เล่าสู่กันฟัง: ผลการวิจัยและพัฒนาระบบควบคุมอัตโนมัติสำหรับภาคการเกษตร

ความเป็นมาเป็นไป

อาจดูเหมือนเอมเมจินห่างหายจากวงการระบบสมองกลฝังตัวไปนาน ไม่ค่อยมีอะไรใหม่ๆ ออกมา วันนี้ได้โอกาสเปิดเผยอย่างเป็นทางการว่าจริงๆ แล้วเราได้ไปซุ่มทำอะไรบ้างในรอบเกือบสองปีที่เงียบหายไป

เมื่อ 12 มิ.ย. 56 บริษัท ได้ลงนามร่วมมือทำวิจัยกับ สำนักงานพัฒนาการวิจัยการเกษตร (องค์การมหาชน) ชื่อย่อว่า สวก. หรือ ARDA และ โรงเรียนนายเรือ a)บางคนอาจสงสัยว่าทหารเรือมาทำอะไรกับเกษตร จริงๆ ซอฟต์แวร์ “ไวจัง” ของเอมเมจิน ที่มีผู้ใช้เป็นนักศึกษา นักวิจัย และภาคอุตสาหกรรม ทั่วโลกในวันนี้ มีจุดกำเนิดจากงานวิจัยเชิง Academic ที่ได้รับทุนวิจัยจากสำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย – สกว. และโรงเรียนนายเรือ เพื่อพัฒนาชุดฝึกระบบควบคุมอัตโนมัติสำหรับนักเรียนนายเรือภาคเครื่องกลที่ไม่เก่งด้านเขียนโปรแกรมหรืออิเล็กทรอนิกส์ ให้สามารถเข้าใจเนื้อหาความสำคัญ สามารถออกแบบระบบควบคุมอัตโนมัติตามหลักทฤษฎี และเทคโนโลยีสมัยใหม่ เช่น Model-Based Design ได้ และด้วยแรงผลักดันจากผู้ใหญ่ สกว. ณ ขณะนั้น (ที่สำคัญ รศ.ดร.สุธีระ ประเสริฐสรรพ์ ผอ.ฝ่ายอุตสาหกรรม สกว. และ ดร.พีระเดช ทองอำไพ รอง ผอ.สกว. ขณะนั้น) ที่สนับสนุนให้เห็นผลงานวิจัยขึ้นห้างไม่ขึ้นหิ้ง จึงเกิดเป็น เอมเมจิน มาจนปัจจุบันนี้ ในโครงการชุดพัฒนาระบบสมองกลฝังตัวแบบกราฟิกสำหรับภาคการเกษตร เพื่อนำองค์ความรู้ด้านระบบสมองกลฝังตัวมาใช้พัฒนาระบบอัตโนมัติสำหรับอุตสาหกรรมการเกษตรของไทย (แนว Precision Farming หรือ Smart Farmers) โดยโครงการมีเป้าหมายเชิงสัญลักษณ์ ตามวิสัยทัศน์ของ ดร.พีรเดช ทองอำไพ ผอ.สวก.ท่านปัจจุบัน คือนำเทคโนโลยีสมัยใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งระบบอิเล็กทรอนิกส์และระบบควบคุมอัตโนมัติขั้นสูง มาประยุกต์ใช้กับภาคการเกษตร เพื่อยกระดับมาตรฐานการผลิตการควบคุมคุณภาพผลิตภัณฑ์เกษตรไทยให้สูงขึ้น ด้วยเทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นเองในประเทศ ลดการนำเข้า เสริมความเข้มแข็งจากภายใน เช่นเดียวกับที่ PLC ถูกนำมาใช้ควบคุมสายการผลิตในโรงงานอุตสาหกรรม โดยมีเนื้องานของโครงการที่สำคัญคือ พัฒนาระบบควบคุมอัตโนมัติสำหรับโรงเรือนปิด (Evaporative Cooling b)แนวคิดระบบ Evaporative Cooling สำหรับพืชสำหรับพืช ระบบ Evaporative Cooling คือ ระบบทำความเย็นคล้ายๆ แอร์บ้าน แต่ใช้หลักการดูดความร้อนเมื่อน้ำระเหยเพื่อทำความเย็น มีข้อดีคือใช้พลังงานน้อยกว่าระบบแอร์บ้านที่ใช้ Compressor แต่ข้อจำกัดคือประสิทธิภาพการทำความเย็นไม่ดีเท่าและขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมภายนอก – ยิ่งอากาศภายนอกโรงเรือนยิ่งร้อนแห้ง จะยิ่งทำความเย็นได้ดี ภาพอ้างอิงจาก ref. นี้) สำหรับปลูกกุหลาบของสถานีเกษตรหลวงปางดะ อำเภอสะเมิง จังหวัดเชียงใหม่

สถานีเกษตรหลวงปางดะ มูลนิธิโครงการหลวง

ทัศนียภาพ สถานีเกษตรหลวงปางดะ มูลนิธิโครงการหลวง อ.สะเมิง จ.เชียงใหม่

ปลูกพริกหวานในโรงเรือน

ปลูกพริกหวานในโรงเรือน

พูดง่ายๆ ระบบควบคุมอัตโนมัติของโครงการ มีหน้าที่ ควบคุมให้อากาศในโรงเรือนมีอุณหภูมิและความชื้นตรงตามต้องการโดยอัตโนมัติ จริงๆแล้วระบบดังกล่าวก็คือระบบ “โรงเรือน Evap” แบบเดียวกับที่ใช้ในการเลี้ยงหมูและไก่ทั่วไป แต่โรงเรือนสำหรับพืชต้องปล่อยให้แสงเข้ามาได้ เพื่อการสังเคราะห์แสง ทำให้การควบคุมยากกว่าระบบโรงเรือนหมูหรือไก่

