โปรเจกต์ Geriatrino

แรงบันดาลใจ

ผมกำลังพัฒนาอุปกรณ์แจ้งเตือนแบบพกพาเพื่อนำไปติดตั้งในบ้านของผมที่หมู่บ้านเล็กๆ แห่งหนึ่งในสเปน วันหนึ่งขณะดูข่าวทางโทรทัศน์ ผมได้ยินข่าวว่าพบหญิงชราเสียชีวิตอยู่ในบ้านเพียงลำพัง เธอเสียชีวิตมานานหลายสัปดาห์หรืออาจจะหลายเดือนก่อนที่จะมีคนไปกดกริ่งหน้าบ้านแล้วสังเกตเห็นว่ามีบางอย่างผิดปกติ น่าเสียดายที่นี่ไม่ใช่ครั้งแรกที่ผมได้รับรู้เหตุการณ์ในลักษณะนี้ นอกจากนี้ ผมยังมีคุณป้าที่อาศัยอยู่คนเดียวมาตลอดสามปีที่ผ่านมา แม้ว่าเธอจะสวมปุ่มกดแจ้งเตือนที่ได้รับจากหน่วยงานดูแลสังคม แต่ครั้งหนึ่งเธอเกิดหน้ามืดกะทันหันและล้มลงบนพื้นห้องครัวจนไม่สามารถกดปุ่มได้ เมื่อเธอฟื้นขึ้นมาหลังจากผ่านไปหลายชั่วโมง เธอก็พบว่าตัวเองนอนจมกองเลือดอยู่

จากนั้นผมจึงตระหนักได้ว่า เพียงแค่ปรับปรุงการออกแบบและแก้ไข Software เล็กน้อย ระบบแจ้งเตือนแบบพกพาที่เรียบง่ายของผมก็สามารถกลายเป็นวิธีที่มีประโยชน์ในการหลีกเลี่ยงสถานการณ์แบบนี้ได้ มันจะต้องเป็นอุปกรณ์ที่มีราคาประหยัด มีประสิทธิภาพ และไม่มีค่าธรรมเนียมรายเดือน

รุ่นพื้นฐานจะประกอบด้วย PIR (Passive infrarred) 2 ตัว และ Sensor ตรวจจับการเปิดประตู 1 ตัว สำหรับส่วนของหน่วยควบคุม (control unit) คุณสามารถเลือกตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับแต่ละกรณีได้ ผู้สูงส่วนใหญ่มักไม่คุ้นเคยกับเทคโนโลยี ในกรณีของผม ตอนแรกผมจึงคิดถึง Board Arduino MKR 1400 เพื่อส่ง SMS แจ้งเตือน โดยคุณแค่ต้องมี SIM card แบบเติมเงินเพื่อเชื่อมต่อกับเครือข่ายโทรศัพท์มือถือ แต่คุณสามารถพิจารณา Board อื่นๆ ได้หากที่บ้านมี Internet หรือหากมีสัญญาณครอบคลุมในพื้นที่ ก็อาจเลือกใช้การเชื่อมต่อแบบ LPWAN ได้ ซึ่งในกรณีนี้สามารถใช้ Push notification เพื่อส่งข้อความเตือนได้

ผมตัดสินใจรวม PIR motion sensors เข้าด้วยกัน 2 ตัว เพื่อลดจำนวนการทำงานที่ผิดพลาด (false activations) ของอุปกรณ์ประเภทนี้อย่างเห็นได้ชัด โดยใน Sketch จะกำหนดให้มีการตรวจจับการเคลื่อนไหวที่ถูกต้องก็ต่อเมื่อ Sensors ทั้งสองตัวทำงานพร้อมกันเท่านั้น นอกจากนี้ ผมยังได้เพิ่ม Software control เพื่อแจ้งเตือนเมื่อมีการทำงานของ Sensor ตัวใดตัวหนึ่งเพียงตัวเดียวในจำนวนครั้งที่ผิดปกติภายในหนึ่งวัน ซึ่งเหตุการณ์นี้อาจบ่งบอกถึงความผิดปกติและควรเปลี่ยน Sensor ตัวนั้น

