เพื่อให้สามารถใช้งานได้ภายในโครงการและตอบสนองความต้องการของระบบได้นั้น คณะผู้วิจัยได้ศึกษาข้อมูลและจัดรูปแบบการใช้งานเครื่องมือวัดและอุปกรณ์ต่างๆ ภายในโครงการจึงมีการใช้งานดังนี้

- Arduino เป็นบอร์ดไมโครคอนโทรเลอร์ตระกูล AVR ที่มีการพัฒนาแบบ Open Source ความง่ายของบอร์ด Arduino ในการต่ออุปกรณ์เสริมต่างๆ ผู้ใช้งานสามารถต่อวงจรอิเล็กทรอนิคส์จากภายนอกแล้วเชื่อมต่อเข้ามาที่ขา I/O ของบอร์ด หรือเพื่อความสะดวกสามารถเลือกต่อกับบอร์ดเสริม (Arduino Shield) ประเภทต่างๆ เช่น Arduino XBee Shield, Arduino Relay Shield, Arduino Wireless Shield, Arduino GPRS Shield เป็นต้น มาเสียบกับบอร์ดบนบอร์ด Arduino แล้วเขียนโปรแกรมพัฒนาควบคุมเครื่องวัดสัญญานต่างๆ ได้

รูป บอร์ด Arduino

- Raspberry Pi 3 (RPi 3) Model B เป็นคอมพิวเตอร์บอร์ดเดียวที่ออกแบบและพัฒนาโดยองค์กรที่มีชื่อว่า Raspberry Pi Foundation RPi 3 มีขนาด (86mm x 56mm x 21mm) ทำให้ใช้กล่องใส่ (Case) ได้ มีความสามารถในการประมวลผลที่สูงและมีประสิทธิภาพดี (ตัวอย่างการเปรียบเทียบ เช่น A Comprehensive Raspberry Pi 3 Benchmark) เนื่องจากใช้ชิป BCM 2837 SoC ที่มีซีพียู ARM Cortex A53 ARMv8 แบบ Quad-core ขนาด 64 บิต ใช้ความถี่ที่ 1.2GHz บอร์ด RPi 3 มีหน่วยความจำ 1GB DDR3 RAM นอกจากนั้นบนบอร์ดยังมีชิปสำหรับเชื่อมต่อ Wi-Fi IEEE 802.11n และ Bluetooth 4.1, Bluetooth Low-Energy (LE) อีกด้วย

รูป Raspberry Pi 3 (RPi 3) Model B

1.2 บอร์ดเครื่องควบคุมสัญญาน

โดยใช้ NodeMCU esp8266 เป็นชิปการพัฒนาที่มีประสิทธิภาพ มึความสามารถในการรับ/ส่งข้อมูลที่ดี ด้วย GPIO และยังสามารถสื่อสารกับอุปกรณ์อื่นๆ ที่ใช้ WiFi ได้ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานของต้นแบบในแอพพลิเคชั่น

รูป บอร์ด NodeMCU esp8266

เซ็นเซอร์อุณหภูมิจะเชื่อมต่อกับอินพุตแบบอนาล็อกของโมดูล WIFI ESP8266 ซึ่งจะโพสต์อุณหภูมิเป็นระยะ ๆ ไปยังโฮสติ้งที่ใช้ระบบคลาวด์ จากนั้นสามารถเข้าถึงอุณหภูมิได้จาก เว็บเซิร์ฟเวอร์ เพื่อตรวจสอบอุณหภูมิปัจจุบัน คอมโพเนนต์ที่จำเป็นคือ เซนเซอร์วัดอุณหภูมิ Max6675 การทำงานเว็บเซิร์ฟเวอร์ที่มีการติดตั้งสคริปต์ PHP server

