ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร คณะวิศวกรรมศาสตร์ ก าแพงแสน

การพัฒนาระบบควบคุมอุณหภูมิ และความชื้นสัมพัทธ์ในโรงเรือน เพื่อการปลูกผักสวนครัว

Development of a temperature and relative humidity a control system for vegetable plantation in greenhouses.

มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตก าแพงแสน

DEPARTMENT OF AGRICULTURAL ENGINEERING FACULTY OF ENGINEERING AT KAMPHAENGSAEN

KASETSART UNIVERSITY KAMPHAENGSAEN CAMPUS NAKHON PATHOM 73140 THAILAND

2

รายงาน

วิชา 02201499 โครงงานวิศวกรรมเกษตร

การพัฒนาระบบควบคุมอุณหภูมิ และความชื้นสัมพัทธ์ในโรงเรือน

เพื่อการปลูกผักสวนครัว

Development of a temperature and relative humidity

a control system for vegetable plantation in greenhouses.

โดย

นายสมนึก ฉมิเรือง รหัสประจ าตัวนิสิต 5620551181

นายตันติกร จันโท รหัสประจ าตัวนิสิต 5620552136

ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร

คณะวิศวกรรมศาสตร์ ก าแพงแสน

มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขต ก าแพงแสน

ปีการศึกษา 2559

3

บทคัดย่อ

นิสิตด ำเนินโครงงำน: นำยสมนึก ฉิมเรือง และนำยตันติกร จันโท พ.ศ.2559

ชื่อโครงงำน: กำรพัฒนำระบบควบคุมอุณหภูมิ และควำมชื้นสัมพัทธ์ในโรงเรือนเพ่ือกำรปลูกผักสวนครัว

Development of a temperature and relative humidity a control system for

vegetable plantation in greenhouses.

อำจำรย์ที่ปรึกษำโครงงำน: ผศ.ดร.วัชรพล ชยประเสริฐ

หน่วยงำน: ภำควิชำวิศวกรรมเกษตร คณะวิศวกรรมศำสตร์ ก ำแพงแสน มหำวิทยำลัยเกษตรศำสตร์

วิทยำเขตก ำแพงแสน

โครงงำนวิศวกรรมเกษตรนี้เป็นกำรพัฒนำระบบควบคุณอุณหภูมิ และควำมชื้นสัมพัทธ์ภำยใน

โรงเรือนซึ่งระบบควบคุมสำมำรถรับค่ำอุณหภูมิ และควำมชื้นสัมพัทธ์เพื่อค ำนวณหำค่ำคุณสมบัติของ

อำกำศ ได้แก่ Dew point temperature, Enthalpy, Humidity Ratio, Specific Volume และ Wet

Bulb temperature เพ่ือใช้ในกำรประเมินประสิทธิภำพของระบบควบคุม

(ผศ.ดร.วัชรพล ชยประเสริฐ)

อำจำรย์ที่ปรึกษำโครงงำน

ก

สารบัญ

หน้า

สารบัญ ก

สารบัญ (ต่อ) ข

สารบัญ (ต่อ) ค

สารบัญภาพ ง

สารบัญภาพ (ต่อ) จ

บทที่ 1 บทน า

1.1 ค าน า 1

1.2 วัตถุประสงค์ 1

1.3 ขอบเขตของการวิจัย 2

1.4 ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับ 2

บทที่ 2 การตรวจเอกสาร

2.1 โปรแกรม LabVIEW 3

2.2 บอร์ดคอนโทลเลอร์และเซ็นเซอร์ 4

2.3 คุณสมบัติของอากาศ 6

2.4 งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง 7

บทที่ 3 อุปกรณ์และวิธีการ

3.1อุปกรณ์ท่ีใช้ในการทดลอง 9

ข

สารบัญ

3.2 วิธีการทดลอง

3.2.1 การเขียนโปรแกรมเพ่ือควบคุมการเปิด-ปิดของหลอด LED 10

3.2.2 เขียนโปรแกรมชุดควบคุมเพ่ืออ่านค่าอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ 10

3.2.3 ค านวณคุณสมบัติของอากาศ 16

3.2.4 ท าการเขียนโปรแกรม LabVIEW ในหน้าต่างของ block diagram 19

3.3 วิธีการทดสอบ

3.3.1 ต่อวงจรของเซ็นเซอร์เข้ากับบอร์ด 20

3.3.2 ต่ออุปกรณ์เข้ากับคอมพิวเตอร์ 21

3.3.3 หน้าต่าง VISA Configure Serial Port 21

3.3.4 การ run ระบบ 22

3.3.5 เลือกหน้าต่าง front panel เพ่ือก าหนด VISA resource name 22

3.3.6 การ run โปรแกรมโดยกดปุ่มลูกศรในวงกลม 23

3.3.7 เปรียบเทียบค่าท่ีค านวณได้จากโปรแกรมกับ psychrometric chart 24

บทที่ 4 ผลการทดลองและวิจารณ์

4.1 ผลการทดลอง 25

4.2 วิจารณ์ผลการทดลอง 25

ค

สารบัญ

บทที่ 5 สรุป

สรุป 26

เอกสารอ้างอิง 27

ภาคผนวก 28

-psychrometric chart 29

ง

สารบัญภาพ

ภาพที่ หน้า

3.1.1 Arduino UNO R3 9

3.1.2 sensor SHT15 10

3.2.1 โปรแกรม LabVIEW ส าหรับเปิด ปิด หลอด LED 10

3.2.2 การเสียบ USB ของบอร์ด เข้ากับคอมพิวเตอร์ 14

3.2.3 ขั้นตอนการเลือก port ใน Arduino IDE 14

3.2.4 การ upload library ลง Arduino UNO R3 14

3.2.5 แสดงขั้นตอนขณะท าการ upload library ลงบอร์ด 15

3.2.6 แสดงการท างานเมื่อ upload library เสร็จ 15

3.2.7 รูปแบบของโปรแกรมใน block diagram เพ่ือรับค่าอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ 15