Sensor ตรวจจับการเปิดประตูทำให้ระบบมีความน่าเชื่อถือมากขึ้น และทำให้ใช้งานได้แม้จะมีสัตว์เลี้ยงอาศัยอยู่ในบ้านร่วมกับคนที่ถูกดูแล

เพื่อให้ไม่ต้องกังวลเรื่องการบำรุงรักษา ผมจึงตัดสินใจทำเป็นอุปกรณ์แบบ Modular ที่ไม่มีส่วนประกอบใดที่ต้องใช้แบตเตอรี่แบบไร้สาย

ผมคิดว่าตู้เย็นเป็นสถานที่ที่เหมาะสมที่สุดในการติดตั้งอุปกรณ์นี้:

• เพราะแทบทุกบ้านมีตู้เย็น และมักจะมีปลั๊กไฟอยู่ใกล้ๆ

• เพราะปกติแล้วตู้เย็นจะถูกใช้งานวันละหลายครั้ง (มื้อเช้า, มื้อกลางวัน, มื้อเย็น)

• เพราะมันมีประตู และคุณสามารถมั่นใจได้ว่าคนๆ นั้นจะปิดมันอย่างเรียบร้อย เพื่อไม่ให้อาหารและเครื่องดื่มข้างในเสีย

ในการทำให้มันใช้งานได้ คุณต้องตั้งค่าบางอย่างก่อน:

• คุณต้องตั้งค่าหมายเลขโทรศัพท์ของบุคคลที่จะรับข้อความแจ้งเตือน (ญาติ, เพื่อนบ้าน, หน่วยงานดูแลสังคม... )

• ขึ้นอยู่กับรูปแบบของข้อความ คุณอาจต้องตั้งค่าพารามิเตอร์อย่างใดอย่างหนึ่งหรือหลายอย่างต่อไปนี้: หมายเลข PIN ของ SIM card, SSID และรหัสผ่านของ Internet Access Point, User และ Application keys สำหรับ Push notifications เป็นต้น

• คุณต้องตัดสินใจและตั้งค่าช่วงเวลาที่ไม่มีกิจกรรมใดๆ เกิดขึ้นใกล้ตู้เย็น (ทั้งการเคลื่อนไหวหรือการเปิดประตู) เพื่อให้ระบบส่งสัญญาณเตือน นอกจากนี้ คุณต้องตั้งเวลาเริ่มต้นและระยะเวลาที่ผู้ที่ถูกดูแลนอนหลับ ด้วยวิธีนี้ ในช่วงเวลาดังกล่าว การไม่มีกิจกรรมจะถูกละเว้นและจะไม่มีการแจ้งเตือนเกิดขึ้น คุณจำเป็นต้องรู้พฤติกรรมการนอนของบุคคลนั้นและปรับพารามิเตอร์เวลาให้เหมาะสม เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานของ Geriatrino

ในกรณีของผม ผมได้ตั้งช่วงเวลาไว้ที่ 5 ชั่วโมงที่ไม่มีกิจกรรมใดๆ ใกล้ตู้เย็นเพื่อให้ส่งการแจ้งเตือน หากคุณตั้งเวลาสั้นกว่านี้ คุณอาจได้รับการเฝ้าติดตามที่ใกล้ชิดขึ้น แต่คุณก็อาจได้รับข้อความเตือนที่ผิดพลาดจำนวนมากหากคนๆ นั้นไม่ได้เข้าไปในห้องครัวในช่วงเวลา 3 หรือ 4 ชั่วโมง

ผมคิดว่าสามารถปรับเปลี่ยนบางอย่างใน Arduino sketch เพื่อให้ช่วงเวลาแรกในตอนเช้าหลังจากสิ้นสุดช่วงเวลาพักผ่อน เป็นครึ่งหนึ่งของช่วงเวลาแจ้งเตือนปกติที่ตั้งไว้สำหรับช่วงเวลาที่เหลือของวัน

