STEM Exploration: สร้างบ้านอัจฉริยะรักษ์โลก (Smart Eco-House Prototype)

โปรเจกต์ "Snap Circuits และ IoT" นี้คือกิจกรรมการเรียนรู้แบบจัดเต็ม ที่ออกแบบมาเพื่อพาน้องๆ อายุ 10-14 ปี เข้าสู่โลกของสถาปัตยกรรมยั่งยืนและ Internet of Things (IoT) แบบสนุกๆ โดยการผสมผสานความง่ายของ Snap Circuits เข้ากับพลังการประมวลผลของ ESP32 น้องๆ จะได้สร้าง "บ้านรักษ์โลก" ขนาดจิ๋วที่สามารถตรวจสอบสภาพแวดล้อมของตัวเองและควบคุมจากระยะไกลได้เลย!

ใจความสำคัญ: ประหยัดพลังงานด้วยการรู้เท่าทัน

โปรเจกต์นี้โฟกัสการสอน 3 เสาหลักของการประหยัดพลังงานสมัยใหม่:

1. การตรวจสอบแบบพาสซีฟ: ใช้ เซ็นเซอร์ DHT11 ในการติดตามอุณหภูมิและความชื้น การเข้าใจตัวแปรเหล่านี้ช่วยให้น้องๆ เรียนรู้ว่าทำไมถึงต้องใช้อุปกรณ์บางอย่าง (เช่น เครื่องปรับอากาศหรือเครื่องเพิ่มความชื้น) และการใช้วัสดุกันความร้อนช่วยลดการใช้พลังงานได้ยังไง
2. การจัดการแสงสว่างอย่างเหมาะสม: LDR (Light Dependent Resistor) จะคอยติดตามความสว่างของแสงธรรมชาติ สอนให้น้องๆ รู้เรื่องการวางตัวบ้าน (เช่น หน้าต่างหันไปทางทิศใต้) และความเป็นไปได้ของระบบไฟอัตโนมัติที่ปิดเมื่อมีแสงแดดเพียงพอ
3. การจัดการแบบแอคทีฟ: ด้วยการผนวก แอป Blynk เข้ามา น้องๆ สามารถ "สั่งการ" บ้านของพวกเขาจากแท็บเล็ตหรือมือถือของพ่อแม่ได้ เช่น ปิดเครื่องใช้ไฟฟ้าจำลองจากอีกห้องหนึ่ง เพื่อจำลองการประหยัดพลังงาน

ฮาร์ดแวร์ขั้นเทพ: การผสาน ESP32 กับ Snap Circuits

ในขณะที่ Snap Circuits มักใช้กับโปรเจกต์ง่ายๆ ที่ใช้แบตเตอรี่ กิจกรรมนี้จะพามันก้าวเข้าสู่โลกดิจิทัล:

• เชื่อมต่อด้วยสายจระเข้: ใช้สายแปลง "จระเข้สู่จัมเปอร์" ที่ทำขึ้นเอง เพื่อให้ขา Digital และ Analog ของ ESP32 สามารถสื่อสารกับบอร์ด Snap Circuits ได้อย่างปลอดภัย
• ตรรกะแบบ Industrial IoT: โปรเจกต์นี้ใช้ ESP32 เฉพาะเจาะจงเพราะมันมีโปรเซสเซอร์ Dual-core และ WiFi ในตัว ทำให้บ้านยังคงเชื่อมต่ออยู่ได้แม้จะกำลังประมวลผลข้อมูลเซ็นเซอร์ที่ซับซ้อน
• เพิ่มความสนุกด้วย 3D Printing: เพื่อเพิ่มบริบทความเป็นจริง โปรเจกต์นี้มีฝาครอบสำหรับชิ้นส่วน Snap ที่พิมพ์ด้วยเครื่อง 3D ได้ ซึ่งจะเปลี่ยน LED ทั่วๆ ไปให้กลายเป็น "ทีวี", "เตาไฟฟ้า" และ "เครื่องซักผ้า" ขนาดจิ๋ว

