รายงานการวิจัย...

รายงานการวจย

การพฒนาโนดรบรภาพทใชพลงงานแสงอาทตยไดตลอดชพ

Development of Image Sensor Node using Perpetual Solar Energy

Systems

ไดรบทนอดหนนการทาวจยจาก

มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร

ผลงานวจยเปนความรบผดชอบของหวหนาโครงการวจยแตเพยงผเดยว

SUT7-709-60-12-34

รายงานการวจย

การพฒนาโนดรบรภาพทใชพลงงานแสงอาทตยไดตลอดชพ

Development of Image Sensor Node using Perpetual Solar Energy

Systems

คณะผวจย

หวหนาโครงการ

รองศาสตราจารย ดร. พระพงษ อฑารสกล

สาขาวชาวศวกรรมโทรคมนาคม

สานกวชาวศวกรรมศาสตร

มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร

ไดรบทนอดหนนการวจยจากมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร ปงบประมาณ พ.ศ. 2560

ผลงานวจยเปนความรบผดชอบของหวหนาโครงการวจยแตเพยงผเดยว

เมษายน 2562

SUT7-709-60-12-34

ก

กตตกรรมประกาศ

ขอขอบคณมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนารทไดใหการสนบสนนทนวจยสาหรบโครงการวจยน

ขอขอบคณนกศกษาในทปรกษาของผวจยทชวยเกบผลการทดลอง นายภมนท ดวงมณและขอขอบคณ รอง

ศาสตราจารย ดร. มนตทพยภา อฑารสกล สาหรบคาแนะนาในเชงวชาการทเปนประโยชน

ผวจย

เมษายน 2562

ข

บทคดยอ

ในประเทศไทยเทคโนโลยดานเครอขายรบรไรสาย (Wireless Sensor Network : WSN) ไดเขามาม

บทบาทกบการพฒนาอตสาหกรรมในหลายๆ ดาน เชน ดานการเกษตรกรรม ดานความปลอดภย ดานการ

สารวจ เปนตน ซงขอมลทสงตอกนเปนขอมลขนาดเลกทบรรจคาทวดไดจากตวรบรของแตละโนด หาก

ตองการใหโนดมความสามารถสงขอมลทใหญขน เชน ภาพ หรอเสยง โนดจาเปนตองมแหลงจายพลงงานท

ใหญขน ในดานการประมวลผลบอรดทใชงานในเครอขายรบรไรสายยงคงใชงานไดอย แตการประมวล

ภาพและการสงขอมลขนาดใหญตองใชพลงงานทมากขนกวาเดมมาก ซงเปนปญหาทตองการงานวจยมา

ชวยเหลอ เครอขายรบรไรสายทใชจบภาพและสงตอในเครอขายเรยกวา เครอขายรบรภาพไรสาย (Wireless

Image Sensor Network : WISN) เปนเครอขายรบรอกประเภทหนงทกาลงไดรบความนยมมากขนเพราะ

สามารถนาเทคโนโลยนมาประยกตใชไดหลายหลากมากขน เชน การเฝาระวงการวางระเบดตามจดเสยง

ตางๆ โดยโนดแตละโนดจะบนทกภาพ และสงตอเมอมความผดปกตขน โครงการวจยนจงไดนาเสนอ

แนวทางทจะสรางโนดรบรภาพไรสายอยางมประสทธภาพเพอเพมศกยภาพของการประยกตใชเทคโนโลย

นใหดยงขน ปญหาหนงทโครงการวจยนสนใจคอการใชพลงงานของโนดรบรภาพไรสายทมากกวาเมอไม

สงภาพ ผลทเกดขนคอพลงงานในแบตเตอรหมดลงอยางรวดเรวไมสามารถใชงานไดทงวน แนวทางการ

แกปญหาหนงคอใชแหลงพลงงานทมไมจากดเพอปอนใหกบโนดเหลาน แตหากใชไฟฟาจากการไฟฟากจะ

มขดจากดเรองการตดตงทตองอยในรศมทสายไฟฟาไปถงและไมครอบคลมพนทไกลๆ จงเหลอแตแหลง

พลงงานแสงอาทตยทสามารถแกปญหาได อยางไรกตามพลงงานแสงอาทตยมขดจากดทสามารถใชงานได

ในชวงเวลากลางวนเทานน ดงนนโครงการวจยนจงทาการศกษาเพอหาความสมพนธทเหมาะสมระหวาง

การใชพลงงานของแสงอาทตยกบการตรวจจบภาพ แปลงภาพ และสงภาพไปยงโนดอนๆ โดยม

วตถประสงคทจะพฒนาตนแบบโนดรบรภาพไรสายทใชพลงงานแสงอาทตยอยางตลอดชพ ซงหมายความ

วาโนดนจะตงอยทมแสงอาทตยและจะทางานไดทกวนโดยทไมมวนหมดพลงงานซงสามารถสงภาพในทง

กลางวนและกลางคน ทงนไมรวมความเสอมของแบตเตอรและวนทไมมแสงอาทตยทนอกเหนอจากการ

ควบคมในโครงการวจย

ค

Abstract

In Thailand, Technology on Wireless Sensor Network ( WSN) has been invoved into mamy

industrial aspects such as agriculture, security, survey, etc. The data packet is transferred from node to

node by a small size of data related to sensor information. However, if each node can send more data

inoformation such as image or voice, this node requires more amount of energy to transmit such a big data

packet. For procesing unit in WSN, the image processing also requires more energy to deal with more raw

image data. The use of conventional wireless sensor node cannot answer all these requirements which is

the main problem of this research project. Wireless Image Sensor Network (WISN) is a subset of WSN

that concern on using image as a main information to transfer. It can be applied on many applications such

as surveillance system on active motion sensor or detecting some abnormal condition of train track and

gas pipe. The research project proposes the approach of efficient image sensor node for applying to any

applications. Also, this research project concerns on energy consumption of image sensor node that

consume a larger amount of energy than normal sensor node. The battery of image sensor node is ran out

quicker which cannot maintain the function of image sensor node for all day. The use of solar cell to

support more energy as well as charging the battery to maintain all day working is presented. However,

the use of solar energy depends on daylight interval. Hence, this research project also illustrates the

optimal relationship between using solar envergy for image sensor node for perpetual approach.

ง

สารบญ

หนา

กตตกรรมประกาศ ก

บทคดยอภาษาไทย ข

บทคดยอภาษาองกฤษ ค

สารบญ ง

สารบญรปภาพ ช

บทท 1 บทนา .............................................................................................................................................. 1

1.1 ความสาคญ ทมาของปญหาททาการวจย ........................................................................................ 1

1.2 วตถประสงคของโครงการวจย ....................................................................................................... 2

1.3 แนวทางการดาเนนการวจย ............................................................................................................ 2

1.4 ผลสาเรจของโครงการ .................................................................................................................... 3

1.5 การสารวจปรทรรศนวรรณกรรมทเกยวของกบโครงการวจย ........................................................ 3

บทท 2 ทฤษฏและความรทเกยวของ .......................................................................................................... 5

2.1 กลาวนา .......................................................................................................................................... 5

2.2 ความสมพนธทางดานเวลา ............................................................................................................. 6

2.3 ไทมแสตมป .................................................................................................................................... 7

2.4 บฟเฟอรสาหรบแสดงขอมลภาพและเสยง ..................................................................................... 9

2.5 RTP ................................................................................................................................................ 9

2.6 กลาวทายบท ................................................................................................................................. 12

บทท 3 การออกแบบโนดรบรภาพ ........................................................................................................... 13

3.1 กลาวนา ........................................................................................................................................ 13

3.2 โครงสรางการทางานของระบบทดสอบ ...................................................................................... 13

3.3 การเชอมตอกบโมดลกลอง .......................................................................................................... 14

3.4 การเขารหสสญญาณภาพ (Video Encode) ................................................................................... 15

3.5 ตวควบคมฟซซลอจก ................................................................................................................... 17

3.5.1 ฟซซไฟเออร (Fuzzifier) ...................................................................................................... 17

จ

3.5.2 กฎฟซซ (Fuzzy Rule Base) ................................................................................................. 18

3.5.3 ตวอนมานฟซซ (Fuzzy Inference Engine) .......................................................................... 21

3.5.4 ดฟซซไฟเออร (Defuzzifier) ................................................................................................ 21

3.6 โปรแกรมแสดงภาพทผใชงาน ..................................................................................................... 23

3.6.1 การปรบเวลาใหตรงกน (Time Synchronization) ................................................................. 23

3.6.2 การพจารณาคา Frame Loss และคา Frame Delay ................................................................ 24

3.6.3 ขอมลปอนกลบ (Feedback Information) ............................................................................. 25

3.7 ผลการสงขอมลภาพไรสาย ........................................................................................................... 25

3.7.1 การควบคมคณภาพของภาพ ................................................................................................ 26

3.7.2 การควบคมอตราการสงภาพ ................................................................................................ 27

3.7.3 การควบคมคณภาพและอตราการสงภาพผสมกน ................................................................ 29

3.8 กลาวทายบท ................................................................................................................................. 31

บทท 4 ตนแบบโนดรบรภาพทใชพลงงานแสงอาทตยและผลการทดสอบ .............................................. 32

4.1 กลาวนา ........................................................................................................................................ 32

4.2 โครงสรางของตนแบบโนดรบรภาพ ............................................................................................ 32

4.3 การวเคราะหการใชพลงงาน ......................................................................................................... 34

4.4 ผลการทดสอบ .............................................................................................................................. 37

4.4.1 เซลลแสงอาทตย ................................................................................................................... 37

4.4.2 ตวเกบประจแบบซปเปอรกระแสรวไหล ............................................................................. 38

4.4.3 ตวแปลง DC / DC ................................................................................................................ 39

4.4.4 การใชพลงงานของ MCU .................................................................................................... 39

4.4.5 การใชพลงงานของ CMOS .................................................................................................. 43

4.4.6 การพลงงานของโมดล XBee ............................................................................................... 43

4.4.7 การใชพลงงานทงหมด ......................................................................................................... 44

4.4.8 การเปรยบเทยบการใชพลงงาน ............................................................................................ 44

4.5 กลาวทายบท ................................................................................................................................. 47

บทท 5 สรปและขอเสนอแนะ .................................................................................................................. 48

5.1 สรป .............................................................................................................................................. 48

5.2 ปญหาขอเสนอแนะ ...................................................................................................................... 49

ฉ

5.3 แนวทางการพฒนาในอนาคต ....................................................................................................... 49

บรรณานกรม 50

ภาคผนวก ก การเผยแพรผลงานวจย 53

ภาคผนวก ข บทความวจยทตพมพเผยแพร 54

ประวตผวจย 68

ช

สารบญรปภาพ

หนา

รปท 2.1 แสดงการสงขอมลภาพและเสยงผานเครอขายแบบ Non Real-Time ............................................... 5

รปท 2.2 แสดงรปแบบการสงขอมลภาพและเสยงแบบเรยลไทม .................................................................. 6

รปท 2.3 ความสาพนธทางดานเวลาของตวสงและตวรบขอมล ..................................................................... 7

รปท 2.4 การเกดจทเตอรในการสงขอมลภาพและเสยงแบบเรยลไทม ........................................................... 8

รปท 2.5 คาไทมแสตมปในสวนหวของขอมลภาพและเสยง .......................................................................... 8

รปท 2.6 เพลยแบคบฟเฟอร ........................................................................................................................... 9

รปท 2.7 ระดบชนในการสงขอมลภาพและเสยง .......................................................................................... 10

รปท 2.8 สวนเฮดเดอรของ RTP แพคเกจ ..................................................................................................... 10

รปท 3.1 ตวอยางผลการไดรฟเทสพนททมปญหา........................................................................................ 13

รปท 3.2 แสดงโครงสรางภายในตวกลองไอพ ............................................................................................. 14

รปท 3.3 แสดงขนตอนการอานขอมลภาพ 1 ภาพ ........................................................................................ 16

รปท 3.4 แสดงเมมเบอรชปฟงกชนของ Frame Loss และ Frame Delay ...................................................... 17

รปท 3.5 แสดงเมมเบอรชปฟงกชนของอตราการสงภาพและคณภาพของภาพ .......................................... 18

รปท 3.6 เมมเบอรชปฟงกชนของการเปลยนแปลงคณภาพของภาพ .......................................................... 22

