Overview

คนเป็นพ่อเป็นแม่น่ะนะ เค้าก็ห่วงลูกหลานเป็นธรรมดา อยากให้ไปโรงเรียนให้ทันเวลา แถมต้องกลับบ้านให้ตรงเส้นทางที่วางไว้ด้วย

เจ้าโปรเจกต์ SmartWay ตัวนี้แหละจะมาช่วยปลดล็อกความกังวลพวกนี้เอง พี่จะพาพวกแกมาทำเครื่องคอยส่อง (Monitor) พิกัดตอนไป-กลับโรงเรียน เพื่อให้มั่นใจว่าเด็กๆ เดินตามเส้นทางที่เหมาะสมเพื่อไปให้ถึงจุดหมายอย่างปลอดภัย

เจ้า SWay จะคอย Monitor พิกัด Geolocation โดยใช้ GPS และจะยิง e-mail ไปบอกผู้ปกครองทันทีถ้าเด็กดันออกนอกเส้นทางที่กำหนดไว้ นอกจากนี้ SmartWay ยังส่ง e-mail รายงานตอนถึงบ้านหรือถึงโรงเรียน รวมถึงฟ้องด้วยนะถ้าไปสาย! ทีนี้ผู้ปกครองก็จิบกาแฟรอชิลล์ๆ ได้เลย เพราะรู้ว่าลูกหลานถึงที่หมายปลอดภัยหายห่วง

Functionality

SmartWay จะคอยเช็กพิกัด Geolocation ตลอดเวลาตั้งแต่ตื่นยันถึงบ้านเลยว่ะน้อง ตัวเครื่องยังมี RGB LED กับ Vibrating motor (มอเตอร์สั่น) เอาไว้คอยเตือนน้องๆ ถ้าเกิดเดินออกนอกเส้นทางหรือไปสาย และจะแสดงความยินดีด้วยไฟสวยๆ เมื่อถึงโรงเรียน

ไอ้เจ้าเครื่องนี้ทำงานผ่านหลายฟังก์ชันเพื่อให้มั่นใจว่าปลอดภัยชัวร์

• Loop แรก if(off track) เอาไว้เช็กว่าเด็กออกนอกเส้นทางที่วางไว้หรือเปล่า ระบบจะนับจำนวนครั้งที่เกิดขึ้นด้วยนะ ถ้าออกนอกเส้นทางครั้งแรก เครื่องจะเตือนด้วยไฟ LED สีแดงและสั่นมอเตอร์ พี่ให้เวลาแก้ตัว 2 นาทีนะเว้ยให้รีบกลับมาเข้าเส้นทาง แต่ถ้ายังดื้ออยู่นอกทางเกิน 2 นาที ระบบจะยิง e-mail เตือนผู้ปกครองพร้อมพิกัด GPS ทันที และจะส่งซ้ำทุกๆ 2 นาทีจนกว่าจะกลับเข้าที่เข้าทางหรือถึงจุดหมาย
• Loop if(school time) และ if(home time) จะเช็กว่าถึงเวลาไปเรียนหรือกลับบ้านหรือยัง จากนั้น Board จะเช็กว่าเด็กถึงโรงเรียนหรือบ้านหรือยัง ถ้าถึงทันเวลา ไฟ LED จะติดเป็นสีเขียวและส่ง e-mail บอกที่บ้านพร้อมเวลาที่มาถึง แต่ถ้าถึงเวลาเรียนแล้วยังไม่โผล่ไปโรงเรียนล่ะก็... โดนฟ้องแน่!

