โปรเจกต์ ระบบ Water Irrigation System แบบ Cloud Based, Autonomous และ Low-Power

ผมต้องการสร้างระบบรดน้ำต้นไม้อัตโนมัติสำหรับการใช้งานกลางแจ้งบนดาดฟ้า โดยมีข้อกำหนดหลักดังนี้:

ติดตั้งง่ายและดูเป็นระเบียบ (High "Wife Acceptance Factor"):

• ไม่มีสายไฟหรือการเดินสายเคเบิล

• ใช้แรงดันน้ำต่ำและใช้สายยางขนาดเล็กไปยังสถานีรดน้ำแต่ละจุด

ใช้งานง่ายในชีวิตประจำวัน:

• ไม่ต้องบำรุงรักษาหรือเปลี่ยนแบตเตอรี่

• ตรวจสอบและควบคุมผ่าน App ได้

• ต้องทำงานได้ด้วยตัวเองอย่างน้อย 3 สัปดาห์ (ระหว่างช่วงหยุดยาว) แต่ถ้าจะให้ดีควรทำงานได้ตลอดทั้งฤดูร้อน

ขยายระบบได้ง่าย (รองรับหลายอุปกรณ์):

• ราคาต่อหน่วยต่ำ

• ประกอบง่าย

• สามารถทำซ้ำได้

หมายเหตุ: เอกสาร Word ที่อยู่ใน GitHub ที่นี่ (link) ให้รายละเอียดได้ดีกว่า "เนื้อเรื่อง" ในที่นี้ เนื่องจาก ProjectHub ไม่อนุญาตให้จัดรูปแบบได้มากนัก

3 แนวทางการออกแบบโดยรวม (Overall Design drivers)

จากลักษณะการใช้งานหลัก จึงได้ตัดสินใจเลือกส่วนประกอบของระบบดังนี้:

ใช้ Solar panel เพื่อจ่ายไฟให้กับแบตเตอรี่ Li-Ion

ใช้แรงดันน้ำต่ำเพื่อให้สามารถใช้:

• สายยางขนาดเล็ก (ดูสวยงามกว่า ติดตั้งง่าย และลดความเสี่ยงที่น้ำจะรั่วไหลปริมาณมากหากสายยางแตก)

• Solenoid valve ที่ใช้พลังงานต่ำ

Arduino WeMos D1 Mini

• รองรับ Wifi

• ใช้พลังงานต่ำ (Low power)

• มี I/O เพียงพอต่อการใช้งาน

• ราคาถูก

• ขนาดเล็ก

• มีฐานข้อมูลความรู้ใน Community จำนวนมาก

• มีประสบการณ์ในการใช้งานอุปกรณ์เหล่านี้อยู่แล้ว

ระบบ Cloud based + App

• ไม่จำเป็นต้องให้อุปกรณ์ Online ตลอดเวลา (ช่วยประหยัดพลังงาน และทำงานได้ด้วยตัวเอง)

• เก็บข้อมูล Telemetry เมื่อระบบ Online

• ช่วยให้สามารถตรวจสอบและควบคุมอุปกรณ์ (ผ่าน App) ผ่านอินเทอร์เน็ตได้โดยที่อุปกรณ์ไม่จำเป็นต้อง Online ตลอดเวลา (คำสั่งจะถูกเก็บไว้ใน Cloud)

ออกแบบกล่อง 3D printed เอง

• เป็นวิธีที่เล็กและถูกที่สุด...และสนุกที่สุด เพราะผมจะได้ใช้งานเครื่องพิมพ์ของผมด้วย

Android app

• ผมมีโทรศัพท์และ Tablet ระบบ Android

• น่าจะเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการรวมเข้ากับ Google Cloud

4 ภาพรวมของระบบ (System overview)

5 Hardware & PCB

5.1 เครื่องมือ (Tools)