รปท 3.7 เมมเบอรชปฟงกชนของการเปลยนแปลงอตราการสงภาพ............................................................ 22

รปท 3.8 โปรแกรมแสดงภาพฝงผใชงานทพฒนาโดยใชโปรแกรม Borland Delphi 7 ................................ 23

รปท 3.9 แสดงแผนภาพการสงขอมลภาพผานเครอขายไรสาย .................................................................... 25

รปท 3.10 การสงขอมลภาพ โดยใหอตราการสงภาพมคาคงท ..................................................................... 26

รปท 3.11 การสงขอมลภาพ โดยใหคณอตราการสงภาพมคาคงทและมการเพมการใชงานในเครอขายทเวลา

วนาท ........................................................................................................................................................ 27

รปท 3.12 การสงขอมลภาพ โดยใหคณภาพของภาพมคาคงท ..................................................................... 28

รปท 3.13 การสงขอมลภาพ โดยใหคณภาพของภาพมคาคงทและมการเพมการใชงานในเครอขายทเวลา

วนาท ............................................................................................................................................................. 29

รปท 3.14 การสงขอมลภาพ โดยมการปรบคณภาพของภาพและอตราการสงภาพรวมกน .......................... 30

ซ

รปท 3.15 การสงขอมลภาพ โดยมการปรบคณภาพของภาพและอตราการสงภาพรวมกนและมการใชงาน

ในเครอขายทเวลา วนาท .......................................................................................................................... 31

รปท 4.1 โนดรบรภาพ JPEG-based ในเครอขาย WISN .............................................................................. 32

รปท 4.2 การบบอดภาพ JPEG ..................................................................................................................... 33

รปท 4.3 ตนแบบโนดรบรภาพ ..................................................................................................................... 33

รปท 4.4 กระแสชารจของเซลลแสงอาทตยสาหรบซเปอรตวเกบประจ 60F/2.7V. ...................................... 38

รปท 4.5 การลดลงของความตางศกยเมอเกดการรวของกระแส ................................................................... 39

รปท 4.6 การใชกระแสของ MCU สาหรบการบบอดภาพ JPEG ดวยความถนาฬกาทตางกน ..................... 41

รปท 4.7 การใชกระแสของ CMOS ทความละเอยด 80x60 pixel และ 12 bit RGB...................................... 41

รปท 4.8 การใชกระแสของ MCU สาหรบการบบอดภาพ JPEG ทคณภาพตางๆกน ................................... 42

รปท 4.9 การใชพลงงานของ MCU สาหรบการบบอดภาพ JPEG ทคณภาพตางๆกน ................................. 42

รปท 4.10 ความสมพนธระหวางขนาดของภาพ JPEG และคณภาพของการบบอด ..................................... 43

รปท 4.11 การใชกระแสของโมดล XBee สาหรบการสงขอมลทขนาดตางๆ กน รปบน 1 byte รปกลาง 500

bytes และรปลาง 1000 bytes. ........................................................................................................................ 45

รปท 4.12 การใชพลงงานของโมดล XBee ................................................................................................... 46

รปท 4.13 การใชพลงงานทงหมดของโนดรบรภาพ ..................................................................................... 46

รปท 4.14 สมรรถนะของระบบเมอสงขอมลภาพเปรบเทยบกบพลงงานจากแบบจาลอง ............................ 47

1

บทท 1 บทนา

1.1 ความสาคญ ทมาของปญหาททาการวจย







ชวยเหลอ

เครอขายรบรไรสายทใชจบภาพและสงตอในเครอขายเรยกวา เครอขายรบรภาพไรสาย (Wireless Image

Sensor Network : WISN) เปนเครอขายรบรอกประเภทหนงทกาลงไดรบความนยมมากขนเพราะสามารถนา

เทคโนโลยนมาประยกตใชไดหลายหลากมากขน เชน การเฝาระวงการวางระเบดตามจดเสยงตางๆ โดยโนด

แตละโนดจะบนทกภาพ และสงตอเมอมความผดปกตขน หรอการตดตามความเคลอนไหวของยานพาหนะ

โดยโนดสามารถสงตอภาพการเคลอนไหวของยานพาหนะทตองการได หรอ การตรวจสอบความผดปกต

ในระบบรางของรถไฟฟาและทอแกส เปนตน โครงการวจยนจงไดนาเสนอแนวทางทจะสรางโนดรบรภาพ

ไรสายอยางมประสทธภาพเพอเพมศกยภาพของการประยกตใชเทคโนโลยนใหดยงขน ปญหาหนงท

โครงการวจยนสนใจคอการใชพลงงานของโนดรบรภาพไรสายทมากกวาเมอไมสงภาพ ผลทเกดขนคอ

พลงงานในแบตเตอรหมดลงอยางรวดเรวไมสามารถใชงานไดทงวน แนวทางการแกปญหาหนงคอใชแหลง

พลงงานทมไมจากดเพอปอนใหกบโนดเหลาน แตหากใชไฟฟาจากการไฟฟากจะมขดจากดเรองการตดตงท

ตองอยในรศมทสายไฟฟาไปถงและไมครอบคลมพนทไกลๆ จงเหลอแตแหลงพลงงานแสงอาทตยท

สามารถแกปญหาได อยางไรกตามพลงงานแสงอาทตยมขดจากดทสามารถใชงานไดในชวงเวลากลางวน

เทานน ดงนนโครงการวจยนจงทาการศกษาเพอหาความสมพนธทเหมาะสมระหวางการใชพลงงานของ

แสงอาทตยกบการตรวจจบภาพ แปลงภาพ และสงภาพไปยงโนดอนๆ โดยมวตถประสงคทจะพฒนา

ตนแบบโนดรบรภาพไรสายทใชพลงงานแสงอาทตยอยางตลอดชพ ซงหมายความวาโนดนจะตงอยทม

2

แสงอาทตยและจะทางานไดทกวนโดยทไมมวนหมดพลงงานซงสามารถสงภาพในทงกลางวนและกลางคน

ทงนไมรวมความเสอมของแบตเตอรและวนทไมมแสงอาทตยทนอกเหนอจากการควบคมในโครงการวจย

จากการสารวจปรทรรศนวรรณกรรมทผานมาพบวายงไมมงานวจยใดทจะศกษาและแกปญหาน เพราะ

งานวจยสวนใหญจะพฒนาโนดรบรภาพจะใชพลงงานจากสายไฟฟาเปนหลก ถงแมวาจะมบางงานวจยทใช

พลงงานจากแสงอาทตยแตกใชกบโนดทไมสงภาพเทานน ดงนนการทาวจยเรองนจงเปนเรองทนาจะให

ความสาคญเรงดวนเพราะสามารถสรางองคความรทนกบการพฒนาประเทศและเปนปญหาทเกดขนจรงใน

ปจจบน ทาใหเพมโอกาสแขงขนในระดบสากลมากขน ซงผลสาเรจจากการวจยนจะชวยใหประหยด

พลงงานในภาพรวม และสามารถสรางนวตกรรมทเปนฝมอของคนไทย ทาใหงานวจยนสอดคลองกบ

นโยบายและยทธศาสตรการวจยของ และยงสอดคลองกบแผนงานวจยกบยทธศาสตรการพฒนาประเทศ

ตามแผนพฒนาเศรษฐกจและสงคมแหงชาต

1.2 วตถประสงคของโครงการวจย

1. เพอศกษาองคความรของการพฒนาเครอขายรบรภาพไรสายโดยใชพลงงานแสงอาทตย

2. เพอเทคนคในการประมวลผลสาหรบการประหยดพลงงานในเครอขายรบรภาพไรสาย

1.3 แนวทางการดาเนนการวจย

.ศกษาความสมพนธของการใชพลงงานในโนดรบรภาพไรสาย ดวยการจาลองแบบใน

คอมพวเตอร ณ หองปฏบตการ F ศนยเครองมอฯ มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร

. ศกษาความสมพนธของการใหพลงงานแสงอาทตยแกโนดรบรไรสาย โดยใชการจาลองแบบดวย

โปรแกรม MATLAB ณ หองปฏบตการ F ศนยเครองมอฯ มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร

. ทดสอบการสงภาพเพอวเคราะหการความเปนไปไดของโครงการ ดวยโปรแกรม MATLAB

. พฒนาและทดสอบเบองตนของโนดรบรภาพไรสายในทางปฏบต ณ หองปฏบตการ F ศนย

เครองมอฯ มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร

. พฒนาและสรางตนแบบโนดรบรไรสาย ณ หองปฏบตการ F ศนยเครองมอฯ มหาวทยาลย

เทคโนโลยสรนาร

. เกบผลการสงภาพดวยตนแบบทพฒนาขน ณ พนทบรเวณมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร

. วเคราะหผลการทดสอบ และเปรยบเทยบกบแนวทางทเสนอไวในงานวจยอนๆ

. พฒนา ปรบปรง แกไข เพอใหไดผลตามวตถประสงคทวางไว

3

. เสนอบทความในงานประชมวชาการ

. นาขอเสนอแนะในงานประชมวชาการมาปรบปรงงานวจย

. สรปผลสาเรจของโครงการและทารายงานโครงการ

1.4 ผลสาเรจของโครงการ

ประโยชนทไดรบคอการเผยแพรผลงานวจยนในวารสารวชาการระดบนานาชาต บทความ ซง

เปนการนาองคความรทไดจากงานวจยนเผยแพรแกนกวจยททางานใกลเคยงกน ทาใหสามารถนาไปพฒนา

ตอยอดสาหรบงานวจยอนๆ ได ซงหนวยงานวจยทางโทรคมนาคมในประเทศไทยสามารถนาผลงาน

ดงกลาวไปใชได

1.5 การสารวจปรทรรศนวรรณกรรมทเกยวของกบโครงการวจย

ในงานวจยทางดาน WSNs ไดถกนาไปประยกตใชงานอยางกวางขวางในดานตาง ๆ การใชพลงงาน

อยางมประสทธภาพกเปนแนวทางหนงทสาคญสาหรบงานวจยดานน [ ] การลดการใชพลงงานของโนดทา

ใหอายการใชงานเพมขน ในกรณทแหลงพลงงานคอแบตเตอรเราสามารถทจะลดการใชพลงงานของโนด

จนทาใหสามารถทางานไดหลายป แตในกรณทเซนเซอรมลกษณะเปนภาพแลว อายการใชงานนนอาจจะ

มอายในระดบหลายชวโมงอนเนองมากจากการประมวลผลภาพนนใชพลงงานมากกวาเซนเซอรทว ๆ ไป

สาหรบขอมลซงเปนภาพนนหลาย ๆ งานวจยไดใช FPGA [ - ] มาเปนตวประมวลผลหลกสาหรบการบบ

อดภาพเนองจากใชพลงงานนอยและสามารถประมวลผลไดรวดเรว ในงานวจย [ ] ไดศกษางานทางดาน

การตรวจจบและตดตามวตถเพอใหมการใชพลงงานอยางมประสทธภาพ โดยอาศยขอมลปอนกลบทชวย

ลดระยะเวลาในการประมวลผล ซงชวยยดอายการใชงานโนดมากขน โดยทแหลงพลงงานของโนดคอ

แบตเตอร ในงานวจย [ ] ไดนาเสนอ Wireless Camera Node ทใชพลงงานนอยมากซงขยายอายการใชงาน

ไดถง เดอนบนแบตเตอรขนาด mAh ในงานวจย [ ] ไดนาเสนอการบบอดภาพอยางมประสทธภาพ

บนมาตรฐาน JPEG ดวยการควบคมลาดบของขอมลภาพและยงสามารถลดจานวนเกตทใชในตว

FPGA ดวย งานวจย [ ] ไดนาเสนอระบบทสามารถปรบแตงฮารดแวรทเปน FPGA เพอทจะใชพลงงานได

อยางมประสทธภาพ ซงไดมการเปรยบเทยบการทางานระหวาง การบบอดภาพดวย MCU การบบอดภาพ

ดวย FPGA และการสงขอมลภาพโดยตรงไปยง Server ซงแสดงใหเหนวาการทางานบน FPGA นนม

ประสทธภาพสงสดซงขยายอายการใชงานไปไดถง ปโดยทแหลงพลงงานคอแบตเตอร และในงานท [ ]

