รู้จักกับแอร์ริ (Airri) ระบบรายงานข้อมูลคุณภาพอากาศ แนวทางจัดการเรียนการสอน หลักการทำงาน

แอร์ริ (Airri) ระบบรายงานข้อมูลคุณภาพอากาศและสภาพอากาศ เป็นโครงการภายใต้ microBlock โดยเพิ่มขีดความสามารถของ microBlock ให้รองรับการทำโครงงานด้านอินเตอร์เน็ตทุกสรรพสิ่ง หรือ IoT (Internet Of Things) โดยเป็นทักษะที่นักเรียน / นักศึกษาทุกคนควรจะมี เนื่องจากอุปกรณ์ IoT ในปัจจุบันมีเพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ โดยอยู่ในรูปที่มองเห็นได้ง่าย อย่าง หม้อหุงข้าว IoT, เตาปิ้งขนมปัง IoT, ตู้เย็น IoT, หุ่นยนต์ดูดฝุ่น เป็นต้น และกำลังเริ่มเข้าไปสู่งานด้านอุตสาหกรรม หรือ Industrial 4.0, เริ่มเข้าสู่ชีวิตผู้คนผ่านระบบเมืองอัจฉริยะ หรือ Smart City, เข้าสู่งานด้านเกษตรกรรมผ่านระบบเกษตรอัจฉริยะ หรือ Smart Farm โดยระบบรายงานคุณภาพอากาศเป็นหนึ่งในโครงงานที่สร้างขึ้นได้ง่าย เข้าใจได้ง่าย แต่สามารถนำมาจัดการเรียนรู้ในรูปแบบ STEM และ Project Base ได้ เป็นแนวทางให้ผู้เรียนได้ทดสอบอาชีพนักพัฒนาอุปกรณ์ IoT ซึ่งเป็นอาชีพใหม่ และเป็นอาชีพทักษะสูงที่กำลังเป็นที่ต้องการของตลาดมากขึ้น

แนวคิดเริ่มแรกระบบแอร์ริ

โครงการ microBlock ไม่มีแพลตฟอร์มด้าน IoT ที่เป็นของตนเอง ผู้พัฒนาจึงเริ่มมองหาแพลตฟอร์ม IoT ที่เมื่อลงทุนทำขึ้นมาแล้ว จะต้องได้ประโยชน์ครบทั้ง 3 ฝ่าย คือ

1. ฝ่ายผู้เรียน / นักเรียน / นักศึกษา ได้ทำโปรเจคหรือโครงงานที่ใช้งานได้จริง โดยได้ใช้ทักษะครบทั้งทางด้านฮาร์ดแวร์ และซอฟแวร์ คือได้ต่อวงจรจริง ได้จับอุปกรณ์ ได้เขียนโปรแกรม ได้ลองผิดลองถูก และได้โครงงานที่ใช้งานได้จริง สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวันได้จริง
2. ฝ่ายครูผู้สอน / วิทยากร / เทรนนิ่ง ได้โครงงานที่สามารถจัดการเรียนการสอนแบบสเตมศึกษา (STEM) ได้ รวมทั้งเป็น Project Base ดึงความสนใจจากผู้เรียนได้มากที่สุด และได้โครงงานที่เชื่อมโยงกับชีวิตประจำวัน หรือปัญหาในชีวิตประจำวัน เพื่อให้ผู้เรียนสนใจในเนื้อหาในระดับสูงสุด
3. ฝ่ายสังคม / บุคคลทั่วไป ได้ผลพลอยได้จากโครงงานที่ทำขึ้นจากฝ่ายผู้เรียน ในเมื่อฝ่ายผู้เรียนได้ลงทุนด้านการศึกษาเพื่อตนเองแล้ว ผลที่ได้ควรจะเป็นประโยชน์ต่อสังคมโดยรวมด้วย