เตรียมพร้อมสู่อนาคตที่ยั่งยืน

กิจกรรมนี้ไม่ได้แค่ "ต่อวงจร" แต่คือ "การแก้ปัญหา" ผ่านการออกแบบ เขียนโค้ด และทดสอบบ้านอัจฉริยะของตัวเอง น้องๆ จะได้พัฒนาทักษะการคิดวิเคราะห์ที่จำเป็นต่อการแก้ไขความท้าทายด้านสิ่งแวดล้อมในอนาคตด้วยเทคโนโลยี

ในกิจกรรมนี้น้องๆ จะได้เรียนรู้ว่า IoT ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานให้บ้านได้ยังไง

พวกเขาจะได้ตั้งบ้านจำลองโดยใช้ Snap Circuits และจะเขียนโปรแกรมควบคุมเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ ผ่าน ESP32 โดยเฉพาะเพื่อ:

ตรวจสอบพารามิเตอร์สิ่งแวดล้อม (อุณหภูมิ ความชื้น) แบบเรียลไทม์ และควบคุมเครื่องใช้ไฟฟ้าจากระยะไกลผ่าน Blynk

INTRODUCTION

ประสิทธิภาพพลังงานของบ้านสามารถได้รับผลกระทบจากตำแหน่งของบ้านที่สัมพันธ์กับดวงอาทิตย์ ทิศทางลมหลัก ฯลฯ ดังนั้น เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพพลังงาน เราอาจต้องการวางบ้านให้หันหน้าไปทางทิศใต้ เพื่อให้แสงอาทิตย์ให้แสงสว่างตามธรรมชาติได้

ปัจจัยอื่นๆ ที่ต้องคำนึงถึงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานสูงสุดนั้นเกี่ยวข้องโดยตรงกับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่คุณใช้

นี่คือทิปส์เล็กๆ น้อยๆ:

ใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าอัจฉริยะ เช่น หลอดไฟที่เปิดตอนกลางคืนและปิดอัตโนมัติตอนกลางวัน ใช้ปลั๊กอัจฉริยะที่มีปุ่มเปิดปิดที่สามารถตั้งโปรแกรมให้เปิดปิดได้ตามเวลาที่กำหนด เชื่อมต่อเครื่องใช้ไฟฟ้าของคุณกับอินเทอร์เน็ตเพื่อให้คุณสามารถควบคุมจากระยะไกลได้จากที่ไหนก็ได้

อุปกรณ์ที่ต้องใช้:

• 1x บอร์ด ESP32 + สาย USB

• สายจระเข้

• 1x เซ็นเซอร์ DHT11

• 1x เซ็นเซอร์ LDR

• 1x ตัวต้านทาน 10kohm

• เบรดบอร์ด

• สายจัมเปอร์

• ชุด Snap Circuits

• บ้านจำลอง

ขั้นตอนที่ 1: ตั้งบ้านจำลอง

เริ่มต้นน้องๆ จะต้องสร้างหรือประกอบบ้านจำลองขึ้นมา สามารถสร้างจากกระดาษแข็ง หรือจะเลเซอร์ตัดจากแผ่น MDF ความหนา 3mm ล่วงหน้าก็ได้ มีแบบบ้านจำลองที่พร้อมสำหรับการเลเซอร์ตัดให้ใช้งาน

ขั้นตอนที่ 2: ตรวจสอบอุณหภูมิ ความชื้น และแสงด้วย Blynk

น้องๆ จะได้ตั้งค่าโปรเจกต์ Blynk ที่ทำให้พวกเขาสามารถตรวจสอบพารามิเตอร์ที่บันทึกได้โดยเซ็นเซอร์อุณหภูมิ/ความชื้นและเซ็นเซอร์แสงที่อยู่ในบ้านจำลองของพวกเขา

ขั้นแรก เชื่อมต่อ Snap ของ LDR และ DHT เข้ากับบอร์ด ESP32 เชื่อมต่อขา Data ของเซ็นเซอร์ DHT ไปที่ขา 4 บนบอร์ด ESP32 เชื่อมต่อ Snap ของ LDR ไปที่ขา 34 บน ESP32