นนเปนงานสวนขยายของ [ ] เพอศกษารปแบบของภาพตาง ๆ กน

4

นอกจากงานวจยทเนนทางดานในการลดพลงงานโดยใช FPGA ดงทกลาวมาแลว พลงงานงานแสงอาทตย

นนกาลงเปนหวขอทนาสนใจสาหรบ WSNs อนเนองมาจากเปนแหลงพลงงานทสะอาดไมกอใหเกดมลพษ

และเปนแหลงพลงงานทมอยทกวน หลายงานวจยไดพยายามปรบปรงสมรรถนะในการนาพลงงานจาก

แสงอาทตยมาใชงาน ตวอยางงานวจยเหลานคอ [ - ] ซงเกยวของกบการปรบปรงสมรรถนะของ DC/DC

Converter การปรบปรงวงจรทเชอมตอกบเซลแสดงอาทตย การหาจดทางานของเซลลสรยะทใหพลงงาน

สงสด การกาหนดชวงเวลาลวงหนาในการทางาน

สาหรบแบตเตอรทเปนแหลงพลงงานหลกในงานวจยดาน WSNs นนกาลงจะถกแทนทดวย Super

Capacitor [ ][ ][ ] อนเนองมาจากแบตเตอรนนมอายการใชงานจากด และยงถกจากดดวยจานวนครงใน

การประจและการคายประจ ซงโดยทวไปแลวจานวนครงในการชารจแบตเตอรนนอยทประมาณหลายรอย

ครงกอนทจะเสอมสภาพ แตสาหรบ Super Capacitor นนจานวนครงในการชารจอยทระดบหลายแสนครง

[1]

จากการสารวจงานวจยทเกยวของกบ WISNs หลายงานวจยสวนใหญเนนไปในแนวทางการประหยดการใช

พลงงานซงบทสรปกคอการใช FGPA มาแทนท MCU แตถาหากมองถงตนทนในการผลตใชงานจรงโดย

เนนทการผลตเปนจานวนมากแลว MCU เปนทางเลอกทเหมาะสมกวา งานวจยนจงมงเนนไปทการหา

แบบจาลองของการใชพลงงานสาหรบโนดรบรภาพทมการบบอดขนาดตาง ๆ กนและคณภาพของภาพท

ตางกน บนแพลตฟอรม MCU พลงงานแสงอาทตยและ Super Capacitor ซงแบบจาลองทแมนยาจะชวยให

โนดสามารถปรบตวตามพลงงานทมอยไดอยางมประสทธภาพ และสามารถใชเปนแหลงพลงงานทยงยน

ตลอดชพได ซงยงไมเคยมงานวจยใดนาเสนอมากอน

5

บทท 2 ทฤษฏและความรทเกยวของ

2.1 กลาวนา

ในการสงขอมลภาพผานเครอขายนนสามารถทาไดหลายรปแบบ เชนสงแบบ HTTP, TCP,UDP,

RTP, Unicast, Multicast เปนตน ซงสามารถแบงออกเปนการสงแบบ Real-Time และ Non Real-Time

ประเภทของการสงแบบ Non Real-Time คอการสงในลกษณะทการผลตเนอหา การสงขอมล การรบชม

เกดขนในเวลาทตางกน เชนการดาวโหลดภาพยนตรหรอเพลงผานเวบไซต เนอหาของเพลงหรอภาพยนตร

จะถกสรางขนมากอนแลวเกบไวเปนขอมลในลกษณะไฟลแลวผใชจงดาวโหลดขอมลเหลานนมาลงท

คอมพวเตอรของผใชหลงจากนนจงรบชมเวลาใด ๆ กไดซงสามารถแสดงไดดงรปท .

รปท 2.1 แสดงการสงขอมลภาพและเสยงผานเครอขายแบบ Non Real-Time

6

สวนการสงขอมลแบบเรยลไทมนนการสรางขอมลภาพและเสยง การสงขอมล และการรบชมขอมลจะ

เกดขนในเวลาเดยวกนซงในขณะทรบชมขอมลอยนนดานฝงผลตขอมลกกาลงผลตไปดวย ดงแสดงในรปท

2.2

รปท 2.2 แสดงรปแบบการสงขอมลภาพและเสยงแบบเรยลไทม

2.2 ความสมพนธทางดานเวลา

ขอมลทเปนเรยลไทมในเครอขายจาเปนทจะตองรคาความสาพนธทางดานเวลาในระหวางแพคเกจ

ในชวงการสงขอมลใด ๆ ตวอยางเชน วดโอเซอรเวอรแบบเรยลไทมทาการสงภาพวดโอแบบถายทอดสด

และทาการสงภาพออกไปในเครอขาย ซงขอมลวดโอนมทงหมด สวนดวยกนโดยแตละสวนจะมความ

ยาว วนาท ขอมลวดโอสวนแรกนนเปนขอมลในชวงเวลา . . ขอมลวดโอในสวนทสองนนขอมล

เรมตนทเวลา . . และในสวนทสามขอมลเรมตนท . . โดยแตละแพคเกจใชเวลา วนาททจะ

เดนทางไปถงปลายทาง ดงนนทปลายทางจะสามารถแสดงผลขอมลภาพนทเวลา . . สาหรบแพคเกจ

แรก ทเวลา . . สาหรบแพคเกจทสอง และ . . ในแพคเกจทสาม ทงหมดนแสดงในรปท .

7

รปท 2.3 ความสาพนธทางดานเวลาของตวสงและตวรบขอมล

อะไรจะเกดขนถาแพคเกจขอมลมาถงปลายทางดวยคาเวลาหนวงทแตกตางกน ตวอยางเชนแพคเกจ

แรกมาถงปลายทางในเวลา . . (หนวง วนาท) แพคเกจทสองมาถงในเวลา . . (หนวง

วนาท) และแพคเกจท มาถงตอนเวลา . . (หนวง วนาท) ถาโปรแกรมแสดงภาพเรมแสดงภาพท

เวลา . . ซงจะหมดขอมลทเวลา . . ถงตอนนโปรแกรมแสดงภาพไมสามารถแสดงภาพตอไป

ไดเพราะวาแพคเกจท ยงเดนทางมาไมถง ยงคงตองใชเวลาอก วนาทกวาจะมาถง สงนเปนชองวาง

ระหวางแพคเกจขอมลทง แพคเกจ เหตการณนเราเรยกวาจทเตอร (Jitter) ดงแสดงในรปท .

2.3 ไทมแสตมป

แนวทางทจะสามารถแกปญหาเรองจทเตอรไดกคอไทมแสตมป ถาขอมลแตละแพคเกจมไทม

แสตมปทตวมนเองไดถกผลตขนมาทสามารถใชเปรยบเทยบกบแพคเกจกอนหนาหรอหลงได ไคลเอนทก

จะสามารถใหขอมลไทมแสตมปนในการแสดงขอมลภาพไดอยางถกตอง ตวอยางเชน ใหแพคเกจแรกมคา

ไทมแสตมปเปน . . แพคเกจทสอง . . และแพคเกจทสาม . . ถาจทเตอรเกดขนในแบบ

ตวอยางทผานมา หากโปรแกรมทางดานไคลเอนทเรมแสดงขอมลภาพทเวลา . . ซงแพคเกจท จะ

ถกแสดงทเวลา . . และแพคเกจท จะถกแสดงทเวลา . . ซงในกรณนชองวางระหวางแพคเกจ

ในการแสดงผลกจะหายไป ดงแสดงใหเหนในรปท .

8

รปท 2.4 การเกดจทเตอรในการสงขอมลภาพและเสยงแบบเรยลไทม

รปท 2.5 คาไทมแสตมปในสวนหวของขอมลภาพและเสยง

9

2.4 บฟเฟอรสาหรบแสดงขอมลภาพและเสยง

ในการทจะสามารถแยกเวลาทแพคเกจขอมลเดนทางมาถงและเวลาทจะแสดงขอมลใหผใชไดรบชม

เราจาเปนทจะตองมบฟเฟอรสาหรบเกบขอมลกอนทจะทาการแสดงขอมลออกไป เราเรยกสงนวาเพลย

แบคบฟเฟอร เมอการสงขอมลเรมตนขนโปรแกรมทแสดงภาพและเสยงทาการหนวงเวลาออกไปจนกระทง

ปรมาณทางเวลาทไดเกบไวถงระดบทกาหนดไวจงเรมแสดงผลภาพและเสยงซงสามารถแสดงไดดงรปท

2.6

รปท 2.6 เพลยแบคบฟเฟอร

2.5 RTP

เรยลไทมทรานสปอตโปรโตคอล (Realtime Transport Protocol – RTP) ถกออกแบบมาเพอใชจดการ

กบการรบสงขอมลแบบเรยลไทมในอนเตอรเนต RTP นนไมมกลไกในการสงมอบขอมลไปยงปลายทาง

(มลตคาส (Multicast), หมายเลขพอรต (Port number) และอน ๆ) มนจะตองในงานรวมกบ UDP โดย RTP

10

นนจะวางตวอยระหวาง UDP และแอปพลเคชนทตดตอกบผใชงาน หนาทหลกของ RTP กคอการใสคา

ไทมแสตมป การใสลาดบขอมล ซงแสดงไดในรปท .

รปท 2.7 ระดบชนในการสงขอมลภาพและเสยง

รปแบบของ RTP แพคเกจ

ในรปท . แสดงรปแบบของขอมลในสวนหวของ RTP รปแบบนสามารถใชงานไดอยาง

กวางขวางในทกการใชงานในแบบเรยลไทม

รปท 2.8 สวนเฮดเดอรของ RTP แพคเกจ

11

Ver : เปนขอมล บตทใชแสดงคาเวอรชน ซงเวอรชนทใชในปจจบนคอ

P : เปนขอมล บต ถามคาเปน จะแสดงถงการทมขอมลแพดดงทสวนทายของแพคเกจขอมล ซงในกรณ

นขอมลทอยดานทายในสวนแพดดงจะเปนการกาหนดคาความยาวของแพดดง ถาไมมแพดดงคาในสวนน

จะเปน

X : เปนขอมล บต ถามคาเปน จะแสดงถงการขยายสวนหวของ RTP แบบพเศษทอยระหวางสวนหว

ปกตและขอมล ถามคาเปน แสดงวาไมมสวนขยายน

Contributor Count : เปนขอมล บต ทแสดงถงจานวน Contributor ซงมไดสงสด Contributor

M : เปนขอมล บต เปนตวกาหนดคาทใชโดยระดบแอปพลเคชน เชนใชเปนตวบอกวาเปนขอมลชด

สดทาย

Payload Type : เปนขอมล บตทแสดงประเภทของขอมลทนามาซงสามารถแสดงตวอยางบางสวนไดดงน

Sequence Number : เปนขอมล บต ใชสาหรบใสหมายเลขลาดบในการสงแตละแพคเกจ ตวเลขนถก

เลอกมาในตอนเรมตนในแบบสม และมนจะเพมคาขน คาในแตละลาดบของแพคเกจ ซงจะถกใชทผรบ

ขอมลในการทจะตรวจจบ Packet Loss หรอการทขอมลมาผดลาดบ

Timestamp : เปนขอมล บตทแสดงถงความสาพนธทางดานเวลาระหวางแพคเกจ คาไทมแสตมปทใช

ในแพคเกจแรกถกกาหนดคาแบบสม

Synchronization Source Identifier: ถามตนกาเนดของขอมลเพยงชดเดยว ขอมล บตนจะเปนการ

กาหนดคาตนกาเนนนน แตถาหากมหลายตนกาเนด...

