เครื่องตรวจวัดระดับฝุ่นละอองในอากาศ แสดงผลผ่านอินเตอร์เน็ต

โครงงานเครื่องตรวจวัดระดับฝุ่นละอองในอากาศ แสดงผลผ่านอินเตอร์เน็ต

รูปที่ 1 การต่อใช้งานเครื่องตรวจวัดระดับฝุ่นละอองในอากาศ แสดงผลผ่านอินเตอร์เน็ต

 ที่มาและความสำคัญของ เครื่องตรวจวัดระดับฝุ่นละอองในอากาศ
ในปัจจุบันปัญหาเรื่องฝุ่นละอองในอากาศ โดยเฉพาะในกรุงเทพมีความรุนแรงมากขึ้นเนื่อง จากความหน่าแน่นของประชากร ยานพาหนะ การก่อสร้าง กิจกรรมต่างๆที่เกิดขึ้นทำให้คุณภาพอากาศแย่ มีผลกระทบต่อคุณภาพชีวิต ทางผู้จัดทำเห็นปัญหาที่เกิดขึ้น จึงมีความสนใจที่จะทำ เครื่องตรวจวัดระดับฝุ่นละอองในอากาศ เมื่อทำเครื่องนี้สำเร็จ จะใช้วัดคุณภาพอากาศตามสถานที่ต่างๆและสามารถปรับปรุงคุณภาพของอากาศที่แย่ ในดียิ่งขึ้น
คุณสมบัติการทำงานของโครงงาน
-ความละเอียดของฝุ่นที่วัดได้ต่ำสุดประมาณ 1µm
– ย่านการตรวจวัดความเข้มของฝุ่น 0 – 28000 pcs/liter
– แสดงค่าคุณภาพของอากาศผ่าน Webpage
– เก็บค่าและเรียกดูคุณภาพของอากาศผ่าน Webpage
การต่อวงจรของโครงงาน

รูปที่ 2 รูปวงจรสมบูรณ์

วงจรการต่อวงจรที่สมบูรณ์ของโครงงาน
ส่วนที่ 1 aMG Ethernet INFโมดูลการการติดต่อสื่อผ่านระบบอินเตอร์เน็ต ผ่านสายแลน ทำหน้าที่เป็นตัวรับส่งข้อมูลโดยมีบอร์ด STM32F4-Discover เป็นตัวประมวลผลการทำงานของโครงงาน โดยการต่อจะต่อเข้าที่ขาดังรูป

รูปที่ 3 การต่อวงจรของ aMG Ethernet INF

ส่วนที่ 2 aMG SQLite Database Serverโมดุลการเก็บข้อมูล(Database) โดยจะมีSDCard เป็นตัวเก็บข้อมูล และสามารถเรียกดูข้อมูลได้ โดยมีบอร์ด STM32F4-Discover เป็นตัวประมวลผลการทำงานของโครงงาน การต่อจะต่อเข้าที่ขาดังรูป

รูปที่ 4 การต่อวงจรของ aMG SQLite Database Server

ส่วนที่ 3 MicroSD cardสื่อจัดเก็บข้อมูล ที่ใช้ในการเก็บค่าหน้าเว็บเพจแสดงผลของโครงงาน การต่อจะต่อเข้าที่ขาดังรูป

รูปที่ 5 การต่อวงจรของ MicroSD card

ส่วนที่ 4 Particle Sensor Model PPD42NS เซ็นเซอร์วัดความเข้มของฝุ่น เมื่อตรวจพบความเข้มของฝุ่น เซ็นเซอร์จะส่งสัญญาณ PWM ไปที่บอร์ดSTM32F4-Discover ทำการประมวลผลและส่งค่าไปเก็บข้อมูล และแสดงผล โดยการต่อจะต่อเข้าที่ 1 ของเซ็นเซอร์ต่อกับ GND , ขา 3 ต่อกับ5V, ขา 4ต่อกับ PB2

