เอาเครื่องเล่น MP3 ของ SONY มาชาร์จแบตเตอรี่ให้โปรเจค

 

การทำอุปกรณ์ให้มีขนาดเล็ก พกพาสะดวกนั้น ก้อยังต้องคำนึงถึงระบบจัดการพลังงานซึ่งเป็นอุปสรรคสำคัญไม่น้อยในการทำโปรเจคครั้งนี้

แบตเตอรี่ก้อนเล็กถือเป็นสิ่งที่ต้องการ แต่พลังงานที่ได้ อาจไม่เพียงพอสำหรับจ่ายให้อุปกรณ์

ดังเช่นอุปกรณ์ที่มีขายตามท้องตลาด เราต้องการให้มันสามารถชาร์จแบตในตัวได้ ไม่ใช่ใช้แล้วทิ้ง

แต่ปัญหาคือวงจรชาร์จแบตหาซื้อได้ยากในเมืองไทย ที่สั่งพรีออเดอร์ไปก้อไม่มีวี่แววว่าจะมีของ และเราคงไม่อาจได้ใช้อุปกรณ์ระดับ commercial มาทำโปรเจคเด็กมหาลัยนี่ได้

จู่ๆ เราก้อนึกถึง Sony mp3 ที่แบตเสื่อม แกะออกมาใส่แบตใหม่แล้วก้อยังเปิดเครื่องไม่ได้ ทั้งที่ตอนชาร์ตก้อขึ้นสถานะ

เราเลยเอามาชาร์ตแบตให้แบตใส่โปรเจคซะเลย ก้อพอถูๆ ไถๆ สถานะแบตเตอรี่ที่แสดงในคอมก้อมั่ว

คำนวณแคลอรี่จากการวิ่งและการเดิน ด้วยสูตรคำนวณอันน่าเชื่อถือจาก ACSM

เหตุใดจึงใช้วิธีคำนวณแบบ ACSM

ACSM (American College of Sport Medicine) หรือ วิทยาลัยแพทย์เวชศาสตร์การกีฬาอเมริกัน ได้เสนอ Metabolic Equations สำหรับ คำนวณ VO₂ (Oxygen Consumption) ซึ่งทำให้สามารถทราบปริมาณพลังงานที่เสียไปจากการออกกำลังกาย โดยที่อิงจากปริมาณออกซิเจนที่ร่างกายใช้ สูตรสำหรับหา VO₂ ได้มาจากการวิจัยทางวิทยาศาสตร์กีฬา ที่ต้องเก็บค่าความเร็ว ความชัน ไว้ด้วย

Metabolic Measurement

ขั้นตอนการคำนวณอย่างแรก ต้องทราบค่า VO₂ หรือ Oxygen Consumption (การใช้ออกซิเจน) ซึ่งวัดได้ 2 วิธี
1. วัดทางตรง คือวัดออกซิเจนจากร่างกายโดยตรง ด้วยเครื่องมือเช่น Calorimetry อันนี้ทำได้ยาก มักใช้ในการวิจัย

 

 

2. วัดทางอ้อม ต้องทราบความเร็ว ความชัน ในระหว่างการวิ่ง หรือการเดิน วัดค่าพวกนี้ได้จากเซนเซอร์เช่น GPS และ IMU ปัจจุบันโทรศัพท์สมาร์ทโฟนมักมีอุปกรณ์ดังกล่าวในเครื่อง

 

ในการวัดทางอ้อม ต้องนำค่ามาเข้าสูตรคำนวณ ซึ่งวิธีคำนวณที่จะกล่าวถึงนี้ ต้องอาศัยการวัด ความเร็ว (m/min) และความชัน (%) เพื่อนำไปเข้าสูตรคำนวณ หา Oxygen Consumption (การใช้ออกซิเจน) ในลำดับเเรก

VO₂ = horizontal component + vertical component + resting component

จาก Metabolic Equations ค่าจากการเดินและการวิ่งใช้ตัวคูณที่แตกต่างกัน

The total rate of oxygen consumption during both rest and exercise

Walking:   VO₂ = 0.1 (speed) + 1.8 (speed) (fractional grade) + 3.5
Running:   VO₂ = 0.2 (speed) + 0.9 (speed)(fractional grade) + 3.5