Hardware และ PCB ทั้งหมดออกแบบโดยใช้ KiCAD ไฟล์ทั้งหมดสามารถพบได้ใน GIT

ไฟล์โปรเจกต์: “irrigation v5.3.pro”

หมายเหตุ: ในขณะที่เขียนนี้ ผมได้ทำเวอร์ชัน 6.0 ออกมาแล้ว แต่ยังไม่ได้พิมพ์ PCB และทดสอบ ซึ่งสามารถดูได้ในภาคผนวก

เวอร์ชัน 5.3 ได้ถูกนำไปใช้งานจริงมาแล้วหนึ่งฤดูร้อนและทำงานได้ดี ส่วนเวอร์ชัน 6.0 จะเป็นการปรับปรุงการแปลงพลังงาน (Power conversion) ซึ่งในเวอร์ชัน 5.3 ค่อนข้างยุ่งยาก แต่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่ส่งผลต่อ Software

5.2 ภาพรวม (Overview)

โมดูล Hardware ทั้งหมดอยู่บน PCB เดียวกัน ยกเว้น:

• Solar panel

• Soil moisture probe (เซนเซอร์วัดความชื้นในดิน)

• Valve และ Valve driver (ซึ่งเป็นตัวแปลง 5V => 12V) โดย Valve และ Driver จะมีกล่อง 3D printed ของตัวเอง เพื่อให้สะดวกในการปักลงในดินแยกจากตัว Probe

• แบตเตอรี่ Lithium และ Solar panel ทั้งคู่จะเชื่อมต่อกับหน่วยชาร์จ (Charge unit) ซึ่งจะทำหน้าที่ชาร์จแบตเตอรี่เมื่อทำได้ และจ่ายไฟ Output 5V สำหรับอุปกรณ์

5.3 ส่วนประกอบ (Components)

สามารถดูได้ในไฟล์: irrigation v5.3.html (ฉบับแก้ไข)

5.4 วงจร (Schematics)

ดูได้ในไฟล์: irrigation v5.3.sch

5.5 PCB layout

ผู้ผลิต: https://firstpcb.com/

ดูได้ในไฟล์: irrigation v5.3.kicad_pcb

5.6 ข้อควรพิจารณาและหมายเหตุ

หากต้องการทำให้เล็กลงกว่านี้มาก วิธีแรกคือการเลิกใช้บอร์ดโมดูลต่างๆ และใช้เฉพาะตัวอุปกรณ์ (Components) ลงบนบอร์ดโดยตรง อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ต้องใช้เวลาทำงานค่อนข้างมากและถือว่าไม่คุ้มค่าเหนื่อย

5.7 การส่งออก PCB เพื่อสั่งพิมพ์

5.7.1 การส่งออกเป็นไฟล์ Gerber

ผลลัพธ์ที่ได้ควรเป็นชุดไฟล์ดังต่อไปนี้:

ไปที่ File -> Plot

หมายเหตุ: ค่าที่ตั้งไว้อาจไม่ตรงกับค่าที่ถูกต้องทุกประการในภาพด้านล่าง

การเจาะรู (Drill holes):

6 การไหลของข้อมูลและโครงสร้างข้อมูลระดับสากล (Data flow & global data structure)

หมายเหตุ: Firebase เป็นฐานข้อมูลแบบ JSON หมายความว่าไม่ได้จัดโครงสร้างเป็นตาราง (เหมือนฐานข้อมูลเชิงสัมพันธ์ทั่วไป)

6.1 การไหลของข้อมูลในระบบ (System Data Flow)

6.2 โครงสร้างข้อมูล (Data structure)

7 Google Firebase Cloud

เราใช้ Google Firebase Realtime database เป็นระบบ Cloud

7.1 การตั้งค่า (Configuration)

1. ไปที่ https://console.firebase.google.com/

2. ลงชื่อเข้าใช้งานหากจำเป็น

3. สร้างโปรเจกต์: Create project

• Name: irrigation

• i. โปรดทราบว่าชื่อนี้จะถูกนำไปใช้ในโค้ด Arduino (FIREBASE_HOST)

