No.428

โสรัตย์ อุนหะวรากร

อภิรักษ์ นามแถ่ง

 

 

 

 

ในโครงงานนี้เราจะมาสร้างหุ่นยนต์ขนาดเล็กที่สามารถควบคุมการทำงานจากระยะไกลได้โดยผ่าน Wi-Fi โดยการนำเอา Toshiba FlashAir SD Wi-Fi card และฟังก์ชันการทำงานที่ผู้ผลิต คือ Toshiba ได้เปิดช่องทางไว้ให้สำหรับนักพัฒนาในการนำไปใช้งาน สร้างกันสนุกๆ เอาไว้เล่นในวันว่าง หรือจะดัดแปลงไปใช้กับงานอื่นๆ ก็ทำได้เช่นกันครับ

 

 

          โครงงานนี้เป็นการทดลองสร้างหุ่นยนต์บังคับขนาดเล็ก ด้วยการจับเอาโมเดลหุ่นยนต์ T.O.P ชุดคิตหุ่นยนต์เพื่อการศึกษา ซึ่งปัจจุบัน SE-ED iKids เป็นผู้จำหน่าย นำมาต่อประกอบเข้ากับ Toshiba FlashAir ซึ่งเป็น SD Wi-Fi card บวกด้วยการลงมือสร้าง ประกอบวงจร และการเขียนซอฟต์แวร์อีกนิดหน่อย โดยเราสามารถจะควบคุมการทำงานของเจ้าหุ่นยนต์ที่ว่านี้แบบไร้สายได้โดยผ่าน สมาร์ทโฟน แท็บเล็ต สร้างกันสนุกๆ เอาไว้เล่นในวันว่าง หรือจะดัดแปลงไปใช้กับงานอื่นที่ต่างออกไปก็ทำได้เช่นกัน

 

 

FlashAir คืออะไร?

 

          FlashAir อันที่จริงแล้วก็คือ SDHC Memory Card ที่ออกแบบมาให้สามารถเชื่อมเข้ากับ Wi-Fi ได้ด้วย การใช้งานโดยทั่วไปเราก็จะนำมา FlashAir มาเสียบเข้ากับอุปกรณ์อย่าง กล้องดิจิทัล เพื่อให้สามารถเข้าถึงรูปถ่ายที่เก็บอยู่ในหน่วยความจำของการ์ดได้โดยไม่ต้องถอดออกมาเสียบเข้ากับเครื่องคอมพิวเตอร์ ในขณะเดียวกัน Toshiba เองก็เปิดช่องสำหรับนักพัฒนาในการนำ FlashAir ไปใช้ประยุกต์เข้ากับงานอื่นๆ ที่สนุกขึ้นได้ด้วย ซึ่งเราจะนำส่วนที่ว่านี้มาใช้สร้างชุดควบคุมหุ่นยนต์ของเรานั่นเอง อาจมีคำถามว่า FlashAir สามารถทำอะไรได้บ้าง? รูปที่ 1 น่าจะช่วยเป็นคำตอบได้ดีทีเดียว หรือถ้าจะสรุปอย่างง่ายๆ ก็คือ สามารถทำได้ 4 อย่าง ได้แก่

 

• ทำงานเป็น Memory card สำหรับบันทึกข้อมูลต่างๆ
• ทำงานเป็นส่วนเชื่อมต่อ Wireless Acess Point
• ทำงานเป็น HTTP server/client ที่สามารถรองรับการใช้สคริปภาษา Lua ได้ด้วย
• ใช้ GPIO (ที่อยู่บนการ์ด) เพื่อควบคุมอุปกรณ์ต่างๆ

 

          ในโครงงานนี้เราได้ใช้ความสามารถเกือบทั้ง 4 อย่างเลย ยกเว้นก็แค่เรื่องสคริปภาษา Lua เท่านั้นเอง

 

 

 

รูปที่ 1 ไดอะแกรมที่จะอธิบายอย่างง่ายๆ ว่า FlashAir สามารถใช้ทำอะไรได้บ้าง

  

 

 

รูปที่ 2 องค์ประกอบการทำงานของหุ่นยนต์

 

 

หลักการทำงาน

 

          ส่วนฮาร์ดแวร์

 