รูป สัญญานอุณหภูมิ

2.2 สัญญานความชื้น

ESP8266 เก็บค่าอุณหภูมิและความชื้นโดยเซ็นเซอร์ DHT22 และการแสดงภาพเพิ่มเติมบนแผงควบคุมเว็บแบบเรียลไทม์ ข้อมูลที่รวบรวมจะถูกผลักผ่านทาง MQTT ไปยังเซิร์ฟเวอร์ เพื่อเก็บข้อมูลและแสดงภาพ จุดประสงค์คือการแสดงให้เห็นถึงการเก็บรวบรวมข้อมูลของ API และเซ็นเซอร์ DHT22 เชื่อมต่อกับ ESP8266

ESP8266 นำเสนอโซลูชั่นเครือข่าย Wi-Fi และส่งข้อมูลไปยังเซิร์ฟเวอร์ ผ่านทางโปรโตคอล MQTT โดยใช้ไลบรารี PubSubClient สำหรับ Arduino ข้อมูลจะถูกมองเห็นโดยใช้หน้าแดชบอร์ดแบบกำหนดเองที่ติดตั้งมา แอ็พพลิเคชันที่กำลังทำงานบน ESP8266 เขียนโดยใช้ Arduino SDK

รูป สัญญานความชื้น

2.3 สัญญานอัตราการไหลของน้ำ

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก มีการใช้ LDO ที่มีประสิทธิภาพ (MCP1700T-3302E) และใช้การควบคุมเป็น VCC ของ ESP8266 ควบคุมและเปิดเฉพาะเมื่อจำเป็น เนื่องจากโหลดอยู่ในระดับที่สามารถใช้ CMOS เป็นสวิตช์ได้ เพื่อให้ตรงกับระดับเอาท์พุทลอจิกของ ESP8266

รูป สัญญานอัตราการไหลของน้ำ

2.4 สัญญานไฟฟ้า

NodeMCU ESP8266 เพื่อวัดพลังงานแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟจากแหล่งจ่ายไฟ ปัจจุบัน
เป็นการใช้งานผ่านตัวนำกระแสไฟฟ้าแบบคลิปและแรงดันไฟฟ้าจะผ่านหม้อแปลงแยก วงจรแรงดันไฟฟ้ายังใช้เพื่อขับเคลื่อนระบบ โซลูชันที่เชื่อมต่อ WiFi แบบกำหนดเอง ใช้ NodeMCU ให้ฟังก์ชันการทำงานของ ไมโครคอนโทรลเลอร์และ WiFi ของ ESP8266 สามารถใช้ ADS1115 จากรูปคลื่น AC ที่ใช้ในการขับเคลื่อนระบบ เมื่อติดตั้งระบบจะทำงานดังข้างล่างนี้

รูป สัญญานไฟฟ้า

1. โหมด AP  เป็นโหมดที่จะต้องรอให้มีอุปกรณ์มาเชื่อมต่อจึงจะสามารถรับส่งข้อมูลกันได้
2. โหมด STA  เป็นโหมดที่กำหนดให้ ESP8266 ไปเชื่อมต่อกับอุปกรณ์อื่น ๆ เช่น เร้าเตอร์ แล้วรับส่งข้อมูลระหว่างเครื่องในวงแลนได้
3. โหมด AP & STA  เป็นโหมดที่สามารถทำงานได้ทั้ง 2 อย่างภายในเวลาเดียวกัน แต่ความสเถียรจะลดลง และทำให้ใช้กำลังไฟฟ้ามากขึ้น

ในการใช้งานควบคุมอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่อยู่ในระยะใกล้ และต้องย้ายสถานที่ใช้งานที่บ่อย เช่น นำไปใช้งานควบคุมเซ็นเซอร์ จะใช้งานในโหมด AP

1. TCP เป็นโปรโตคอลที่ใช้ในการเรียกหน้าเว็บไซต์ โปรโตคอลนี้เมื่อส่งข้อมูลไปแล้ว จะต้องรอการยืนยันได้รับข้อมูลจากเครื่องปลายทาง จึงจะเริ่มส่งข้อมูลต่อไป ข้อดีของโปรโตคอลนี้คือได้รับข้อมูลที่ถูกต้องสมบูรณ์