• ii. โค้ด Android (FB_PROJECT_ID) + ใน app/google-services.json

• ID: irrigation-XXXXXXX

4. เปิดใช้งานการทดลองใช้ฟรีหากจำเป็น

5. เลือก Develop => Database

6. เลือกสร้าง Realtime Database ใหม่ (ไม่ใช่ Cloud Firestore) เริ่มต้นใน Test mode แต่ควรเปลี่ยนในภายหลัง

6.1.1 Auth tokens (Database secrets)

ไปที่ Project overview -> Settings -> Service accounts

แสดงและคัดลอก “secret” เพื่อนำไปใส่ในโค้ด Arduino (โดยทั่วไปจะเรียกว่า FIREBASE_AUTH)

7.2 ลิงก์ที่เกี่ยวข้อง

https://github.com/GoogleCloudPlatform/google-cloud-iot-arduino

https://console.cloud.google.com/home/dashboard?project=cohesive-photon-227011

https://console.cloud.google.com/iot/registries?project=cohesive-photon-227011&folder&organizationId&pli=1

https://console.cloud.google.com/iot/registries?project=autoirrigation&orgonly=true&supportedpurview=organizationId&walkthrough_tutorial_id=iot_core_quickstart

8 ซอฟต์แวร์ควบคุม Arduino

8.1 คุณสมบัติ (Features)

ซอฟต์แวร์ Arduino มีคุณสมบัติดังนี้:

การจัดการ Wifi

• อุปกรณ์จะค้นหา Hotspot ที่กำหนดไว้ล่วงหน้า และเชื่อมต่อกับตัวแรกที่มีความแรงของสัญญาณเกินเกณฑ์ที่ตั้งไว้ (เพื่อประหยัดพลังงาน เราจะไม่เชื่อมต่อกับ Hotspot ที่สัญญาณอ่อนมาก)

• มันจะจดจำ Hotspot ล่าสุดที่ใช้งานได้ดี ซึ่งช่วยให้สามารถย้ายอุปกรณ์ไปมาระหว่างสำนักงานและสวนได้

การจัดการ Deep sleep โดยใช้

• การตื่นตามเวลาที่กำหนด (Timed wakeup) มีการตั้งเวลา 3 ครั้งต่อวัน

• การตื่นเป็นระยะ (Periodic wake-up): ตั้งเวลาจนกว่าจะถึงการตื่นครั้งถัดไป

การจัดการหน่วยความจำถาวร (Persistent memory)

• รักษาข้อมูลการตั้งค่าให้ตรงกับใน Cloud เมื่อตื่นขึ้นมา จะอ่านค่าการตั้งค่าเพื่อดูว่าผู้ใช้มีการเปลี่ยนแปลงหรือไม่ ระหว่างการทำงาน ค่าการตั้งค่าบางอย่างอาจถูกเปลี่ยนและ Upload กลับไปที่ Cloud

• การตั้งค่าที่ใช้ภายในอุปกรณ์เท่านั้น เช่น รหัสผ่าน Wifi ล่าสุดที่ใช้งานได้

การทำ Multiplexing ของสัญญาณ Analog input

• อุปกรณ์สามารถควบคุม Multiplexer เพื่อให้อ่านค่าจาก Sensor หลายตัวได้ เนื่องจาก D1 mini มี Analog port เพียงพอร์ตเดียว

• คุณสมบัตินี้ยังควบคุมการจ่ายไฟให้กับ Sensor ด้วย (เพื่อให้ Sensor ใช้พลังงานเฉพาะตอนที่วัดค่าเท่านั้น)

การสื่อสาร Cloud ที่ปลอดภัย

• มีฟังก์ชันสำหรับสื่อสารกับ Firebase, Azure และ Google Cloud ซึ่ง Cloud แต่ละเจ้ามีข้อดีและข้อเสียต่างกัน โดยสามารถควบคุมได้ในขั้นตอนการ Compile