ต่อไป คุณต้องสร้างโปรเจกต์ Blynk และตั้งค่าให้แสดงค่าที่บันทึกได้โดยเซ็นเซอร์อุณหภูมิ/ความชื้น

สร้างโปรเจกต์ใหม่ในแอป Blynk

หลังจากล็อกอินเข้าบัญชีสำเร็จแล้ว ให้เริ่มต้นด้วยการสร้างโปรเจกต์ใหม่

เลือกฮาร์ดแวร์ของคุณ

เลือกรุ่นฮาร์ดแวร์ที่คุณจะใช้ ถ้าคุณกำลังทำตาม tutorial นี้ คุณน่าจะใช้บอร์ด ESP32

Auth Token

Auth Token คือตัวระบุเฉพาะที่จำเป็นสำหรับการเชื่อมต่อฮาร์ดแวร์ของคุณกับสมาร์ทโฟน ทุกโปรเจกต์ใหม่ที่คุณสร้างจะมี Auth Token เป็นของตัวเอง คุณจะได้รับ Auth Token ทางอีเมลโดยอัตโนมัติหลังจากสร้างโปรเจกต์เสร็จ คุณยังสามารถคัดลอกมันด้วยตนเองได้ โดยคลิกที่ส่วน devices และเลือกอุปกรณ์ที่ต้องการ

ตั้งค่า Value Display Widgets

ลากและวาง Value Display widget จำนวน 3 อัน

ตั้งค่าดังนี้:

1) ตั้ง Input เป็น V5, จาก 0 ถึง 1023 ตั้ง Refresh Interval เป็น Push 2) ตั้ง Input เป็น V6, จาก 0 ถึง 1023 ตั้ง Refresh Interval เป็น Push 3) ตั้ง Input เป็น V0, จาก 0 ถึง 1023 ตั้ง Refresh Interval เป็น Push

widget แสดงผลแรกจะรับค่าความชื้นจากเซ็นเซอร์ DHT และแสดงบนแอป widget ที่สองจะรับค่าอุณหภูมิผ่าน Wi-Fi widget ที่สามจะแสดงค่าความสว่างที่บันทึกได้โดยเซ็นเซอร์ LDR

เขียนโปรแกรมให้บอร์ด ESP32

เปิด Arduino IDE เลือกบอร์ดและพอร์ตที่ถูกต้อง -ภายใต้เมนู "Tools"- วางโค้ดด้านล่างลงในซอฟต์แวร์และอัปโหลดลงบนบอร์ด

ขั้นตอนที่ 3: ควบคุมเครื่องใช้ไฟฟ้าจำลองจากระยะไกลผ่าน Blynk

ส่วนสุดท้ายของกิจกรรมจะเกี่ยวกับการควบคุมเครื่องใช้ไฟฟ้าแต่ละชิ้นจากระยะไกลผ่านแอป Blynk

บ้านจำลองแต่ละหลังจะต้องมีหลอดไฟขนาดเล็กอย่างน้อยหนึ่งดวง รวมถึงเครื่องใช้ไฟฟ้าอื่นๆ (เช่น เครื่องพิมพ์ 3D จำลอง เตาอบจำลอง)

การสามารถควบคุมเครื่องใช้ไฟฟ้าจากระยะไกลได้ ให้ข้อได้เปรียบที่ชัดเจนคือผู้ใช้สามารถเลือกได้ว่าเมื่อไหร่จะให้มันทำงานและเมื่อไหร่จะไม่ทำงาน ซึ่งช่วยประหยัดพลังงานและทำให้บ้านจำลองมีประสิทธิภาพพลังงานสูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้