          รูปที่ 2 เป็นแผนผังส่วนการทำงานของหุ่นยนต์ ที่มี FlashAir เป็นหัวใจหลักของการควบคุม โดย FlashAir จะทำงานเป็นทั้ง Web server และ Wireless AP (Access Point) ให้กับสมาร์ทโฟนหรือแท็บเล็ตเชื่อมต่อเข้ามาผ่านทาง Wi-Fi นั่นเอง เมื่อสมาร์ทโฟนเชื่อมกับ FlashAir ได้สำเร็จ และเปิดหน้าเพจ http://flashair/index.html (ซึ่งก็คือหน้าของเว็บเพจที่ถูกบันทึกบน FlashAir นั่นเอง ซึ่งจะขอเล่ารายเอียดมากขึ้นในหัวข้อถัดไปครับ) ผ่านทางเว็บบราวเซอร์ เพจที่แสดงขึ้นมา คือ ส่วนคันบังคับ ที่ผู้ใช้สั่งงานหุ่นยนต์ให้ เดินหน้า เลี้ยวซ้ายขวา หยุด และมีปุ่มแตรเสียงต่างๆ เมื่อกดปุ่มควบคุมทิศทางถูกกด คำสั่งควบคุม GPIO จะถูกส่งมายัง FlashAir เพื่อขับมอเตอร์ให้เคลื่อนไปในทิศที่กำหนด หากกดปุ่มแตร ไฟล์เสียงที่ถูกบันทึกไว้ FalshAir ก็จะถูกเล่นออกมาจากเว็บบราวเซอร์ หลักการทำงานก็ง่ายๆ เพียงเท่านี้เองครับ

 

 

 

รูปที่ 3 แผนผังทั้งหมดของวงจรควบคุม

 

  

          รูปที่ 3 เป็นแผนผังทั้งหมดของวงจรควบคุม ทิศทางการหมุนของมอเตอร์ทั้งสองตัว ถูกควบคุมมาจาก GPIO ของ FlashAir (ตามการควบคุมผ่านหน้าเว็บเพจ) การควบคุมให้มอเตอร์หมุนซ้าย/ขวา/หยุด จะต้องใช้ขาควบคุม 2 ขา เพื่อต่อเป็นสัญญาณควบคุมให้วงจรขับ H-bridge โดยขาที่ 9 และขา 2 ของ FlashAir ใช้ควบคุมมอเตอร์ MOTOR1 ส่วนขาที่ 7 และ 8 ใช้ควบคุมมอเตอร์ MOTOR2

 

          สัญญาณควบคุมจากขา GPIO จะถูกส่งไปยังวงจรขับ H-bridge โดยผ่าน IC2 (74HC541) ซึ่งเป็นบัฟเฟอร์ (Buffer) ซึ่งทำงานเป็นวงจรส่วนกันชนที่กั้นระหว่างฟากของ FlashAir ที่ใช้แรงดันไฟเลี้ยงอยู่ที่ 3.3 โวลต์ กับอีกฟากที่เป็นวงจรขับมอเตอร์ที่ในโครงงานนี้ ที่ออกแบบมาให้ทำงานในช่วงแรงดัน 5.0 - 9.0 โวลต์ (ตามแต่ขนาดของมอเตอร์ที่นำมาใช้งาน)

 

          และเพื่อเพิ่มกำลังขับกระแสของส่วนบัฟเฟอร์ให้มาขึ้นอีกนิด เราก็จะวิธีนำใช้บัฟเฟอร์ภายในมาต่อขนานกันเป็นคู่  ขาเอาต์พุตของบัฟเฟอร์แต่ละตัวของ 74HC541 สามารถจ่ายกระแสได้สูงสุด 35 mA เมื่อนำขนานกัน ก็ช่วยให้เอาต์พุตขับกระแสได้มาขึ้นเป็น 70 mA เพื่อเป็นการเผื่อให้แน่ใจว่ากระแสที่ถูกส่งไปขับวงจร H-bridge นั้นเพียงพอนั่นเอง

 