Contributor Identifier : เปนขอมล บต โดยแตละสวนเปนการนยามคาตนกาเนด

ตารางท . Payload Type ในสวนของหวของ RTP

Type Application Type Application Type Application

0 PCMu Audio 7 LPC audio 15 G728 audio

1 1016 8 PCMA audio 26 Motion JPEG

2 G721 audio 9 G722 audio 31 H.261

3 GSM audio 10-11 L16 audio 32 MPEG1 video

5-6 DV14 audio 14 MPEG audio 33 MPEG2 video

12

2.6 กลาวทายบท

ในเนอหาทงหมดของบททสองไดกลาวถงไดกลาวถงเนอหาของการสงขอมลภาพ ทจะเปนการสราง

รปแบบขอมลสาหรบการสงแพคเกจในโนดรบรภาพ ซงเปนพนฐานของความรทเกยวของ สวนในบท

ถดไปจะเปนการพฒนาโนดรบรภาพ

13

บทท 3 การออกแบบโนดรบรภาพ


เนอหาในบทนประกอบดวย สวนดวยกน คอ ในสวนแรกเปนกลาวถงโครงสรางของโนดรบร

ภาพ รายละเอยดของแตละสวนโดยเฉพาะการออกแบบอลกอรทมทประมวลผลภาพ และสวนทสองคอการ

ทดสอบการสงภาพของโนดรบรภาพทไดออกแบบไวแลว

3.2 โครงสรางการทางานของระบบทดสอบ

กลองไอพททาการออกแบบใชบอรดทมตวประมวลผลตระกล ARM เชอมตอกบกลองแบบ UART

ทความเรว baud ในสวนของโปรแกรมททางานบนกลองไอพไดใช uIP ซงเปน TCP/IP Stack ซง

แจกโปรแกรมตนฉบบฟรโดยไมมคาใชจาย สาหรบตวคอมไพเลอรททาหนาทแปลงโปรแกรมตนฉบบให

เปนไบนารไฟลสาหรบดาวโหลดโปรแกรมลงไปทกลองไอพนนไดใชไดใชคอมไพเลอรสาหรบตว

ประมวลผล ARM ของบรษท Keil แผนภาพการทางานเปนดงรปท .

รปท 3.1 ตวอยางผลการไดรฟเทสพนททมปญหา

ภายในตวกลองไอพนนจะแบงออกเปนสวนหลก ๆ ได สวนคอ การอานขอมลจากกลอง การเขารหสภาพ

ตวควบคมฟซซ และการสงขอมลออกไปใหผใช ตวควบคมฟซซลอจกจะรบขอมลปอนกลบจากผใชทาง

14

UDP ซงคาเหลานคอ Frame Loss และคา Frame Delay จากนนจะไปประมวลผลเทยบกบกฎฟซซซง

เอาทพททไดจะไปควบคม สวนคอ ควบคมการเขารหสภาพและควบคมอตราการสงภาพ ในการสงภาพ

ออกไปนนใช RTP เปนโปรโตคอลในการสงขอมล ซงสามารถแสดงไดดงรปท .

รปท 3.2 แสดงโครงสรางภายในตวกลองไอพ

3.3 การเชอมตอกบโมดลกลอง

การเชอมตอกบโมดลกลองเปนการเชอมตอแบบ UART โดยทความเรวการการเชอมตอคอ

bps กลองรนใหใหภาพออกมาในรปแบบ JPG อยแลวจงลดขนตอนในการแปลงขอมลดบไปเปน JPG

หลกการในการตดตอกบกลองเบองตนคอ Initialize และอานรปภาพจากกลองโดยทการอานรปภาพจาก

กลองในรอบตอ ๆ ไปไมจาเปนจะตองทาการ Initialize อก ชดคาสงในการใชงานทงหมดมดงแสดงใน

ตารางท .

ในการอานขอมลภาพจากโมดลกลองนนจะกระทาตลอดเวลาดวยความเรวสงสด เพอใหไดความ

ตอเนองของภาพดทสด ขอมลภาพนจะเกบอยในหนวยความจาของบอรดประมวลผล ARM7 ซง

ขอมลภาพนจะถกใชงานโดยฟงกชนการเขารหสภาพอกครงหนงเพอลดขนาดภาพใหเหมาะสมกบแบนด

วดทตอไป ในการอานขอมลภาพแตละภาพมขนตอนแสดงในรปท .

15

ตารางท . แสดงชดคาสงทใชกบโมดลกลอง

3.4 การเขารหสสญญาณภาพ (VIDEO ENCODE)

ขอมลภาพทไดจากโมดลกลองนนเปนขอมลในรปแบบ JPG อยแลว แตทตองมตวเขารหสภาพอก

ครงหนงกเพอทจะลดคณภาพของภาพเพอใหภาพมขนาดเลกลงเพอใชสงในขณะทแบนดวดทคบคง โดยท

การเขารหสนเปนฟงกชนทอยในรปของภาษาซซงจะทาการคอมไพลรวมกบ uIP ททาหนาท TCP/IP Stack

16

รปท 3.3 แสดงขนตอนการอานขอมลภาพ 1 ภาพ

17

3.5 ตวควบคมฟซซลอจก

3.5.1 ฟซซไฟเออร (Fuzzifier)

ในการวจยนฟซซไฟเออรจะทาหนาทแปลงคาสญญาณจรงในทนคอ Frame Loss และ Frame Delay

ใหไปอยในรปแบบของฟซซเซต คา Frame Loss และคา Frame Delay ทเขามาจะถกแปลงใหอยในรปแบบ

ของคาเมมเบอรชปซงมคาสงสดไมเกน 1 ซงคาเมมเบอรชปนจะถกสงตอไปยงตวอนมานฟซซตตอไป คา

เมมเบอรชปของ Frame Loss และ Frame Delay แสดงดงรปท .

รปท 3.4 แสดงเมมเบอรชปฟงกชนของ Frame Loss และ Frame Delay

คาอตราการสงภาพและคณภาพของภาพกสามารถนามาเปนสวนหนงของกฎในการควบคมไดเชนกน

เพอใหรปแบบในการควบคมมความหลากหลายมากยงขน เมมเบอรชปฟงกชนของอตราการสงภาพและ

คณภาพของภาพเปนดงรปท .

18

รปท 3.5 แสดงเมมเบอรชปฟงกชนของอตราการสงภาพและคณภาพของภาพ

3.5.2 กฎฟซซ (Fuzzy Rule Base)

กฎฟซซนนจะมาจากประสบการณของผเชยวชาญทสามารถแสดงออกมาในรปของ ถา-แลว (If-Then) ใน

งานวจยนไดสรางกฎในการควบคม 3 รปแบบคอ การควบคมอตราการสงภาพ ควบคมคณภาพของภาพและ

ผสมทง แบบเขาดวยกน

19

. . . กฎในการควบคมอตราการสงภาพ

Rule:

If (Frame Delay) is (High)

Then (Change Frame Rate) is (Negative High)

Rule:

If (Frame Delay) is (Low)

Then (Change Frame Rate) is (Negative Low)

Rule:

If (Frame Loss) is (High)


Rule:

If (Frame Loss) is (Low)


Rule:

If (Frame Delay) is (Zero) and (Frame Loss) is (Zero)

Then (Change Frame Rate) is (Positive Low)

. . . กฎในการควบคมคณภาพของภาพ

Rule:


Then (Change Quality) is (Positive High)

Rule:


Then (Change Quality) is (Positive Low)

Rule:

If (Frame Loss) is (High)


20

Rule:

If (Frame Loss) is (Low)


Rule:

If (Frame Delay) is (Zero) and (Frame Loss) is (Zero)

Then (Change Quality) is (Negative Low)

. . . กฎในการควบคมแบบผสม

Rule:

If (Frame Delay) is (High) and (Frame Rate) is (High)


Rule:

If (Frame Delay) is (High) and (Frame Rate) is (Low)


Rule:

If (Frame Delay) is (Low) and (Frame Rate) is (High)


Rule:

If (Frame Delay) is (Low) and (Frame Rate) is (Low)


Rule:

If (Frame Loss) is (High) and (Frame Rate) is (High)


Rule:

If (Frame Loss) is (High) and (Frame Rate) is (Low)


Rule:

If (Frame Loss) is (Low) and (Frame Rate) is (High)

21


Rule:

If (Frame Loss) is (Low) and (Frame Rate) is (Low)


Rule:

If (Frame Delay) and (Frame Loss) is (Zero) and (Frame Rate) is (Low) and (Quality) is (Low)

Then (Change Quality) is (Negative Low)

Rule:

If (Frame Delay) and (Frame Loss) is (Zero) and (Frame Rate) is (Low) and (Quality) is (High)

Then (Change Frame Rate) is (Positive Low)

3.5.3 ตวอนมานฟซซ (Fuzzy Inference Engine)

ไดเลอกใชการอนมานแบบ Min-Max ดงสมการท . เนองจากการอนมานแบบนใชพลงงานในการ

ประมวลผลนอยและมขนาดโปรแกรมทไดจากการคอมไพลมขนาดเลกเหมาะกบระบบฝงตวทมเนอทให

เขยนโปรแกรมนอย

3.5.4 ดฟซซไฟเออร (Defuzzifier)

ในสวนของดฟซซไฟเออรจะมการนยามในสวนของการเปลยนแปลงคณภาพและอตราการสงขอมลภาพ

ซงในสวนของการเปลยนแปลงคณภาพไดมการนยามเมมเบอรชปฟงกชนไว 5 ระดบคอ การเปลยนแปลง

แบบ Positive High (PS), Positive Low (PL), Zero (Z) , Negative Low (NL), Negative High (NH) ดงแสดง

ในรปท .

22

รปท 3.6 เมมเบอรชปฟงกชนของการเปลยนแปลงคณภาพของภาพ

ในสวนของการเปลยนแปลงอตราการสงภาพไดทาการนยามเมมเบอรชปฟงกชนไว ระดบเชนกน

ซ งมดง ตอไป น Positive High (PH), Positive Low (PL), Zero (Z), Negative Low (NL), Negative High

(NH) แสดงดงรปท .

รปท 3.7 เมมเบอรชปฟงกชนของการเปลยนแปลงอตราการสงภาพ

23

3.6 โปรแกรมแสดงภาพทผใชงาน

โปรแกรมรบภาพและแสดงภาพไปยงผใชทาหนาทรบภาพทสงมาจากกลองไอพทสงขอมลมาทาง RTP ซง

โปรแกรมนจะดคาไทมแสตมปและหมายเลขลาดบของเฟรม RTP เพอประเมนคา Frame Loss, Frame

Delay แลวทาการสงคาเหลานกลบไปยงกลองไอพผานทาง UDP โปรแกรมรบภาพนพฒนาขนจาก Borland

Delphi ซงมคอมโพเนนทในดานเนตเวรคใหใชมากมาย รปของโปรแกรมแสดงดงรปท .

รปท 3.8 โปรแกรมแสดงภาพฝงผใชงานทพฒนาโดยใชโปรแกรม Borland Delphi 7

3.6.1 การปรบเวลาใหตรงกน (Time Synchronization)

ในชวงเรมตนของการรบขอมลภาพโปรแกรมแสดงภาพจะทาการสรางฐานเวลาขนมาเพอทจะเปนตว

เปรยบเทยบกบคาไทมแสตมปของขอมลภาพทวงเขามาซงจะทาใหสามารถบอกถงคา Frame Loss และคา

Frame Delay ได เนองจากโปรแกรมททางานบนระบบปฏบตการตาง ๆ ในปจจบนนสามารถเขาถงคาฐาน

เวลาของระบบไดอยแลว แตคาฐานเวลาของผสงและผรบอาจจะมคาตางกน เชนตาแหนงของผสง และ

ผรบอยคนละชวงเวลากน (Time Zone) เปนตน จงมความจาเปนทจะตองรคา Time Offset ระหวางผสงกบ

ผรบซงจะเปนไปตามสมการ

24

server time base = cleint time base + offset (3.1)

แพกเกจขอมลภาพทถกสงมาจากกลองไอพโดยใช RTP นนจะมการประทบคาไทมแสตมปทสวนหว

ของ RTP แพกเกจ เมอขอมลนมาถงโปรแกรมแสดงภาพยอมสามารถคานวณคา Time Offset นได แต

เพอใหขอมลคา Time Offset นมความนาเชอถอมากยงขนจงมความจาเปนตองทาการหาคาเฉลยจากหลาย

แพคเกจแทนทจะใชขอมลจากแพคเกจเดยว โดยการหาคาเฉลยจากสมการ

time_offset = _ ⋯ _

(3.2)

โดยท n คอ จานวนแพคเกจทเขามา

3.6.2 การพจารณาคา Frame Loss และคา Frame Delay

ในการหาคา Frame Loss นนสามารถหาไดจากคา Sequence Number ทอยในเฮดเดอรของ RTP ใน

แตละแพคเกจของ RTP อาจจะประกอบดวยขอมลภาพหลาย ๆ ภาพ แตละแพคเกจของ RTP จงจาเปนตอง

มคา Sequence Number นเพอบอกถงลาดบของภาพทจะไปแสดงผลบนหนาจอไดอยางถกตอง หากมคา

ลาดบนหายไปหรอมาถงโปรแกรมแสดงภาพชามากเกนไปกจะถอวา Frame Loss ไดเกดขน

ในสวนของ Frame Delay เมอไดขอมล Time Offset แลวกจะนาขอมลนไปใชในการหาคา Frame

Delay ของแตละแพคเกจทวงเขามาทโปรแกรมแสดงภาพดงสมการ

packet frame delay = RTP timestamp − time offset (3.3)