หากคุณกำลังสงสัยว่าทำไมการปลูกต้นไม้จะต้องทำในโรงเรือนด้วย และการนำระบบควบคุมอัตโนมัติมาใช้มีความสำคัญกับการควบคุมคุณภาพผลผลิตอย่างไร ขอยกตัวอย่างให้เห็นภาพง่ายๆ เป็นที่ทราบดีว่ากุหลาบจะขายดีมากในวันที่ 14 ก.พ. และโดยปกติเกษตรกรจะตัดแต่งกิ่งล่วงหน้าเหมือนที่ทำประจำทุกปี เพื่อให้ต้นกุหลาบออกดอกและสามารถเก็บขายในวันสำคัญนั้นพอดีจะได้ราคาสูง มีอยู่ปีหนึ่งที่หลังจากตัดแต่งไปแล้ว ฝนเกิดตกทำให้กุหลาบออกดอกหลังวันที่ 14 ไปไม่กี่วัน ลองจินตนาการถึงการสูญเสียรายได้ของเกษตรกร

โรงเรือนในเชียงใหม่มีทั่วไป

โรงเรือนในเชียงใหม่มีทั่วไป

ในความเป็นจริง หากเกษตรกรสามารถควบคุมการผลิตถึงขั้น กำหนดวันเก็บดอกผล กำหนดคุณภาพและปริมาณได้อย่างแน่นอน ก็จะมีผู้ซื้อรายใหญ่อีกจำนวนมากที่มีความมั่นใจสั่งซื้อจากเกษตรกรอย่างต่อเนื่องเป็นรูปธรรม

นอกจากนี้ การใช้โรงเรือนปิดมีข้อดีที่สำคัญคือ ลดโอกาสติดโรคและง่ายในการควบคุมแมลงศัตรูพืช ทำให้สามารถลดการใช้ยาฆ่าแมลงหรือสารเคมี ซึ่งเป็นการช่วยลดต้นทุนการผลิต และดีต่อสุขภาพเกษตรกร สิ่งแวดล้อม และผู้บริโภค

หากคุณได้ไปเชียงใหม่ จะสังเกตุว่าปัจจุบันนี้ เกษตรกรจำนวนมากจะสร้างหลังคาเพื่อปกป้องพืชจากน้ำฝน (โรงเรือนเปิด) – หากไม่ได้ร่วมโครงการนี้ จะไม่รู้เลยว่า หยดน้ำฝนที่ตกลงบนใบพืชที่ปลูกทางเศรษฐกิจมีผลเสียมากกว่าผลดี


ระบบควบคุมอัตโนมัติของเอมเมจินแตกต่างอย่างไร

1. ใช้สมการระบบควบคุมอัตโนมัติป้อนกลับขั้นสูง (Advanced Feedback Control System)

ชุดควบคุมอัตโนมัติของบริษัทเอมเมจิน

ชุดควบคุมอัตโนมัติของบริษัทเอมเมจิน

ระบบควบคุมโรงเรือน Evap ที่มีจำหน่ายอยู่ทั่วไปจะใช้ระบบควบคุมอย่างง่ายคือ ตั้งอุณหภูมิ เพื่อให้พัดลมแต่ละตัวทำงานที่อุณหภูมิต่างๆ เช่น หากอุณหภูมิเท่ากับ 26 องศา ให้เปิดตัวที่ 1 และ 27 องศา ให้เปิดตัวที่ 2 ด้วย เป็นต้น

ปัญหาสำคัญกับวิธีควบคุมแบบระบบเปิดนี้ คือขาดความแม่นยำ เช่น หากพัดลมตัวที่ 1 เกิดเสีย ก็จะต้องรอให้อุณหภูมิสูง ขึ้นไปเป็น 27 องศา พัดลมตัวที่ 2 จึงจะทำงาน แปลว่าต้องรอให้ร้อนมาก และก็ไม่แน่ว่าเปิดพัดลมตัวที่ 2 ตัวเดียวจะพอทำให้อุณหภูมิลงมาตามต้องการหรือไม่ และหากอุณหภูมิหรือสภาพแวดล้อมภายนอกเปลี่ยนไป ก็ไม่แน่ว่าค่าที่ตั้งไว้จะให้ผลเหมือนเดิมหรือไม่ ส่งผลต่อคุณภาพผลผลิตในโรงเรือน

ระบบควบคุมแบบอัตโนมัติแบบป้อนกลับ (Feedback) นอกจากจะใช้เซ็นเซอร์เพื่อตรวจสอบสถานะของระบบอย่างต่อเนื่อง ทำให้สามารถปรับปรุงการทำงานของระบบโดยอัตโนมัติตลอดเวลาแล้ว ในการออกแบบควรจะใช้ง่าย โดยผู้ใช้กำหนดแค่อุณหภูมิความชื้นที่ต้องการ ระบบจะต้องคำนวณให้เสร็จเรียบร้อยโดยอัตโนมัติว่า ควรเปิดพัดลมกี่ตัว ตัวไหนบ้าง หากต้องการให้อุณหภูมิลงเร็วขึ้น (fast transient response) ก็เปิดหลายตัวพร้อมกันในตอนเริ่มต้นแล้วค่อยๆลดจำนวนลงก็ได้เมื่อใกล้ถึงจุดที่ต้องการ และถ้าตัวหนึ่งตัวใดเสีย ก็ต้องสามารถตรวจสอบได้ว่าตัวไหนเสียและแจ้งเตือนผู้ดูแลระบบทราบทางอีเมล์โดยอัตโนมัติ ไม่ต้องรอให้มาตรวจพบที่หน้างาน ซึ่งอาจจะสายเกินไป ต้นไม้หรือสัตว์บอบช้ำ เนื่องจาก Thermal Shock นอกจากนี้การทำความเย็นจะต้องนำความชื้นมาคำนวณด้วย ซึ่งหากความชื้นสูงเกินก็จะทำให้สิ่งมีชีวิตไม่ว่าพืชหรือสัตว์มีความเสี่ยงต่อการติดโรค เช่น โรคเชื้อราสำหรับพืช หรือปอดบวมสำหรับสัตว์ ระบบที่ดีผู้ใช้สามารถกำหนดความชื้นสูงสุดที่ยอมให้เป็นได้และควบคุมการเปิดปิดพัดลมสัมพันธ์กับการเปิดปิดปั้มน้ำ เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด ขณะที่ป้องกันความเสียหายจากความชื้นสูงเกินดังกล่าว เช่นระบบจะรู้ว่าประสิทธิภาพที่ดีที่สุดและอุณหภูมิที่ลดต่ำได้ที่สุดคือเท่าไร และหากเปิดปั้มน้ำต่อไปก็จะไม่เย็นไปกว่านี้ ระบบก็จะไม่เปิดปั้มน้ำ และนี่คือความสามารถของระบบควบคุมอัตโนมัติของเอมเมจิน และคือหัวใจสำคัญของโครงการ

