ระบบสมองกลฝังตัวซ่อนอยู่รอบตัวเรา

หลักสูตร

Explorer: เปิดโลกระบบสมองกลฝังตัว · รู้จักระบบสมองกลฝังตัวและเขียนโปรแกรมแรก

ระดับ

L1 รู้จัก

เวลาโดยประมาณ

25 นาที (แนวคิด 12 · ฝึก 8 · เช็กความเข้าใจ 5)

อุปกรณ์

BENTO Emulator (ไม่ต้องมีบอร์ด)

ทักษะที่ฝึก

• สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ ถึง L1
• เซนเซอร์และแอคชูเอเตอร์ ถึง L1

ควรเรียนก่อน

ไม่มี

สถานะ

ทดลองใช้ (alpha)

• เปิดสไลด์
• ไฟล์ของบทเรียนบน GitHub

เป้าหมาย

เมื่อจบบทเรียนนี้ คุณจะ

1. ระบุส่วนรับรู้ ส่วนตัดสินใจ และส่วนสั่งงาน ของอุปกรณ์ในบ้านได้อย่างน้อย 3 ชิ้น
2. อธิบายได้ว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ต่างจากคอมพิวเตอร์ทั่วไปอย่างไร อย่างน้อย 2 ประเด็น
3. จำแนกได้ว่าอุปกรณ์ใดมีระบบสมองกลฝังตัว

บทนี้ไม่ต้องมีบอร์ด ไม่ต้องติดตั้งอะไร ใช้แค่ตากับกระดาษหนึ่งแผ่น

ก่อนเริ่ม

ลองตอบในใจสองข้อนี้ก่อน ไม่ต้องกลัวผิด

• ในบ้านคุณมีของกี่ชิ้นที่ “รู้” ว่าตอนนี้กี่โมง
• หม้อหุงข้าวรู้ได้อย่างไรว่าข้าวสุกแล้ว

คำตอบของสองข้อนี้คือเรื่องทั้งหมดของบทเรียนนี้

ดูของจริงก่อน

เดินรอบบ้านหรือห้องทำงานสักสองนาที แล้วจดของที่มีปุ่ม มีไฟ มีจอ หรือส่งเสียงเตือนได้ เช่น เครื่องซักผ้า ไมโครเวฟ รีโมตแอร์ นาฬิกาข้อมือ ลิฟต์ ไฟจราจร ตู้เย็นรุ่นใหม่ เครื่องวัดความดัน

ของเกือบทุกชิ้นในรายการนี้มีคอมพิวเตอร์ตัวเล็ก ๆ ซ่อนอยู่ข้างใน คอมพิวเตอร์ตัวนี้ไม่มีคีย์บอร์ด ไม่มีเมาส์ และคนส่วนใหญ่ไม่เคยรู้ว่ามันอยู่ตรงนั้น นี่แหละคือ ระบบสมองกลฝังตัว (embedded system)

แนวคิด

1. รับรู้ ตัดสินใจ สั่งงาน

ระบบสมองกลฝังตัวเกือบทุกชิ้นทำงานวนสามจังหวะเดิมซ้ำไปเรื่อย ๆ

จังหวะ	ภาษาอังกฤษ	ตัวอย่างในหม้อหุงข้าวดิจิทัล (รุ่นที่มีจอและปุ่มเลือกโหมด)
รับรู้	sense (ผ่าน เซนเซอร์ / sensor)	เซนเซอร์อุณหภูมิที่ก้นหม้อ
ตัดสินใจ	decide (ด้วย ไมโครคอนโทรลเลอร์ / microcontroller)	“ร้อนเกินจุดหนึ่งแล้ว แปลว่าน้ำหมด ข้าวสุก”
สั่งงาน	act (ผ่าน แอคชูเอเตอร์ / actuator)	ตัดไฟขดลวดความร้อน เปลี่ยนเป็นโหมดอุ่น เปิดไฟสถานะ

หม้อหุงข้าวรุ่นดั้งเดิมที่มีคันโยกอันเดียวก็รู้ว่าข้าวสุกได้เหมือนกัน แต่ใช้กลไกตัดไฟตามความร้อน (thermostat) ไม่มีคอมพิวเตอร์อยู่ข้างใน ของสองชิ้นที่ทำงานเดียวกันจึงอาจเป็นระบบสมองกลฝังตัวชิ้นหนึ่ง และไม่ใช่อีกชิ้นหนึ่ง

ลองใช้สามช่องนี้กับเครื่องซักผ้าดู เซนเซอร์วัดระดับน้ำคือส่วนรับรู้ โปรแกรมซักคือส่วนตัดสินใจ มอเตอร์กับวาล์วน้ำคือส่วนสั่งงาน พอเห็นแบบนี้ครั้งหนึ่งแล้ว คุณจะเห็นมันในทุกอย่าง