ซงหากคา Packet Frame Delay นมคามากเกนกวาคาทกาหนดกจะถอวาเกด Frame Delay ขน แตก

เปนไปไดทคา Packet Frame Delay นจะมคานอยกวา 0 ซงมความหมายวา RTP แพคเกจเขามาถงกอน

กาหนดซงสามารถเปนไปไดเนองจากคา Time Offset ทคานวณในชวงแรก ๆ นนอาจจะเปนชวงทเครอขาย

มความคบคงในการใชงานมากกวาในขณะปจจบน ซงในกรณนกจะถอวาไมม Frame Delay เกดขน

25

3.6.3 ขอมลปอนกลบ (Feedback Information)

คา Frame Loss และคา Frame Delay ทคานวณไดจะถกสงกลบไปยงกลองไอพผานทาง UDP โดยสงเปน

คาบเวลาตามทตงไวเชนทก ๆ วนาทเปนตน เมอขอมลไดถกสงออกไปเรยบรอยแลวกจะทาการรเซตคา

Frame Loss และ Frame Delay เพอเรมนบใหม

3.7 ผลการสงขอมลภาพไรสาย

ในการทดลองนไดใหกลองไอพมทตงอยคนละเครอขายกบผรบชม สาหรบเครอขายไรสายนนม

แนวโนมทจะเกดความคบคงในเครอขายไดงายเนองมาจากความเรวของไรสายนนไมสงมากนนเมอเทยบ

กบแบนดวดททใชในการสงขอมลภาพ การทดลองนเปนการทดสอบกฎควบคมฟซซลอจกในเรองของการ

ม Frame Loss และ Frame Delay เชนกฎดงน

Rule:



Rule:



ซงจะแบงการทดลองออกเปน สวนคอการควบคมคณภาพของภาพโดยใหอตราการสงภาพคงทและ

ควบคมอตราการสงภาพโดยใหคณภาพของภาพคงท รปท . แสดงแผนภาพการเชอมตอในแบบไรสาย

รปท 3.9 แสดงแผนภาพการสงขอมลภาพผานเครอขายไรสาย

26

3.7.1 การควบคมคณภาพของภาพ

ในการทดลองนจะทาการคงคาอตราการสงภาพ ตวควบคมฟซซลอจกจะปรบเปลยนเฉพาะคณภาพของ

ภาพเพยงเทานน ผลลพธการทางานแสดงในรปท .

รปท 3.10 การสงขอมลภาพ โดยใหอตราการสงภาพมคาคงท

จากนนทาการทดลองเพมเตมโดยการเพมการใชงานในเครอขาย ณ เวลา วนาท ไดผลดงรปท .

27

รปท 3.11 การสงขอมลภาพ โดยใหคณอตราการสงภาพมคาคงทและมการเพมการใชงานในเครอขายทเวลา

วนาท

3.7.2 การควบคมอตราการสงภาพ

ในการทดลองนจะใหคณภาพของภาพมคาคงท ตวควบคมฟซซลอจกจะปรบเปลยนเฉพาะอตราการสง

ภาพเพยงเทานน ผลลพธการทางานแสดงในรปท .

28

รปท 3.12 การสงขอมลภาพ โดยใหคณภาพของภาพมคาคงท


29

รปท 3.13 การสงขอมลภาพ โดยใหคณภาพของภาพมคาคงทและมการเพมการใชงานในเครอขายทเวลา

วนาท

3.7.3 การควบคมคณภาพและอตราการสงภาพผสมกน

ในรปแบบนกฎฟซซจะมอยดวยกน สวนคอถาเครอขายไมมความคบคงกจะเพมอตราการสงภาพและ

คณภาพของภาพไปเรอย ๆ แตถามความคบคงเกดขนในเครอขายกจะลดอตราการสงภาพลงจนกระทงถงคา

ตาสดทยอมรบไดจากนนจงลดคณภาพของภาพลง ผลลทธแสดงดงรปท .

30

รปท 3.14 การสงขอมลภาพ โดยมการปรบคณภาพของภาพและอตราการสงภาพรวมกน


31

รปท 3.15 การสงขอมลภาพ โดยมการปรบคณภาพของภาพและอตราการสงภาพรวมกนและมการใชงาน

ในเครอขายทเวลา วนาท


ในบทนเราไดแสดงใหเหนถงกลองไอพทไดพฒนาขนมาสามารถสงขอมลภาพดวยรปแบบท

เหมาะสมกบแบนดวดทของเนตเวรคได โดยมการปรบอตราการสงขอมลภาพและคณภาพของภาพ ซงวธ

ทจะปรบนนกมาจะกฎควบคมฟซซซงแตละกฎนนมาจากประสบการณของผใชงานหรอผเชยวชาญแทนท

จะเปนคณตศาสตรทซบซอน สาหรบโมดลกลองทมาเชอมตอกบบอรดประมวลผลนนเปนกลองทให

ขอมลในรปแบบ JPG อยแลวจงเปนการลดขนาดของหนวยความจาของบอรดประมวลผลลง เนองจากวา

หากไดเปนขอมลดบในลกษณะบตแมป (Bitmap) กจะใชขนาดของหนวยความจาเพมมากขน แตกม

ขอดอยคอรปแบบทกลองไอพในงานวจยนจะสนบสนนการทางานกจะมเพยง Motion JPEG

32

บทท 4 ตนแบบโนดรบรภาพทใชพลงงานแสงอาทตยและผลการทดสอบ


เนอหาในบทนจะเปนการนาเสนอการพฒนาตนแบบโนดรบรภาพทใชพลงงานแสงอาทตยและผล

การทดสอบ เพอใหสามารถใชพลงงานแสงอาทตยสาหรบการทางานของโนดไดอยางตลอดชพ และทาการ

วเคราะหสรปผลทไดจากการทดลองในตอนสดทาย

4.2 โครงสรางของตนแบบโนดรบรภาพ

โนดรบ รภาพทใช JPEG ประกอบดวยโมดลเซนเซอรภาพ CMOS, MCU, XBeemodule, เซลล

แสงอาทตยและตวแปลง DC / DC ดงแสดงในรปท . แหลงพลงงานของระบบไดมาจากเซลลแสงอาทตย

กระแสไฟฟาจากเซลลแสงอาทตยผานวงจรควบคมจากนนจะถกเกบไวในตวเกบประจแบบซปเปอร ตว

แปลง DC / DC จะแปลงแรงดนไฟฟาของตวเกบประจเปน . โวลตเปนซพพลายเออรของ MCU,

เซนเซอรรบภาพ CMOS และโมดล XBee อยางไรกตามตวแปลง DC / DC มขอ จากด เกยวกบแรงดนไฟฟา

อนพตขนตาและขนอยกบผผลตเมอกระแสไฟฟาจากเซลลแสงอาทตยพงเขาสตวเกบประจแบบซปเปอร

อยางตอเนองแรงดนไฟฟาของตวเกบประจซปเปอรจะเพมขนจนกวาจะเกนแรงดนไฟฟาตา / ตวแปลง DC

ณ จดนพลงงาน . โวลตสามารถใชได

รปท 4.1 โนดรบรภาพ JPEG-based ในเครอขาย WISN

33

รปท 4.2 การบบอดภาพ JPEG

รปท 4.3 ตนแบบโนดรบรภาพ

ตวเกบประจซปเปอรมกระแสไฟรวทตองรวมอยในการออกแบบ ทาใหแรงดนไฟฟาลดลงอยาง

ตอเนอง กระแสรวไหลของตวเกบประจซปเปอรอยในชวงตงแต µA ถง mA ขนอยกบผผลต นอกจากนการ

จดเรยงของตวเกบประจพเศษสามารถเปลยนปรมาณการรวไหลของกระแส [ ] สาหรบตวแปลง DC / DC

นนยงมกระแสไฟรวทตองรวมอยในการออกแบบ ผผลตหลายรายแสดงกระแสรวไหลในชวง rangeA และ

ประสทธภาพในชวง % ถง %

แรงดนไฟฟาของแหลงจายไฟจากตวแปลง DC / DC ทจดหา MCU, เซนเซอรรบภาพ CMOS และ

โมดล XBee เมอถงเวลาสงภาพ JPEG ไปยงโหนดเปาหมาย MCU จะปลกจากโหมดสลปและเรมตนการ

เรมตนบนอปกรณตอพวงเชน เฟสลอกลป (PLL), การสอสารแบบอนกรม (UART) ฯลฯ จากนนจะเปด

เซนเซอรภาพ CMOS เพอรบขอมลภาพดบซงถกเกบไวใน RAM ภายในของ MCU หลงจากเสรจสนดวย

เซนเซอรรบภาพ CMOS, MCU ปดโมดลเพอลดการใชพลงงานกอนทจะเรมกระบวนการบบอด JPEG ใน

การวจยของเราเราใชโมดลปดเชงพาณชยเพอความเรยบงายและการพฒนาทรวดเรว รปแบบภาพดบของ

เซนเซอรภาพ CMOS คอรปแบบ RGB และ MCU ไดรบขอมลนผานการสอสารแบบอนกรมทอตราการ

รบสงขอมล และความละเอยดของภาพไดรบการแกไขท x พกเซลหลงจากกระบวนการบบอด

34

JPEG แลวภาพ JPEG จะถกเกบไว จากนน MCU จะเปดใชงานโมดล XBee สงสญญาณ Request To Send

(RTS) รอสญญาณ Clear To Send (CTS) จากโมดล XBee และเขาสหวงการสง งานวจยของเราไมไดมงเนน

ไปทพลงงานของการกาหนดเสนทางของ WSN ดงนนเราจงใช XBee ผสงและผรบอยางงาย นอกจากนเรา

ยงใชโมดล XBee เชงพาณชยเพอการใชงานทงายและรวดเรว MCU สอสารกบโมดล XBee ผานการสอสาร

แบบอนกรมทอตรา baud เชนเดยวกบเซนเซอรภาพ CMOS

MCU เรมกระบวนการบบอด JPEG ดวยคณภาพของภาพทกาหนดเพอใหพลงงานโดยประมาณ

เทากบพลงงานทเกบไวในตวเกบประจแบบซปเปอร นคอทางออกทดทสดของการรวมพลงงานแสงอาทตย

และตวเกบประจแบบซปเปอร ในชวตจรงพลงงานแสงอาทตยสามารถคาดคะเนไดโดยประมาณดงนน

พลงงานทเกบในซเปอรคาปาซเตอรควรถกสงวนไวสาหรบพลงงานแสงอาทตยบางรปแบบ เมอ MCU บบ

อดภาพดบเปนภาพ JPEG กระบวนการบบอดทมคณภาพสงจะใชเวลานานกวากระบวนการคณภาพตา

นอกจากนเมอคาคณภาพสงขอมลภาพ JPEG จะใหญกวาคาคณภาพตากระดาษนเนนการเลอกคาคณภาพทด

ทสดเพอใหพลงงานทงหมดทเกบไวในซเปอรคาปาซเตอรสามารถใชงานได ผเขยนยงลดการใชพลงงานใน

แตละกระบวนการใหนอยทสด ผลการวจยพบวาเราจะไดภาพ JPEG คณภาพดทสดสาหรบพลงงาน

แสงอาทตยรายวน เราสามารถขยายระยะเวลาการประมาณจาก วนเปนหลายวนขนอยกบความตองการท

แทจรง สงนจะนาไปสการเพมมลคาของ super-capacitor และชวงเวลาการสง

4.3 การวเคราะหการใชพลงงาน

การพจารณากระบวนการใชพลงงานสามารถแบงออกไดเปน ชวงเวลาคอ ในเวลากลางวน 𝑇

และในเวลากลางคน 𝑇 โดยท 𝑇 + 𝑇 = 24 ชวโมง ความเหมาะสมของคาเหลานมา

จากผลการทดลองในชวงกลางวนกระแสจากเซลลแสงอาทตยจะทาการชารจพลงงานเขาไปในตวเกบประจ

ซปเปอร พลงงานของตวเกบประจแบบซปเปอรจะไดรบเปน

𝐸 = 𝐶𝑉 (4.1)