ที่บริษัทสามารถทำเช่นนี้ได้ c)จริงๆ สมการระบบควบคุมอัตโนมัตินี้ได้รับการพัฒนาโดย ดร.ศราวัณ วงษา หนึ่งในนักวิจัยของโครงการและอาจารย์ประจำ วิชาทฤษฎีระบบควบคุมอัตโนมัติ ณ ภาควิชาวิศวกรรมระบบควบคุมและเครื่องมือวัด คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี เป็นเพราะพื้นฐานของบริษัท เน้นการประยุกต์ใช้ทฤษฎีระบบควบคุมตามหลักวิชาการควบคู่กับการ ใช้โปรแกรม Matlab / Simulink เป็นเครื่องมือในการพัฒนาระบบสมองกลฝังตัวและ Algorithm ในการควบคุม ซึ่ง Matlab / Simulink เป็นเครื่องมือทางวิศวกรรมที่เป็นที่ยอมรับในระดับสากล ว่าเน้นด้านการออกแบบระบบควบคุมอัตโนมัติขั้นสูงตามหลักการเชิงวิศวกรรม และเป็นสิ่งที่พยายามสอน ปลูกฝัง ให้เด็กรุ่นใหม่ ได้เรียนรู้ เทคนิคที่ทันสมัย เช่น Model-Based Design และ Rapid Prototyping d)ความสามารถในการแข่งขันของประเทศที่มีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีส่วนสำคัญขึ้นอยู่กับว่าสามารถจะพัฒนาระบบที่มีความอัจฉริยะได้มากกว่ากันแค่ไหน ความอัจฉริยะนี้ได้มาจากสมการทางคณิตศาสตร์ – algorithm ที่ใช้ ในระบบสมองกลฝังตัว หากอุตสาหกรรมไทยมีวิศวกรที่สามารถคิดออกแบบ algorithm ที่ล้ำหน้าได้ ก็จะสามารถสร้างความได้เปรียบโดยสร้างมูลค่าเพิ่มให้กับผลิตภัณฑ์ได้ เช่น ตู้เย็นที่โฆษณาว่ามี Fuzzy Logic Control ก็จะมีมูลค่าสูงกว่าแบบธรรมดา แต่ที่พูดเช่นนี้ไม่ได้หมายความว่าการเขียน C code ไม่สำคัญ แต่ในความเป็นจริง ทีมพัฒนาจะประกอบด้วยหลายส่วน เช่น ระดับ low – level กับ algorithm design หากบริษัทต้องใช้เวลา 6 เดือนในการพัฒนา algorithm ที่ซับซ้อน เพราะมัวแต่เขียน และ Debug C code ในขณะที่อีกบริษัทหนึ่งพัฒนาได้ในสองสัปดาห์ จะเห็นได้ถึงความได้เปรียบทางการแข่งขันอย่างเห็นได้ชัด

บล็อกไดอะแกรมระบบควบคุมสภาวะแวดล้อมของโรงเรือน

บล็อกไดอะแกรมระบบควบคุมสภาวะแวดล้อมของโรงเรือน

2. มีระบบ Auto Tune

ผู้ที่เป็นวิศวกรระบบควบคุมจะทราบดีว่า การจะควบคุมระบบใดๆให้มีความแม่นยำมากๆ จะต้องมีการปรับแต่ง (Tune) ตัวควบคุม ให้มีการตอบสนองตรง/สอดคล้องกับคุณลักษณะเฉพาะของระบบที่ต้องการควบคุม (plant model) เช่น ระบบควบคุมที่ติดตั้งในโรงเรือนหนึ่ง อาจแตกต่างกับอีกโรงหนึ่ง เพราะความแตกต่างของขนาดโรง จำนวนและกำลังของพัดลม จำนวนและขนาดของรังผึ้ง เป็นต้น  การ Tune ตัวควบคุม ต้องอาศัยความรู้ทางทฤษฎีระบบควบคุมระดับหนึ่ง แต่ระบบควบคุมของบริษัท เอมเมจิน จะมีฟังก์ชั่น Auto Tune โดยระบบจะทำงานโดยอัตโนมัติเพื่อหาค่าสัมประสิทธิที่เหมาะสมที่สุด ก่อนจะเข้าสู่การทำงานแบบอัตโนมัติจริงๆ ความสามารถนี้ช่วยเพิ่มความแม่นยำของระบบและความสะดวกให้กับผู้ใช้อย่างมาก