3.2.8 ขั้นตอนการเรียกใช้ function Formula 18

3.2.9 การใช้ function Formula 18

3.2.10 block diagram แสดงการค านวณคุณสมบัติอากาศ 19

3.2.11 front panel โปรแกรมรับค่า และค านวณค่า 19

3.3.1 แสดงการต่อวงจรเซ็นเซอร์ เข้ากับ บอร์ด 20

3.3.2 การต่อวงจรของ SHT15 เข้ากับ Arduino Uno R3 20

3.3.3 การตั้งค่า VISA SERIAL 21

3.3.4 การก าหนด serial ใน block diagram 22

3.3.5 run ระบบเพ่ือให้สามารถรับค่า 22

จ

สารบัญภาพ

ภาพที่ หน้า

3.3.6 ก าหนด port ใน front panel 23

3.3.7 แสดง output ต่าง ๆที่ได้ก าหนดไว้ 23

3.3.8 แสดงค่าต่าง ๆที่รับและค านวณได้ 24

1

บทที่ 1

บทน ำ

1.1 ค ำน ำ

การท าระบบควบคุมอุณหภูมิและความชื้นนั้น เป็นส่วนหนึ่งที่ช่วยให้ประหยัดเวลาในการดูแล

รักษาพืช ผักในโรงเรือนได้ โดยอาศัยการเขียนโปรแกรมควบคุมบอร์ดคอนโทลเลอร์ เพ่ือสั่งให้ปั๊มน้ า หัว

จ่ายน้ า รวมทั้งพัดลม ท างานได้อย่างอัตโนมัติ โดยใช้ sensor ในการวัดค่าอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์

เพ่ือรักษาความเหมาะสมของอุณหภูมิและความชื้นให้เหมาะกับพืชชนิดนั้น ๆ

ในปัจจุบันการใช้ระบบควบคุมมีกันอย่างแพร่หลาย ซึ่งจะถูกปรับให้เหมาะกับความต้องการการ

ปลูกพืชของเจ้าของ เช่น การท าระบบคุมเพ่ือปลูกกล้วยไม้ ระบบควบคุมส าหรับการเพาะเห็ด เป็นต้น

ส่วนใหญ่การท าระบบควบคุมที่ยกตัวอย่างจะไม่มีการใช้ Psychometrics chart เข้ามาช่วยในการหา

ความเหมาะสมของอุณหภูมิและความชื้น ดังนั้นการพัฒนาระบบควบคุมอุณหภูมิและความชื้น โดยใช้

Psychometrics Chart เข้ามาช่วย เพื่อให้มีความแม่นย าและท าให้อุณหภูมิและความชื้น

1.2 วัตถุประสงค์

วัตถุประสงค์หลักคือ พัฒนาระบบควบคุมอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ในโรงเรือนเพ่ือการปลูก

ผักสวนครัว โดยใช้ psychometrics chart เข้ามาช่วยในการประเมินประสิทธิภาพเพ่ือหาความเหมาะสม

โดยมีวัตถุประสงค์ย่อย ดังนี้

1. สามารถรับค่าอุณหภูมิ และความชื้นสัมพัทธ์ แล้วบันทึกข้อมูลได้

2. สามารถค านวณคุณสมบัติของอากาศได้โดยใช้อุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์มาค านวณ

1.3 ขอบเขตของกำรวิจัย

1. เขียนโปรแกรม LabVIEW เพ่ือรับค่าอุณหภูมิและความชื้น

2. ค านวณคุณสมบัติอากาศจาก psychrometric equation.

2 1.4 ประโยชน์ทีจ่ะได้รับ

1. ระบบควบคุมรับค่าอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ แล้วสามารถปรับสภาพอากาศภายใน

โรงเรือนให้เหมาะสมกับพืช ผักชนิดนั้น

2. ประเมินประสิทธิภาพของชุดควบคุมโดยใช้การคุณสมบัติอากาศจาก psychrometric

equation.

3. พืช ผัก มีสภาพแวดล้อมทีเหมาะสมส าหรับการเจริญเติบโต

3

บทที่ 2

ตรวจเอกสำร

2.1 โปรแกรม LabVIEW

LabVIEW เป็นโปรแกรมท่ีใช้ติดต่อสื่อสารกับเครื่องมือต่างๆที่อยู่ภายนอกผ่านบอร์ด Data

Acquisition ใช้งานเป็น monitoring หรือในการควบคุมการวัดค่าต่างๆ เช่น strain อุณหภูมิ หรือ

สัญญานอื่นๆ โดยมีตัวเซนเซอร์รับสัญญานเข้ามา โดยเอาต์พุตที่ได้จากเซนเซอร์เหล่านี้จะมีค่าเป็นแรงดัน

หรือกระแสซึ่ง LabVIEW สามารถอ่านค่าที่ผ่านเข้ามาทางDAQ Card แล้วบันทึกค่าเป็นไฟล์ข้อมูลได้

ดังนั้นการน า LabVIEWไปใช้จะต้องพิจารณาถึงวัตถุประสงค์และ application ที่จะใช้ก่อนว่ามี input

เป็นอะไร และต้องการ outputอะไร จากนั้นจึงท าการเลือก hardware ให้ตรงตามต้องการ - การใช้งาน

LabVIEW ผู้ใช้ควรมีพื้นฐานด้านการเขียนโปรแกรมพอสมควร เนื่องจากการติดต่อสื่อสารระหว่าง

โปรแกรมกับเครื่องมือต่างๆ ที่อยู่ภายนอกนัน้ ผู้ใช้ต้องเขียนโปรแกรมค าสั่งการท างานเพ่ือเรียกข้อมูลการ

วัดแล้วน ามา process ให้เป็น monitoring หรือการเขียนค าสั่งเพ่ือการควบคุมระบบเช่น ให้โปรแกรม

สามารถตรวจสอบค่า Strain ที่อ่านได้ว่าถ้ามีค่าไม่เกินกว่าที่ก าหนดแล้วจึงค่อยส่งค าสั่งไปควบคุมให้