ผมได้พัฒนา Sketch ไว้สองเวอร์ชัน:

ในเวอร์ชันแรกที่เรียบง่ายที่สุด คุณสามารถตั้งค่าพารามิเตอร์ทั้งหมดที่กล่าวมาได้โดยตรง โดยการกำหนดค่าที่ถูกต้องให้กับ Variable ใน Sketch ก่อนฟังก์ชัน “setup()”

แต่ในไม่ช้าผมก็ตระหนักว่ามันเป็นกระบวนการที่ยุ่งยากเมื่อคุณต้องการเปลี่ยนหรืออัปเดตค่าบางอย่าง คุณต้องพก Laptop ไปที่บ้านที่ติดตั้ง Geriatrino เชื่อมต่ออุปกรณ์ทั้งสอง และทำการแก้ไขโดยตรงใน Sketch โดยใช้ Arduino IDE

ดังนั้นผมจึงคิดว่าการตั้งค่าเหล่านี้ควรทำได้โดยใครก็ได้ ไม่ว่าเขาจะเป็น Maker หรือไม่ก็ตาม จากนั้นผมจึงเขียน Sketch เวอร์ชันที่สองซึ่งซับซ้อนกว่า ในกรณีนี้คุณจะใช้ App ในโทรศัพท์มือถือหรือ Tablet เพื่อตั้งค่าการกำหนดค่าต่างๆ โดยสร้างการเชื่อมต่อ Bluetooth กับ Geriatrino ฟังก์ชัน “loop()” แทบไม่มีการเปลี่ยนแปลง แต่ฟังก์ชัน “setup()” จะซับซ้อนขึ้นมาก ในการเขียนโปรแกรม App ผมใช้แพลตฟอร์ม MIT App Inventor

Sketch ที่มีอยู่ใน Arduino Project Hub คือเวอร์ชันที่ยาวที่สุด กล่าวคือ คุณต้องไปที่ App Inventor Gallery และค้นหา App “GERIATRINO_CONF_English” จากนั้นแปลงเป็นไฟล์ ".apk" แล้วดาวน์โหลดและติดตั้งในโทรศัพท์มือถือหรือ Tablet ของคุณ หรือคุณสามารถดาวน์โหลดไฟล์ ".apk" ได้โดยตรงจากส่วน Hardware-Schematics ของโปรเจกต์นี้

(App นี้ใช้งานได้เฉพาะอุปกรณ์ที่ใช้ระบบ Android เท่านั้น)

หากคุณไม่ต้องการใช้ App คุณสามารถดูได้ใน Code ตรงส่วนก่อนฟังก์ชัน setup() ซึ่งจะมีบรรทัดที่ถูก Comment ไว้เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงที่คุณต้องทำใน Software เพื่อกำหนดค่า Geriatrino โดยตรงโดยใช้ Arduino IDE

ในที่สุดผมก็ตัดสินใจทำให้มันทำงานเป็นระบบแจ้งเตือนภัย (alarm system) ได้ด้วย ดังนั้นผมจึงเพิ่ม Software ที่จำเป็นเพื่อให้ได้อุปกรณ์ที่ใช้งานได้เอนกประสงค์ หลังจากป้อนหมายเลขโทรศัพท์ติดต่อใน App แล้ว คุณสามารถเลือกโหมดการทำงานได้: “Geriatrino mode” หรือ “Alarm mode” หากเลือก Alarm mode ไม่ควรวางอุปกรณ์ไว้ที่ตู้เย็น และคุณต้องหาประตูที่เหมาะสมในบ้านเพื่อให้ฟังก์ชันการแจ้งเตือนทำงานได้อย่างถูกต้อง

ขั้นตอนที่ 1

เมื่อคุณได้ส่วนประกอบทั้งหมดแล้ว คุณต้องรวบรวมพวกมันไว้ในกล่องบรรจุเพื่อให้ทำงานร่วมกันได้