ตัวอย่างการวิเคราะห์ผลการควบคุมเมื่อ Temperature Setpoint แบบสเต็ปเมื่อจำกัดความละเอียดของการควบคุม

ตัวอย่างการวิเคราะห์ผลการควบคุมเมื่อ Temperature Setpoint แบบสเต็ปเมื่อจำกัดความละเอียดของการควบคุม

จากการทดลองพบว่าระบบมีค่าเฉลี่ยความคลาดเคลื่อนของการควบคุมอุณหภูมิอยู่ที่ 0.2 องศาเซลเซียส และ ความชื้นสัมพัทธ์ 4%RH เวลาของการ Auto Tune อยู่ระหว่าง 10 – 90 นาที ขึ้นอยู่กับขนาดของโรงเรือน

3. ใช้ระบบเครือข่ายไร้สายพลังงานต่ำ (Low-Power Wireless Network)

ชุดเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ ความชื้น และแสง ไร้สาย

ชุดเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ ความชื้น และแสง ไร้สาย

ติดตั้งง่ายแค่ไหน? ง่ายแค่ น้องๆในทีมที่เป็นนักวิจัยการเกษตร ผู้หญิง ก็ติดตั้งเองได้ครับ

ติดตั้งง่ายแค่ไหน? ง่ายแค่ น้องๆในทีมที่เป็นนักวิจัยการเกษตร ผู้หญิง ก็ติดตั้งเองได้ครับ

อุปกรณ์ของบริษัท ณ ปัจจุบันเน้นเป็นระบบเครือข่ายไร้สาย 2.4GHz พลังงานต่ำ เช่น เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิความชื้น หรือแสง สามารถทำงานได้โดยใช้ถ่าน AA สองก้อน สามารถมีอายุการใช้งานไม่ต่ำกว่า 1 ปี (จากการคำนวณควรอยู่ได้ไม่ต่ำกว่า 2 ปี แต่ยังทดลองจริงได้เพียง 1 ปี :)) ซึ่งเทคโนโลยีดังกล่าวมีพื้นฐานมาจากเทคโนโลยีเดียวกับชุดพัฒนา FiO Glide ของบริษัท สำหรับนักพัฒนาระบบสมองกลฝังตัวจะรู้ดีว่า Zigbee หรือ Wifi Module ที่เป็นที่นิยมอย่างมากจะไม่สามารถเป็น Low-Power ได้เช่นนี้

ข้อดีหลายประการของการใช้อุปกรณ์ไร้สายก็คือ “ติดตั้งง่าย เร็ว” ทำให้ “ประหยัด” เวลาและค่าใช้จ่ายอย่างมาก นอกจากนี้ ยังมีความ “อ่อนตัวในการเปลี่ยนแปลงตำแหน่ง” สามารถเคลื่อนย้ายได้สะดวกอีกด้วย

ชุดควบคุมเปิด-ปิดอุปกรณ์ AC แบบไร้สาย (8 ช่องสัญญาณ / อุปกรณ์)

ชุดควบคุมเปิด-ปิดอุปกรณ์ AC แบบไร้สาย (8 ช่องสัญญาณ / อุปกรณ์)

ไม่เพียงแต่อุปกรณ์เซ็นเซอร์ที่ใช้ระบบไร้สายเท่านั้น แต่ชุดควบคุมอุปกรณ์ ก็ยังเป็นอุปกรณ์ไร้สายด้วย ปัจจุบัน บริษัท ได้พัฒนาชุดควบคุมเปิด-ปิดอุปกรณ์ไม่ว่าจะเป็น AC หรือ DC แบบไร้สาย ข้อดีของการควบคุมแบบไร้สายที่เด่นชัดนอกเหนือจากติดตั้งง่ายและอ่อนตัวแล้ว ยังเป็นการแยก (Isolate) อุปกรณ์ไฟฟ้ากำลัง (Power) เช่น มอเตอร์ปั๊มน้ำหรือพัดลม จากอุปกรณ์ชุดควบคุมที่เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังต่ำอย่างเด็ดขาดอีกด้วย การ Isolate มีความสำคัญเพราะไม่เช่นนั้น สัญญาณรบกวนจากอุปกรณ์ไฟฟ้ากำลัง สามารถทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความอ่อนไหวทำงานผิดพลาดหรือเสียหายได้ง่าย

นอกจากเป็นอุปกรณ์ไร้สายพลังงานต่ำแล้ว อุปกรณ์ทุกชิ้นยังเชื่อมโยงกันเป็นเครือข่าย (Sensor/Actuator Network) ทำให้สามารถเพิ่มลดอุปกรณ์ตามความต้องการใช้งานจริงได้โดยง่าย ภาพข้างล่างแสดงตัวอย่างการติดตั้งอุปกรณ์ทั้งหมด ณ โรงเรือนขนาด 40ม. x 18ม. ณ สถานีเกษตรหลวงปางดะ โดยอุปกรณ์เซ็นเซอร์ (Sensor Node) และ อุปกรณ์ควบคุม (Actuator Node) จะเชื่อมต่อเข้ากับ Gateway e)อุปกรณ์ Gateway 1 ชุดสามารถเชื่อมต่อกับ Node ได้สูงสุด 64 Nodes และแต่ละ Node อาจเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ได้หลากหลาย เช่น AC ON/OFF module สูงสุดถึง 8 ช่อง ต่อ Node ที่ประกอบด้วยระบบควบคุมอัตโนมัติและอุปกรณ์สื่อสาร (GSM Module) สำหรับรับส่งข้อมูลในการเฝ้าตรวจและควบคุมจาก Internet

