารถนำแนวทางไปพัฒนาซอฟต์แวร์โดยภาษาที่ตนถนัดได้ เลยขอแชร์เนื้อหาและสคริปไฟล์ไว้ ณ โอกาสนี้

ทดสอบ push notification บน NETPIE App

นับตั้งแต่ทีม NETPIE ได้พัฒนาแอปปลิเคชันบนโทรศัพท์มือถือมาได้ระยะหนึ่ง โดยมีส่วนแจ้งเตือนแบบพุช (push notification) เมื่อเกิดเหตุการณ์ที่ผู้ใช้สนใจและกำหนดให้มีการแจ้งเตือน แต่ในช่วงเริ่มต้นบุคคลทั่วไปยังไม่ทราบวิธีการใช้งาน จนกระทั่ง NETPIE ได้ออกบทความอธิบายในส่วนนี้เพิ่มเติมในเวลาต่อมา ดังนั้นในบทความนี้เราจะมาศึกษากันว่า ส่วนแจ้งเตือนนี้มีประโยชน์อย่างไรรวมถึงการประยุกต์ใช้ในงานควบคุมอุตสาหกรรม

หมายเหตุ : เพื่อการเรียนรู้อย่างเป็นรูปธรรม การทดสอบนี้จะกระทำกับระบบควบคุมถังน้ำ 3 ระดับ เดิมต้องอาศัยบอร์ด LAG3-ESP32 ที่แจกให้กับผู้เข้าอบรม แต่ปัจจุบันผู้อ่านสามารถทดสอบได้โดยอาศัยการจำลองพลานต์นี้บนผลิตภัณฑ์ ESP32 ที่ท่านมีอยู่โดยไม่ต้องมีฮาร์ดแวร์เพิ่มเติมใดๆ รายละเอียดเพิ่มเติมอ่านได้จากบทความ "การจำลองฟังก์ชันถ่ายโอนของพลานต์บน ESP32" โปรแกรมประกอบบทความนี้จะตั้งให้ใช้พลานต์จำลอง หากต้องการเปลี่ยนเป็นใช้บอร์ด LAG3 ให้ใช้คำสั่ง psim=off ผ่านพอร์ตอนุกรม

การจำลองฟังก์ชันถ่ายโอนของพลานต์บน ESP32

เว็บนี้ได้นำเสนอการพัฒนาตัวควบคุมป้อนกลับบน ESP32 มาสักช่วงระยะเวลาหนึ่ง โดยมากตัวอย่างในบทความก่อนหน้านี้จะอาศัยบอร์ด LAG3-ESP32 ซึ่งผู้ที่เคยฝึกอบรมกับเราจะได้รับไปพร้อมกับบอร์ด WEMOS LOLIN32 ทำให้สามารถทดลองตามไปได้ เป็นปัญหาสำหรับผู้ไม่มีบอร์ดและไม่มีเวลาบัดกรีวงจรอิเล็กทรอนิกส์บนบอร์ดอเนกประสงค์ บทความนี้จึงนำเสนอการจำลองพลานต์ LAG3 บน ESP32 ที่ให้ผลตอบสนองเช่นเดียวกับที่ได้จากวงจรอิเล็กทรอนิกส์โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์ใดเพิ่มเติมนอกจากบอร์ด ESP32 จากบริษัทใดก็ได้ที่ผู้อ่านมีอยู่ วิธีการนี้สามารถใช้จำลองพลานต์ใดๆ ที่บรรยายในรูปฟังก์ชันถ่ายโอน มีประโยชน์อย่างยิ่งในกรณีที่ต้องการพัฒนาทั้งตัวควบคุมและพลานต์ไปพร้อมกัน