รูปที่ 6 การต่อวงจรของ Particle Sensor Model PPD42NS

ส่วนที่ 5 ขาที่ใช้ของบอร์ดSTM32F4-Discoverที่ทำการต่อขา โดยเราจะใช้ต่อขาจากส่วนที่ 1 – 6 ที่ได้ระบุไว้
 อุปกรณ์ที่ใช้ในโครงงาน

1. STM32F4-Discover 1 อัน
2. aMG F4 Connect 2 1 อัน
3. Lan cable 1 เส้น
4. aMG Ethernet INF 1 อัน
5. aMG SQLite Database Server 1 อัน
6. Particle Sensor Model PPD42NS 1 อัน
7. MicroSD card 2 อัน 8. 9VDC Adapter   1 อัน

 Particle Sensor Model PPD42NS

รูปที่ 7Particle SensorModel PPD42NS

รูปที่ 8 รายละเอียดของเซ็นเซอร์

หลักการทำงานของเซ็นเซอร์
ภายในจะมีInfrared LED ทำมุม 45 องศา กับ Photodiode จะมีเลนส์รวมแสง รวมแสงบังหน้าPhotodiode จะทำงานโดยเมื่อมีฝุ่นมาบดบังแสง แสงที่ส่งไปยัง Photodiode จะมีความเข้มของแสงน้อยลง ทำให้แรงดันตกไปอยู่ที่ 0.7 V แต่ถ้าไม่มีฝุ่นมากบังแสง แรงดันก็จะเพิ่มขึ้นเป็น 4V ทำให้เกิดสัญญาณPWM ขึ้นมา ทำให้สามารถตรวจวัดความเข้มของฝุ่นได้

รูปที่  9 ภายในตัวเซ็นเซอร์

หลักการทำงานของโครงงาน
ทำการติดตั้งอุปกรณ์ให้ครบ ในสภาวะปกติเซ็นเซอร์จะจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง 4V ออกมา แต่เมื่อเซ็นเซอร์ตรวจพบฝุ่นละออง เซ็นเซอร์จะให้กำเนิดสัญญาณพัลส์ที่มีความกว้าง 10 msถึง 90 ms เมื่อไมโครคอนโทรลเลอร์พบสัญญาณพัลส์ขอบขาลง(Falling edge) จะเริ่มทำงาน โดยจะนับค่าเพิ่มขึ้นทีละหนึ่ง จนเมื่อพบสัญญาณพัลส์ขอบขาขึ้น(Rising edge) จะหยุดทำการนับ และจะเก็บไว้ในตัวแปรที่กำหนดไว้ และเมื่อพบสัญญาณพัลส์ขอบขาลง(Falling edge) จะเริ่มทำงานอีกครั้ง โปรแกรมจะทำงานโดยการเก็บค่าที่ได้ทั้งหมดมารวมกัน ภายใน 30 วินาที และนำค่าที่ได้มาหารด้วย 30 วินาที ในที่นี้ คือ 30000 มิลลิวินาที

รูปที่  10 สัญญาณพัลส์ของเซ็นเซอร์เมื่อตรวจพบฝุ่น

ค่าที่ได้จะทำไปคูณกับสมาการพหุนามตัวแปรเดียว(Polynomial equation) ที่หาได้จากกราฟในดาต้าชีท ซึ้งเป็นการ Calibrate ค่าให้ถูกต้องตาม Datasheet โดยค่าที่ได้ถูกแสดงทุกๆ 30 วินาที และจะแสดงผลในหน้าเว็บเพจ และถูกเก็บไว้ สามารถเรียกดูภายหลังได้