2. UDP เป็นโปรโตคอลที่ใช้สำหรับการรับส่งข้อมูลแบบเรียวทามที่ไม่ต้องการความถูกต้องของข้อมูลมากนัก เช่น การใช้รับส่งข้อมูลสัญญานอุณหภูมิ โปรโตคอลนี้จะมีหน้าที่ส่งข้อมูลเพียงอย่างเดียว ปลายทางไม่ต้องยืนยันได้รับข้อมูล ข้อดีของโปรโตคอลนี้คือมีขั้นตอนการทำงานที่ง่ายกว่าแบบ TCP ทำให้ทำงานได้เร็วกว่า

รูป โปรโตคอลที่ใช้รับ-ส่งข้อมูล

เนื่องจากโซลูชันอุปกรณ์ควบคุม มีการใช้งานอุปกรณ์ควบคุมจะต้องมีขนาดเล็ก แบตเตอรี่อยู่ได้นาน สามารถทำงานบนเครือข่ายที่มีข้อจำกัด ใช้ทรัพยากรบนเครือข่ายน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ด้วย Super Requirement บนทรัพยากรที่มีอยู่อย่างจำกัด จึงทำให้เกิดโปรโตคอลในการสื่อสารที่ถูกออกแบบมาให้ ‘Lightweight’ เหมาะสมที่จะนำไปใช้กับอุปกรณ์เซ็นเซอร์ขนาดที่มีหน่วยประมวลผลขนาดเล็กบนเครือข่ายที่ครอบคลุมในระยะไกล ใช้พลังงานต่ำและมีแบนด์วิธที่จำกัดมากๆ โปรโตคอลที่ได้รับความนิยมและถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายซึ่ง ได้แก่ MQTT และ CoAP

MQTT เป็นสถาปัตยกรรมแบบ Client/Server ซึ่งมี topology แบบ hub-and-spoke sensor ปลายทางจะทำหน้าที่เป็น client ซึ่งทำการสร้างเชื่อมต่อแบบ TCP ไปยัง Server ที่มีชื่อเรียกอีกชื่อว่า Broker ซึ่งมีหน้าที่เป็นเสมือนท่อส่งข้อมูลในการรับส่ง ‘Message’ ระหว่าง Client ที่เป็นได้ทั้ง Publisher และ Subscriber โดยมีรายละเอียดการเชื่อมต่อดังนี้

1. Client หมายถึง Publisher หรือ Subscriber ที่เชื่อมต่อแบบรวมศูนย์ไปยัง Broker ซึ่งสามารถเชื่อมต่อได้ทั้งแบบ persistent ที่ทำการสร้าง session ค้างไว้เปิดตลอดเวลาเพื่อติดต่อกับ Broker ซึ่งตรงกันข้ามกับ client ที่เชื่อมต่อแบบ transient ซึ่ง Broker ไม่สามารถติดตามสถานะได้
2. Broker เป็น software ที่ทำหน้ารับข้อความทั้งหมดที่ได้จาก Publisher แล้วจึงส่งต่อไปให้ Subscriber ตามแต่ Topic ที่ client ได้ทำการ subscribe ไว้
3. Topic เป็น address หรือ endpoint บน Broker ที่ client ทำการเชื่อมต่อเพื่อรับส่งข้อความระหว่างกัน

รูป MQTT

MQTT เป็นเหมือนสเปคของซอฟท์แวร์ที่มี API ไม่กี่ตัวในการเชื่อมต่อ client เข้าด้วยกัน จึงไม่สามารถใช้เป็นตัวกลางในการจัดเก็บและกระจายข้อมูล (Store-and-Forward) เหมือนเช่นในระบบ MoM (Message Oriented Middleware) ที่ทำหน้าที่ในการจัดการคิวในการกระจายข้อมูลในระบบที่ต้องการความน่าเชื่อถือและมีข้อความจำนวนมาก ดังนั้นจึงมีการนำ MQTT ไปประยุกต์ใช้ร่วมกับ MoM เช่น RabbitMQ หรือ Redis เพื่อให้สามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