อุปกรณ์อ่ืนๆ ท างานต่อได้ เป็นต้น

- โปรแกรม LabVIEW มีองค์ประกอบส าคัญ3 ส่วน คือ

1. Front panel เป็นส่วนตั้งค่าการวัดและอ่านค่าตัวเลขหรือกราฟที่ออกมาจากblock diagram

จึงท าหน้าที่เสมือนเครื่องมือวัดจริงโดย inputที่ป้อนเข้าไปจะเป็นตัวควบคุม ส่วน output ที่ออกมาจะ

เป็นตัวแสดงผล

2. Block diagram ท าหน้าที่เสมือนเป็น Source code โดยใช้โปรแกรมภาษากราฟฟิก

องค์ประกอบของ block diagram นี้จะแทนโปรแกรม Node เช่น for loop, case structure และ

ฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์ เป็นต้น

3. Icon/Connector ภายใน Front panel จะประกอบด้วย icon ต่างๆและมีสายเชื่อมต่อถุงกัน

ในแต่ละicon ซึ่งเมื่อเชื่อมต่อกันแล้ว จะสามารถเปลี่ยน Virtual instrument (VI) นี้ให้เป็น Sub VI หรือ

Objectที่น ากลับมาใช้ใน block diagram ได้อีก

4 ความสามารถของโปรแกรม LabVIEW เนื่องจากบริษัทNational Instrument(NI) ซึ่งเปน็

ผู้พัฒนาโปรแกรม LabVIEWมี Product ในการพัฒนาอยู่มากมายทั้ง Hardwareและ Software จึงท าให้

โปรแกรม LabVIEW มีความสามารถในการติดต่อ Hardware อย่างหลากหลายเช่น

Hardware

การใช้ โปรแกรม LabVIEW เพ่ือเชื่อมต่อกับฮาร์ดแวร์ภายนอกท าได้โดยผ่านทางการ์ด DAQ

(data acquisition) การเชื่อมต่อสามารถเชื่อมต่อกับพอร์ต(port) ได้หลายชนิด เช่น พอร์ตขนาน

(parallel port), พอร์ตอนุกรม (serial port), GPIB, และHPIBเป็นต้น จึงมีแนวความคิดในการออกแบบ

วงจรขึ้นมา โดยก าหนดคุณสมบัติให้เป็นบอร์ดแบบภายนอกเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ผ่านทางพอร์ต

อนุกรม(RS-232) มีจ านวน input-output 16 ช่อง (channel) อินพุตท างานได้ทั้งโหมดดิจิตอลอินพุต

และ analog input ส าหรับ output ก าหนด ให้เป็นแบบ digital output ออกแบบให้สร้างง่ายและ

ต้นทุนต้องไม่สูงมากจนเกินไป

Software

- Protocol ต่างๆ ในทางอุตสาหกรรม LabVIEW ก็สามารถติดต่อสื่อสารได้รวมทั้ง PLC ยี่ห้อต่างๆ และ

งาน SCADA LabVIEW ก็สามารถท าได้เหมือนโปรแกรม SCADA ทั่วไป และบริษัท NIยังมี PLC ของ

ตนเองขายอีก

- ความสามารถในการท า Image Processing ก็ท าได้ไม่แพ้ Image Processing ในท้องตลาด

- สามารถติดต่อกับ Database มาตรฐานรวมทั้งการควบคุมการท างานกับโปรแกรม MS-OFFICE และ

อ่ืนๆ ใน windows

2.2 บอร์ดคอนโทลเลอร์และเซ็นเซอร์

บอร์ด Arduino เป็นบอร์ดไมโครคอนโทรเลอร์ตระกูล AVR ที่มีการพัฒนาแบบ Open Source

คือมีการเปิดเผยข้อมูลทั้งด้าน Hardware และ Software ตัว บอร์ด Arduino ถูกออกแบบมาให้ใช้งาน

ได้ง่าย ดังนั้นจึงเหมาะสาหรับผู้เริ่มต้นศึกษา ทั้งนี้ผู้ใช้งานยังสามารถดัดแปลง เพิ่มเติม พัฒนาต่อยอด

ทั้งตัวบอร์ด หรือโปรแกรมต่อได้อีกด้วย ความง่ายของบอร์ด Arduino ในการต่ออุปกรณ์เสริมต่างๆ คือ

ผู้ใช้งานสามารถต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์จากภายนอกแล้วเชื่อมต่อเข้ามาท่ีขา I/O ของบอร์ด หรือเพ่ือความ

5 สะดวก สามารถเลือกต่อกับบอร์ดเสริม (Arduino Shield) ประเภทต่างๆ เช่น Arduino XBee Shield,

Arduino Music Shield, Arduino Relay Shield, Arduino Wireless Shield, Arduino GPRS Shield

เป็นต้น มาเสียบกับบอร์ดบนบอร์ด Arduino แล้วเขียนโปรแกรมพัฒนาต่อได้เลย

Arduino Uno R3 บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์แบบ Open-source บนแพลตฟอร์ม Arduino ของ

แท้จากผู้ผลิต arduino.cc ประเทศอิตาลี ออกแบบมาให้ใช้งานได้ง่าย ใช้ชิพ ATmega328 รันที่ความถี่

16 MHz หน่วยความจ าแฟลช 32 KB แรม 2 KB บอร์ดใช้ไฟเลี้ยง 7 ถึง 12 V มีระดับแรงดันไฟฟ้าในการ

ท างานและขาสัญญาณอยู่ที่ 5 V (TTL) มี Digital Input / Output 14 ขา (เป็น PWM ได้ 6 ขา) มี

Analog Input 6 ขา Serial UART 1 ชุด I2C 1 ชุด SPI 1 ชุด เขียนโปรแกรมบนซอฟท์แวร์ Arduino

IDE และโปรแกรมผ่านพอร์ต USB เหมาะส าหรับผู้ที่สนใจเริ่มต้นเรียนรู้การพัฒนาไมโครคอนโทรลเลอร์

หรือแม้แต่ผู้ที่ไม่เคยเรียนรู้ด้านอิเล็กทรอนิกส์มาก่อนก็สามารถน ามาสร้างต้นแบบที่เกี่ยวกับอิเล็กทรอนิกส์

ได้

The SHT15 Breakout is an easy to use, highly accurate, digital temperature and

humidity sensor. This board has been fully calibrated and offers high precision and

excellent long-term stability at low cost. The digital CMOSens® technology integrates

two sensors and readout circuitry on one single chip. All you need is two lines for 2-

wire communication, and you’ll have relative humidity and temperature readings to

help you sense the world around you!