ผังการติดตั้งอุปกรณ์เซ็นเซอร์ไร้สาย

ผังการติดตั้งอุปกรณ์เซ็นเซอร์ไร้สาย

4. มีระบบตรวจสอบความผิดผลาด (Fault-Tolerant Detection)

เซ็นเซอร์วัดกระแส AC เพื่อตรวจสอบการทำงานของระบบ

เซ็นเซอร์วัดกระแส AC (True RMS) เพื่อตรวจสอบการทำงานของระบบ

นอกจากให้ความสำคัญกับ ความถูกต้องแม่นยำของการควบคุม ความสะดวก อ่อนตัว และประหยัดค่าใช้จ่ายในการติดตั้งแล้ว บริษัทยังให้ความสำคัญกับความเชื่อถือได้ของระบบ จึงได้พัฒนาอุปกรณ์เสริมต่างๆ เพื่อตอบสนองการใช้งานจริง เช่น เซ็นเซอร์วัดกระแส AC (True RMS) และ DC สำหรับตรวจสอบว่าอุปกรณ์กินไฟกี่แอมป์

เหตุผลจริงๆ ที่เราทำเซ็นเซอร์วัดกระแสทั้งอุปกรณ์ AC และ DC ขึ้นมาก็เพื่อตรวจสอบว่าอุปกรณ์ทำงานถูกต้องหรือไม่ เช่น หากระบบควบคุมสั่งการแล้วแต่มอเตอร์ไม่หมุน ไม่ว่าจะด้วยเหตุใดก็แล้วแต่ กระแสก็จะเป็นศูนย์ ระบบจะรู้ทันทีโดยอัตโนมัติว่ามีปัญหาเกิดขึ้น และแจ้งเตือนโดยอัตโนมัติ (ทางอีเมล์หรือ SMS) ช่วยให้ผู้ดูแลระบบทราบและแก้ไขได้ทันท่วงที ในภาพเป็นอุปกรณ์ตัวอย่างวัดกระแส AC (True RMS) แบบ CT (Current Transformer) แน่นอนว่าแม้กระทั่งเซ็นเซอร์ดังกล่าวก็เป็นเซ็นเซอร์ไร้สายพลังงานต่ำด้วย

ระบบสามารถเฝ้าตรวจและแจ้งเตือนอะไรได้บ้าง?

การแจ้งเตือน สามารถทำได้ทั้ง SMS และ Email ปัจจุบันกำหนดการแจ้งเตือน ในกรณีต่างๆ ดังนี้

  1. อุณหภูมิสูงเกินกำหนด ไม่ว่ากรณีใดๆ ก็ตาม ซึ่งอาจเกิดขึ้นได้ เช่น ไฟดับ พัดลมเสีย ฯลฯ การแจ้งเตือนนี้เป็นด่านสุดท้ายสำคัญในการป้องกันผลผลิตเสียหาย (อุปกรณ์มีระบบไฟสำรอง ดังนั้นแม้ไฟหลักดับ ก็ยังสามารถเฝ้าตรวจและแจ้งเตือนได้ไม่น้อยกว่า 6 ชั่วโมง)
  2. ความชื้นสัมพัทธ์สูงหรือต่ำกว่า Setpoint +-10% หรือ อุณหภูมิสูงหรือต่ำกว่า Setpoint +-2 C
  3. ระบบควบคุมสั่งการ สั่งการไปแล้ว แต่พัดลม หรือปั้มน้ำ ไม่ทำงาน
  4. ไม่สามารถติดต่อสื่อสารกับ Node ใดๆ ได้เกิน 5 นาที เช่น กรณีสัญญาณไร้สายถูกรบกวน

เจ้าของฟาร์มหรือเกษตรกรบางคนอาจบอกว่า มีคนงานอยู่แล้ว ให้ตรวจสอบอยู่ตลอดเวลาอยู่แล้ว บริษัทมีมุมมองว่าการใช้ระบบอัตโนมัติตรวจสอบดีกว่าในแง่ มีการตรวจสอบตลอดเวลาจริงๆ (ทุกๆ หนึ่งนาที หรือมากกว่าน้อยกว่า ตามที่กำหนดในโปรแกรม) ซึ่งจะเป็นการช่วยคนที่ไม่สามารถตรวจได้ตลอดเวลา 7 วัน 24 ชั่วโมง อีกอย่างเป็นการเพิ่มความมั่นใจให้กับเจ้าของฟาร์มหรือกิจการตรวจสอบการทำงานของเจ้าหน้าที่ว่าใส่ใจทำงานถูกต้อง ป้องกันความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นโดยไม่จำเป็น

ยกตัวอย่างกรณีจริงดังนี้ บ่ายวันหนึ่ง มีอีเมล์แจ้งวิศวกรระบบที่อยู่ที่กรุงเทพ เตือนว่าอุณหภูมิของเซ็นเซอร์ภายในโรงเรือนหน้ารังผึ้งตัวหนึ่งสูงประมาณ 30 C ซึ่งนับว่าสูงมาก ในขณะที่ ความชื้นอ่านได้ประมาณ 50%RH ซึ่งใกล้เคียงกับค่าของอากาศภายนอก เมื่อเปรียบเทียบกับเซ็นเซอร์หน้ารั้งฝึ้งอีกตัวหนึ่งอ่านอุณหภูมิได้ประมาณ 25 C และความชื้นประมาณ 80%RH เมื่อได้ตรวจสอบจากระบบพบว่า ระบบควบคุมอัตโนมัติสั่งการถูกต้อง คือสั่งให้ปั๊มน้ำเปิด และปั๊มก็ทำงานจริง (มีกระแสไฟ) จึงสรุปว่าน่าจะเป็นปัญหาปี๊มทำงานแต่น้ำไม่ไหล จึงได้โทรแจ้งผู้เกี่ยวข้องของสถานีเกษตรหลวงที่เชียงใหม่ เพื่อตรวจสอบด่วนว่าน้ำไม่ไหลจริงหรือไม่ ผลปรากฎว่าเป็นตามที่ระบบแจ้งเตือนและการวิเคราะห์จริง เพราะเมื่อช่วงเช้าเจ้าหน้าที่ได้ทำความสะอาดระบบท่อน้ำเพื่อล้างหินปูน แต่ลืมเปิดวาล์ว จึงได้แก้ไขโดยเปิดวาล์ว และอุณหภูมิก็ลดต่ำลง ระบบทำงานตามปกติ