ตัวเครื่องส่งข้อมูลได้แค่ 12 bytes นะน้อง เพราะฉะนั้นเราต้องบีบ Packet ข้อมูลให้เล็กที่สุด ส่วน Variable อื่นๆ เดี๋ยวเราไปตั้งค่ากันใน SigFox backend เอา

มี 4 Packet หลักๆ ที่เครื่องจะส่งได้:

• เด็กออกนอกเส้นทาง - ("off course")
• เด็กถึงบ้านแล้ว - ("at home")
• เด็กถึงโรงเรียนแล้ว - ("at school")
• เด็กมาสาย - ("late")

ระบบการแจ้งเตือน (Warning System) น้องที่พกเครื่องนี้จะโดนสะกิดเตือนทุกครั้งที่ถึงโรงเรียน, ถึงบ้าน, มาสาย หรือเผลอเดินออกนอกเส้นทาง

ดูตอนใช้งานจริงกันหน่อย

Benefits

ใช้เครื่องนี้แล้วดียังไง:

• มั่นใจว่าเด็กๆ เดินทางไป-กลับโรงเรียนอย่างปลอดภัย
• ฝึกความตรงต่อเวลา
• คอยดูไม่ให้เด็กออกนอกเส้นทาง (ห้ามหนีเที่ยว!)
• ประหยัดพลังงานและราคาถูก - แบตเตอรี่อึด ใช้ได้นาน

Constructing the Project

Step 1: เตรียมของ (ห้ามลืมนะน้อง) ก่อนจะเริ่มลุย ต้องรวมรวมอุปกรณ์ให้ครบก่อน จัดไปวัยรุ่น:

• สาย Jumper wires
• 1, NPN transistor
• 1, Ceramic capacitor (0.1µF)
• 3, Resistors (220Ω)
• 1, Resistor (1KΩ)
• 1, RGB LED
• 1, GPS Module
• 1, Vibrating Motor Cell (มอเตอร์สั่น)
• 1, Arduino MKR1200 fox
• 1, รางถ่าน 2x AAA/AA
• 2, ถ่าน AA

Step 2: ต่อวงจร ขั้นตอนต่อมาคือการประกอบร่างวงจร ดูภาพจาก Fritzing ด้านล่างได้เลย พี่แยกส่วนการเดินสายไว้หลายรูป จะได้ไม่งง

Step 3: ทำความเข้าใจ Code Code ของเราประกอบด้วยหลายฟังก์ชัน แต่ละส่วนก็มีหน้าที่เฉพาะของมัน:

• Warn System (ระบบเตือน)
• Get GPS (ดึงพิกัด)
• Synch RTC (ซิงค์เวลา)
• Process Location (ประมวลผลตำแหน่ง)
• Send Package (ส่งข้อมูล)
• Do Actions (สั่งการ)

เดี๋ยวพี่จะอธิบายแต่ละส่วนให้ฟัง

• Warn System

void setOutputs()
{
 pinMode(R, OUTPUT);
 pinMode(G, OUTPUT);
 pinMode(B, OUTPUT);
 pinMode(motorPin, OUTPUT);
}
void vibrateMotor() // สั่งมอเตอร์สั่น
{
 digitalWrite(motorPin, HIGH);
 delay(1000);
 digitalWrite(motorPin, LOW);
}
void ledGreen() // ไฟเขียวผ่านตลอด
{
 analogWrite(R, 0);
 analogWrite(G, 255);
 analogWrite(B, 0);
}
void ledOrange() // ไฟส้ม เตือนหน่อย
{
 analogWrite(R, 255);
 analogWrite(G, 45);
 analogWrite(B, 0);
}
void ledRed() // ไฟแดง อันตราย!
{
 analogWrite(R, 255);
 analogWrite(G, 0);
 analogWrite(B, 0);
}
void resetLED() // ปิดไฟ
{
 analogWrite(R, 0);
 analogWrite(G, 0);
 analogWrite(B, 0);
}

Code ส่วนนี้อยู่ในไฟล์ functions.h เอาไว้คอยเตือนสถานะต่างๆ ให้คนใส่เครื่องรู้ผ่าน RGB LED และมอเตอร์สั่นนั่นเอง

