การออกแบบระบบควบคุม IOT ตอนที่ 1 – Overview

ไอโอทีเส้นทางสู่เมืองอัจฉริยะ

Created with Sketch.

การออกแบบระบบควบคุม IOT ตอนที่ 1 – Overview

IOT เข้ามามีส่วนในการใช้ชีวิตประจำวันมากขึ้น โดยเฉพาะในภาคการเกษตรและอุตสาหกรรม สำหรับบทความนี้เราจะคุยเรื่อง การออกแบบสมาร์ทฟาร์มกันก่อนเลย

ขั้นตอนการออกแบบ

  1. วัตถุประสงค์ของระบบ
  2. ความสำคัญของระบบ
  3. แนวคิดหลัก องค์ประกอบหลัก
  4. งบประมาณ
  5. การเลือกใช้
  6. สภาวะไม่พึงปรารถนาและการป้องกัน
  7. รายละเอียดอัลกอริทึมในการควบคุม

เรามาเริ่มกันที่วัตถุประสงค์ เช่น เราต้องการให้มีการดูแลฟาร์มผัก ได้อย่างแม่นยำ ผักเติบโตแข็งแรงดี ไม่ตายปลอดภัยจากทุกสถานการณ์ ประหยัดค่าใช้จ่าย ดูแลติดตามสถานการณ์ได้ตลอดเวลา

เราก็ชัดเจนแล้วว่า ระบบของเราจะต้องตอบโ๗ทย์ที่ว่ามาให้ได้

แม่นยำ ก็ด้วย Sensor ที่ดี มีจำนวนเพียงพอ มากไปก็ไม่ประหยัด น้อยไปก็ได้ไม่คุ้มเสีย เช่น การวัดน้ำ จะวัดตรงไหนอย่างไร ว่าระบบมีน้ำเพียงพอ เช่น การใช้วัดระดับน้ำในถัง วัดการไหล วัดความชุ่มชื้นของผักต้นสุดท้ายในรางผัก หรือ วัดการทำงานของปั๊มน้ำ เช่น หากกระแสของปั๊มน้ำหายไป แปลว่าปั๊มหยุดจะด้วยเหตุการณ์อะไรก็ตาม ก็จะต้องแจ้งเตือนเจ้าของ ผู้ดูแล

ต่อกันที่ ความสำคัญของระบบ ถ้าเราเทียบ 2 ระบบ เช่น ระบบแรกปิดเปิดไฟโรงรถ และระบบที่ 2 ควบคุมฟาร์มผัก ก็จะเห็นได้ชัดเจนทันทีว่า การออกแบบระบบปิดเปิดไฟในโณงรถ ดูจะไม่สำคัญมากหากจะมีอะไรผิดพลาด เช่น ปิดเปิดผิดเวลาไปเล็กน้อย แต่ห่กเป็นการปิดเปิดไฟ ในฟาร์มเลี้ยงสัตว์ ก็อาจจะทำให้สัตว์ตกใจตาย และเกิดความเสียหาย ในทั้ง 3 กรณีนี้จึงต้องออกแบบแตกต่างกันไป

จึงทำให้รูปร่างหน้าตาของระบบไม่เป็นมาตรฐานเหมือนกันหมด คงมีแค่บางส่วนที่เหมือนกัน เช่น บอร์ดควบคุมหลัก ที่ปกติก็จะต้องใช้เวลาในการซ่อมสร้าง และหากประกอบมาน้อย ราคาต่อหน่วยก็สูงตาม จึงต้องเลือกหาบอร์ดที่ครอบคลุมความต้องการ และมีราคาเหมาะสม

ก็จะมาถึงองค์ประกอบหลัก

  1. บอร์ดควบคุมหลัก ที่จะต้องรับแหล่งจ่ายไฟฟ้าได้ทั้งไฟบ้าน ไฟโซลาร์เซล และแบตเตอรี่
  2. จำนวนช่องที่จะรับ IO ทั้ง แบบ Analog และ Digital
  3. จำนวน Relay ขนาดรีเลย์ที่จะต้องเพียงพอ เช่น ระบบฟาร์ม โรงเรือน 1 หลัง อาจจะต้องการ รีเลย์ควบคุมมากถึง 8 ตัว เช่นปั๊มน้ำ 2 ตัว พัดลม 2 ตัว ก็อกน้ำ 3 ตัว สัญญาณแจ้งเตือน 1 ตัว และอาจจะต้องเผื่อการสำรอง
  4. เซนเซอร์ ที่จะต้องสำรวจจากท้องตลาดว่า เซนเซอร์เหล่านั้น มีการเชื่อมต่อสัญญาณแบบไหน เช่น I2C (SDA SCL), RS485 (A, B) Analog ธรรมดา หรือ OneWire (DS1820B) เป็นต้น เช่น ฟาร์มผัก จะมีการวัด (1)EC, (2)pH ชองน้ำ (3) Moisture, Temp อากาศ , (4) Temp moisture ของดิน (5) ความชื้นในรางผัก (6) วัดแสง (7) การใช้ไฟฟ้า ด้วย PZEM(RX, TX)
  5. แพลตฟอร์ม และแอพสำหรับการควบคุม ผ่านอินเตอร์เน็ต ความเสถียร การป้องกันกรณีเน็ตล่มไปหลายวัน ระบบจะดูแลตัวเองอย่างไรเป็นต้น ปรับเปลี่ยนค่าควบคุมระหว่างวันจากมือถือได้หรือไม่