VO₂ คือ Oxygen Respiration มีหน่วยเป็น  ml/kg x min
Speed (m/min) คือ ค่าความเร็ว ทั้งแนวดิ่ง และแนวราบ จะใช้ค่าเดียวกัน
Fractional grade (Decimal) คือ ค่าความชันของพื้นที่ (Slope) ขณะเดินหรือวิ่ง
คิดเป็น %

หลังจากได้ค่า VO₂ มาแล้ว สามารถนำมาคำนวณตามขั้นตอนต่อไปนี้

1. หากต้องการทราบพลังงานแคลอรี่ที่ใช้ไปจากการออกกำลังกาย หรือ Caloric Expenditure  จะไม่รวม resting component เข้าไป ซึ่งหมายถึง

Net VO₂ = VO₂ max (ml/kg x min) – 3.5 (ml/kg x min)

2. เมื่อได้ปริมาตรออกซิเจนที่หายใจไปแล้ว (Net VO2) ต้องนำค่ามาแปลงหน่วยจาก ml/kg x min ให้เป็น liters/minute โดยใส่น้ำหนักตัว (กิโลกรัม) เข้าไป

VO₂ x Body mass/1000 = VO₂  (L/min)

3. เมื่อ (Caloric Expenditure ในรูป  kcals/min) /5 = VO₂  (L/min)
และ ปริมาตร O₂ เป็นลิตร x 5 kcals/1 ลิตร O₂ = kcals

VO₂  (L/min) x 5 kcal/L O2 = kcal/min จะได้พลังงานเป็นกิโลแคลอรี่ที่ใช้ไปต่อนาที

4. หาพลังงานกิโลแคลอรี่ทั้งหมดตามจำนวนนาทีที่ออกกำลังกาย โดยการนำมาคูณกับเวลาที่ใช้ไป

kcal/min x min during exercise = kcals

แวะทำกล่องฉายแสง UV ให้ลายวงจรแผ่นทองแดง

มินิโปรเจคนี้ ทำเพื่ออำนวยความสะดวกต่อการกัดแผ่นลายวงจรด้วยวิธีใหม่สำหรับกัดลายให้โปรเจค โดยวิธีนี้จะใช้ดรายฟิล์มวาดลาย ซึ่งทำให้เส้นคมชัด มีความแม่นยำกว่าใช้เตารีด ฮ่าๆๆๆ  แบ่งเป็น 2 ส่วน คือส่วนฮาร์ดแวร์ และส่วนซอฟท์แวร์

จากกล่องใส่ของธรรมดานำมาใส่หลอด UV และไมโครคอนโทรลเลอร์ เราก้อจะได้ กล่องสำหรับฉายแสง UV สามารถตั้งเวลาควบคุมการเปิด-ปิดไฟอัตโนมัติ เคลื่อนย้ายสะดวก ตั้งชื่อให้มันว่า UV Exposure Box  นี่เป็นรูปร่างหน้าตาของเจ้ากล่องนี้

เราจะเห็นสายไฟสองเส้น เส้นนึงคือปลั๊กเสียบไฟบ้าน อีกเส้นคือสาย USB-RS232 เอาไว้ต่อกับคอมพิวเตอร์

ส่วนประกอบคร่าวๆ ใต้ฝากล่อง ประกอบด้วย
หลอด UV ขนาด 10 Watt ราคา 50 บาท จาก ร้านค้าหลอดไฟข้าง KFC ที่คลองถม
รางเหล็กประกอบหลอด
หม้อแปลงจากกองขยะ
บอร์ดเรกูเลเตอร์(เอาของรุ่นพี่มา)
LDR สำหรับ Feedback Control

 

ส่วนบนฝากล่องประกอบด้วยอุปกรณ์คร่าวๆดังนี้
ไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC 18F452 ของเหลือจากรุ่นพี่ที่ไปค้นมาในกองของเก่า
บอร์ด Relay
บอร์ดแปลง USART จากไมโครคอนโทรลเลอร์เป็น RS232 อันนี้ทำเองจากโปรเจคตอนปี 2

การใช้งานอันดับเเรกนั้น อย่าลืมเสียบไฟบ้านเข้ากับเครื่องก่อน (ไฟ 220 Volt ระวังอย่าสัมผัสโดน Terminal Block บนเครื่องถ้าไม่อยากโดนดูดนะจ้ะ) จะมีสวิตซ์ ON สำหรับเปิดเครื่อง