MQTT เหมาะกับการนำไปใช้กับระบบคลาวด์ ที่ให้บริการแบบรวมศูนย์เพราะถูกออกแบบให้เหมาะกับการกระจายข้อมูลแบบ many-to-many ตัวอย่างแอปพลิเคชันที่นำ MQTT ไปใช้อย่างแพร่หลาย เช่น IoT Platform เนื่องจาก device สามารถทำการสร้าง session แลกเปลี่ยนข้อมูลกันได้โดยไม่ต้องทำการตั้งค่า NAT ทั้งยังสามารถนำไปใช้กับร่วมกับ TLS/SSL เพื่อเพิ่มความปลอดภัยในการรับส่งข้อมูลได้

CoAP เป็นสถาปัตยกรรมแบบ Client/Server โดย client จะทำการร้องขอทรัพยากรไปที่ server โดยตรง จากนั้น server จะทำการตอบกลับคำร้องพร้อมกับออพชัน ‘Content-Type’ เพื่อว่าบอก client ว่ากำลังจะได้รับข้อมูลในรูปแบบไหนกลับไป เช่น JSON, XML, CBOR เป็นต้น โดย client สามารถ GET, PUT, POST และ DELETE ทรัพยากรบน Server ด้วย URL และ query string คล้ายกับ REST API

รูป CoAP

CoAP มีความคล้ายคลึงกับ HTTP ทำให้การดึงข้อมูลจากเซ็นเซอร์ไม่ต่างจากการดึงข้อมูลผ่าน Web API โดยเปรียบ CoAP ได้ว่าเป็น REST API สำหรับ MCU นั่นเอง ทั้งยังเป็นโปรโตคอลที่มีความปลอดภัย เพราะมีการเข้ารหัสแบบ DTLS (เทียบเท่ากับ 3072-bit RSA key) ซึ่งสามารถรันบนอุปกรณ์ขนาดเล็กได้

CoAP ออกแบบมาสำหรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลแบบ one-to-one เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันแบบกระจายศูนย์ ที่มีอุปกรณ์อยู่บนเครือข่ายเดียวกันสามารถติดต่อกันได้โดยตรง

การนำแต่ละโปรโตคอลใดไปใช้ขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมของระบบและข้อจำกัดทางด้านทรัพยากรทางด้านเครือข่าย จึงต้องเลือกเครื่องมือให้เหมาะสมกับงาน ในระบบที่มีความซับซ้อนมากๆ อาจจะประยุกต์ใช้พร้อมกันหลายๆ โปรโตคอลตามแต่ความเฉพาะเจาะจงของแอปพลิเคชันเพื่อให้บรรลุเป้าหมายในการทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด

2. เป็นคำสั่งที่ต้องอยู่ใน void setup () ใช้สำหรับสั่งให้ TCP Server เริ่มการทำงาน

3. เป็นคำสั่งที่จะมีการให้ค่าของออปเจ๊ค WiFiClient ออกมา เพื่อตรวจสอบว่าขณะนี้มีการเชื่อมต่อเข้ามาหรือไม่

4. ใช้ตรวจสอบว่าขณะนี้ยังเชื่อมต่ออยู่หรือไม่

5. ใช้ตรวจสอบว่ามีการส่งข้อมูลเข้ามาแล้วหรือไม่ โดยจะให้ค่ากลับเป็นขนาดข้อมูลที่ถูกเก็บไว้ในบัพเฟอร์

6. เป็นคำสั่งอ่านข้อมูลออกมาจากบัพเฟอร์ทีละไบต์

รูป OSI Model