ตัวอย่างข้างต้น ชี้ให้เห็นประโยชน์ของระบบควบคุมอัตโนมัติที่ดีอย่างชัดเจน ช่วยลดภาระคนทำงาน เพิ่มความเชื่อถือได้ของระบบ หากไม่มีการเฝ้าตรวจหรือแจ้งเตือนอัตโนมัติโดยระบบแล้ว และหวังพึ่งเจ้าหน้าที่เพียงอย่างเดียวตลอดเวลา ก็จะมีโอกาสผิดพลาดได้ง่าย เป็นสิ่งที่เจ้าของกิจการหรือผู้รับผิดชอบระบบในภาพรวมจะต้องให้ความสำคัญและพิจารณาอย่างถี่ถ้วน

5. เฝ้าตรวจและควบคุมผ่าน Internet (Internet of Things)

อุปกรณ์ชุดควบคุมของบริษัททั้งระบบสามารถเฝ้าตรวจและควบคุมผ่าน Internet ได้ ผ่าน GSM และ/หรือ LAN (ซึ่งสามารถต่อกับ ADSL Router, Access Point, หรือ 3G modem)

ภาพตัวอย่างข้างล่างแสดงการบันทึกข้อมูลใน Google Sheet การที่สามารถบันทึกข้อมูลสั่งการควบคุมผ่าน Internet ได้มีข้อดีที่เห็นได้ชัดคือ เจ้าของฟาร์มหรือกิจการสามารถตรวจสอบสถานะการทำงานของระบบได้ตลอดเวลา ไม่ว่าจะอยู่ที่ไหนเวลาใด

ตัวอย่างการแสดงข้อมูลสถานะโรงเรือนผ่าน Google Sheet

ตัวอย่างการแสดงข้อมูลสถานะโรงเรือนผ่าน Google Sheet

การบันทึกข้อมูลยังมีประโยชน์มากในแง่ของการให้ข้อมูลข้อเท็จจริงในการวิเคราะห์ประเมินผลการทำงานของระบบ เช่น อุณหภูมิเฉลี่ยของโรงเรือนในเวลากลางวันหรือกลางคืนเป็นเท่าไร เหมาะสมกับความต้องการของพืชหรือไม่ ความชื้นในโรงเรือนมากเกินไปหรือไม่ (หากมากเกินไป จะทำให้พืชมีโอกาสติดโรคได้ง่าย) ข้อมูลข้อเท็จจริงเหล่านี้จะช่วยให้ Smart Farmers สามารถวิเคราะห์และปรับปรุงระบบ อุปกรณ์ เทคนิคการปลูกได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงขึ้น

ไม่เพียงผู้ใช้งานระบบสามารถเฝ้าตรวจ ควบคุม สั่งการผ่าน Internet ได้จากทุกที่ทุกเวลา บริษัท ยังสามารถทำการอัพเดทซอฟต์แวร์ของระบบโดยอัตโนมัติเมื่อมี version ใหม่ๆ อยู่ตลอดเวลา ลักษณะเดียวกับที่โทรศัพท์ Android Update ตัวเอง หรือ App โดยอัตโนมัติ เมื่อมีซอฟต์แวร์ version ใหม่ออกมา

6. อื่นๆ อีกมาก (It’s your choices.)

ยังมีความสามารถอื่นอีกมาก ที่ระบบสามารถทำได้ ให้จินตนาการว่า บริษัท ได้สร้างอุปกรณ์ที่สามารถใช้เฝ้าตรวจและควบคุมอะไรก็ได้ผ่าน Internet ผ่านระบบเครือข่ายไร้สายที่ประหยัดพลังงาน ตัวอย่าง อุปกรณ์เสริม เช่น

  • เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิน้ำ
  • วัดอุณหภูมิดิน
  • สามารถใช้กับไฟ 220VAC หรือ 24VDC
  • ระบบสำรองไฟและ Charge ถ่านอัตโนมัติ
  • วัดความชื้นดิน
  • วัด pH และ EC (อยู่ระหว่างพัฒนาเพิ่มเติม)

7. ราคา

สวก. และ บริษัท ได้กำหนดเป้าหมายหนึ่งของโครงการคือให้เข้าถึงได้โดยเกษตรกรทั่วไป จึงมุ่งเน้นสร้างระบบที่ดี เชื่อถือได้ และคุ้มราคา ถูกกว่าสินค้านำเข้าหลายเท่า

จึงขอสรุปสั้นๆ แบบนี้ครับว่า “คุณภาพมาตรฐานสากล – ราคาไทยๆ”

 


ฉันไม่ใช่ผู้วิเศษ

คำถามที่ถูกถามบ่อยมากๆ คือโรงเรือนทำความเย็นได้สูงสุดแค่ไหน จะสามารถปลูกสเตรอเบอรี่ที่กรุงเทพได้ไหม เป็นต้น