The two sensors built into the SHT15 have been seamlessly coupled to a 14bit

analog to digital converter and a serial interface circuit resulting in superior signal

quality, fast response time, and a strong resistance to external disturbances.

Additionally, the on board SHT15 features a 0-100% RH measurement range with a

temperature accuracy of +/- 0.3°C @ 25°C. There are only four pins that need to be

hooked up in order to start using this sensor in a project. One for VCC, one for GND,

and the two data lines SDA and SCL.

6 2.3 คุณสมบัติของอำกำศ

ความชื้นสัมพัทธ์ (Relative Humidity or RH,) คือความสัมพันธ์ระหว่างจ านวนมวลของไอน้ าใน

อากาศต่อจ านวนมวลของไอน้ าอ่ิมตัวในสภาวะที่พิจารณา

อัตราส่วนความชื้น (Humidity Ratio) หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าค่าความชื้นจ าเพาะ (Specific

Humidity) คืออัตราส่วนระหว่างมวลของไอน้ าในอากาศ (mv) กับมวลของอากาศแห้ง(ma)

ปริมาตรจ าเพาะของอากาศ (Specific Volume) คืออัตราส่วนระหว่างปริมาตร (Volume) ต่อ

มวล (Mass) ของอากาศ มีหน่วยเป็นลูกบาศก์เมตรต่อกิโลกรัม (m3/kg) ในระบบ SI เป็นที่ทราบกันดีว่า

อากาศมีคุณสมบัติในการขยายตัวตามอุณหภูมิที่ความดันคงที่ (Constant Pressure) ในสภาวะความดัน

คงท่ีถ้าอุณหภูมิต่ าอากาศจะมีปริมาตรจ าเพาะน้อยหมายถึงน้ าหนักอากาศต่อหน่วยปริมาตรจะมากในทาง

ตรงกันข้ามถ้าอุณหภูมิขออากาศสูงขึ้นอากาศจะขยายตัวออกท าให้ปริมาตรจ าเพาะของอากาศของอากาศ

มากขึ้น ซึ่งก็คือน้ าหนักของอากาศต่อหน่วยปริมาตรจะลดลงหรืออากาศเบาขึ้น

อุณหภูมิกระเปาะแห้ง (Dry Bulb Temperature.) คืออุณหภูมิที่วัดจากเทอร์โมมิเตอร์ธรรมดา

อุณหภูมิกระเปาะเปียก (Wet Bulb Temperature,) เป็นตัวบ่งชี้ถึงปริมาณความชื้นที่มีอยู่ใน

อากาศในจุดที่ท าการวัด ถ้าความชื้นในอากาศน้อยความแตกต่างของอุณหภูมิกระเปาะแห้งกับอุณหภูมิ

กระเปาะเปียกจะมาก และถ้าความชื้นในอากาศมากความแตกต่างของอุณหภูมิที่วัดได้จะน้อย และ

อุณหภูมิกระเปาะแห้งกับกระเปาะเปียกจะเท่ากันท่ีเส้นอากาศอิ่มตัว (Saturated Temperature)

เทอร์โมมิเตอร์แบบกระเปาะเปียกนั้นจะดูดความร้อนรอบ ๆ ตัวกระเปาะมาท าให้ความชื้นเปลี่ยน

สถานะจากของเหลวกลายเป็นไอ ดังนั้นจึงท าให้อุณหภูมิที่วัดได้หรืออุณหภูมิกระเปาะเปียกจะต่ ากว่าา

อุณหภูมิกระเปาะแห้ง ในกรณีท่ีในอากาศมีความชื้นอยู่มาก ความชื้นที่ผ้าที่หุ้มกระเปาะไว้จะระเหยได้ยาก

ดังนั้นความร้อนที่ใช้ในการระเหยตัวก็จะน้อยส่งผลให้ค่าท่ีวัดได้จะไกล้เคียงกับอุณหภูมิกระเปาะแห้ง

อุณหภูมิหยดน้ าค้าง (Dew Point Temperature) คือ อุณหภูมิที่ความชื้นในอากาศเริ่มกลั่นตัว

เป็นหยดน้ าเมื่ออากาศถูกลดอุณหภูมิที่ความดันคงที่ หรืออีกนัยยะหนึ่งก็คืออุณหภูมิอ่ิมตัวของไอน้ าเมื่อ

เปรียบเทียบกับความดันของไอน้ า

เอลทาลปี้ (Enthalpy) คือค่าที่เป็นตัวบ่งบอกถึงระดับพลังงานของของไหลซึ่งรวมถึงอากาศด้วย

ซึ่งเป็นค่าพลังงานภายในของของไหลบวกกับพลังงานเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของความดันและปริมาตร

7

2.4 งำนวิจัยท่ีเกี่ยวข้อง

ระบบควบคุมโรงเรือน Evap ทั่วไปจะใช้ระบบควบคุมอย่างง่ายคือ ตั้งอุณหภูมิ เพ่ือให้พัดลมแต่

ละตัวท างานที่อุณหภูมิต่าง ๆ เช่น หากอุณหภูมิเท่ากับ 26 องศาเซลเซียล ให้เปิดตัวที่ 1 และ 27 องศา

ให้เปิดตัวที่ 2 ด้วย เป็นต้น

ปัญหาส าคัญกับวิธีควบคุมแบบระบบเปิดนี้ คือขาดความแม่นย า เช่น หากพัดลมตัวที่ 1 เกดิเสีย

ก็จะต้อง รอให้อุณหภูมิสูงขึ้นไปเป็น 27 องศาเซลเซียล พัดลมตัวที่ 2 จึงจะท างาน แปลว่าต้องรอให้ร้อน