ผมใช้โปรแกรมสร้างแบบจำลอง 3 มิติ FreeCAD ออกแบบกล่องบรรจุที่คุณสามารถหาได้ใน Thingiverse ภายใต้ชื่อ “Geriatrino Frame Set” ซึ่งมีสามส่วนคือ: Geriatrino Case, Geriatrino Cover และ Geriatrino Leg คุณสามารถดาวน์โหลดได้จากส่วน Hardware-CAD ของโปรเจกต์นี้เช่นกัน

เมื่อพิมพ์ Geriatrino Cover คุณจะต้องใช้ Cutter ค่อยๆ ตัดชั้นวัสดุบางๆ ออกเพื่อให้ได้ช่องสำหรับ PIR และช่องสำหรับ LED ในตัว ผมต้องทำแบบนี้เพื่อให้ได้ผลลัพธ์การพิมพ์ที่ดีขึ้นด้วยเครื่องพิมพ์ 3D พื้นฐานของผม

ในการติดตั้งส่วนประกอบต่างๆ ในกล่องนี้ ให้ดำเนินการดังนี้:

วาง Lipo battery ไว้ที่ด้านล่างของ Case ตรงกลางพอดี เพื่อให้ JST connector อยู่ทางด้านบนซ้าย เพื่อให้เชื่อมต่อกับ JST connector ตัวเมียของ Board MKR1400 ได้ง่าย ผมใช้เทปกาวสองหน้าเพื่อยึดแบตเตอรี่เข้ากับด้านล่างของ Case

ผมใช้แบตเตอรี่เพื่อให้แน่ใจว่า Geriatrino จะยังคง ทำงาน ได้ต่อไปอีกสองสามชั่วโมงในกรณีที่ไฟฟ้าดับ

เหนือแบตเตอรี่ ผมติด Mini breadboard พร้อมกับ Board Arduino หากคุณจะใช้การออกแบบกล่องของผม คุณต้องปฏิบัติตาม Layout นี้อย่างเคร่งครัด เพราะรูทั้งหมดถูกกำหนดตำแหน่งมาอย่างดีเพื่อให้ตรงกับส่วนประกอบต่อไปนี้ของ Board: microUSB connector, ช่องใส่ SIM card, LED ในตัว และปุ่ม Reset ในตัว (คุณสามารถเพิ่ม LED ภายนอกและปุ่ม Reset ได้ แต่ผมตัดสินใจลดจำนวนส่วนประกอบภายนอกให้เหลือน้อยที่สุด)

ดูในรูปภาพ 4 และ 5 ว่า Board MKR1400 ถูกวางไว้ใน Mini breadboard โดยให้มีช่องว่างเหลือเพียงหนึ่งแถวทางด้านซ้าย และสองแถวทางด้านขวา Pins ตัวผู้ตัวแรกของ Board (Pin 5 V และ AREF) จะถูกเสียบไว้ในแถวบนสุดของ Mini breadboard ด้วยวิธีนี้คุณจะมีรูที่ว่างจากการเชื่อมต่อสามแถวที่ด้านล่าง

ดูรายละเอียดในรูปภาพ 5 เกี่ยวกับ Bluetooth Module ที่วางไว้ทางด้านขวา ถัดจาก Board MKR1400

คุณสามารถทำตามไฟล์ Geriatrino schematics.fzz จากส่วน Hardware-Schematics เพื่อเชื่อมต่อส่วนประกอบต่างๆ ผมใช้สาย Jumper เพื่อเพิ่มการเชื่อมต่อ GND จาก Board GND pin ไปยังด้านล่างขวาของ Breadboard

ผมบัดกรีไม่เก่งและไม่มีประสบการณ์ในการออกแบบ PCB ผมมั่นใจว่า Layout สามารถปรับปรุงให้ดีขึ้นได้เพื่อให้การเชื่อมต่อมีความน่าเชื่อถือมากขึ้นและมีขนาดเล็กลง