ก่อนจะตอบคำถามนั้น…

ขอย้ำก่อนว่า โครงการนี้มีเป้าหมายเพื่อ พัฒนาระบบควบคุมอัตโนมัติใช้ Algorithm ขั้นสูง ที่แม่นยำ ใช้งานง่าย สามารถเฝ้าตรวจสถานะของระบบและควบคุมผ่านระบบเครือข่าย และ Internet ประกอบกับมี Fault Tolerant Detection เพื่อเพิ่มความเชื่อถือได้ของระบบ เพื่อแก้ปัญหาว่ามูลนิธิโครงการหลวงมีพื้นที่กว้าง เดินทางลำบาก เจ้าหน้าที่มีจำนวนจำกัด ต้องการยกระดับมาตรฐานการทำงาน โดยนำเทคโนโลยีสมัยใหม่มาใช้ช่วยลดแรงงาน ทำให้ชีวิตสบายขึ้น ได้ผลผลิตคุณภาพดีขึ้น

ไม่มีเป้าหมายในการพัฒนาโครงสร้างโรงเรือน หรือเพิ่มประสิทธิภาพการทำความเย็น เน้นใช้อุปกรณ์ที่มีอยู่ ราคาประหยัด หาได้ทั่วไป และเกษตรกรคุ้นเคย

กลับมาตอบคำถาม…

ตามที่ได้เล่าให้ฟังในเบื้องต้นแล้วว่าระบบทำความเย็นแบบ Evaporative Cooling ใช้หลักการทำให้อากาศมีความชื้นมาก (มีน้ำในอากาศมาก) และเมื่อน้ำระเหยก็จะดูดความร้อน ทำให้อุณหภูมิลดลง (= เย็นขึ้น) ดังนั้น ความสามารถในการทำความเย็นจึงขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย กล่าวคือ ความชื้น อุณหภูมิ และความกดอากาศ ตามความสัมพันธ์ที่เรียกว่า Psychrometric Chart

ปัจจัยสำคัญหนึ่งที่กำหนดประสิทธิภาพการทำความเย็น คือความชื้นของอากาศที่เข้ามาในโรงเรือน หากอากาศที่เข้ามามีความชื้นสูงอยู่แล้ว โอกาสที่จะทำให้น้ำในอากาศระเหยก็จะยาก โรงเรือนจึงอาจเย็นได้ไม่มาก ดังนั้นโดยธรรมชาติของระบบจึงเหมาะกับสภาวะแวดล้อม ร้อนแห้ง เช่น ทะเลทราย f)คณะวิจัยยังสงสัยว่าระบบโรงเรือน Evap น่าจะเหมาะกับภาคอิสานบ้านเฮาเป็นอย่างยิ่ง อาจปลูกไม้เมืองหนาวด้วยระบบโรงเรือน Evap ได้ดีด้วยซ้ำ ซึ่งระบบจะมีประสิทธิภาพการทำความเย็นได้ดีมาก มีทฤษฎีในการคำนวณ (Online Psychrometric Chart Calculator) ได้ว่าระบบจะทำความเย็นได้กี่องศา เมื่อทราบ อุณหภูมิ ความชื้น และความกดอากาศ ภายนอก

เช่น หากอยู่ที่ความสูง 100 เมตรเหนือระดับน้ำทะเล และอากาศมีความชื้นสัมพัทธ์ 70%RH (ดู อุณหภูมิเฉลี่ย และ ความชื้นสัมพันธ์เฉลี่ย ของประเทศไทย) อุณหภูมิ 30 องศา จะสามารถทำความเย็นสูงสุดตามทฤษฎีได้ไม่ต่ำกว่า 25.5 deg C (Wet Bulb) และ 23.9 deg C (Dew Point)

สรุป…

ระบบควบคุมอัตโนมัติมีหน้าที่เฝ้าตรวจ ควบคุม ให้ระบบทำงานตามความต้องการของผู้ใช้ ด้วยความแม่นยำ เชื่อถือได้ ภายในกรอบความสามารถและข้อจำกัดทางกายภาพของระบบ

ตัวชี้วัดความสามารถของระบบควบคุมอัตโนมัติ โดยทั้่วไปจะดูจากว่า ระบบควบคุมสามารถปรับตัวตอบสนองกับการเปลี่ยนแปลงภายนอก ได้ แม่นยำ (เช่น Overshoot / Steady State Error), รวดเร็ว (Transient Response, Rise Time, Settling Time) และ รองรับการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อมภายนอก (Robustness) ได้มากน้อยและดีเพียงไร

ระบบควบคุมอัตโนมัติจะสามารถทำได้เท่าที่ความสามารถของระบบทำได้ทางกายภาพ เปรียบเทียบได้กับการมีระบบควบคุมความเร็วของรถยนต์อัตโนมัติ (cruise control) ไม่ได้หมายความว่าจะทำให้รถอะไรก็ได้วิ่งเร็วได้ที่ 300 กม./ชั่วโมง เพราะนั่นขึ้นอยู่กับขนาด-กำลังของเครื่องยนต์ หรือจะสั่งแอร์บ้านให้ทำความเย็นที่ 5 องศา ก็จะขึ้นอยู่กับความสามารถของ Compressor ไม่ใช่ระบบควบคุมอัตโนมัติ แต่ระบบควบคุมความเร็วอัตโนมัติที่ดีจะรักษาความเร็วของรถไว้ที่ 80 กม./ชั่วโมง ได้อย่างแม่นยำ ไม่ว่าจะขึ้นทางชันหรือลงทางลาด ระบบที่ฉลาดอาจสามารถทำได้ขณะที่คำนึงถึงความประหยัดน้ำมันมากที่สุด หรือสามารถลดความเร็วได้อัตโนมัติหากตรวจพบว่ามีรถหรือสิ่งกีดขวางอยู่ข้างหน้า หรือระบบควบคุมความเย็นแอร์อัตโนมัติจะต้องความคุมอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำไม่ว่าคนจะเข้าออกจากห้องกี่คน หรือแดดส่องเข้ามาในห้องมากหรือน้อย แถมยังประหยัดไฟด้วย