พวกเราออกแบบเครื่องใช้ไฟฟ้าจำลองที่พิมพ์ด้วย 3D ได้หลายแบบ ซึ่งสามารถวางทับบนชิ้นส่วน Snap ได้ เช่น คุณอาจวางเตาอบจำลองทับบน LED หรือวางเครื่องพิมพ์ 3D จำลองทับบน Snap มอเตอร์สั่นสะเทือนขนาดเล็ก เพื่อจำลองการทำงานจริงของเครื่องใช้ไฟฟ้าเหล่านั้น

มีแบบเครื่องใช้ไฟฟ้าจำลองสำหรับพิมพ์ 3D ให้เลือกใช้หลายแบบ

กิจกรรมนี้จะต้องใช้แอปพลิเคชัน Blynk ดังนั้น ขั้นแรกให้ดาวน์โหลด Blynk บนสมาร์ทโฟนของคุณ

สร้างโปรเจกต์ใหม่ในแอป Blynk

หลังจากล็อกอินเข้าบัญชีสำเร็จแล้ว ให้เริ่มต้นด้วยการสร้างโปรเจกต์ใหม่

เลือกฮาร์ดแวร์ของคุณ

เลือกรุ่นฮาร์ดแวร์ที่คุณจะใช้ ถ้าคุณกำลังทำตาม tutorial นี้ คุณน่าจะใช้บอร์ด ESP32

Auth Token

Auth Token คือตัวระบุเฉพาะที่จำเป็นสำหรับการเชื่อมต่อฮาร์ดแวร์ของคุณกับสมาร์ทโฟน ทุกโปรเจกต์ใหม่ที่คุณสร้างจะมี Auth Token เป็นของตัวเอง คุณจะได้รับ Auth Token ทางอีเมลโดยอัตโนมัติหลังจากสร้างโปรเจกต์เสร็จ คุณยังสามารถคัดลอกมันด้วยตนเองได้ โดยคลิกที่ส่วน devices และเลือกอุปกรณ์ที่ต้องการ แล้วคุณจะเห็น token

เขียนโปรแกรมให้บอร์ด ESP32

ไปที่เว็บไซต์ตัวอย่าง Blynk เลือกฮาร์ดแวร์ของคุณ โหมดการเชื่อมต่อ (เช่น Wi-Fi) และเลือกตัวอย่าง Blynk Blink

คัดลอกโค้ดและวางลงใน Arduino IDE (ก่อนหน้านั้น ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณเลือกบอร์ดและพอร์ตที่ถูกต้อง -ภายใต้ "Tools"-)

แทนที่ "YourAuthtoken" ด้วย token จากแอป แทนที่ "YourNetworkName" และ "YourPassword" ด้วยข้อมูล Wi-Fi ของคุณ สุดท้าย อัปโหลดโค้ดลงบนบอร์ด

ตั้งค่าแอป Blynk

ในโปรเจกต์ Blynk ของคุณ เลือก widget ปุ่ม จำนวนปุ่มเท่ากับจำนวน Snap ที่คุณต้องการควบคุมจากระยะไกล ในตัวอย่างของเราจะเพิ่ม widget ปุ่มสองอันเพราะเรามี Snap สองชิ้นที่ต้องการควบคุม (ทั้งคู่เป็น LED)

ต่อไปเลือกปุ่มแรก และภายใต้ Output ให้เลือกพอร์ตที่ Snap ชิ้นหนึ่งของคุณเชื่อมต่อกับบอร์ด ESP32 (เช่น GP4) ตรวจสอบให้แน่ใจว่ามี 0 และ 1 ถัดจาก GP4 เหมือนในภาพท้ายขั้นตอนนี้ คุณยังสามารถเลือกได้ว่าปุ่มจะทำงานในโหมดกดค้างหรือสวิตช์

ทำแบบเดียวกันสำหรับปุ่มที่สอง แต่คราวนี้ให้เชื่อมต่อกับขา ESP32 ที่เกี่ยวข้อง (เช่น GP2)

บทช่วยสอนนี้จัดทำขึ้นเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ DEEDU ซึ่งได้รับเงินสนับสนุนร่วมจากโครงการ Erasmus + ของคณะกรรมาธิการยุโรป หมายเลขโครงการ: 2018-1-FR02-KA205-