สำคัญ - ก่อนวาง PIR sensors บนฝาครอบ อย่าลืมตั้งค่าการปรับ sensitivity และการปรับ time-delay ให้เหลือน้อยที่สุด วิธีทำคือ วาง PIR sensor โดยให้ฝาครอบพลาสติกสีขาวคว่ำลง แล้วหมุนตัวควบคุมสีส้มทั้งสองตัวในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา ไปทางด้านบนซ้าย วิธีนี้จะทำให้คุณได้ค่า sensitivity ต่ำสุดเพื่อลดจำนวนการตรวจจับที่ผิดพลาด และระยะเวลาสัญญาณ Output ต่ำสุด (เพียงไม่กี่วินาที) เพื่อให้ตรงตามความต้องการของ Software

หลังจากเชื่อมต่อภายในทั้งหมดเสร็จแล้ว คุณเพียงแค่ประกบรูของ Case ให้ตรงกับคลิปพลาสติกของฝาครอบ และสุดท้ายขันสกรูตัวเล็กๆ สองตัวที่ด้านข้างทั้งสองด้าน

หลังจากประกอบ Geriatrino และก่อนที่จะติดตั้ง ผมแนะนำให้คุณตรวจสอบว่า Sensors เชื่อมต่อถูกต้องหรือไม่ สามารถใช้ Sketch ง่ายๆ เพื่อให้แน่ใจว่ามันทำงานได้อย่างถูกต้อง

ขั้นตอนที่ 2

ผมคิดว่าตัวเลือกที่ดีที่สุดในการวาง Geriatrino คือด้านบนของตู้เย็น ใกล้กับประตู วิธีนี้จะทำให้ยากต่อการชนหรือเคลื่อนย้าย และคุณสามารถเดินสายไฟไปด้านหลังเพื่อเสียบปลั๊กได้ง่าย หากคุณเลือกตัวเลือกนี้ คุณควรพิมพ์ Geriatrino legs สองอัน แล้วเสียบเข้าไปในช่องที่ด้านล่างของ Geriatrino case (ใช้เทปกาวสองหน้าเพื่อติดขาตั้งเข้ากับพื้นผิวด้านบนของตู้เย็น)

คุณสามารถวางอุปกรณ์ไว้ที่ประตูตู้เย็นได้เช่นกัน หากนี่คือทางเลือกของคุณ ให้ดูในรูปที่ 4 ซึ่งมีแม่เหล็กนีโอดิเมียมสองตัวอยู่ที่มุมด้านล่างภายในโครง Geriatrino มันจะยึดอุปกรณ์เข้ากับประตูตู้เย็นที่เป็นโลหะอย่างแน่นหนา ผมได้ทำการทดสอบแล้วและแม่เหล็กไม่รบกวนสัญญาณของ PIR อีกทางเลือกหนึ่งคือการยึด Geriatrino โดยใช้เทปกาวสองหน้า คุณต้องพิจารณาด้วยว่าสายไฟจะต้องถูกยึดไว้ที่พื้นผิวประตูและจัดวางในลักษณะที่ไม่ขัดขวางการเปิดประตู หากสายไฟยาวไม่พอ คุณจะต้องใช้สายพ่วงเพื่อไปให้ถึงปลั๊กไฟ

ขั้นตอนที่ 3

เมื่อคุณติดตั้ง Geriatrino เรียบร้อยแล้ว คุณต้องกำหนดพารามิเตอร์ที่จำเป็นใน Sketch

ในการทำเช่นนี้ คุณต้องไปที่ App Inventor Gallery ค้นหา App GERIATRINO_CONF_English จากนั้นแปลงเป็นไฟล์ .apk แล้วดาวน์โหลดและติดตั้งในโทรศัพท์มือถือหรือ Tablet ของคุณ ตัวเลือกที่ง่ายกว่าคือดาวน์โหลดไฟล์ ".apk" โดยตรงจากส่วน Hardware-Schematics ของโปรเจกต์นี้ หลังจากนี้คุณก็พร้อมที่จะเริ่มการตั้งค่า (App นี้ใช้งานได้เฉพาะอุปกรณ์ที่ใช้ระบบ Android เท่านั้น)