หมายเหตุ หากมอเตอร์ที่คุณผู้อ่านนำมาใช้งานนั้นเป็นมอเตอร์ขนาดเล็กที่ใช้กระแสขับไม่เกิน 100 mA ก็อาจนำเอาต์พุตจาก 74HC541 ไปใช้ขับมอเตอร์โดยตรงเลยก็ได้ ก็จะช่วยลดขนาดของวงจรโดยรวมให้เล็กลงได้อีกมาก

 

          สำหรับวงจรขับมอเตอร์แบบ H-bridge ซึ่งใช้ขับมอเตอร์แต่ละชุด จะประกอบทรานซิสเตอร์ 4 ตัว (Q1 - Q4 และ Q5 - Q8) ซึ่งจะทำงานร่วมกัน โดยวงจรนี้ผู้เขียนได้ออกแบบมาให้สามารถใช้ขับมอเตอร์ขนาด 600 mA ซึ่งเพียงพอสำหรับใช้งานกับมอเตอร์ขนาดเล็กทั่วไปได้อย่างสบายๆ

 

          แหล่งจ่ายไฟในโครงงานนี้เลือกใช้ได้ 2 แบบ โดยคุณผู้อ่านสามารถใช้แบตเตอรี่ AA จำนวน 4 ก้อน (1.5 V x 4 ก้อน = 6.0 V) ต่อผ่านทาง CON3 ก็ได้ และยังสามารถใช้ Power Bank สำหรับชาร์จแบตเตอรี่ของสมาร์ตโฟนโดยต่อผ่านทาง USB1

 

 

          ส่วนซอฟต์แวร์

  

          ในโครงงานนี้ FlashAir จะทำงานเป็น Web server และ Wireless AP ดังที่ได้เกริ่นไปบ้างแล้วในตอนต้น โดยมีหน้าของเว็บเพจซึ่งผู้เขียนได้สร้างขึ้น ทำงานเป็นส่วนคันบังคับที่ใช้ควบคุมการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์

 

          เนื่องจากการควบคุมหุ่นยนต์จะต้องใช้พอร์ต GPIO ของ FlashAir เป็นเครื่องมือ แต่ว่าฟังก์ชันนี้จะถูกปิดเอาไว้เป็นค่าเริ่มต้น (default) ถ้าต้องการใช้งานจะต้องเปิดโหมดที่ว่านี้เสียก่อน โดยการแก้ไฟล์ที่ชื่อว่า CONFIG ซึ่งไฟล์นี้จะอยู่ในโฟลเดอร์ (folder) ชื่อว่า SD_WLAN แต่ว่าโฟลเดอร์จะถูกซ่อน (hidden) เอาไว้ เราจึงอาจมองไม่เห็นโฟลเดอร์ที่ว่านี้ก็เป็นได้ สำหรับคุณผู้อ่านที่ใช้ระบบปฏิบัติการ Windows วิธีการก็คือ ให้คุณผู้อ่านกำหนดวิธีการแสดงไฟล์ของ Windows ด้วยการเลือกที่ Show hidden files and folders ดังรูปที่ 4 เพื่อปิดการซ่อนโฟลเดอร์เสียก่อน จากนั้นจึงใช้ Text Editor พิมพ์เพิ่มบรรทัดสุดท้ายของไฟล์ว่า IFMODE=1 เพื่อเปิดโหมดควบคุม GPIO เมื่อเสร็จแล้วก็สามารถกลับไปแก้ให้กลับเป็น Do not show hidden files ans folders ได้ตามเดิม

  

 

 

รูปที่ 4 โฟลเดอร์ SD_WLAN ซึ่งเป็นส่วนที่เก็บการตั้งค่าต่างๆ ของ FlashAir ในเริ่มต้น (default) จะถูกซ่อน (hidden) อยู่ทำให้เราจึงอาจมองไม่เห็นเจ้าโฟลเดอร์ที่ว่านี้ สิ่งที่เราต้องทำก็คือ ปิดการซ่อนที่ว่านี้ลงชั่วคราว วิธีการคือให้คุณผู้อ่านกำหนดให้กำหนดวิธีการแสดงไฟล์ด้วยการเลือก Show hidden files and folders

 

  

 

รูปที่ 5 โครงสร้างโฟลเดอร์ของเว็บเพจที่อยู่ภายใน FlashAir

 

  