แรงดนไฟฟาของตวเกบประจพเศษถกแปลงเปนแรงดนไฟฟาคงทเพอจายระบบโดยรวมโดยใชตว

แปลง DC / DC ระบบประกอบดวย MCU, เซนเซอรรบภาพ CMOS และโมดล XBee ระดบแรงดนไฟฟา

ของระบบคอ 3.3Volt อยางไรกตามตวแปลง DC / DC มแรงดนไฟฟาการทางานขนตา V_min ดงนน

พลงงานทใชงานของระบบจะไดรบจาก

35

𝐸 (𝑑) = 𝐶(𝑉 (𝑑) − 𝑉 ) (4.2)

ท 𝐸 (𝑑) คอทเกบพลงงานในซปเปอรตวเกบประจ 𝑑 คอวน 𝐶 เปนคาคงทของซปเปอรตว

เกบประจ หนวยใน Farad และ 𝑉 (𝑑) เปนแรงดนไฟฟาของซปเปอรตวเกบประจ

กอนเขาสเวลากลางคนพลงงานในสมการ ( .2) จะถกใชเปนเวลากลางคนทงหมดเพอสงภาพ JPEG

ไปยงโหนดเปาหมาย ในแตละชวงเวลาสง MCU จะตนขนจากโหมดสลปและดาเนนการขนตอนการบบอด

พลงงานทงหมดของการบบอด JPEG ตอการสงเวลา ซงสามารถแสดงเปนสมการไดดงน

𝐸 (𝑞) = 𝐸 + 𝐸 (𝑞) + 𝐸 (𝑞) + 𝐸 (4.3)

เมอ 𝐸 (𝑞) คอคาประมาณของพลงงานทใชในกระบวนการบบอดสญญาณในแตละคาบของการสง

ขอมล q คอคณาภาพองการบบอดภาพ JPEG มคาในชวง 1-99 𝐸 คอพลงงานของการสงภาพขอมล

ดบไปท MCU 𝐸 (𝑞) คอพลงงานทจาเปนสาหรบการบบอด JPEG และการสอสาร 𝐸 (𝑞)

คอพลงงานทจาเปนสาหรบโมดล XBee เพอสงขอมล JPEG ไปยงโนดเปาหมาย 𝐸 คอพลงงานทใช

สาหรบโหมดการหลบของ MCU

ดงนนพลงงานทงหมดของกระบวนการบบอดภาพ JPEG ตอนกลางคนสามารถแสดงไดดงน

𝐸 _ (𝑞) = 𝐸 (𝑞) ∗ (4.4)

เมอ 𝑇 คอชวงเวลาสงขอมล

พลงงานทเกบในซเปอรคาปาซเตอรในสมการ ( .2) จะถกใชสาหรบการบบอด JPEG อยางไรกตาม

ตวเกบประจซปเปอรมกระแสรวไหลภายในระหวางชนไดอเลกตรกและตวแปลง DC / DC ซงไมไดม

ประสทธภาพ 100% ดงนนพลงงานทเกบในซปเปอรคาปาซเตอรสาหรบการบบอด JPEG จงเปน:

𝐸 _ (𝑑) − 𝐸 _ ∗ 𝜂 = 𝐸 _ (𝑞) (4.5)

เมอ 𝐸 _ (𝑑) คอพลงงานทเกบในซเปอรคาปาซเตอร 𝐸 _ คอพลงงานท

กระแสรวไหลจากซเปอรคาปาซเตอร 𝜂 คอประสทธภาพของตวแปลง DC/DC

36

ในชวงเวลากลางวนเซลลส รยะจะสรางกระแสเฉลย 𝑖 (𝑑) ในชวงเวลากลางวน 𝑇

กระแสนจะถกใชสาหรบกระบวนการบบอดภาพ JPEG ในเวลากลางวนและขณะเดยวกนกทาการชารจไฟ

ใหกบซเปอรคาปาซเตอรเพอใชในตอนกลางคน คาเฉลยของพลงงานในเวลากลางวน 𝑇 คอ

𝐸 (𝑑) โดยทวไปแลวครงหนงของพลงงานจะถกใชในเวลากลางวนและอกครงจะถกใชในเวลา

กลางคน อยางไรกตามพลงงานทสะสมไวถกจากดดวย 𝑉 เพราะคาพลงงานสงสดทเกบไวไดจะเปนไป

ตาม 𝐸 _ = 𝐶𝑉

ถาคาเฉลยของพลงงานจากเซลลสรยะมคานอยกวา 2𝐸 _ นนคอพลงงานสามารถถก

แบงเปนสองสวนทเทาๆ กนสาหรบเวลากลางวนและเวลากลางคนซงแสดงไดดงน

𝐸 =𝐸

2

𝐸 =𝐸

2

แตถาคาเฉลยของพลงงานมากกวา 2𝐸 _ พลงงานสาหรบในเวลากลางวนจะเขยนไดดงน

𝐸 (𝑑) = 𝐸 (𝑑) − 𝐸 _ (4.6)

ในทกวนกอนเขาสเวลากลางคน MCU อานคาพลงงานทเกบไวในตวเกบประจพเศษและคานวณ

ปรมาณพลงงานจรง จากนน MCU คนหาคณภาพทเหมาะสม q เพอใหสมการ ( .5) เปนทพอใจ รปแบบ

ภาพไดรบผลกระทบโดยตรงกบขนาดภาพ JPEG หากรปแบบภาพธรรมดาเชนภาพทองฟาปลอดโปรง

ขนาดภาพ JPEG จะเลกลงเมอเทยบกบรปแบบภาพโดยละเอยดเชน ปา เนองจากทองฟาแจมใสจะทาใหคา

สมประสทธ AC ทงหมดเปนศนยผลลพธจะมขนาดเลกกวาของภาพ JPEG เพอจดการรปแบบภาพท

หลากหลายเราปรบคณภาพของการบบอด JPEG ในแตละชวงเวลาการสงเพอชดเชยชองวางระหวางรน

อางองและสภาพแวดลอมจรง

ผวจยจะตองตระหนกถงความสมดลของพลงงานจากเซลลแสงอาทตยทจะใชในเวลากลางวนและ

กลางคน ในฤดรอนพลงงานแสงอาทตยเฉลยจะสงมากจนสามารถรบพลงงานไดมากในเวลากลางวนใน

ตอนกลางคนอยางไรกตามพลงงานยงคงถก จากด โดยแรงดนไฟฟาของตวเกบประจซปเปอร ในฤดฝน

กระแสไฟฟาจากแสงอาทตยโดยเฉลยจะตาความสมดลของพลงงานระหวางกลางวนและกลางคนเปนสง

สาคญอยางยง กระแสโซลารตาอาจไมเพยงพอทจะชารจซเปอรคาปาซเตอรจาก 𝑉 ถง𝑉 แตจะ

หยดในบางคาระหวาง 𝑉 และ𝑉

37

4.4 ผลการทดสอบ

ในสวนนการใชงานของระบบทนาเสนอไดรบการดาเนนการโดยการเปลยนพารามเตอรของระบบ

ตาง ๆ สวนประกอบหลกประกอบดวยเซลลแสงอาทตยตวเกบประจซปเปอรตวแปลง DC / DC เซนเซอร

ภาพ CMOS โมดล MCU และ XBeeโมดลเซลลแสงอาทตยสามารถรองรบกระแสสงสดท 45mA พรอม

แรงดนไฟฟาสงสดท 3.5Volt กระแสจากเซลลแสงอาทตยไหลผานไดโอดไบแอสไปขางหนาจากนนเกบไว

ในซเปอรคาปาซเตอร แรงดนไฟฟาของตวเกบประจซปเปอรเพมขนในขณะทมกระแสไฟฟาจากเซลล

แสงอาทตยอย เมอแรงดนเกนแรงดนไฟฟาขนตาของตวแปลง DC / DC, แหลงจายไฟ 3.3Volt จะพรอมใช

งานสาหรบ MCU, เซนเซอรรบภาพ CMOS และโมดล XBee

ชปของโมดลเซนเซอรภาพ CMOS คอ C328 จาก COMedia โมดลนทางานท 3.3 โวลตและการใชใน

ปจจบนคอ ~ 60mA เมอโมดลนเขาสโหมดสลปการใชกระแสไฟ ~ 100uA การสนเปลองกระแสไฟยงคงสง

ดงนนเราจงใชทรานซสเตอรเปด / ปดโมดลแทนเนองจากไมจาเปนตองเกบขอมลสถานะใด ๆ กระแสรว

ของทรานซสเตอรนอยกวา 1uA เมอโมดลถกปด เซนเซอรรบภาพ CMOS สอสารกบ MCU ผานซเรยลท

baud 115200

MCU เป น ARM7TDMI จ าก ส า ร ก งต วน า NXP ห ม าย เล ข ช น ส ว น ค อ LPC2378 MCU น ม

หนวยความจาแฟลช 512KB สาหรบรหสผใชและ 64KB SRAM งานนใชหนวยความจาแฟลช ~ 10KB จาก

512KB วตถประสงคของ MCU คอการแปลงขอมลภาพ RGB444 ทมาจากเซนเซอรภาพ CMOS เปน

รปแบบ JPEG ทงภาพ RGB444raw และภาพ JPEG ถกเกบไวใน SRAM ของ MCU ในงานนขอมลภาพดบ

จะถกกาหนดไวท 60x80 พกเซลเพอใหขนาดขอมลภาพดบคงท 7200 ไบต

โมดลการสอสารไรสายเปนโมดล XBee จาก DIGI International หมายเลขชนสวนคอ XB24-Z7WII

การใชกระแสไฟอยท ~ 50mA ท 3.3 โวลตและอตราขอมลสงสดคอ 250Kbps พรอมกาลงขบ 1mW MCU

สอสารกบ XBee ผานอนเตอรเฟสแบบอนกรมทอตรา baud 115200 พรอมการควบคมการไหลของ

ฮารดแวร RTS / CTS มโมดล XBee เพยงสองโมดลเทานนทใช หนงโมดลสาหรบเครองสงสญญาณและอก

โมดลหนงสาหรบเครองรบ โปรดทราบวางานนไมไดมงเนนไปทผลกระทบการกาหนดเสนทางตอพลงงาน

และมการตรวจสอบการใชพลงงานของแตละโหนดเทานน

4.4.1 เซลลแสงอาทตย

โดยทวไปแลวพลงงานแสงอาทตยคาดวาจะสามารถใชงานไดทกวนอยางไรกตามปรมาณพลงงาน

และระยะเวลาทใชงานไดขนอยกบสถานทตดตงสถานททางานของเราอยในจงหวดนครราชสมาประเทศ

ไทยใกลกบเสนศนยสตร พลงงานแสงอาทตยสามารถคาดหวงไดในระยะเวลา 12 ชวโมง การจดเรยงของ

38

โมดลเซลลแสงอาทตยยงมผลตอพลงงานทสงออก การจดเรยงทดทสดคอตงฉากกบดวงอาทตยตอนเทยง

เราวดแรงดนไฟฟาตวเกบประจโดยตรงในไมกชวโมงดงแสดงในรปท .4 กระแสเฉลยของเซลล

แสงอาทตยคอ ~ 12mA และพลงงานโดยประมาณตอวนคอ 2275 J

รปท 4.4 กระแสชารจของเซลลแสงอาทตยสาหรบซเปอรตวเกบประจ 60F/2.7V.