 


สนใจติดต่อ

นอกจากโรงเรือนปิดแล้ว ระบบควบคุมอัตโนมัตินี้ยังสามารถประยุกต์ใช้ในการควบคุมระบบทางการเกษตรอื่นๆ ได้อีกมาก เช่น การรดน้ำ การให้ปุ๋ย การตรวจสอบความชื้นของดิน ฯลฯ โดยยังคงคุณลักษณะเฉพาะพิเศษเช่น การใช้งานผ่านอินเตอร์เน็ต การเฝ้าตรวจและแจ้งเตือน เป็นต้น

ผู้สนใจสามารถติดต่อขอข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่ help@aimagin.com หรือโทรหาเราได้ตามรายละเอียดนี้

Footnote   [ + ]

a. บางคนอาจสงสัยว่าทหารเรือมาทำอะไรกับเกษตร จริงๆ ซอฟต์แวร์ “ไวจัง” ของเอมเมจิน ที่มีผู้ใช้เป็นนักศึกษา นักวิจัย และภาคอุตสาหกรรม ทั่วโลกในวันนี้ มีจุดกำเนิดจากงานวิจัยเชิง Academic ที่ได้รับทุนวิจัยจากสำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย – สกว. และโรงเรียนนายเรือ เพื่อพัฒนาชุดฝึกระบบควบคุมอัตโนมัติสำหรับนักเรียนนายเรือภาคเครื่องกลที่ไม่เก่งด้านเขียนโปรแกรมหรืออิเล็กทรอนิกส์ ให้สามารถเข้าใจเนื้อหาความสำคัญ สามารถออกแบบระบบควบคุมอัตโนมัติตามหลักทฤษฎี และเทคโนโลยีสมัยใหม่ เช่น Model-Based Design ได้ และด้วยแรงผลักดันจากผู้ใหญ่ สกว. ณ ขณะนั้น (ที่สำคัญ รศ.ดร.สุธีระ ประเสริฐสรรพ์ ผอ.ฝ่ายอุตสาหกรรม สกว. และ ดร.พีระเดช ทองอำไพ รอง ผอ.สกว. ขณะนั้น) ที่สนับสนุนให้เห็นผลงานวิจัยขึ้นห้างไม่ขึ้นหิ้ง จึงเกิดเป็น เอมเมจิน มาจนปัจจุบันนี้
b. แนวคิดระบบ Evaporative Cooling สำหรับพืชสำหรับพืช ระบบ Evaporative Cooling คือ ระบบทำความเย็นคล้ายๆ แอร์บ้าน แต่ใช้หลักการดูดความร้อนเมื่อน้ำระเหยเพื่อทำความเย็น มีข้อดีคือใช้พลังงานน้อยกว่าระบบแอร์บ้านที่ใช้ Compressor แต่ข้อจำกัดคือประสิทธิภาพการทำความเย็นไม่ดีเท่าและขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมภายนอก – ยิ่งอากาศภายนอกโรงเรือนยิ่งร้อนแห้ง จะยิ่งทำความเย็นได้ดี ภาพอ้างอิงจาก ref. นี้
c. จริงๆ สมการระบบควบคุมอัตโนมัตินี้ได้รับการพัฒนาโดย ดร.ศราวัณ วงษา หนึ่งในนักวิจัยของโครงการและอาจารย์ประจำ วิชาทฤษฎีระบบควบคุมอัตโนมัติ ณ ภาควิชาวิศวกรรมระบบควบคุมและเครื่องมือวัด คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี
d. ความสามารถในการแข่งขันของประเทศที่มีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีส่วนสำคัญขึ้นอยู่กับว่าสามารถจะพัฒนาระบบที่มีความอัจฉริยะได้มากกว่ากันแค่ไหน ความอัจฉริยะนี้ได้มาจากสมการทางคณิตศาสตร์ – algorithm ที่ใช้ ในระบบสมองกลฝังตัว หากอุตสาหกรรมไทยมีวิศวกรที่สามารถคิดออกแบบ algorithm ที่ล้ำหน้าได้ ก็จะสามารถสร้างความได้เปรียบโดยสร้างมูลค่าเพิ่มให้กับผลิตภัณฑ์ได้ เช่น ตู้เย็นที่โฆษณาว่ามี Fuzzy Logic Control ก็จะมีมูลค่าสูงกว่าแบบธรรมดา แต่ที่พูดเช่นนี้ไม่ได้หมายความว่าการเขียน C code ไม่สำคัญ แต่ในความเป็นจริง ทีมพัฒนาจะประกอบด้วยหลายส่วน เช่น ระดับ low – level กับ algorithm design หากบริษัทต้องใช้เวลา 6 เดือนในการพัฒนา algorithm ที่ซับซ้อน เพราะมัวแต่เขียน และ Debug C code ในขณะที่อีกบริษัทหนึ่งพัฒนาได้ในสองสัปดาห์ จะเห็นได้ถึงความได้เปรียบทางการแข่งขันอย่างเห็นได้ชัด
e. อุปกรณ์ Gateway 1 ชุดสามารถเชื่อมต่อกับ Node ได้สูงสุด 64 Nodes และแต่ละ Node อาจเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ได้หลากหลาย เช่น AC ON/OFF module สูงสุดถึง 8 ช่อง ต่อ Node
f. คณะวิจัยยังสงสัยว่าระบบโรงเรือน Evap น่าจะเหมาะกับภาคอิสานบ้านเฮาเป็นอย่างยิ่ง อาจปลูกไม้เมืองหนาวด้วยระบบโรงเรือน Evap ได้ดีด้วยซ้ำ