8.2 ส่วนประกอบของซอฟต์แวร์ (Software Components)

Globals (globals, firebasemodel)

• ประเภทและโครงสร้างข้อมูลระดับ Global

• ชื่อคงที่และค่าคงที่ระดับ Global

การตั้งค่าและการควบคุมหลัก (autoirrigation.ino)

• การตั้งค่าในขั้นตอน Compile time

• การตั้งค่าในขั้นตอน Runtime

• การตั้งค่า Debug

• ข้อมูลการยืนยันตัวตน (Authentication)

• โหมดการทำงาน (Test modes)

• ประเภทของอุปกรณ์ (ผมกำลังพัฒนา Sensor ตรวจจับก๊าซ CO อยู่ด้วย แต่ยังไม่เสร็จ)

• การสื่อสารทั้งหมดไปยัง Cloud (หมายเหตุ: มีซอฟต์แวร์ที่ใช้งานได้สำหรับทั้ง Azure และ Google Cloud)

พลังงานและการหลับ (Power & Sleep - deepsleephandler)

• การจัดการ Deep Sleep

หน่วยความจำถาวร (Persistent storage - persistentmemory)

• ควบคุมหน่วยความจำถาวรภายในของ D1 โดยทำหน้าที่เก็บข้อมูลให้ตรงกับใน Firebase

เซนเซอร์ (Sensors - analogmux, sensorhandler, soilhumiditysensor, watersensor, voltmeter, gassensor)

• การควบคุม Multiplexer

• การตั้งค่า (Sensor แต่ละชนิดสามารถใช้งานในรูปแบบที่ต่างกันได้)

• การเริ่มต้นระบบ (initialization)

• การตรวจสอบ (monitoring)

อุปกรณ์ขับเคลื่อน (Actuators - watervalve, LEDhandler)

• การตั้งค่าและลิงก์ไปยัง Sensor

• การเริ่มต้นระบบ (Initialization)

• การควบคุม (Controlling)

การจัดการ Wifi (Wifi mgt - wifi_nnr, wifihandler)

• การเริ่มต้นระบบ (Initialization)

• การเชื่อมต่อ (connectivity)

การสื่อสาร Cloud (รวมอยู่ใน autoirrigation.ino)

• การเชื่อมต่อ (connection)

• การรายงานผล (reporting)

8.3 เครื่องมือและการตั้งค่า

• Visual Studio Community 2019

• vMicro extension

8.3.1 การตั้งค่า vMicro extension

8.3.2 การ Upload ลงบอร์ด – ปัญหาและคำแนะนำ

มีสองสิ่งที่อาจทำให้เกิดปัญหาขณะ Upload:

• อย่าลืมกดปุ่ม “flash” เล็กๆ ก่อนทำการ Flash และต้อง “ปล่อย” ปุ่มเมื่อ Flash เสร็จ มิฉะนั้นบอร์ดจะไม่ Reset ซึ่งอาจจะเจอข้อความแจ้งเตือนว่า “The uploader process failed”

• หากบอร์ดอยู่ในช่วงการหลับ (Sleep) ต่อเนื่อง มันจะตื่นขึ้นมาแล้วกลับไปหลับทันทีทุกครั้งที่ Reset จนกว่าตัวนับเวลาจะถึงเป้าหมาย (เป็นศูนย์) คุณสามารถติดตามสิ่งนี้ได้ในหน้าต่าง Serial output ปิดการใช้งานนี้ได้โดยปิด UseSleepMode

• หากแรงดันแบตเตอรี่ต่ำเกินไป บอร์ดจะเข้าสู่โหมด Sleep ทันที ซึ่งอาจทำให้เกิด Crash dump ได้ ไม่แน่ใจว่าทำไมแต่มันมักจะเป็นแบบนี้ หากเกิดขึ้นให้รีบชาร์จแบตเตอรี่

8.4 คุณสมบัติในอนาคต:

การอัปเดตแบบ OTA (Over-the-air update) จะเป็นสิ่งที่ดีมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพราะอุปกรณ์เหล่านี้ถูกวางไว้กลางแจ้งในดิน

9 Android App

ผมอาจใช้คำศัพท์ผิดไปบ้างเพราะไม่ค่อยคุ้นเคยกับ Android แต่ App ง่ายๆ นี้สามารถทำงานได้

9.1 คุณสมบัติ (Features)

• เชื่อมต่อกับ Firebase เพื่ออ่านและเขียนข้อมูล

• แสดงกราฟของข้อมูล

9.2 ภาพรวม (Overview)

หน้าหลัก (Main layout):

• รายการอุปกรณ์ทั้งหมดใน Firebase พร้อมข้อมูลสำคัญและรหัสสีระบุสถานะ

หน้าอุปกรณ์เดียว (Single device layout)

• แสดงการตั้งค่าที่เกี่ยวข้องทั้งหมด (สีเหลือง) และข้อมูล Telemetry ของอุปกรณ์นั้นๆ

• มีตัวเลือกสำหรับล้างข้อมูล (Purge) ทั้ง Telemetry และ Log (เนื่องจากหากมีข้อมูลจำนวนมาก ผมยังไม่พบวิธีล้างข้อมูลผ่านหน้าเว็บ Firebase โดยตรง)

บริการเบื้องหลัง (Background service)

• รักษาการเชื่อมต่อระหว่าง Interface กับ Firebase และข้อมูล

9.3 การตั้งค่า (Configuration)

รับไฟล์การตั้งค่า google-services.json ได้จาก: https://support.google.com/firebase/answer/7015592?hl=en

9.4 เครื่องมือ (Tools)

ใช้ Android Studio

10 ข้ามแพลตฟอร์ม: การเพิ่มฟิลด์ใหม่ในฐานข้อมูล

10.1 Arduino

โครงสร้างข้อมูลถูกกำหนดไว้ในไฟล์ซอร์สโค้ด:

• Globals.h

• Persistentmemory.cpp

• AutoIrrigation.ino

• ฟังก์ชัน CreateTelemetryJson() จะเป็นตัวกำหนดข้อมูลที่จะส่งไป

10.2 Android

• ไฟล์ซอร์สโค้ดที่กำหนดโครงสร้างข้อมูลอยู่ที่ com.vanding.datamodel/

• FirebaseObject.java จะเป็นตัวรวบรวมข้อมูลนี้

• res/layout/content_main.xml และ content_single_device.xml จะเกี่ยวข้องกับส่วนที่แสดงผลทางสายตา

11 กล่องพิมพ์ 3D (3D printed case)

11.1 ลำดับการออกแบบ

1. จำลองโมเดลส่วนประกอบ Hardware แต่ละชิ้น แยกเป็นโปรเจกต์ต่างหาก

2. Import ส่วนที่จำเป็นเข้ามา

3. จัดวางตำแหน่งตามที่ต้องการ

4. สร้างฐานและพื้น โดยอ้างอิงตำแหน่งจากส่วนประกอบที่นำเข้ามา

11.2 ส่วนประกอบหลัก

• ไฟล์ F3d: โมเดล 3D ของส่วนประกอบ Hardware ช่วยให้การลองจัดวางรูปแบบต่างๆ ทำได้ง่ายขึ้นมาก

• ไฟล์ F3z: การออกแบบตัวกล่องสำหรับหน่วยรดน้ำ ซึ่งมีการ Import โมเดล Hardware เข้ามาใส่

11.2.1 กล่องหลักสำหรับ PCB

ไฟล์: Irrigation unit – Main box (side mounted)

11.2.2 กล่องส่วนบนพร้อม Solar panel

ไฟล์: Irrigation unit – Main box (side mounted)