2. ไมโครคอนโทรลเลอร์ไม่ใช่คอมพิวเตอร์ย่อส่วน

คอมพิวเตอร์บนโต๊ะถูกออกแบบให้ทำได้ทุกอย่าง เปิดเว็บ พิมพ์งาน เล่นเกม ส่วน ไมโครคอนโทรลเลอร์ ถูกออกแบบให้ทำงานเดียว ให้ดี ให้ตรงเวลา และให้กินไฟน้อย ความต่างที่เห็นชัดมีอย่างน้อยสามข้อ

• งานเฉพาะ โปรแกรมเดียวรันตั้งแต่เปิดเครื่องจนปิดเครื่อง ไม่มีใครมาติดตั้งแอปเพิ่ม
• ตรงเวลา ถุงลมนิรภัยต้องพองในเวลาที่กำหนด ช้าไปนิดเดียวก็ไม่มีประโยชน์ งานแบบนี้เรียกว่างาน เวลาจริง (real-time)
• ประหยัดพลังงานและตัวเล็ก หลายชิ้นใช้ถ่านก้อนเดียวได้เป็นปี และทั้งระบบอยู่บนชิปเดียว (หน่วยประมวลผล หน่วยความจำ และขาต่ออุปกรณ์อยู่ในชิปเดียวกัน)

3. แล้วอะไรไม่ใช่

ของที่ไม่มีการตัดสินใจเลย เช่น สวิตช์ไฟธรรมดาที่แค่ต่อหรือตัดวงจร หรือไฟฉายที่กดแล้วติด ไม่ถือเป็นระบบสมองกลฝังตัว แม้จะมีไฟฟ้าวิ่งอยู่ก็ตาม ถ้าไม่มีส่วนที่ “คิด” ก็ยังไม่ใช่

ฝึกเติม

หยิบกระดาษมาตีตารางสามช่องแบบข้างล่าง แล้วเติมให้ครบอย่างน้อยสามแถวจากของที่คุณจดไว้ตอน “ดูของจริงก่อน”

อุปกรณ์	รับรู้อะไร (เซนเซอร์)	ตัดสินใจอะไร	สั่งอะไร (แอคชูเอเตอร์)
ตัวอย่าง: แอร์	อุณหภูมิห้อง	“ห้องยังร้อนกว่าที่ตั้งไว้”	คอมเพรสเซอร์ พัดลม

ถ้าช่องไหนเติมไม่ได้ ลองถามว่า “มันรู้ได้อย่างไร” และ “มันทำอะไรต่อ” สองคำถามนี้มักพาไปเจอคำตอบ

เช็กความเข้าใจ

ตอบคำถามใน quiz.yaml ถูกตั้งแต่ 80% ขึ้นไปถือว่าผ่านบทเรียนนี้

ไปต่อ

ลองคิดต่อว่า ถ้าเซนเซอร์อุณหภูมิในหม้อหุงข้าวเสีย แล้วรายงานค่าเย็นตลอดเวลา อะไรจะเกิดขึ้น คำถามแบบนี้คือสิ่งที่วิศวกรระบบฝังตัวต้องคิดทุกวัน ระบบที่ดีต้องรู้ตัวเมื่อเซนเซอร์ของตัวเองโกหก

บทถัดไป รู้จักบอร์ดและอีมูเลเตอร์ เราจะได้เห็นไมโครคอนโทรลเลอร์ของจริงหนึ่งตัว และลองสั่งมันผ่านเบราว์เซอร์โดยไม่ต้องมีบอร์ด

สะท้อนคิด

อุปกรณ์ชิ้นไหนในบ้านที่คุณแปลกใจที่สุดว่ามีคอมพิวเตอร์อยู่ข้างใน และถ้าให้ออกแบบใหม่ คุณอยากให้มันรับรู้อะไรเพิ่ม

คำถามทบทวน

ลองตอบเองก่อน แล้วค่อยเปิดดูเฉลย

1. ในเครื่องซักผ้า ชิ้นส่วนใดทำหน้าที่ "สั่งงาน" (actuator) (เป้าหมายข้อ 1)

   1. เซนเซอร์วัดระดับน้ำ
   2. โปรแกรมซักที่เลือกไว้
   3. มอเตอร์ที่หมุนถัง
   4. ปุ่มเลือกโหมด
   ดูเฉลย

   คำตอบ: C. มอเตอร์ที่หมุนถัง

   มอเตอร์เปลี่ยนการตัดสินใจให้เป็นการกระทำจริง เซนเซอร์คือส่วนรับรู้ โปรแกรมคือส่วนตัดสินใจ ส่วนปุ่มเป็นทางรับคำสั่งจากคน

2. เรียงจังหวะการทำงานของแอร์ที่ตั้งอุณหภูมิไว้ 25 องศา ให้ถูกลำดับ (เป้าหมายข้อ 1)

   1. สั่งคอมเพรสเซอร์ให้หยุด
   2. วัดอุณหภูมิห้องได้ 24 องศา
   3. เทียบกับค่าที่ตั้งไว้ แล้วสรุปว่าห้องเย็นพอแล้ว
   ดูเฉลย