          หลังจากนั้นคุณผู้อ่านจะต้องดาวน์โหลดไฟล์ http://electronics.se-ed.com/download มา unzip ลงยัง FlashAir ผลลัพธ์ก็คือ ไฟล์ที่อยู่ใน FlashAir ทั้งหมดจะมีโครงสร้างโฟลเดอร์ดัง รูปที่ 5 นั่นเอง โดยมีไฟล์ที่เป็นส่วนหลัก คือ index.html และ flashair_ctrl.js เมื่อคุณผู้อ่านเปิดหน้าเพจ http://flashair/index.html ผ่านทางสมาร์ตโฟน index.html ก็จะนำมาแสดงขึ้นบนเว็บบราวเซอร์ พร้อมกับสคริป flashair_ctrl.js จะถูกโหลดขึ้นเพื่อรอทำงาน ผลลัพธ์ที่ได้ก็คือที่จอภาพของสมาร์ตโฟนจะมีหน้าตาดัง รูปที่ 6

 

          ในกรณีที่ปุ่มควบคุมทิศทางหรือปุ่มหยุดถูกกด สคริป flashair_ctrl.js จะทำการเรียก CGI (command.cgi) ของ FlashAir เพื่อสั่งให้พอร์ต CMD, D01, D1, D2 (ดูแผนผังวงจรในรูปที่ 1 ประกอบ) มีลอจิกเป็น HIGH (1) หรือ LOW (0) เป็นการควบคุมทิศทางการหมุนของมอเตอร์

 

          ยกตัวอย่างเช่น เมื่อกดปุ่มเดินหน้า สคริป flashair_ctrl.js จะเรียก CGI ของ FlashAir โดยใช้ข้อความคำสั่งดังนี้

 

          • http://flashair/command.cgi?op=190&CTRL=0x1f&DATA=0x0C

 

 

          ข้อความตรงส่วน DATA=0x0C คือการสั่งให้พอร์ต D1 (0x04) และ D2 (0x08) มีลอจิกเป็น HIGH พร้อมกันทั้งคู่ (0x04 + 0x08 = 0x0C) เป็นการสั่งให้มอเตอร์ทั้งสองข้างหมุนไปข้างหน้าพร้อมกันนั่นเอง ส่วนการเลี้ยวซ้าย/ขวา หรือถอยหลัง ก็ใช้หลักการลักษณะเดียวกัน

  

 

 

รูปที่ 6 ลายวงจรพิมพ์ขนาดเท่าแบบ

  

 

รูปที่ 7 ตำแหน่งการลงอุปกรณ์ด้านบน (Top Layer)

 

 

รูปที่ 8 ตำแหน่งการลงอุปกรณ์ด้านล่าง (Bottom Layer)

 

 

การประกอบวงจรส่วนควบคุม

 

          รูปที่ 7 และ 8 เป็นตำแหน่งในการลงอุปกรณ์บนแผ่น PCB ทั้งทางด้านบนและล่าง วิธีการลงอุปกรณ์ ควรเริ่มลงอุปกรณ์ที่อยู่ชั้นด้านบน (Top Layer) ก่อน โดยการเริ่มบัดกรีอุปกรณ์ที่มีความสูงน้อยๆ ก่อน เช่น ลวดจั๊มป์, ตัวต้านทาน, ตัวเก็บประจุ และซ็อกเก็ต IC2 จากนั้นจึงตามด้วยอุปกรณ์ที่สูงมากขึ้น ไล่เรียงกันมาจนครบ

 

          จากนั้นจึงค่อยบัดกรีอุปกรณ์ที่อยู่ชั้นด้านล่าง (Bottom Layer) อุปกรณ์ที่ติดตั้งอยู่ในชั้นนี้เป็นแบบ SMD ทั้งหมด ในการบัดกรีจึงยากขึ้นและคงต้องใจเย็นและ ปราณีตในการประกอบสักหน่อย เนื่องจากอุปกรณ์ SMD มีขนาดเล็กด้วยนั่นเอง นอกจากนั้นควรระมัดระวังเกี่ยวกับระดับความร้อนในการบัดกรี ระมัดระวังไม่ให้อุปกรณ์และแผ่นวงจรพิมพ์ได้รับความร้อนสะสมที่มากเกินไป เพราะอาจทำให้เกิดความเสียหายขึ้นได้นั่นเอง หลังจากนั้นเป็นการตรวจสอบเบื้องต้น โดยให้นำมัลติมิเตอร์ตรวจสอบความต่อเนื่อง ลองตรวจดูว่าเกิดการลัดวงจรหรือไม่ หลังจากตรวจสอบดีแล้ว ขั้นต่อไปก็เป็นการทดสอบ