จากนั้นเราต้องเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ผ่านทางสาย USB-RS232 เพื่อให้เราสามารถติดต่อเครื่องได้โดยผ่านโปรแกรมผู้ช่วยของเรา

เท่านี้ก้อพร้อมใช้งานแล้วสำหรับเจ้ากล่องใบนี้ ใส่แผ่นทองแดงที่มี Dry film ติดเรียบร้อย มีลายวงจรที่วางทับอยู่ พร้อมรับแสง UV อย่าลืมทาครีมกันแดดด้วยนะจ๊ะ

เอาล่ะ ทีนี้เราจะมาเริ่มใช้งานโปรแกรมสุดมหัศจรรย์ ในการตั้งเวลาเปิด-ปิดหลอด UV ข้างใน เผื่อออกไปเที่ยว กินข้าว ดูหนัง ออกกำลัง ช็อปปิ้ง ตีกอล์ฟ ตกปลา ให้อาหารหมา เป็นต้นจ้ะ เพราะเปิดทิ้งไว้นานไป Dry film จะล้างออกยาก

นี่เป็นหน้าตาโปรแกรม

อันดับเเรก เลือก Com Port แล้วกด Connect

ต่อมาเป็นการตั้งเวลาที่ต้องการให้หลอด UV ส่องสว่างภายในกล่องน้อยกลอยใจสีม่วง
โปรแกรมสามารถตั้งเวลาสิริรวมแล้วได้ไม่เกิน 2 ชั่วโมง 59 วินาที
แต่เวลาใช้งานจริงๆแล้ว ตั้งไว้แค่ 2 นาทีก้อพอแล้วนะจ้ะ อย่าลืมนำแผ่นทองแดงกับลายใส่เข้าไปด้วยล่ะ อื้อ

ขั้นตอนสุดท้าย กด Start ปล่อยให้เครื่องทำงานตามยถากรรม เวลาจะเริ่มนับถอยหลัง และแสดงในโปรแกรมจนสิ้นสุดกระบวนการ

เทคโนโลยีที่ใช้ในระบบ Navigation

Inertial Measurement Unit (IMU)

เซนเซอร์หรืออุปกรณ์ที่ใช้ใน INS (Inertial Navigation System) ถูกเรียกว่า Inertial Measurement Units (IMU) ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของ INSs ที่ใช้ในเครื่องบิน, ยานอวกาศ และ เรือ เช่นเดียวกับจรวดขีปนาวุธ IMU ประกอบด้วย 2 ส่วนหลักคือ accelerometers 3 ทิศทาง และ gyroscopes 3 ทิศทาง ซึ่งรับความเร่งยานพาหนะและความเร็วเชิงมุมตามลำดับ
โปรดทราบว่า mechanic gyroscope และ accelerometer ถูกนำมากล่าว ณ ที่นี้เพียงเพื่อแสดงหลักการพื้นฐานของ IMU สำหรับ MEMS นั้น จะไม่กล่าวถึงอุปกรณ์ mechanic gyroscope และ accelerometer แต่จะขึ้นอยู่กับระบบ nanoelectromechanical และนาโนเทคโนโลยี
เซนเซอร์ใน IMU

• · Gyroscope เป็นอุปกรณ์สำหรับการวัด หรือการรักษาการปรับทิศทาง ขึ้นอยู่กับหลักการของการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม

ภาพที่ 1 Mechanic gyroscope ซึ่งมี two-degree of freedom (TDF)

• · Accelerometer เป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัดความเร่งตามแนวแกนที่เฉพาะเจาะจง ตั้งข้อสังเกตได้ว่า accelerometers ใน IMU รับเพียง specific forces

แนวคิดนี้เป็นสิ่งสำคัญใน inertial navigation หรือระบบนำทางอาศัยแรงเฉื่อย

ภาพที่ 2 โครงสร้างของ Accelerometer

ภาพที่ 3 IMU วัดความเร็ว ทิศทาง และแรงโน้มถ่วง ใช้การรวมกันของ accelerometer และ gyroscope ด้วยเทคโนโลยี Micro Electrical Mechanical Sensors (MEMS) ทำให้ง่ายต่อการผลิตให้มีขนาดเล็กและราคาถูก