   ลำดับที่ถูก: B. วัดอุณหภูมิห้องได้ 24 องศา → C. เทียบกับค่าที่ตั้งไว้ แล้วสรุปว่าห้องเย็นพอแล้ว → A. สั่งคอมเพรสเซอร์ให้หยุด

   รับรู้ก่อน แล้วตัดสินใจ แล้วจึงสั่งงาน ลำดับนี้วนซ้ำไปตลอดเวลาที่แอร์เปิดอยู่

3. ข้อใดคือความต่างระหว่างไมโครคอนโทรลเลอร์กับคอมพิวเตอร์บนโต๊ะ (เลือกได้มากกว่าหนึ่งข้อ) (เป้าหมายข้อ 2)

   1. ไมโครคอนโทรลเลอร์มักทำงานเดียวตั้งแต่เปิดจนปิดเครื่อง
   2. ไมโครคอนโทรลเลอร์มักต้องกินไฟน้อยและตัวเล็ก
   3. ไมโครคอนโทรลเลอร์ต้องมีคีย์บอร์ดและเมาส์เสมอ
   4. หลายงานของไมโครคอนโทรลเลอร์ต้องตอบสนองให้ทันเวลาที่กำหนด
   ดูเฉลย

   คำตอบ: A. ไมโครคอนโทรลเลอร์มักทำงานเดียวตั้งแต่เปิดจนปิดเครื่อง · B. ไมโครคอนโทรลเลอร์มักต้องกินไฟน้อยและตัวเล็ก · D. หลายงานของไมโครคอนโทรลเลอร์ต้องตอบสนองให้ทันเวลาที่กำหนด

   ระบบฝังตัวส่วนใหญ่ไม่มีคีย์บอร์ดหรือเมาส์เลย คนใช้ไม่รู้ด้วยซ้ำว่ามีคอมพิวเตอร์อยู่ข้างใน

4. อุปกรณ์ใดต่อไปนี้มีระบบสมองกลฝังตัว (เลือกได้มากกว่าหนึ่งข้อ) (เป้าหมายข้อ 3)

   1. สวิตช์ไฟธรรมดาที่แค่ต่อหรือตัดวงจร
   2. นาฬิกาข้อมือดิจิทัลที่นับก้าวได้
   3. ไมโครเวฟที่ตั้งเวลาได้ด้วยปุ่มกด
   4. เครื่องวัดความดันโลหิตแบบดิจิทัล
   5. ไฟฉายที่กดแล้วติดเฉย ๆ
   ดูเฉลย

   คำตอบ: B. นาฬิกาข้อมือดิจิทัลที่นับก้าวได้ · C. ไมโครเวฟที่ตั้งเวลาได้ด้วยปุ่มกด · D. เครื่องวัดความดันโลหิตแบบดิจิทัล

   สามชิ้นกลางมีส่วนที่ตัดสินใจ สวิตช์ไฟธรรมดากับไฟฉายแค่ต่อหรือตัดวงจร ไม่มีส่วนที่คิด

อ้างอิงบทเรียนนี้

ถ้านำบทเรียนนี้ไปสอน ทำสไลด์ หรือทำเอกสารต่อ ให้อ้างอิงด้วยข้อความนี้ ถ้าดัดแปลงเนื้อหา ให้เติม (ดัดแปลง)ต่อท้ายชื่อบทเรียน

"ระบบสมองกลฝังตัวซ่อนอยู่รอบตัวเรา" จาก TESA Open Knowledge โดยสมาคมสมองกลฝังตัวไทย (Thai Embedded Systems Association: TESA) https://github.com/tesaiot/tesa-qualification-program สัญญาอนุญาต CC BY-NC 4.0

ข้อความอ้างอิงภาษาอังกฤษ: "Embedded systems all around you" from TESA Open Knowledge by the Thai Embedded Systems Association (TESA), https://github.com/tesaiot/tesa-qualification-program, licensed under CC BY-NC 4.0

ลิงก์บทเรียน: https://tesaiot.github.io/tesa-qualification-program/courses/explorer/m01-meet-embedded/l01-embedded-around-us/

บทเรียนนี้ดัดแปลงจากต้นฉบับด้านล่าง เมื่ออ้างอิงให้คงเครดิตต้นฉบับไว้ด้วย
https://github.com/Advance-Innovation-Centre-AIC/embedded-systems-for-aiot-developer/tree/a80bbe88a34bcb9bb8d991f42f9252b77cdab079 · ตัวอย่างโค้ดทุกไฟล์ในหลักสูตรนี้ย่อและดัดแปลงจากตัวอย่างของ AIoT in Action (MIT) ใช้ API ของ BENTO MicroPython ตามที่ตัวอย่างต้นฉบับใช้ ไม่มีการเพิ่มคำสั่งใหม่

วิธีอ้างอิง TESA ฉบับเต็ม