ขั้นต่อไป ก็มาไล่เรียงดูว่า ที่เราว่ามาทั้งหมดนั้น แต่ละรายการ มีค่าใช้จ่ายเท่าไหร่ คุ้มค่าที่จะให้มันมาดูแลแทนเราไหม และไหนเราจะต้องคอยดูแลมันอีก หรือว่าไม่ไหว เราควรรดน้ำ พรวนดินเองเลยดีกว่าไหม หรือปลูกลงดินจะง่ายกว่าไหม เป็นต้น

การทำฟาร์มด้วยระบบสมาร์ทจึงขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของเจ้าของว่าระบบนั้นสำคัญ หรือใหญ่ หรือมีมูลค่าผลกระทบความเสียหายขนาดไหน จำเป็นจะต้องเก็บข้อมูลสถิติเพื่อการวิเคราะห์มากเพียงไหน หากไม่ต้องการข้อมูล ความจำเป็นใช้ระบบนี้ก็ลดน้อยลง เหลือแต่ความเท่ห์ ทันสมัย

ก็มาถึงด่านการเลือกใช้ ที่ได้กบ่าวไว้แล้วในหัวข้อเซนเซอร์ บอร์ด ต่างๆ และที่จะกล่าวเพิ่มเติม คือ การเลือกใช้บริการแพลตฟอร์ม IOT ที่มีอยู๋มากมาย ทั้งฟรีและไม่ฟรี มีทั้งดีและไม่ดี ดังนั้นจึงต้องมีการทดลอง พิสูจน์ทั้งราคาและคุณภาพกัน รวมไปถึงการบริการให้คำปรึกษาหลังการขาย ว่าเราจะไม่ถูกลอยแพ โดนบังคับขายบอร์ด แล้วหายเลยเป็นต้น

ในทางกลับกัน ผู้บริการก็มีการเลือกของตัวเอง ก็ต้องพิจารณาความโหดของลูกค้าเช่นกันว่าจะมาแนวไหน หากต่างคนต่างโหดก็จบกัน แต่ก็อาจจะยังมีผู้ให้บริการใจดีที่ให้บริการฟรี เพื่อเกษตรกร เพื่อคนที่สนใจ ก็เป็นได้