 

Global Positioning System (GPS)

ภาพที่ 4 การใช้งานของ GPS

GPS เป็นระบบนำทางผ่านดาวเทียมที่ให้ข้อมูลสถานที่และเวลา ดำเนินการโดยสหรัฐอเมริกาและสามารถใช้ได้กับทุกคนที่มีอุปกรณ์รับสัญญาณ GPS ข้อมูลตำแหน่งที่ถูกคำนวณโดยข้อมูลที่ได้รับจากดาวเทียมมีข้อผิดพลาดบางอย่างเนื่องจากข้อจำกัดโดยธรรมชาติเช่น atmospheric effects, multipath effects, ephemeris และ clock errors
GPS เป็นการวัดที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด ใช้ได้ในสภาพแวดล้อมกลางแจ้งเพราะมันให้ข้อมูลตำแหน่งที่แน่นอน มันเกือบจะเป็นไปไม่ได้ที่จะได้รับข้อมูลที่แน่นอนในสภาพแวดล้อมในร่ม แม้จะมีจุดที่แข็งแกร่งของ GPS แต่การใช้งานก้อค่อนข้างจำกัด ปัญหาที่รุนแรงที่สุดคือการถูกบล็อคและการสะท้อนของสัญญาณ GPS จากดาวเทียม การหยุดชะงักของสัญญาณ GPS นี้เกิดขึ้นโดยต้นไม้ อาคาร และอุปสรรคอื่น ๆ มันจึงมีข้อจำกัดที่สำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้ GPS ในสภาพแวดล้อมในเมือง

ภาพที่ 5 GPS module with antenna

ระบบ GPS ได้รับความนิยมมากที่สุด แม้แหล่งที่มาจะมีสัญญาณรบกวนอย่างมีนัยสำคัญ เช่น multipath effect การคลาดเคลื่อนของวงโคจรดาวเทียม และ clock errors แต่ก็มักจะมี sampling rate (อัตราการสุ่มตัวอย่าง) ต่ำกว่า 10 Hz วิธีการที่แตกต่างกันถูกเสนอเพื่อที่จะรวม GPS เข้ากับ Inertial Measurement Unit (IMU) ที่มี sampling rate สูงกว่า อย่างไรก็ตามในแผน Extended Kalman Filter (EKF) sampling rates ที่แตกต่างกันมักนำไปสู่การลดระดับของประสิทธิภาพการทำงาน และอาจทำให้เกิดปัญหาด้านเสถียรภาพ
 

Kalman filter

Kalman filter คือชุดสมการหลักที่ดำเนินการ ทำนาย-แก้ไข ประเมินการลดลงที่เหมาะสมของความแปรปรวนผิดพลาด (predictor-corrector type estimator optimally minimizing the estimated error covariance)
ในเวลานี้ Kalman filter เป็นเป้าหมายของการวิจัยและการประยุกต์ โดยเฉพาะในระบบนำทางอัตโนมัติ หรือระบบช่วยนำทาง
ทั้ง GPS และ INS จะผ่าน Kalman filter สำหรับการประมวลผลของข้อมูลดิบที่ได้รับ ตำแหน่ง ความเร็วและเวลา มันคืออัลกอริทึมหลักของระบบนำทาง เป็นตัวกรองที่เราหวังว่ามันจะถูกต้องและทนทาน ความทนทานของระบบคือความสามารถในการกำจัดค่าผิดปกติ
เพื่อหลีกเลี่ยงอิทธิพลของค่าผิดปกติ น้ำหนักเทียบเท่าจะถูกนำไปใช้กับ Kalman filter พร้อมด้วยข้อจำกัดทางจลนศาสตร์ที่จะให้น้ำหนักราบรื่นสำหรับข้อผิดพลาดการวัด ด้วยวิธีนี้ค่าผิดปกติสามารถถูกกำจัดและการให้ผลของการวัดด้วยข้อผิดพลาดใหญ่จะถูกระงับเพื่อหลีกเลี่ยงสาเหตุของการเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญของความผิดพลาดมาตรฐาน

ทดลองการทำงานของ GPS Module กะ โปรแกรม Sky traq และ Google map

หลังจากที่มีมี่ ต่อจีพีเอสติดมานาน แต่ค่าก้อยังเป็นศูนย์อยู่ ทำให้มีมี่ไม่สามารถเซ็ทค่าในโปรแกรมได้

นัวๆ : ปกติทำไมต่อไม่ได้คะ?