4.4.2 ตวเกบประจแบบซปเปอรกระแสรวไหล

ตวเกบประจแบบซปเปอรมการวางแผนทจะใชเปนเวลา ~ 12 ชวโมงในเวลากลางคน พลงงานโดยประมาณ

ของตวเกบประจซปเปอรในงานนตองใชความจ 60F ดวยการใช 10F / 2.7V มนเปนเรองงายทจะเชอมตอตว

เกบประจแบบซปเปอรสองสามตวขนานกนเพอใหได 60F ในการวดกระแสรวไหลของตวเกบประจ

ซปเปอรตวเกบประจซปเปอรจะถกชารจจนกระทงถงแรงดนไฟฟา 2.7Volt จากนนแรงดนไฟฟาตกเกน 45

ชวโมง ผลลพธจะแสดงในรปท .5 กระแสการรวไหลโดยประมาณของตวเกบประจแบบซปเปอรแตละตว

~ 95uA

39

รปท 4.5 การลดลงของความตางศกยเมอเกดการรวของกระแส

4.4.3 ตวแปลง DC / DC

ในปจจบนตวเกบประจมคา capacitive เพมขนอยางไรกตามคาใชจายของตวเกบประจซปเปอรสงมาก

ถาแรงดนไฟฟาเพมขน สาหรบการตดตงแบบประหยดตนทนตวเกบประจซเปอรทมแรงดนไฟฟา 2.7 โวลต

ถกเลอก ตวแปลง DC / DC จะแปลงชวงแรงดนไฟฟาจากแรงดนไฟฟาขนตาไปเปนแรงดน 3.3 ของซเปอร

คาปาซเตอร ในงานนมการใชงานตวแปลง MAX1674 DC / DC เนองจากมกระแสไฟจายตามากท 16uA

และมประสทธภาพสงถง 94% โดยมแรงดนไฟฟาขนตา 1 โวลต

4.4.4 การใชพลงงานของ MCU

MCU ถกตงโปรแกรมใหปลกทกชวงเวลาการสง RTC อนเตอรรปตถกตงคาใหปลก MCU จาก

โหมดสลป เมอ MCU เปน Wakeup มนจะตงคาอปกรณตอพวงทจาเปนสาหรบการสอสารและกระบวนการ

บบอด ในชวงแรกของการสอสาร MCU กบเซนเซอรรบภาพ CMOS ผานการสอสารแบบอนกรมท baud

40

115200 เฟสลอคลปจะตาทสดเพอใหการสอสารยงคงทางานไดอยางถกตอง หลงจาก MCU ไดรบ

ขอมลภาพดบทงหมดแลวมนจะปดเซนเซอรภาพ CMOS

ขนตอนตอไปคอกระบวนการบบอด JPEG จากผลการทดลองพบวาหากเราบบอดภาพ JPEG ทม

ความถสงกวา (PLL) กจะใชพลงงานนอยกวาความถ PLL ทลดลง ผลลพธของการบบอดภาพ JPEG ทม

PLL แตกตางกนแสดงในรปท . ในตารางท . แสดงการใชพลงงานทมความถ PLL ทแตกตางกน PLL

ถกตงคาเปนคาสงสดทรองรบโดย MCU เพอลดพลงงานการบบอดดวยคณภาพทแตกตางกน การบบอด

JPEG, MCU จะใชเวลาในการประมวลผลทแตกตางกน ผลลพธของเวลาการบบอดทมคณภาพแตกตางกน

แสดงในรปท . นอกจากนยงแสดงการใชพลงงานของ MCU ทมคณภาพแตกตางกนในรปท .

ในรปท . ภาพดบไปยง SRAM ของ MCU ไดรบการจดวางและมการทดสอบคณภาพทแตกตาง

กนเพอใหไดแบบจาลองคณภาพโดยประมาณและขนาดขอมล JPEG นเปนเพราะขนาดขอมลทแตกตางกน

ของภาพ JPEG จะสงผลใหการใชพลงงานทแตกตางกนทงในโมดล MCU และ XBee

ในเฟสสดทาย MCU จะตงความถ PLL ใหตาทสดเพอใหการสอสารแบบอนกรมสามารถทางานไดอยาง

ถกตองกบโมดล XBeee MCU ทางานบนโมดล XBee และสงภาพ JPEG ไปยงโหนดเปาหมาย เวลาของ

MCU และ XBee ในการสงขอมลขนอยกบขนาดภาพ JPEG

ตารางท . การใชพลงงานของ MCU สาหรบการบบอด JPEG ดวยความถทตางกน

PLL

frequency Quality

Processing Time

(msec)

Energy

(mJ)

12 MHz 75 184.0 13.680

24 MHz 75 92.0 10.685

36 MHz 75 64.0 9.486

48 MHz 75 46.0 8.990

60 MHz 75 37.2 8.731

72 MHz 75 30.8 8.529

41

รปท 4.6 การใชกระแสของ MCU สาหรบการบบอดภาพ JPEG ดวยความถนาฬกาทตางกน

รปท 4.7 การใชกระแสของ CMOS ทความละเอยด 80x60 pixel และ 12 bit RGB.

42

รปท 4.8 การใชกระแสของ MCU สาหรบการบบอดภาพ JPEG ทคณภาพตางๆกน

รปท 4.9 การใชพลงงานของ MCU สาหรบการบบอดภาพ JPEG ทคณภาพตางๆกน

43

รปท 4.10 ความสมพนธระหวางขนาดของภาพ JPEG และคณภาพของการบบอด

4.4.5 การใชพลงงานของ CMOS

เซนเซอรภาพ CMOS จะเปดใชงานเมอ MCU ตองการรบขอมลภาพดบ ปรมาณการใชกระแสของ

เซนเซอรแสดงในรปท . ทความละเอยดของภาพ x พกเซลและอตราสงขอมลท พลงงาน

เฉลยของเซนเซอรภาพ CMOS คอ ~ 194mJ

4.4.6 การใชพลงงานของโมดล XBee

หลงจาก MCU บบอด JPEG เสรจแลวจะเปดโมดล XBee เพอสงภาพไปยงโหนดเปาหมาย จากนน

MCU จะส งก ารรองขอเพ อส ง (RTS) ไป ยงโมด ล XBee และรอสญ ญ าณ clear to send (CTS) จาก

XBeemodule กอนสง ในระหวางการสงขอมลไบตผาน UART MCU จาเปนตองตรวจสอบ CTS pin บน

โมดล XBee อยางตอเนอง หากถงขนาดของบฟเฟอรการสง XBee ในบางจดเชน % ของบฟเฟอรเตม

44

บฟเฟอร CTS จะถกยกเลกเพอแจงให MCU หยดการสงขอมลชวขณะหนงจนกวาจะสงบฟเฟอรของ

XBeebecome ตาอกครง

ระหวางการสงกระแสไฟทใชอยในปจจบนคอ ~ 10mA โดยมชวงเวลาสน ๆ ในการใชกระแสไฟ

สงสดท ~ 35mA รปท . แสดงปรมาณการใชปจจบนของโมดล XBee ทมขนาดขอมลตางกน เวลาทสง

ของโมดล XBee นนขนอยกบแพคเกตการตอบรบของโหนดเปาหมายทไมรวมอยในการวเคราะหของเรา

บทความนใชเครองสงสญญาณและตวรบสญญาณ XBee แบบธรรมดาโดยไมมการกาหนดเสนทางหรอรบร

ถงผลการหนวงเวลา ในเครอขายมลตฮอปการเพมเวลาหนวงของแพกเกตตอบรบจะเพมเวลาในการสงและ

พลงงานในการสงโหนด รปท . แสดงการใชพลงงานของโมดล XBee ทมขนาดขอมลการสงตางกน

ตามทคาดไวผลลพธแสดงใหเหนวาการใชพลงงานเกอบเปนฟงกชนเชงเสนตรงของขนาดขอมล

4.4.7 การใชพลงงานทงหมด

รปท .13 แสดงการใชพลงงานโดยรวมของโหนดเซนเซอรดวยพารามเตอรเหลาน: ความละเอยดของ

ภาพดบคอ 60x80 พกเซลคณภาพ JPEG คอ 75 และขนาดขอมล JPEG คอ ~ 2Kbytes

การดาเนนการทงหมดในรปท .13 ประกอบดวย 3 ขนตอน: a) MCU ปลกตวเองดวยความถ MCU PLL ตา

และรบภาพดบจากกลองภาพ CMOS, b) กระบวนการบบอด JPEG บน MCU เรมตนและ c) MCU สง

ขอมลภาพ JPEG ไปท โหนดเปาหมายทมความถ MCU PLL ตา

4.4.8 การเปรยบเทยบการใชพลงงาน

ผลการทดลองการใชพลงงานทงหมดนนใชสาหรบการสรางแบบจาลองอางองสาหรบ MCU เพอ

ปรบคณภาพของภาพทจบคกบพลงงานแสงอาทตยรายวน ในสวนนเราจะแสดงผลลพธของระบบทมสาม

รปแบบทแตกตางกน 1) สงภาพดบโดยไมตองบบอด 2) สงภาพ JPEG โดยใชขอมลจากแบบจาลองอางอง

การทดลองและ 3) สงภาพ JPEG โดยใชขอมลจากแบบจาลองการอางองการทดสอบและปรบคณภาพในแต

ละครงทสง ผลลพธของสามรปแบบมอยในรปท .14

ในการทดลองระยะเวลาการสงคอ 15 นาทและตรวจสอบแรงดนไฟฟาของตวเกบประจซปเปอร

หลงจากรอบการชารจเตมเสนสแดงแสดงผลลพธของการสงขอมลดบ แรงดนไฟฟาของตวเกบประจ

ซปเปอรลดลงแบบไมเชงเสนเนองจากพฤตกรรมไมเปนเชงเสนของตวเกบประจและตวแปลง DC / DC ใน

การสงรปแบบขอมลภาพดบระบบสามารถทางานได ~ 340 นาทหลงจากระบบดงกลาวยงคงใชงานปจจบน

45

แตไมสามารถทางานไดอยางถกตอง เสนแนวตงสแดงขนาดเลกแสดงจดหยดการทางานชดรปแบบน

ลมเหลวในการบรรลเปาหมายเวลา 12 ชวโมง เสนสนาเงนแสดงการทางานของระบบพรอมกบแบบจาลอง

การอางอง เราเหนเวลาการทางานทนานขน แตยงไมสามารถทางานไดนานถง 12 ชวโมงเนองจากพฤตกรรม

ไมเปนเชงเสนของตวแปลง DC / DC และตวเกบประจซปเปอร เสนสเหลองสดทายเปนผลมาจากการใช

แบบจาลองผอางองและการปรบคณภาพในแตละชวงเวลาการสงระบบสามารถรบการทางานไดตลอดเวลา

รปท 4.11 การใชกระแสของโมดล XBee สาหรบการสงขอมลทขนาดตางๆ กน รปบน 1 byte รปกลาง 500

bytes และรปลาง 1000 bytes.

46

รปท 4.12 การใชพลงงานของโมดล XBee

รปท 4.13 การใชพลงงานทงหมดของโนดรบรภาพ

47

รปท 4.14 สมรรถนะของระบบเมอสงขอมลภาพเปรบเทยบกบพลงงานจากแบบจาลอง


โนดรบรภาพแบบไรสายขนอยกบแบตเตอรมขอ จากด เกยวกบเวลาทางานเนองจากตองใชพลงงาน

สงสาหรบเซนเซอรภาพ / วดโอและ MCU / FPGA แทน งานวจยนเสนอแหลงพลงงานจากพลงงาน

แสงอาทตยในตวรวมซเปอรคาปาซเตอร รกษาการดาเนนงานตลอดมนสามารถแกปญหาทางเลอกสาหรบ

โหนดเซนเซอรภาพ / วดโอไรสายทตองการพลงงานมากกวาโหนดเซนเซอรไรสายทวไปเพอใหเกดการ

ปรบใชตนทนตาการพจารณาใช MCU เปนตวเลอกทดทสด งานวจยไดรบการยนยนการดาเนนงาน

ตลอดเวลาโดยการใชโหนดเซนเซอรภาพ JPEG ตามการใชพลงงานแสงอาทตยและแพลตฟอรมตวเกบ

ประจซปเปอร จากนนแนวคดพลงงานของเครอขายเซนเซอรสามารถเปลยนจาก "ลดการใชพลงงานสาหรบ

อายการใชงานทยาวนาน" เปน "เพมการใชพลงงานสงสดสาหรบพลงงานทม" งานวจยนไดพสจนแนวคดน

โดยการปรบคณภาพของภาพ JPEG เพอใหการใชพลงงานสอดคลองกบพลงงานแสงอาทตยรายวน

48

บทท 5 สรปและขอเสนอแนะ

5.1 สรป







ชวยเหลอ เครอขายรบรไรสายทใชจบภาพและสงตอในเครอขายเรยกวา เครอขายรบรภาพไรสาย (Wireless