สภาวะไม่พึงปรารถนาและการป้องกัน

  1. ไฟฟ้าดับ
  2. ปั๊มน้ำพัง
  3. รีเลย์เสีย
  4. อินเตอร์เน็ตค้าง
  5. น้ำแห้ง
  6. น้ำหมด
  7. รางรั่ว น้ำหายไป
  8. ฝนตกซ้ำ น้ำเยอะไป
  9. ค่า pH , EC สูงหรือต่ำไปแล้ว แต่การใช้สารปรับยังไม่ได้ผล หรือเติมมากเกินไป
  1. ป้องกันไฟดับ อย่างไร ก็ต้องมีไฟสำรอง เช่นแบตเตอรี่ หรือ Solar ดังนั้นบอร์ดจะต้องมี 12 Vdc รองรับแบตเตอรี่ โซลาร์ได้ อย่างไรก็ได้ หากไม่มีไฟฟ้า AC ปั๊มน้ำ อุปกรณ์ AC ก็คงทำงานไปไม่ได้เช่นกัน อาจจำเป็นจะต้องมี Inverter ขนาดใหญ่ 200-500 W
  2. ป้องกันปั๊มน้ำพัง ต้องป้องกันเรื่องท่อดูดอุดตัน หรือ การเชคน้ำแห้ง หรือการเช็คกระแสเกิน อาการปั๊มพังมักจะเป็นในกรณีที่ใช้ปั๊มมานาน จนหมดอายุ จึงต้องเลือกปั๊มให้เหมาะสมกับงาน และมีโปรแกรมการบำรุงรักษา ส่วนการแจ้งเตือนปั๊มหยุดทำงาน สามารถทำได้โดยการเชค กระแสที่ลดลง หรือเชค จากตำแหน่งหน้ารีเลย์ ซึ่งก็ขึ้นอยู่กับคามซับซ้อนของคนออกแบบแต่ละงาน
  3. รีเลย์เสีย นี่ก็อาจจะเกิดจากการทำงานถี่เกินไป ที่กระแสสูงๆ จนหน้าสัมผัสเสีย หรือ ขดลวดไหม้ บอร์ดจึงควรมีรีเลย์สำรองบ้าง เพื่อให้สามารถสลับใช้งานได้ชั่วคราว หรือยาวกว่านั้น แทนที่จะต้องไปซ่อมบอร์ด
  4. อินเตอร์เน็ตค้าง ใช่ครับ เพราะบอร์ดหลายรุ่นหลายตัวต้องการสัญญาณ WiFi ผู้ออกแบบโค้ดก็ต้องออกแบบให้สแกนหาได้หลาย ssid และหากทุก ssid ใช้การไม่ได้เลย ก็ต้องรักษาตัวเองให้รอด โดยการทำงานในโหมด ไร้ WiFi ได้ด้วย
  5. น้ำแห้ง น้ำหมด ควรจะใช้การเชคระดับน้ำด้วยลูกลอย ไม่ควรใช้ flow switch เพราะจะเกิดการอุดตันได้ เรื่องน้ำแห้งจะทำให้ปั๊มเสียหาย หรือผักตายได้ ก็จะต้องเลือกว่า เดินปั๊มจนพัง หรือ ยอมให้ผักตาย นี่เป็นคำถามสำหรับคนออกแบบ
  6. รางรั่ว น้ำหายไป ปรากฏการณ์นี้สุดท้ายจะทำให้ความชื้นในรางลดลง ผักในจุดเสี่ยงที่สุดจะไม่ได้รับน้ำ ควรติดตั้ง เซนเซอร์วัดความชื้นดินเล็ก ติดในช่องฟองน้ำปลูกผักในตะกร้าปลูกตามรูป
  7. ฝนตกซ้ำ น้ำเยอะไป ประเด็นนี้ต้องใช้การวัดความชื้นในการให้น้ำ แทนการตั้ง Timer Relay

และสุดท้ายก็มาถึงรายละเอียดในการควบคุม

เนื่องจากการควบคุม เราสามารถกำหนดได้ใน 2 แหล่ง คือ ในบอร์ดควบคุมเอง และจากระบบกลางหรือ Server ที่แนวโน้มจะไปเปนการคำนวณที่ Server เพราะระบบควบคุมใน MCU อาจจะไม่สามารถเข้าไปทำการเปลี่ยนแปลงอัพเดทได้สะดวก เช่น การติดตั้งในพื้นที่ห่างไกล หรือหากเป็นฟาร์มที่ มีคนดูแลตลอด เจ้าของ หรือ ผู้ที่มีความเข้าใจระบบสามารถดูแลได้ตลอดเวลา ทำให้การออกแบบ วิธีการควบคุมแตกต่างกันไป เช่น หากเป็นห่วงเรื่องอินเตอร์เน็ตล่ม ก็ต้องออกแบบให้ระบบบอร์ดดูแลตัวเองให้ได้ เช่น การรตรวจ WiFi แล้วไม่เจอ จะให้ทำอย่างไร ต้องข้ามไปดทำระบบงานอื่นก่อนไหมแล้วค่อยมาตรวจหาอีกรอบ หรือจะรับค่า ควบคุมจากเน็ตก่อนเน็ตล่มมาใช้ไปก่อนมในโค้ดไหมเป็นต้น

บอร์ดควบคุมจึงต้องมีโปรแกรม ที่วัดและควบคุมทุกสถานการณ์ได้อย่างครบถ้วน และมันจะต้องถูกทำการทดสอบเป็นระยะเวลาหนึ่งเสมอ และเจ้าของฟาร์ฒจำเป็นจะต้องร้องขอโปรแกีมเฉพาะบอร์ดของตนเองไว้เป็นการสำรอง อย่างน้อยสำหรับการทำความเข้าใจ และใช้สำหรับการปรับปรุงระบบในภายหลังเป็นต้น

จะเห็นนะครับว่า การออกแบบระบบให้ทำงานได้ดีและเสถียรปลอดภัยนั้น ไม่ใช่เรื่องง่ายเลย และก็ไม่ใช่เรื่องยาก หากได้รับคำแนะนำจากผู้เชี่ยวชาญในเรื่องนี้จริง ๆ

เรายินดีให้บริการ คำปรึกษาในการพัฒนา ออกแบบ ประกอบสร้างและทดสอบ ให้ตรงกับความต้องการ ภายใต้งบประมาณที่เหมาะสมได้