มาก และก็ไม่แน่ว่าเปิดพัดลมตัวที่ 2 ตัวเดียวจะพอท าให้อุณหภูมิลงมาตามต้องการหรือไม่ และหาก

อุณหภูมิหรือสภาพแวดล้อมภายนอกเปลี่ยนไป ก็ไม่แน่ว่าค่าที่ตั้งไว้จะให้ผลเหมือนเดิมหรือไม่ ส่งผลต่อ

คุณภาพผลผลิตในโรงเรือน

ระบบควบคุมแบบอัตโนมัติแบบป้อนกลับ (Feedback) นอกจากจะใช้เซ็นเซอร์เพ่ือตรวจสอบ

สถานะของระบบอย่างต่อเนื่อง ท าให้สามารถปรับปรุงการท างานของระบบโดยอัตโนมัติตลอดเวลาแล้ว

ในการออกแบบควรจะใช้ง่าย โดยผู้ใช้ก าหนดแค่อุณหภูมิและความชื้นที่ต้องการ ระบบจะต้องค านวณให้

เสร็จเรียบร้อยโดยอัตโนมัติว่าควรเปิดพัดลมกี่ตัว ตัวไหนบ้าง หากต้องการให้อุณหภูมิลงเร็วขึ้น (fast

transient response) ก็เปิดหลายตัวพร้อมกันในตอนเริ่มต้นแล้วค่อยๆ ลดจ านวนลงเมื่อใกล้ถึงจุดที่

ต้องการ นอกจากนี้การท าความเย็นจะต้องน าความชื้นมาค านวณด้วย ระบบที่ดีผู้ใช้สามารถก าหนด

ความชื้นสูงสุดที่ยอมให้เป็นได้และควบคุมการเปิดปิดพัดลมสัมพันธ์กับการเปิดปิดปั๊มน้ า เพ่ือให้ได้ผลลัพธ์

ที่ดีที่สุด ( เล่าสู่กันฟัง: ผล การวิจัยและพัฒนาระบบควบคุม อัตโนมัติส าหรับภาคการเกษตร. 2015.

http:// aimagin.com/blog/ )

การทดสอบการท างานเพ่ือลดอุณหภูมิภายในโรงเรือนซึ่งอุณหภูมิเป้าหมาย คือ 25 องศาเซล

เซียลในขณะที่อุณหภูมิภายนอกอยู่ในช่วง 29 องศาเซลเซียล จะสังเกตได้ว่า เมื่อระบบควบคุมเริ่มท างาน

อุณหภูมิภายในโรงเรือนจะลดลงจนถึงเวลาประมาณ 750 วินาที (12.5 นาท)ี อุณหภูมิภายในโรงเรือนจะ

อยู่ที่ 25 องศาเซลเซียล ตามอุณหภูมิเป้าหมายส าหรับความชื้นสัมพัทธ์ภายในโรงเรือนเพ่ิมข้ึนจาก

ความชื้นสัมพัทธ์ภายนอกโรงเรือนประมาณ 40%RH เป็น 67%RH ภายในโรงเรือน ซึ่งอยู่ในขอบเขตท่ี

ก าหนด เมื่อท าการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเป้าหมายเป็น 24 องศาเซลเซียล เพื่อทดสอบการท างานของ

ระบบควบคุม โดยอุณหภูมิภายนอกประมาณ 28 องศาเซลเซียล เห็นได้ว่าระบบสามารถควบคุมอุณหภูมิ

8 ให้อยู่ในค่าเป้าหมาย ภายในระยะเวลาประมาณ 680 วินาที (11.3 นาที) ซึ่งผลของการเปลี่ยนแปลง

ความชื้นสัมพัทธ์ภายในโรงเรือนโดยจะมีค่าความชื้นสัมพัทธ์ภายในโรงเรือนประมาณ 70 %RH จากผล

การทดลองประสิทธิภาพของโรงเรือนสูงสุดอยู่ที่ 58% โดยการควบคุม ประกอบด้วยระบบตรวจสอบ

ความผิดพลาดของเซ็นเซอร์และระบบควบคุมการท างานของพัดลม ซึ่งสามารถลดอุณหภูมิลงได้ 4-6

องศาเซลเซียล จากอุณหภูมิภายนอกโรงเรือนภายในระยะเวลาประมาณ 12 นาที จากผลการศึกษาเพ่ือ

ควบคุมคุณสมบัติของอากาศภายในโรงเรือน มีปัจจัยหลายส่วนซึ่งเกี่ยวข้องกับประสิทธิ-ภาพการลด

อุณหภูมิของโรงเรือน เช่น สถานที่ท าการทดลองซึ่งมีอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์แตกต่างกันในแต่ละ

สถานที่ ช่วงเวลาที่ท าการทดลอง มีผลต่ออุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ในอากาศ เป็นต้น (นิติรงค์ พงษ์

พานิช, วัชรพล ชยประเสริฐ, ภัทราพร สัญชาตเจตน์, อิทธิเดช มูลมั่งมี และกฤษฏา

แสงเพ็ชร์ส่อง. การพัฒนาและทดสอบระบบควบคุมอุณหภูมิแล ะความชื้นสัมพัทธ์ในโรงเรือนแบบ

Evaporative cooling. การประชุมวิชาการสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทยระดับชาติ ครั้งที่ 16

ประจ าปี 2558 และระดับนานาชาติ ครั้งที่ 8, 2558.)