11.2.3 กล่องสำหรับ Valve และ Valve driver

ไฟล์: Irrigation unit – valve box

11.3 ข้อควรพิจารณาและหมายเหตุ

หลักการคือทำให้ทนต่อฝนโดยใช้ความจริงที่ว่า “น้ำไม่ไหลย้อนขึ้นที่สูง” ดังนั้นมันจึงไม่ได้รับรองว่ากันน้ำหรือกันฝุ่นได้ 100% แต่สามารถทนต่อฝนตกหนักได้ ตราบใดที่อุปกรณ์ถูกติดตั้งลงในดินอย่างเหมาะสม

11.4 เครื่องมือ (Tools)

• AutoDesk’s Fusion360

• เครื่องพิมพ์ 3D XYZWare Da Vinci Mini w

12 ระบบจ่ายน้ำทางกายภาพ (Physical Water supply)

ก๊อกน้ำปกติจะให้แรงดันน้ำสูงเกินไป ดังนั้นการลดแรงดันน้ำจึงเป็นเรื่องสำคัญมาก ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับ:

• ลดความเสี่ยงที่น้ำจะรั่วไหลในกรณีที่เกิดความผิดปกติในจุดใดจุดหนึ่ง

• ลดการใช้พลังงาน เพราะแรงดันน้ำที่สูงขึ้นต้องใช้ Valve ที่แข็งแรงกว่าเดิม ซึ่งต้องการพลังงานมากขึ้นมาก

• ช่วยให้การติดตั้งดูเรียบง่ายขึ้น เช่น การใช้สายยางที่บางลง

12.1 Hardware

https://www.aliexpress.com/item/DN15-Adjustable-Brass-Water-Pressure-Reducing-Regulator-Valve-Internal-and-outer-thread-PN-1-6-and/32964829770.html

DN15 Adjustable Brass Water Pressure Reducing Regulator Valve Internal and outer thread PN 1.6 and Pressure Gauge.

• วัสดุ: ทองเหลือง

• ขนาดข้อต่อ: DN15(G1/2")

• ประเภทการเชื่อมต่อ: เกลียวใน / เกลียวนอก

• สิ่งที่อยู่ในกล่อง:

• 1 x Water Pressure Reducing Valve + ประแจ + เทปพันเกลียว

12.2 การปรับจูน

จากความจำของผม แรงดันน้ำควรอยู่ที่ประมาณ 0.1 Bar หากสูงเกินไป Valve จะไม่ทำงาน หากต่ำเกินไปจะใช้เวลารดน้ำนานเกินไป ซึ่งส่งผลให้การใช้พลังงานสูงขึ้น โดยปกติ Valve ที่เปิดค้างไว้จะใช้ไฟประมาณ ~10W (12V, 1A)

13 การใช้งานประจำวัน การติดตั้ง และการปรับจูน

13.1 การติดตั้ง

ความเหนื่อยในการสร้างจะคุ้มค่าเมื่อถึงขั้นตอนการติดตั้งที่ง่ายดาย:

• ติดตั้งสายยางส่งน้ำ

• ติดตั้งอุปกรณ์แต่ละตัว ตั้งชื่ออุปกรณ์ให้ดี และอาจจะติดสติกเกอร์ไว้ด้านนอกเพื่อให้คุณจดจำอุปกรณ์ได้ด้วยสายตา

• ตรวจสอบให้แน่ใจว่า Wifi ใช้งานได้ ตรวจสอบความแรงของสัญญาณ

• ตรวจสอบผ่าน App

14 ภาคผนวก A - Hardware & PCB เวอร์ชัน 6.0 – ยังไม่ได้ทดสอบ

เวอร์ชัน 6.0 เป็นการปรับปรุงการแปลงพลังงานให้ดีขึ้น ซึ่งในเวอร์ชัน 5.2 ค่อนข้างยุ่งยาก แต่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่ส่งผลต่อ Software

15 ประวัติบันทึก (Log History)

15-dec-2019

• เวอร์ชันสาธารณะเริ่มต้น