Image Sensor Network : WISN) เปนเครอขายรบรอกประเภทหนงทกาลงไดรบความนยมมากขนเพราะ

สามารถนาเทคโนโลยนมาประยกตใชไดหลายหลากมากขน เชน การเฝาระวงการวางระเบดตามจดเสยง

ตางๆ โดยโนดแตละโนดจะบนทกภาพ และสงตอเมอมความผดปกตขน โครงการวจยนจงไดนาเสนอ

แนวทางทจะสรางโนดรบรภาพไรสายอยางมประสทธภาพเพอเพมศกยภาพของการประยกตใชเทคโนโลย

นใหดยงขน ปญหาหนงทโครงการวจยนสนใจคอการใชพลงงานของโนดรบรภาพไรสายทมากกวาเมอไม

สงภาพ ผลทเกดขนคอพลงงานในแบตเตอรหมดลงอยางรวดเรวไมสามารถใชงานไดทงวน แนวทางการ

แกปญหาหนงคอใชแหลงพลงงานทมไมจากดเพอปอนใหกบโนดเหลาน แตหากใชไฟฟาจากการไฟฟากจะ

มขดจากดเรองการตดตงทตองอยในรศมทสายไฟฟาไปถงและไมครอบคลมพนทไกลๆ จงเหลอแตแหลง

พลงงานแสงอาทตยทสามารถแกปญหาได อยางไรกตามพลงงานแสงอาทตยมขดจากดทสามารถใชงานได

ในชวงเวลากลางวนเทานน ดงนนโครงการวจยนจงทาการศกษาเพอหาความสมพนธทเหมาะสมระหวาง

การใชพลงงานของแสงอาทตยกบการตรวจจบภาพ แปลงภาพ และสงภาพไปยงโนดอนๆ โดยม

วตถประสงคทจะพฒนาตนแบบโนดรบรภาพไรสายทใชพลงงานแสงอาทตยอยางตลอดชพ ซงหมายความ

วาโนดนจะตงอยทมแสงอาทตยและจะทางานไดทกวนโดยทไมมวนหมดพลงงานซงสามารถสงภาพในทง

กลางวนและกลางคน ทงนไมรวมความเสอมของแบตเตอรและวนทไมมแสงอาทตยทนอกเหนอจากการ

ควบคมในโครงการวจย ผลจากโครงการวจยนแสดงใหเหนตนแบบโนดรบรภาพทสามารถใชพลงงาน

แสงอาทตยในการสงภาพไดตลอดทงวน และตอเนองในทกๆ วน

49

โนดรบรภาพแบบไรสายขนอยกบแบตเตอรมขอ จากด เกยวกบเวลาทางานเนองจากตองใชพลงงาน

สงสาหรบเซนเซอรภาพ / วดโอและ MCU / FPGA แทน งานวจยนเสนอแหลงพลงงานจากพลงงาน

แสงอาทตยในตวรวมซเปอรคาปาซเตอร รกษาการดาเนนงานตลอดมนสามารถแกปญหาทางเลอกสาหรบ

โหนดเซนเซอรภาพ / วดโอไรสายทตองการพลงงานมากกวาโหนดเซนเซอรไรสายทวไปเพอใหเกดการ

ปรบใชตนทนตาการพจารณาใช MCU เปนตวเลอกทดทสด งานวจยไดรบการยนยนการดาเนนงาน

ตลอดเวลาโดยการใชโหนดเซนเซอรภาพ JPEG ตามการใชพลงงานแสงอาทตยและแพลตฟอรมตวเกบ

ประจซปเปอร จากนนแนวคดพลงงานของเครอขายเซนเซอรสามารถเปลยนจาก "ลดการใชพลงงานสาหรบ

อายการใชงานทยาวนาน" เปน "เพมการใชพลงงานสงสดสาหรบพลงงานทม" งานวจยนไดพสจนแนวคดน

โดยการปรบคณภาพของภาพ JPEG เพอใหการใชพลงงานสอดคลองกบพลงงานแสงอาทตยรายวน

5.2 ปญหาขอเสนอแนะ

สาหรบงานวจยนไดใชอปกรณ MCU ทหาไดจากทองตลาดทมลกษณะไมเหมอนกนในแตละแบบ

ดงนนในการใชงานจงตองทาการวดคาการใชกระแสของอปกรณแตละตวเพอใหสามารถคานวณไดแมนยา

ขน ซงหากมการปลยนอปกรณไปใชในรนอนๆ กจาเปนตองนามาวดคาใหม และปอนในสมการใหมอก

รอบเพอใหไดคาทดทสดตอไป

5.3 แนวทางการพฒนาในอนาคต

ระบบทใชสามารถเพมประสทธภาพไดมากขนหากใชตวเกบประจทมคณภาพดมากยงขน และการใช

MCU ทประหยดพลงงานกวานยอมทาใหสามารถสงภาพดวยคณภาพทดขน

50

บรรณานกรม

[1] Farhan I. Simjee and Pai H. Chou, “Efficient Charging of Super Capacitors for Extended Lifetime

of Wireless Sensor Nodes” , IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 23 , no. 3 , May, 200 8, pp.

1526-1536.

[2] MS Pawar, JA Manore, and MM Kuber, “ Life Time Prediction of Battery Operated Node for

Energy Efficient WSN Applications” , International Journal of Computer Science and

Technology, vol. 2, no. 4, Oct.-Dec., 2011, pp. 491-495.

[3] Mauricio Casares and Senem Velipasalar, “ Adaptive Methodologies for energy-Efficient Object

Detection and Tracking with battery-powered Embedded Smart Camera” , IEEE Trans. On

Circuits and Systems for video technology, vol. 21, no. 10, Oct, 2011, pp. 1438-1452.

[4] Leonardo Gasparini and Massimo Gottardi, “ An Ultralow-Power Wireless Camera Node:

Development and Performance Analysis” , IEEE Trans. On Instrumentation and Measurement,

vol. 60, no. 12, Dec., 2011, pp. 3824-3832.

[5] Syed Mahfuzul and Duc Minh Pham, “ Energy Efficient Image Transmission in Wireless

multimedia Sensor Networks” , IEEE Communications Letters, vol. 1 7 , no. 6 , June, 2 0 1 3 , pp.

1084-1087.

[6] Muhammad Imran, Khursheed Khursheed, Najeem Lawal, Mattias O’ Nils and Naeem Ahmad,

“ Implementation of Wireless Vision Sensor Node for Characterization of Particles in Fluids” ,

IEEE Trans. On Circuits and Systems for Video Technology, vol. 2 2 , no. 1 1 , Nov, 2 0 1 2 , pp.

1634-1643.

[7] Imran, M., Ahmad N., Khursheed K., Waheed M.A., Lawal N. and O'Nils M., “ Implementation

of Wireless Vision Sensor Node With a Lightweight Bi-Level Video Coding” , IEEE Journal on

Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems, vol. 3, no. 2, 2013, pp. 198 - 209.

[8] Alippi C., Camplani R., Galperti C. and Roveri M., A Robust, “Adaptive, Solar-Powered WSN

Framework for Aquatic Environmental Monitoring”, IEEE Sensors Journal, vol. 11, no. 1, 2011,

pp. 45 – 55.

[9] Clemens Moser, Davide Brunelli, Lothar Thiele and Luca Benini, “ Real-time scheduling for

energy harvesting sensor nodes”, jul., 2007, pp. 233-260.

51

[10] Yibin Li, Zhiping Jia, Shuai Xie and Fucai Liu, “ Dynamically Reconfigurable Hardware With a

Novel Scheduling Strategy in Energy-Harvesting Sensor Network” , IEEE Sensors Journal, vol.

13, no. 5, May, 2013, pp. 2032-2038.

[11] Davide Brunelli, Clemens Moser, Lothar Thiele and Luca Benini, “Design of a Solar-Harvesting

Circuit for Batteryless Embedd Systems”, IEEE Trans. On Circuits and Systems, vol.56, no.11,

nov., 2009.

[12] Denis Dondi, Alessandro Bertacchini, Davide Brunelli, Luca Larcher and Luca Benini,

“ Modeling and Optimization of a Solar Energy Harvester System for Self-Powered Wireless

Sensor Networks”, IEEE Trans. On Industrial Electronics, vol. 55, no.7, July, 2008, pp. 2759-

2766.

[13] Ko Ko Win, Xinhui Wu, Souvik Dasgupta, Wong Jun Wen, Rajesh Kumar and Panda S. K. , “

Efficient Solar Energy Harvester for Wireless Sensor Nodes” , IEEE International Conference on

Communication Systems (ICCS), 2010, pp. 289-294.

[14] Peter Gyorke and Bela Pataki, “ Application of energy-harvesting in wireless sensor networks

using predictive scheduling” , IEEE International Instrumentation and Measurement Technology

Conference (I2MTC), 2012, pp. 582-587.

[15] Cesare Alippi, Romolo Camplani, Cristian Galperti and Manuel Roveri, “ A Robust, Adaptive,

Solar-Powered WSN Framework for Aquatic Environmental Monitoring”, IEEE Sensors Journal,

vol.11, no.1, Jan, 2011, pp. 45-54.

[16] Naveen, K.V. and Manjunath, S.S., A reliable ultracapacitor based solar energy harvesting system

for Wireless Sensor Network Enabled Intelligent Buildings, 2 nd International Conference on

Intelligent Agent and Multi-Agent Systems (IAMA), 2011, 20-25.

52

ภาคผนวก

53

ภาคผนวก ก

การเผยแพรผลงานวจย

บทความวจยทไดรบการตพมพเผยแพรในงานประชมวชาการนานาชาต

Duangmanee, P. ; Uthansakul, P. Clock-Frequency Switching Technique for Energy Saving of

Microcontroller Unit (MCU)-Based Sensor Node. Energies 2018, 11, 1194.

54

ภาคผนวก ข

บทความวจยทไดรบการตพมพ

68

ประวตผวจย

รองศาสตราจารย ดร. พระพงษ อฑารสกล สาเรจการศกษาหลกสตรวศวกรรมศาสตรบณฑต และ

วศวกรรมศาสตรมหาบณฑตจากจฬาลงกรณมหาวทยาลย เมอ พ.ศ. 2539 และ 2541 จากนนเขาทางานใน

ตาแหนงวศวกรระบบโทรคมนาคมทองคการโทรศพทแหงประเทศไทย จนกระทง พ.ศ. 2543 จงไดยายมา

เปนอาจารยประจาสาขาวชาวศวกรรมโทรคมนาคม สานกวชาวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสร

นาร และไดลาศกษาตอระดบปรญญาเอกตงแตป พ.ศ. 2546 ณ University of Queensland, Australia เมอ

พ.ศ. 2549 จงไดกลบเขามาปฏบตหนาทอาจารยตามเดม ผวจยมเชยวชาญในดานระบบ MIMO, Information

Theory, Signal Processing, Radio Wave Modelling, Mobile Communication, Advance Wireless

Communication ปจจบนมบทความวจยตพมพเผยแพรในวารสารวชาการระดบนานาชาต บทความ ใน

วารสารวชาการระดบชาต บทความ ในการประชมวชาการระดบนานาชาต บทความ หนงสอวชาการ

ในประเทศ เลมและตางประเทศ 1 เลม มลขสทธ 1 รายการและ สทธบตร รายการ

รองศาสตราจารย ดร. พระพงษ อฑารสกล ไดรบรางวล Young Scientist Travel Grant Award จาก

งานประชมวชาการนานาชาต International Symposium on Antenna Propagation ป พ.ศ. 2547 ณ ประเทศ

ญป น และไดรบรางวล Best Student Presentation Award จากงานประชมวชาการนานาชาต Australian

Symposium on Antanna ป พ.ศ. 2548 ณ ประเทศออสเตรเลย ในป พ.ศ. รองศาสตราจารย ดร.

พระพงษ อฑารสกล ไดรบรางวลพนกงานดเดน ดานการวจย สาหรบนกวจยรนใหม จากมหาวทยาลย

เทคโนโลยสรนาร และในป พ.ศ. บทความทเปนผประพนธหลกเรอง Low-profile beamforming

MIMO systems for wireless communicationsไดรบรางวลประกาศนยบตร ผนาเสนอผลงานวจยดมากแบบ

โปสเตอร ในงานการประชมสดยอดมหาวทยาลยวจยแหงชาต ครงท (The Second Thailand National

Research Universities Summit : NRU SUMMIT II) วนท - พฤษภาคม ณ ศนยการประชมแหงชาต

สรกต กรงเทพฯ

รายงานการวิจัย...

Documents

Transcript of รายงานการวิจัย...