รูปที่  11, 12 กราฟCalibrate โดยใช้บุหรี่ และการพลอตกราฟของสมาการ

ขั้นตอนการใช้งานโครงงาน

1. ตรวจการต่อสายของแต่ละวงจรให้พร้อมใช้งาน

รูปที่ 13 ตรวจการต่อสายของวงจรให้เรียบร้อย

2. ทดสอบโดยการจุดรูป แล้วนำไปอยู่ใกล้ๆกับเซ็นเซอร์

รูปที่ 14 ทดสอบโดยการจุดธูป

3. โดยเข้าเว็บเบาร์เซอร์ ที่ 192.168.1.42จะขึ้นหน้าแรกของเว็บ

รูปที่ 15 เข้าหน้าเว็บเพจ ที่ทาการตั้งค่าไว้

 4. ให้คลิกที่แทบด้านบนชื่อ Pages > Show ในที่นี้ดูการเปลี่ยนแปลงค่าความเข้มของฝุ่น โดยจะมีการแสดงผล 2 แบบ คือแบบกราฟ กับตัวเลข และการแจ้งเตือนด้วยเสียง(Alarm) โดยการแจ้งเตือนด้วยเสียงเราสามารถปรับค่าการแจ้งเตือนได้ โดยเลื่อนSlide input ตามค่าที่เราต้องการ โดยค่านี้จะมากกว่าหรือเท่ากับค่าที่เราปรับที่ Slide input เสียงก็จะดังขึ้นมา

                         

รูปที่ 16 หน้าการแสดงผลแบบตัวเลข กราฟ และการปรับค่าการแจ้งเตือน

5. หากต้องการดูค่าที่เก็บไว้ใน Database ให้คลิกที่แทบด้านบนชื่อ Database > Select Database >database.db> Select Table > concentration

รูปที่ 17 เลือกดู Database ที่บันทึกไว้

ผลการทดลอง
ทดลองตรวจวัดความเข้มของฝุ่นในหอพัก หลังมหาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ

รูปที่ 18 ห้องที่ทาการทดสอบ

แสดงผลผ่านเว็บเพจ

รูปที่ 19 ดูค่าที่เซ็นเซอร์ตรวจวัด

ค่าที่ได้จากการทดสอบ

รูปที่ 20 ตารางค่าที่วัดได้ 30 ค่า

ทดลองโดยการจุดธูป 1 และ 2 ดอก

รูปที่ 21 ทดลองด้วยการจุดธูป 1 และ 2 ดอก

รูปที่ 22 ตารางค่าที่วัดช่วงที่ทดสอบ 5 ค่า

จากการทดลองสรุปได้ว่าการจุดธูป 1 ดอก ค่าความเข้มของฝุ่นมีค่าใกล้เคียงกับการจุดธูป 2 ดอก เนื่องมาจากขนาดของอนุภาคฝุ่นเหมือนกัน แต่ถ้าหากทำการทดลองโดยการเปรียบเทียบระหว่างธูปและบุหรี่ จะทำให้ค่าที่เห็นแตกต่างกันอย่างชัดเจน
โปรแกรม Simulink ที่สมบูรณ์ของโครงงาน