บอร์ด Arduino เป็นบอร์ดไมโครคอนโทรเลอร์ตระกูล AVR ที่มีการพัฒนาแบบ Open Source

คือมีการเปิดเผยข้อมูลทั้งด้าน Hardware และ Software ตัว บอร์ด Arduino ถูกออกแบบมาให้ใช้งาน

ได้ง่าย ดังนั้นจึงเหมาะสาหรับผู้เริ่มต้นศึกษา ทั้งนี้ผู้ใช้งานยังสามารถดัดแปลง เพิ่มเติม พัฒนาต่อยอด

ทั้งตัวบอร์ด หรือโปรแกรมต่อได้อีกด้วย ความง่ายของบอร์ด Arduino ในการต่ออุปกรณ์เสริมต่างๆ คือ

ผู้ใช้งานสามารถต่อวงจรอิเล็กทรอนิกสจ์ากภายนอกแล้วเชื่อมต่อเข้ามาท่ีขา I/O ของบอร์ด หรือเพ่ือความ

สะดวก สามารถเลือกต่อกับบอร์ดเสริม (Arduino Shield) ประเภทต่างๆ เช่น Arduino XBee Shield,

Arduino Music Shield, Arduino Relay Shield, Arduino Wireless Shield, Arduino GPRS Shield

เป็นต้น มาเสียบกับบอร์ดบนบอร์ด Arduino แล้วเขียนโปรแกรมพัฒนาต่อได้เลย

9

บทที่ 3

อุปกรณ์และวิธีกำร

3.1 อุปกรณ์ที่ใช้ในกำรทดลอง

Arduino UNO R3 Technical Specifications ATmega328 microcontroller

Input voltage - 7-12V

14 Digital I/O Pins (6 PWM outputs)

6 Analog Inputs

32KB Flash Memory (0.5KB for boot loader)

2KB SRAM

1KB EEPROM

16MHz Clock Speed

SHT15 Technical Specifications

Operating Voltage: 2.4V min - 5.5V max

2 factory calibrated sensors for relative humidity & temperature

Digital 2-wire interface (Not I2C, but similar)

Measurement range: 0-100% RH

Absolute RH accuracy: +/- 2% RH (10…90% RH)

Repeatability RH: +/- 0.1% RH

ภาพที่ 3.1.1 Arduino UNO R3

10

Temp. accuracy: +/- 0.3°C @ 25°C

Fast response time

Low power consumption (typ. 30 µW)

3.2 วิธีกำรทดลอง

1. เขียนโปรแกรมเพ่ือควบคุมการเปิด ปิดของหลอด LED ดังภาพ

2. เขียนโปรแกรมชุดควบคุมเพ่ืออ่านค่าอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ 2.1 ค้นหา library ของเซ็นเซอร์ SHT 15 เพ่ือท าการ upload ลงในบอร์ด Arduino UNO

R3 ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้ int temperatureCommand = 3; // ค าสั่งใช้อ่านอุณหภูมิ int humidityCommand = 5; // ค าสั่งใช้อ่านความชื้นสัมพัทธ์ int clockPin = 2; // ช่องส าหรับ clock int dataPin = 3; // ช่องส าหรับ data int ack; // ติดตามข้อผิดพลาด int val; float temperature; float humidity;

ภาพที่ 3.1.2 sensor SHT15

ภาพที่ 3.2.1 โปรแกรม LabVIEW ส าหรับเปิด ปิด หลอด LED

11 void setup() { Serial.begin(9600); // เปิด serial at 9600 bps } void loop() {

// อ่านอุณหภูมิ sendCommandSHT(temperatureCommand, dataPin, clockPin); waitForResultSHT(dataPin); val = getData16SHT(dataPin, clockPin); skipCrcSHT(dataPin, clockPin); temperature = (float)val * 0.01 - 40; temperature = (float)temperature*9/5 + 32; //แปลงจาก Celsius เป็น Fahrenheit // อ่านความชื้นสัมพัทธ์ sendCommandSHT(humidityCommand, dataPin, clockPin); waitForResultSHT(dataPin); val = getData16SHT(dataPin, clockPin); skipCrcSHT(dataPin, clockPin); humidity = -4.0 + 0.0405 * val + -0.0000028 * val * val; // แสดงการอ่าน serial port Serial.println(String((int)(temperature*100)) + String((int)(humidity*100))); delay(100); // wait for 1 second for next reading }

// ค าสั่งอ่านและส่ง data to a SHTx sensor int shiftIn(int dataPin, int clockPin, int numBits) { int ret = 0; for (int i=0; i<numBits; ++i) { digitalWrite(clockPin, HIGH); //delay(10); not needed :) ret = ret*2 + digitalRead(dataPin); digitalWrite(clockPin, LOW); } return(ret);

12 }

// ส่งค าสั่งไปท่ี SHTx sensor void sendCommandSHT(int command, int dataPin, int clockPin) { int ack; // เริ่มการสื่อสาร pinMode(dataPin, OUTPUT); pinMode(clockPin, OUTPUT); digitalWrite(dataPin, HIGH); digitalWrite(clockPin, HIGH); digitalWrite(dataPin, LOW); digitalWrite(clockPin, LOW); digitalWrite(clockPin, HIGH); digitalWrite(dataPin, HIGH); digitalWrite(clockPin, LOW); // shift out the command (the 3 MSB are address and must be 000, the last 5 bits are the command) shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, command); // ตรวจสอบความถูกต้อง ACK digitalWrite(clockPin, HIGH); pinMode(dataPin, INPUT); ack = digitalRead(dataPin); if (ack != LOW) Serial.println("ACK error 0"); digitalWrite(clockPin, LOW); ack = digitalRead(dataPin); if (ack != HIGH) Serial.println("ACK error 1"); }

// รอ SHTx ตอบสนอง void waitForResultSHT(int dataPin) { int ack; pinMode(dataPin, INPUT);

13 for(int i=0; i<100; ++i) { delay(10); ack = digitalRead(dataPin); if (ack == LOW) break; } if (ack == HIGH) Serial.println("ACK error 2"); }

// ได้ข้อมมูลจาก SHTx sensor int getData16SHT(int dataPin, int clockPin) { int val; // ได ้MSB (most significant bits) pinMode(dataPin, INPUT); pinMode(clockPin, OUTPUT); val = shiftIn(dataPin, clockPin, 8); val *= 256; // this is equivalent to val << 8; // ส่งสิ่งที่ต้องการไปที่ ACK pinMode(dataPin, OUTPUT); digitalWrite(dataPin, HIGH); digitalWrite(dataPin, LOW); digitalWrite(clockPin, HIGH); digitalWrite(clockPin, LOW); // ได ้LSB (less significant bits) pinMode(dataPin, INPUT); val |= shiftIn(dataPin, clockPin, 8); return val; }