ขั้นแรกให้เสียบปลั๊ก Geriatrino และตรวจสอบให้แน่ใจว่ามันเปิดอยู่

จากนั้นเปิด App ในสมาร์ทโฟนของคุณและทำตามคำแนะนำ ซึ่งค่อนข้างชัดเจน

App นี้ได้รับการพัฒนาเพื่อกำหนดค่า Board Arduino MKR1400 GSM ดังนั้นคุณจะต้องป้อนหมายเลขโทรศัพท์เพื่อส่งข้อความ SMS แจ้งเตือน และหมายเลข PIN ของ SIM card หลังจากบันทึกข้อมูลเหล่านี้แล้ว คุณจะถูกถามให้เลือกโหมดการทำงาน:

• หากคุณเลือก Alarm Mode คุณจะไม่ต้องตั้งค่าอื่นเพิ่มเติม และคุณจะถูกถามให้ทำการทดสอบ Sensor โดยตรงเพื่อให้แน่ใจว่า Geriatrino ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ (จำไว้ว่าหากคุณใช้ อุปกรณ์เป็นสัญญาณกันขโมยพื้นฐาน การวางไว้ที่ประตูตู้เย็นจะไม่มีประโยชน์ และ คุณต้องหาสถานที่ที่เหมาะสมในบ้านของคุณ ใกล้กับประตู เพื่อให้มันทำงาน ได้อย่างมีประสิทธิภาพ)

• หากคุณเลือก Geriatrino Mode จากนั้นคุณจะต้องตั้งค่าช่วงเวลาที่ไม่มีกิจกรรมเพื่อเริ่มการแจ้งเตือน, ชั่วโมงและนาทีปัจจุบัน, และเวลาเริ่มต้นและระยะเวลาของช่วงเวลาพักผ่อนเพื่อยับยั้งข้อความแจ้งเตือนขณะที่ผู้ที่ถูกดูแลนอนหลับ จากนั้นคุณจะถูกถามให้ทำการทดสอบ Sensor

หากทุกอย่างถูกต้อง หมายเลขโทรศัพท์ที่ป้อนระหว่างการตั้งค่าจะได้รับ SMS พร้อมข้อมูลการกำหนดค่าทั้งหมด หากการทดสอบใดล้มเหลว จะมีการส่ง SMS แจ้งเตือนเพิ่มเติมเกี่ยวกับความล้มเหลวนั้น

หมายเหตุสำคัญ.- ไปที่บรรทัดที่ 311 ใน Sketch เพื่อดูว่ามีการเติม "+34" เข้าไปในทุกหมายเลขโทรศัพท์ที่ป้อน ซึ่งใช้ได้เฉพาะในกรณีที่คุณจะใช้อุปกรณ์กับหมายเลขโทรศัพท์ของสเปน เพื่อให้ใช้งานได้กับหมายเลขโทรศัพท์สากลอื่นๆ คุณควร Comment บรรทัดที่ 311 และใน App ให้ป้อนหมายเลขเต็ม นั่นคือ "+XXYYYYYYYYY" (+xx คือรหัสประเทศสากล และ yyyyyyyy คือหมายเลขโทรศัพท์ในแต่ละประเทศ)

Board อื่นๆ สามารถใช้เป็นหน่วยควบคุมในโปรเจกต์ Geriatrino ได้เช่นกัน หากคุณตัดสินใจที่จะใช้ Internet หรือเครือข่าย LPWAN เพื่อส่งข้อความแจ้งเตือนหรือ Push notifications คุณจะต้องปรับพารามิเตอร์ใน App และใน Arduino sketch เพื่อให้ใช้งานได้ แต่ฟังก์ชัน loop() ส่วนใหญ่จะยังคงเหมือนเดิม คุณเพียงแค่ต้องปรับปรุงส่วนของ Software ที่เกี่ยวข้องกับการส่งข้อความเท่านั้น

ผมหวังว่า Geriatrino จะเป็นประโยชน์สำหรับคุณ