โปรแกรม Simulink ที่ใช้ทั้งหมดในโครงงาน
1. Target Setup เลือกชนิดของการ Compiler และ MCU ที่ต้องการ
2. Http Webserver Setup ตั้งค่าการทางาน Webserver ของ aMG Ethernet INF เช่น IP Address หรือ UART
3. SQLite Database Setup ตั้งค่าการเชื่อมต่อของ aMG SQLite Database Server
4,5,6. Webserver Volatile Data Mapping เลือกตัวแปรที่ต้องการแสดงค่าบนเว็บ
7. UART Setup ตั้งค่าความเร็วในการรับส่งข้อมูล และขาการติดต่อของ UART
8. Volatile Data Storage3 ทาการเก็บค่าต่างๆที่ส่งมาไว้ในตัวแปร sld
9. Volatile Data Storage1 ทาการเก็บค่าต่างๆที่ส่งมาไว้ในตัวแปร LPO
10. Volatile Data Storage4 ทาการเก็บค่าต่างๆที่ส่งมาไว้ในตัวแปร alm
11. Volatile Data Storage Read1 อ่านค่าจากตัวแปร sld รอการส่งค่าต่อไป
12. Volatile Data Storage Read2 อ่านค่าจากตัวแปร LPO รอการส่งค่าต่อไป
13. MATLAB Function โปรแกรมเปรียบเทียบค่าของLPO และsld เพื่อทาการตั้งค่าการแจ้งเตือน
14. Volatile Data Storage Write นาค่าที่คานวณเสร็จแล้ว มาเก็บไว้ในตัวแปร alm
15. SQLite Database Query สร้างพื้นที่การเก็บค่าต่างๆไว้ใน Database
16. Digital Input กาหนดให้ขา PB2 เป็นขารับสัญญาณดิจิตอล รับสัญญาณ PWM ที่ส่งมากจากเซ็นเซอร์
17. MATLAB Function โปรแกรมคานวณค่าความเข้มข้นของฝุ่น จะอธิบายรายละเอียดโปรแกรมในขั้นต่อไป
18. Volatile Data Storage Write นาค่าที่คานวณเสร็จแล้ว มาเก็บไว้ในตัวแปร LPO
19. Volatile Data Storage Read อ่านค่าจากตัวแปร LPO นาไปใช้
20. Data Type Conversion แปลงชนิดของตัวแปร LPO จาก int32 เป็น single
21. SQLite Database Query1 นาค่าจากตัวแปร LPO ที่แปลงชนิดแล้ว มาทาการเก็บไว้ใน Database ชื่อ
concentration
22. Terminator ปิดช่องของบล๊อคต่างๆที่ไม่ต้องการใช้ และป้องกันการแจ้งเตือน
โปรแกรม MATLAB Function ของโครงงาน

สรุปผลการทำงานเครื่องตรวจวัดระดับฝุ่นละอองในอากาศ แสดงผลผ่านอินเตอร์เน็ต
          จากการทำงานของเครื่องพบว่า การทำงานของเซ็นเซอร์จะเสถียรเมื่อเปิดไว้ประมาณ 3 นาที และการวัดระดับฝุ่นในอากาศ ควรทำในที่ที่ มีอากาศนิ่ง เซ็นเซอร์จะทำการตรวจวัดได้ดีที่สุด แต่บางครั้งอาจไม่ตรงตามการ Calibrate ที่ได้ตั้งไว้ เนื่องไม่สามารถควบคุมตัวแปรในอากาศอื่นได้ ส่วน Datasheet ที่ให้มามีรายละเอียดน้อยเกินไป ต้องไปศึกษาดูวิธีการใช้งานในอินเตอร์เน็ตเพิ่ม ประโยชน์ที่ได้จากการทำโครงงานนี้ คือสามารถเอาโครงงานไปใช้ตรวจวัดฝุ่นตามสถานที่ต่างๆได้ และดูความเข้มของฝุ่น เพื่อจะได้ปรับสภาพอากาศให้ดีขึ้น ความรู้ที่ได้จากโครงงาน สามารถตั้งค่าการติดต่อหรือ IP ในการติดต่อระหว่างอุปกรณ์และคอมพิวเตอร์ ศึกษาการทำงานของเซ็นเซอร์ และเขียนโปรแกรมอ่านค่าจากเซ็นเซอร์ รู้ความเข้มของฝุ่นในแต่ละสถานที่ และทำการศึกษาการเก็บและเรียกดูข้อมูลในDatabase การนำไปต่อยอดอาจจะนำเซ็นเซอร์ตัวนี้ไปใช้ตรวจวัด และแจ้งเตือนฝุ่นควันไฟในห้องเก็บของหรือโกดังที่มีสภาพอากาศนิ่ง แสดงผลผ่านระบบอินเตอร์เน็ตแจ้งเตือนผ่านระบบอินเตอร์เน็ต