// skip CRC data from the SHTx sensor void skipCrcSHT(int dataPin, int clockPin) { pinMode(dataPin, OUTPUT); pinMode(clockPin, OUTPUT);

14 digitalWrite(dataPin, HIGH); digitalWrite(clockPin, HIGH); digitalWrite(clockPin, LOW); }

2.2 Upload library ลงใน Arduino UNOO R3 2.2.1 เปิดไฟล์ของ library SHT15 โดยใช้โปรแกรม Arduino IDE จากนั้นเลือก

Tools --> Port --> COM3 (Arduino Uno) ถ้า Port ไมแ่สดง Serial ports แสดงว่า บอร์ดไม่สามารถ connect กับเครื่องคอมพิวเตอร์ได ้

2.2.2 ท าการอัพโหลด library ลงในบอร์ด

ภาพที่ 3.2.3 ขั้นตอนการเลือก port ใน Arduino IDE

ภาพที่ 3.2.4 การ upload library ลง Arduino UNO R3

ภาพที่ 3.2.2 การเสียบ USB ของบอร์ด เข้ากับคอมพิวเตอร ์

15 2.2.3 เมื่ออัพโหลดเสร็จสิ้นด้านล่างของโปรแกรมจะแสดงผลดังนี้

2.3 เขียนโปรแกรมใน LabVIEW เพ่ือรับค่าอุณหภูมิ และความชื้นสัมพัทธ์

ภาพที่ 3.2.5 แสดงขั้นตอนขณะท าการ upload library ลงบอร์ด ภาพที่ 3.2.6 แสดงการท างานเมื่อ upload library เสร็จ

ภาพที่ 3.2.7 รูปแบบของโปรแกรมใน block diagram เพื่อรับค่าอณุหภมูิและความช้ืนสมัพัทธ์

16

3. ค านวณคุณสมบัติของอากาศ 3.1 เมื่อไดค้่าอุณหภูมิ และความชื้นสัมพัทธ์มาจะสามารถหาคุณสมบัติของอากาศจาก

psychrometric equation. ซึ่งมีสมการที่ใช้ในการค านวณดังนี้

𝑇𝑤 = 𝑇 tan−1 [0.151977(𝑅𝐻% + 8.313659)1

2] + tan−1(𝑇 + 𝑅𝐻%) −

tan−1(0.023101𝑅𝐻%) − 4.686035 … . . (1) Tw : welt bulb temperature (degree Celsius) T : air temperature (degree Celsius) RH% : relative humidity

ln 𝑝𝑤𝑠 = 𝐶1

𝑇+ 𝐶2 + 𝐶3𝑇 + 𝐶4𝑇2 + 𝐶5𝑇3 + 𝐶6 ln 𝑇 … . . (2)

Pws : saturation pressure (Pa) T : air temperature (degree Celsius) C1 : -5.800 220 6 x103 C2 : 1.391 499 3 C3 : -4.864 023 9 x10-2 C4 : 4.176 476 8 x10-5 C5 : -1.445 209 3 x10-8

C6 : 6.545 967 3

𝑝𝑤 = 𝑝𝑤𝑠 × 𝑅𝐻% … . . (3)

Pw : partial pressure of water vapor (Pa)

𝑊 = 0.62198 × 𝑝𝑤

𝑝 − 𝑝𝑤 … . . (4)

W : humidity ratio (kg/kg dry air) Pw : partial pressure of water vapor (Pa) P : The standard atmosphere pressure (101325 Pa)

17

𝑣 = 0.2871(𝑇 + 273.15)(1 + 1.6078𝑊)

𝑝 … . . (5)

v : specific volume (m3/kg) T : air temperature (degree Celsius) P : The standard atmosphere pressure (101.325 kPa)

ℎ = (1.006 × 𝑇) + (2501 + 1.805 × 𝑇)𝑊 … . . (6)

h : Enthalpy (kJ/kg) T : air temperature (degree Celsius) W : humidity ratio (kg/kg dry air)

𝑡𝑑 = 𝐶7 + 𝐶8𝛼 + 𝐶9𝛼2 + 𝐶10𝛼3 + 𝐶11(𝑝𝑤)0.1984 … . . (7)

td : dew point temperature (degree Celsius) pw : partial pressure of water vapor (kPa)

α : ln(pw) C7 : 6.54 C8 : 14.526 C9 : 0.7389 C10 : 0.09486 C11 : 0.4569

18

3.2 น าสมการการหาค่าคุณสมบัติของอากาศข้างต้นใส่ในโปรแกรม LabVIEW โดยใช้ค าสั่ง click ขวา ----> Mathematics --> Script & Formulas --> Formula

3.3 จากนั้น Double click ที่ block diagram จะปรากฏหน้าต่างให้ใส่สมการ โดยจะมี input และ function พ้ืนฐานให้ เพ่ือความสะดวกและรวดเร็ว

ภาพที่ 3.2.8 ขั้นตอนการเรียกใช้ function Formula

ภาพที่ 3.2.9 การใช้ function Formula

19

3.4 เมื่อใส่สมการและก าหนดตัวแปรรับค่าจากอุณหภูมิ และความชื้นสัมพัทธ์ จะได้ block diagram ดังรูป

4. เมื่อท าการเขียนโปรแกรม LabVIEW ในหน้าต่างของ block diagram เสร็จเรียบร้อยจะได้การแสดงผลใน front panel ดังภาพ