 

          ให้นำแหล่งจ่ายไฟ AA จากในหัวข้อก่อนต่อเข้ากับบอร์ดที่คอนเน็กเตอร์ CON3 ลองใช้มัลติมิเตอร์วัดแรงดันตามจุดต่างๆ แรงดันที่จุด VCC เมื่อเทียบกับกราวด์ (GND) ควรจะอยู่ที่ราวๆ 5 โวลต์ และลองวัดแรงดันที่เอาต์พุตของ IC1 ซึ่งเป็น low-drop linear regulator เทียบกับ GND จะต้องได้แรงดันออกมาที่ 3.3 โวลต์ หากเกินกว่านี้อาจทำให้ FlashAir เสียหายได้

 

 

 

รูปที่ 9 หุ่นยนต์ที่ประกอบขึ้นมาจาก T.O.P Full series

  

 

 

รูปที่ 10 เฟรมอะลูมิเนียมที่นำมาประกอบหุ่นยนต์

 

 

โครงสร้างหุ่นยนต์

 

          ส่วนโครงสร้างของหุ่นยนต์ที่ถูกเลือกมาใช้ในโครงงานนี้ ผู้เขียนได้นำ ชุดหุ่นยนต์เพื่อการศึกษา T.O.P (Training course Of Professional) ชุดเรียนรู้หุ่นยนต์ขั้นสูง มาใช้งานเนื่องจากเป็นชุดคิตที่มีชิ้นส่วนประกอบแบบอะลูมิเนียม ถอดประกอบได้ง่าย และยังสามารถปรับปรุงดัดแปลงตามจินตนาการได้อย่างไม่จำกัดอีกด้วย โดยคุณผู้อ่านที่สนใจหุ่นยนต์รุ่นนี้ก็สามารถสอบถามข้อมูลได้แผนก STEM Education ของบริษัท ซีเอ็ดยูเคชั่น จำกัด (มหาชน)

 

 

 

รูปที่ 11 หุ่นยนต์ Wi-Fi Robot ที่ประกอบเสร็จเป็นรูปเป็นร่าง

 

 

          รูปที่ 11 เป็นหุ่นยนต์ตามจินตนาการณ์ที่ผู้เขียนอยากได้ การประกอบหุ่นยนต์ก็ทำได้ไม่ยากเลย เนื่องจากชุด T.O.P (Training course Of Professional) ได้ถูกออกแบบมาเพื่อช่วยในการสร้างและการส้รางหุ่นยนต์อยู่แล้ว สำหรับเด็กหรือแม้แต่คุณผู้อ่านที่อาจไม่มีทักษะทางช่างก็ยังสามารถประกอบหุ่นยนต์ขึ้นเองได้อย่างสบายๆ

 

 

 

รูปที่ 12 ทำการแก้ไข CONFIG ของ FlashAir เพื่อให้สามารถควบคุม GPIO ได้

 

 

การทดสอบ

  

          มาถึงขั้นตอนนี้แสดงว่าโครงงานพร้อมทำการทดสอบแล้ว ก่อนอื่นให้คัดลอกไฟล์ทั้งหมดลงใน FlashAir เสียก่อน ขั้นตอน คือ เสียบ FlashAir เข้ากับคอมพิวเตอร์ของท่าน แล้วไปดาวน์โหลดไฟล์ที่ใช้ร่วมกับวงจรได้ที่เว็บไซต์ http://electronics.se-ed.com/download

 

 

 