มีมี่ : มีมี่ต่อแบบบ้านๆแล้วใช้ MAX 232 โดยดรอปไฟลง แล้วหวังว่าจะได้

นัวๆ : แล้ววันนี้ทำยังไงเหรอคะ?

มีมี่ : มีมี่ได้ MAX 3232 จ้ะ ซึ่งแปลง TTL 5 V/3.3 V ไปเป็น RS 232 ได้อย่างสมบูรณ์แบบ

 เพียงเท่านั้นมีมี่ก้อสามารถลง..เอ่อ…….มีมี่สั่งของเป็นรอบที่เท่าไหร่แล้ววะ

วันนี้ลองทดสอบเก็บข้อมูล NMEA แบบเลือกข้อมูลเป็น GGA เพราะแสดงทั้ง Latigude, Longitude และ Altitude

มีมี่ลงไปจับโมดูลจีพีเอสที่ชั้นหนึ่งของบ้าน สายไฟสั้นไปหน่อย ไม่ค่อยถึงข้างนอก ยังมีหลังคาบังอยู่ ที่สำคัญยุงเยอะ วันเดือนปีเปลี่ยนมาเป็นปัจจุบันแล้ว แต่พิกัด ยังเป็น 0 เหมือนเดิม

มีมี่ลองทดสอบยื่นโมดูลจีพีเอส นอกหน้าต่างห้องนอนชั้นสอง แมลงเข้ามาเต็มเบย

แต่ผลออกครบตามต้องการแล้ว น่าจะเป็นเพราะไม่มีหลังคาบัง

$GPGGA,141254.001,1405.3556,N,10058.6914,E,1,05,3.8,4.9,M,-25.7,M,,0000*77

มีมี่เอาค่าพิกัดที่ได้มาเทียบกับเครื่องจีพีเอส

ตรงด้วย >v<

มีมี่ไปเทียบใน Google map เจอบ้านแล้ว  ของเล่นมีมี่เสร็จไปอีกก้าว

Hardware Interface and Instruction

Button 1. “Power on”  2. “Mode”  3. “Locked-Unlocked”  4. “Display”

Monitor : 8x8 LED

Instruction

1. Connecting device to the computer.

2. User add the weight on the program and then, disconnect.

3. Press button “Power on”

4. Select mode with button ”Mode”

5. The device starts to keep the data of distance, time and trace.

6. The device calculates the calories during exercise and keep the data to the momory.

7. Press button “Display” to see the total calories.

8. Press button “Display” about 3 seconds to stop display monitoring.

9. Press button “Display” about 3 seconds to start display monitoring.

10. Slide switch “Locked-Unlocked” to lock or unlock the device.

11. Press button “Power on” about 3 seconds to close the device.

ความตึงเครียดอันยาวนานของการเบิร์นPIC

เป็นเวลากว่า 2 สัปดาห์มาแล้ว ที่มีมี่ หมกมุุ่่่่่่นกับ PIC ที่เบิร์นผ่านแล้ว แต่ LED ไม่ยอมกระพริบซักที ทำให้มีมี่เครียดจัด กินแต่ขนม

มีมี่คาดว่าอาจเกิดจาก Clock ต้องมีปัญหาแน่ๆเลย อุปกรณ์อื่นๆก้อไม่น่ามีปัญหา มีมี่คอนเฟิร์ม

มีมี่ก้อเลยวางแผนว่าจะโดดเรียน SWU ที่แสนน่าเบื่อไปซื้อ Clock ที่บ้านหม้อ เผื่อจะได้ซื้ออย่างอื่นด้วย

เปลี่ยนโปรโตบอรฺ์ดก้อแล้ว ผลก้อยังไม่ออกเหมือนเดิม มีมี่เลยเปลี่ยนไปใส่PICตัวใหม่

Oh yesss!!!!

ไฟจาก LED กระพริบแล้ว มีมี่เลยสรุปว่า Clock ไม่ได้เป็นอะไร แต่ PICที่เคยเอามาใส่มันมีปัญหา