• Get GPS

bool getGPS(int run)
{
 while(Serial1.available() > 0)
 {
   if(gps.encode(Serial1.read()))
   {
     if(run == 1)
     {
       processData();
     }
     else if(run == 2)
     {
       synchRTC();
     }
     if(gps.location.isValid() && gps.time.isValid() && gps.date.isValid())
     {
       return true;
     }
     else
     {
       return false;
     }
   }
 }
 if(millis() > 10000 && gps.charsProcessed() < 10)
 {
   Serial.println("Error - GPS Module Responded with Error");
   Serial.println("  Terminating Code");
   Serial.println("________________________________________");
   while(1) {};
 }
}

Loop นี้มีหน้าที่รับพิกัดและเวลาจาก GPS Module โดยใช้ใน setup loop เพื่อซิงค์ GPS และซิงค์ RTC ในตัว Board ให้ตรงกับ GPS และใช้ใน Loop หลักเพื่อหาตำแหน่งเครื่องตลอดเวลา

• Synch RTC

void synchRTC()
{
 Serial.println("Synching RTC");
 Serial.println("________________________________________");
 Serial.println("  OK - Initialising RTC");
 rtc.begin();
 Serial.println("  OK - Synching Time");
 // ต้องตัด 2 หลักแรกของปีออกหน่อย (2018 -> 18)
 uint16_t yearRAW = gps.date.year();
 String yearString = String(yearRAW);
 yearString.remove(0,1);
 uint16_t year = yearString.toInt();
 rtc.setTime(gps.time.hour(), gps.time.minute(), gps.time.second());
 rtc.setDate(gps.date.day(), gps.date.month(), year);
 Serial.println("  Success - RTC Synched");
 Serial.println("________________________________________");
 Serial.println("");
 Serial.println("");
 Serial.println("");
}

ส่วนนี้คือการซิงค์เวลาของ RTC ใน Board ให้ตรงกับเวลาที่ได้จาก GPS Module เพื่อความแม่นยำ

• Process Location

bool processData()
{
 if(gps.location.isValid())
 {
   latitude = gps.location.lat();
   longitude = gps.location.lng();
   latitude = 53.355504;
   longitude = -6.258452;
   if(check.isOut())
   {
     if(check.track())
     {
       Serial.println("OUT OF BOUNDS");
       warn.offTrackLoop();
     }
   }
   if(check.isHomeTime() && arrivedSchool)
   {
     if(check.isHome())
     {
       Serial.println("AT HOME");
       warn.arrivedHomeLoop();
     }
     else
     {
       Serial.println("LATE -> HOME");
       warn.lateLoop();
     }
   }
   else if(check.isSchoolTime() && arrivedHome)
   {
     Serial.println(".");
     if(check.isSchool())
     {
       Serial.println("AT SCHOOL");
       warn.arrivedSchoolLoop();
     }
     else
     {
       Serial.println("LATE -> SCHOOL");
       warn.lateLoop();
     }
   }
   else
   {
     Serial.println("ON WAY");
   }
 }
}

Loop นี้จะประมวลผลตำแหน่งของเครื่องเทียบกับเวลาปัจจุบัน เพื่อดูว่าตอนนี้เด็กควรจะอยู่ที่ไหน แล้วสั่งการตามผลลัพธ์ที่ได้

• Do Actions

struct Do
{
 void offTrackLoop()
 {
   if(offTrackVar)
   {
     parseData(0);
   }
   vibrateMotor();
   ledRed();
   delay(1000);
   vibrateMotor();
   resetLED();
   offTrackVar = true;
   delay(120000);
 }
 void lateLoop()
 {
   if(!lateVar)
   {
     parseData(1);
   }
   vibrateMotor();
   ledOrange();
   delay(1000);
   resetLED();
   lateVar = true;
 }
 void arrivedHomeLoop()
 {
   lateVar = false;
   offTrackVar = false;
   vibrateMotor();
   ledGreen();
   delay(1000);
   resetLED();
   parseData(2);
   arrivedHome = true;
   arrivedSchool = false;
 }
 void arrivedSchoolLoop()
 {
   lateVar = false;
   offTrackVar = false;
   vibrateMotor();
   ledGreen();
   delay(1000);
   resetLED();
   parseData(3);
   arrivedHome = false;
   arrivedSchool = true;
 }
};