ภาพที่ 3.2.10 block diagram แสดงการค านวณคณุสมบัติอากาศ

ภาพที่ 3.2.11 front panel โปรแกรมรับคา่ และค านวณค่า

20 3.3 วิธีกำรทดสอบ

1. ต่อวงของเซ็นเซอร์เข้ากับบอร์ด ดังรูป

SCK

DATA

GND

VCC ภาพที่ 3.3.1 แสดงการต่อวงจรเซน็เซอร์ เข้ากับ บอร์ด

ภาพที่ 3.3.2 การต่อวงจรของ SHT15 เข้ากับ Arduino Uno R3

21

2. ต่ออุปกรณ์เข้ากับคอมพิวเตอร์ เปิดโปรแกรม LabVIEW double click ที่ VISA SERIAL

ภาพที่ 3.3.3 การตั้งค่า VISA SERIAL

22 3. จะปรากฏหน้าต่าง VISA Configure Serial Port เลือกช่องตรงหัวข้อ VISA resource name เพ่ือเลือก port ของบอร์ด ในทีนี ้port ของบอร์ด คือ COM 3

4. คลิกตรงลูกศรเพ่ือ run ให้ระบบรู้จักกับแหบ่งข้อมูลที่ input เข้ามา

ภาพที่ 3.3.4 การก าหนด serial ใน block diagram

ภาพที่ 3.3.5 run ระบบเพื่อให้สามารถรับคา่

23 5. เลือกหน้าต่าง front panel เพ่ือก าหนด VISA resource name เลือก COM 3

6. run โปรแกรมโดยกดปุ่มลูกศรในวงกลม ดังภาพ โปรแกรมจะแสดงผลค่าที่ต้องการ

รับค่า Temp. และ %RH

แสดงผลคุณสมบัติทีค่ านวณได้

แสดงผล Temp. และ %RH ในรูปแบบกราฟ

ภาพที่ 3.3.6 ก าหนด port ใน front panel

ภาพที่ 3.3.7 แสดง output ต่างๆที่ได้ก าหนดไว ้

24 7. เปรียบเทียบค่าท่ีค านวณได้จากโปรแกรมกับ psychrometric chart เพ่ือหาประสิทธิภาพของ

โปรแกรมท่ีเขียนขึ้น

ภาพที่ 3.3.8 แสดงค่าต่างๆที่รับและค านวณได ้

25

บทที่ 4

ผลกำรทดลองและวิจำรณ์

4.1 ผลกำรทดลอง

จากโปรแกรมจะได้ค่าคุณสมบัติของอากาศที่ Dry bulb temp. 29.02◦C และ RH 63% ดังตารางที่ 1

ตำรำงท่ี 4.1 ค่าคุณสมบัติของอากาศจากโปรแกรม และpsychrometric chart

ที ่Tdb 29.02◦C RH 63%

คุณสมบัติอำกำศ Program Psychrometric Chart % Error (%) Enthalpy (kJ/kg) 70.07 69.0 1.55

Dew point temp. (◦C) 21.37 20.98 1.86

Humidity Ratio 0.01601 0.0159 0.69

Wet bulb temp. (◦C) 23.66 23.44 0.94

Average 1.26

โปรแกรมสามารถรับค่าอุณหภูมิได้ตามที่ต้องการ เมื่อน าค่าอุณหภูมิ และความชื้นสัมพัทธ์ที่รับมา

นั้นน าไปพลอตใน psychrometric chart เพ่ือเปรียบเทียบประสิทธิภาพพบว่ามีความคลาดเคลื่อน

เล็กน้อยดังแสดงตารางในช่อง %Error จะเห็นได้ว่า ค่า enthalpy มีความคลาดเคลื่อนมากท่ีสุด ส าหรับ

ค่า humidity ratio 0tมีความคลาดเคลื่อนน้อยกว่าค่าอ่ืน ๆ

โปรแกรมสามารถท างานได้แล้วค านวณค่าคุณสมบัติของอากาศได้ค่อนข้างแม่นย า โดยดูจากค่า

Error เฉลี่ยประมาณ 1.45%

4.2 วิจำรณ์ผลกำรทดลอง

1. บอร์ดไม่สามารถรับค่าจากเซ็นเซอร์ได้ เนื่องจากบอร์ดไม่มี library ของเซ็นเซอร์ จึงท าให้ต้อง

เปลี่ยนไปใช้เซ็นเซอร์ตัวอ่ืน

2. Protocol ที่ใช้ในการเขียนไม่ตรงกับ protocol ของเซ็นเซอร์

26

บทที่ 5

สรุป

1. ชุดควบคุมสามารถรับค่าอุณหภูมิและความชื้น พร้อมทั้งค านวณคุณสมบัติของอากาศได้ 2. คุณสมบัติของอากาศที่ค านวณได้จาก LabVIEW มีความแม่นย าตาม psychrometric chart

27

เอกสำรอ้ำงอิง

Temperature/Humidity Sensor + Arduino + LabVIEW Data Acquisition.

http://www.instructables.com/id/TemperatureHumidity-Sensor-Arduino-LabVIEW-Data-Ac/

Wilbert F/Jerold W. Jones, "REFRIGERATION & AIRCONDITIONING" Second

Edition.,McGRAWHILL

Yunus A. Cengel/Michael Boles, Thermodynamics AnEngineering Approach. Third Edition.,

McGRAWHILL

นิติรงค์ พงษ์พานิช, วัชรพล ชยประเสริฐ, ภัทราพร สัญชาตเจตน์, อิทธิเดช มูลมั่งมี และกฤษฏา แสงเพ็ชร์

ส่อง. การพัฒนาและทดสอบระบบควบคุมอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ในโรงเรือนแบบ Evaporative

cooling. การประชุมวิชาการสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทยระดับชาติ ครั้งที่ 16 ประจ าปี

2558 และระดับนานาชาติ ครั้งที่ 8, 2558.

อ.อาทิตย์ พวงสมบัติ, บุญชัย พยอมน้อย, อภิชัย เชวงวงศ,์ นายวศิน สุดใจ, นายสุทัศน์ แสงทอง,

นายศราวิชญ์ ชูมงคงรัตน์. การพัฒนาระบบควบคุมอุณหภูมิและความชื้นที่เหมาะสมต่อการเจริญเติบโต

ของเห็ดในโรงเพาะเห็ด (The Developing suitable control system of temperature and

humidity for mushroom’s growth at mushroom farm).

28

ภำคผนวก