          เมื่อเตรียมความพร้อมทางด้าน FlashAir เรียบร้อยแล้วคราวนี้ก็มาลุยกันต่อเลย เริ่มจากต่อวงจรให้ครบพร้อมจ่ายแรงดันให้กับวงจร เมื่อเริ่มทำงานหาก FlashAir อยู่ในซ็อกเก็ต LED1 จะติดสว่าง จากนั้นให้ทำการค้นหาสัญญาณ WiFi ที่อยู่ใกล้ๆ กับตัวโครงงาน ในการทดลองเบื้องต้นนี้จะใช้โทรศัพท์มือถือเชื่อมต่อ ให้เปิด WiFi และค้นหาเครือข่ายที่ชื่อ “flashair_xxxxxxx” เมื่อเจอแล้วก็ให้เชื่อมต่อได้เลย เพราะนั่นคือสัญญาณจาก FlashAir ของเรานั่นเอง

 

          หลังจากที่เชื่อมต่อเสร็จแล้วให้เปิด web browser ในโทรศัพท์ขึ้นมา พร้อมกับพิมพ์ในช่อง URL เป็น http://flashair/ จากนั้นจะมีหน้าต่างใหม่ขึ้นมาเพื่อให้เราใส่รหัสผ่าน หากท่านยังไม่ได้ตั้งรหัสผ่านใหม่ ค่า Default จะเป็น “12345678” เมื่อได้แล้วก็กดปุ่ม OK (ดังรูปที่ 14)

 

          เมื่อเข้ามาได้แล้ว ขั้นตอนต่อไปจะทำการโหลดไฟล์ index.html ขึ้นมา โดยให้พิมพ์ http://flashair/index.html ในช่อง URL ซึ่งไฟล์นี้เป็นหน้าอินเทอร์เฟสที่ใช้สำหรับควบคุมหุ่นยนต์ของเรา เมื่อเปิดขึ้นมาท่านจะได้หน้าอินเทอร์เฟสดังแสดงในรูปที่ 15 นั่นแสดงว่าเราสามารถติดต่อกับ FlashAir ได้แล้ว ขั้นตอนต่อไปจะเป็นการสั่งให้หุ่นยนต์ไปในทิศทางที่เราต้องการ ทำได้โดยการกดปุ่มบนหน้าจอโทรศัพท์ของเรา หากถูกต้องหุ่นยนต์ของเราจะต้องเดินหน้า, ถอดหลัง, เลี้ยวซ้าย, เลี้ยวขวา และสั่งให้หยุดได้

 

 

 

รูปที่ 15 หน้าเว็บ index.html ที่โหลดขึ้นมา

 

 

          เพิ่มเติม สำหรับท่านที่ลง App สำหรับสแกน QR Code ไว้ในมือถืออยู่แล้ว ท่านสามารถใช้มือถือสแกนเพื่อดึงข้อมูลชื่อเว็บออกมาแล้วใช้โปรแกรมเว็บเบราว์เซอร์โดยไม่ต้องพิมพ์ใน URL ดังแสดงในรูปที่ 16

 

 

 

 

รูปที่ 16 QR Code สำหรับโหลด

 

  

 

 

หากได้ผลลัพธ์แบบนี้แล้วแสดงว่าโครงงาน Flashair WiFi Robot สามารถใช้งานได้แล้ว คราวนี้ก็ขึ้นอยู่กับท่านแล้วว่าจะมีแนวทางในการปรับแต่งหรือเปลี่ยนแปลงรูปแบบของหุ่นยนต์เป็นแบบใด หรืออาจจะนำไปสอนลูกหลานของท่านให้มีพื้นฐานในการบังคับและสร้างหุ่นยนต์ได้เอง ซึ่งนับว่าเป็นก้าวสำคัญมากเลยทีเดียวนะครับ

 

 

 

 

หมายเหตุ: ซอร์สโค้ดทั้งหมดที่ใช้ร่วมกับโครงงานสามารถดาวน์โหลดได้ที่เว็บไซต์ http://electronics.se-ed.com/download, FlashAir สามารถซื้อได้ที่ร้าน J.I.B COMPUTER เว็บไซต์ https://www.jib.co.th, สำหรับคุณผู้อ่านที่สนใจนำหุ่นยนต์ TOP มาใช้งาน สามารถสอบถามข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่แผนก STEM Education, บริษัท ซีเอ็ดยูเคชั่น จำกัด (มหาชน) โทรศัพท์ 02-739-8000