Struct ตัวนี้จะถูกเรียกมาใช้งานหลังจากประมวลผลตำแหน่งเสร็จ เพื่อคอยเตือนเด็กด้วย RGB LED และมอเตอร์สั่น รวมถึงส่ง Packet ไปที่ SigFox ถ้าจำเป็นด้วยนะ

• Send Package

void parseData(int state)
{
 SigFox.beginPacket(); // เริ่มกระบวนการส่งข้อความ
 if(state == 0) // ออกนอกทาง
 {
   SigFox.print("off track"); 
 }
 else if(state == 1) // สาย
 {
   SigFox.print("late");
 }
 else if(state == 2) // ถึงบ้าน
 {
   SigFox.print("at home");
 }
 else // ถึงโรงเรียน
 {
   SigFox.print("at school");
 }
 SigFox.endPacket();
}

ฟังก์ชันนี้จัดการส่งข้อมูลขึ้น SigFox โดยจะเลือกค่าที่เหมาะสมตามสถานะส่งออกไป

การตั้งค่าตัวแปร (Variables) ใน Code จะมีหลายตัวแปรที่มีคอมเมนต์ว่า TODO ต่อท้าย แกต้องแก้ให้ตรงตามความต้องการนะน้อง สิ่งที่ต้องตั้งค่าคือ:

• เวลาเข้าเรียน
• เวลาที่ใช้ในการเดินทาง
• เวลาเลิกเรียน
• จะ Debug หรือเปล่า?
• พิกัดโรงเรียน (LAT, LNG)
• พิกัดบ้าน (LAT, LNG)

ดูตามไกด์ด้านล่างนี้ได้เลย:

Libraries จัดเครดิตให้เค้าหน่อย:

• SigFox - copyright (c) 2016 Arduino LLC
• ctype - copyright (c) 2006 Free Software Foundation
• RTCZero - copyright (c) 2015 Arduino LLC
• String - copyright (c) 2009-10 Hernando Barragan
• TinyGPS++ - copyright (c) 2008-13 Mikal Hart

Setup เช็กให้ชัวร์ว่าต่อวงจรเป๊ะแล้ว สำหรับวิธี Setup MKR fox ไปดูเพิ่มได้ที่ Arduino tutorial นะน้อง ส่วนเรื่อง SigFox library ก็อ่านเพิ่มได้ที่หน้า Reference เลย

Backend Program แกต้องมี Arduino MKR1200 fox ที่ลงทะเบียนแล้วถึงจะเล่น Backend ได้นะ

• Step 1: เข้าไปที่ SigFox backend แล้ว Login ให้เรียบร้อย
• Step 2: เลือก "Device Type" ในเมนูข้างบน

• Step 3: เลือก Board Arduino MKRfox ของแกแล้วกด Edit

• Step 4: เลือกเมนู Callbacks ทางซ้าย แล้วกดปุ่ม "New" ตรงมุมขวาบน

• Step 5: เลือก Custom Callbacks

จากนั้นกรอกฟอร์มตามนี้เพื่อสร้าง Callback:

ตั้ง Type เป็น Data, Uplink ตั้ง Channel เป็น email Custom payload จะเป็นตัวอ่านข้อมูลจาก Board แล้วจัด Format ให้แกต้องประกาศ Variable str ตามด้วย :: และชนิด char กำหนดจำนวนตัวอักษรเป็น 10 จะได้ประมาณนี้ str::char:10 ตั้ง Recipient เป็น email ที่จะให้รับข้อมูล ตั้ง Subject ตามใจชอบเลย ในช่อง Message มี Variable สำเร็จรูปให้ใช้เยอะเลย เราจะใช้ {device} (ID เครื่อง), {lat} (พิกัดรุ้ง), {lng} (พิกัดแวง) ข้อมูลพวกนี้จะส่งไป SigFox พร้อมกับ 12 bytes payload อัตโนมัติ และอย่าลืมใส่ {customData#str} เพื่อดึงข้อความที่เราเขียนไว้จาก Arduino มาโชว์ด้วย พี่จะแถมลิงก์ Google Maps ให้ด้วย จะได้กดดูพิกัดได้ทันที: https://www.google.com/maps/?q={lat},{lng}

สุดท้ายหน้าตาจะประมาณนี้:

กด OK แล้วก็จบงาน!

Final สุดท้ายคือการ Upload code อย่าลืมแก้ตัวแปร "TODO" ให้เรียบร้อยด้วยล่ะ พอไฟสีฟ้าที่ GPS Module กระพริบปุ๊บ ก็ถอดสายจากคอมแล้วใส่ถ่านได้เลย เรียบร้อย!

พี่ออกแบบเคส (Enclosure) ให้มันดูหล่อๆ ด้วยแผ่นอะคริลิค ดัดขอบ 90 องศา เอาวงจรใส่ข้างใน วางรางถ่านไว้ข้างล่าง แล้วรัดด้วย Cable ties ให้แน่นหนา

ตบท้ายด้วยการปิดส่วนบนด้วยวัสดุโปร่งแสงเพื่อซ่อนสายไฟที่รุงรัง ให้เห็นแค่ตัวสมองของโปรเจกต์ก็พอ

Background

พี่เข้าใจเลยว่าการส่งลูกไปโรงเรียนมันลุ้นแค่ไหน ใครๆ ก็ห่วงว่าระหว่างทางจะเกิดอะไรขึ้นบ้าง

โปรเจกต์นี้ตั้งใจทำมาเพื่อช่วยลดความเครียดตรงนี้แหละ SWay จะช่วยให้ทุกคนสบายใจขึ้น เพราะรู้ว่าลูกหลานถึงโรงเรียนอย่างปลอดภัยแน่นอน

EXPANDED TECHNICAL DETAILS

Low-Power LPWAN Logistics Tracker

SmartWay คือโปรเจกต์ติดตามตัวระยะไกลขั้นเทพที่ใช้การเชื่อมต่อแบบ Sigfox เพื่อเฝ้าดูทรัพย์สินหรือบุคคลในพื้นที่ห่างไกลที่ WiFi หรือสัญญาณมือถือเข้าไม่ถึง

• Sigfox Zero-Payload Communication: ตัว Arduino จะส่งข้อความขนาดจิ๋วที่เข้ารหัสพิกัด GPS ไปยังเครือข่าย Sigfox เทคโนโลยี LPWAN แบบนี้ช่วยให้แบตเตอรี่ LiPo ก้อนเล็กๆ ใช้งานได้นานเป็นปีๆ เลยนะน้อง
• Geofencing Alert Logic: (ฟีเจอร์เด็ด) Arduino ถูกโปรแกรมด้วย "รั้วดิจิทัล" (Digital Fence) ถ้าตัวเครื่องข้ามพิกัด GPS ที่กำหนดไว้ปุ๊บ มันจะยิงเตือน "Out of Bounds" ไปที่ Dashboard ของเราทันที

Interaction

• Web Editor validated: ระบบ Radio-handshake ของ Sigfox และวงจรการหลับแบบประหยัดพลังงาน (Sleep Mode) ถูกปรับแต่งผ่าน Arduino Web Editor มาอย่างดี เพื่อให้กินไฟน้อยที่สุดในระดับไมโครแอมป์ (sub-microamp) เลยทีเดียว สู้งานนะน้อง!