ผู้พัฒนาโครงการ microBlock จึงได้คิดระบบแอร์ริ (Airri) หรือระบบรายงานสภาพอากาศและคุณภาพอากาศขึ้น โดยวางแนวคิดให้ทั้ง 3 ฝ่ายได้ประโยชน์ดังที่กล่าวมา

แนวทางการจัดการเรียนรู้ระบบแอร์ริ (นำเสนอโดย microBlock)

(สำหรับครูผู้สอน) ผู้พัฒนาโครงการ microBlock และระบบแอร์ริ (Airri) ขอนำเสนอรูปแบบการจัดการเรียนรู้ดังนี้

1) จัดการเรียนรู้แบบสเตมศึกษา (STEM)

โดยใช้โครงงานเครื่องวัดคุณภาพอากาศเป็นตัวอย่าง โดยแนวทางการจัดรูปแบบ STEM มีดังนี้

1. S : Science (วิทยาศาสตร์) สอนเนื้อหาเชิงทฤษฎีก่อนลงมือทำจริง โดยสอนที่มาของค่าต่าง ๆ ในเครื่องวัดคุณภาพอากาศ เช่น อุณหภูมิคืออะไร, เซ็นเซอร์อิเล็กทรอนิกส์วัดอุณหภูมิได้อย่างไร (หลักการทำงานเบื้องต้นของเซ็นเซอร์), อุณหภูมิส่งผลต่อตัวเราอย่างไร, อุณหภูมิส่งผลกับสิ่งแวดล้อมอย่างไร, ปัญหาโลกร้อนคืออะไร, ความดันอากาศคืออะไร, ระดับน้ำทะเลในแต่ละวันส่งผลต่อความดันอากาศอย่างไร เป็นต้น
2. T : Technology (เทคโนโลยี) สอนเนื้อหาเชิงทฤษฎีก่อนลงมือทำจริง โดยสอนว่ามีเทคโนโลยีอะไรเข้ามาเกี่ยวข้องบ้าง เช่น ระบบอินเตอร์เน็ตคืออะไร, WiFi คืออะไร, เทคโนโลยี IoT คืออะไร, Smart City คืออะไร, เทคโนโลยีการตรวจวัดอากาศ เป็นต้น
3. E : Engineering (วิศวกรรมศาสตร์) สอนเนื้อหาเชิงวิศวะกรรม เช่น วิศวกรรมคืออะไร ขั้นตอนการพัฒนาอุปกรณ์ IoT / อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น
4. M : Mathematics (คณิตศาสตร์) สอนการนำค่าที่ได้จากการตรวจวัดมาแปลงหน่วย หรือหน่วยของค่าทางวิทยาศาสตร์ เช่น การแปลงค่าอุณหภูมิในรูปองศาเซลเซียสเป็นองศาฟาเรนไฮต์, การเปลี่ยนค่าความกดอากาศเป็นระดับความสูงเหนือระดับน้ำทะเลโดยเทียบบัญญัติไตรยางค์, การแปลผลค่าฝุ่น PM2.5 เป็นดัชนีคุณภาพอากาศ (Air Quality Index : AQI) เป็นต้น

โดยผู้สอนคัดเฉพาะหัวข้อที่น่าสนใจ และเหมาะสมกับระดับผู้เรียนมาใช้จัดการเรียนรู้ สิ่งสำคัญคือเชื่อมโยงเนื้อหาให้เข้ากับชีวิตประจำวันผู้เรียน ให้ผู้เรียนเข้าใจความสำคัญของเนื้อหานั้น ๆ โดยคาดหวังว่าผู้เรียนจะนำเนื้อหาที่ได้เรียนรู้ไปใช้งานในอนาคต

2) จัดการเรียนรู้แบบ Project Based Learning (PBL)

โดยจัดเตรียมอุปกรณ์จริง ประกอบด้วย

1. บอร์ดสมองกล (บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์) โดยอาจใช้บอร์ด KidBright ที่ สวทช. แจกให้กับโรงเรียนทั่วประเทศ หรือหากมีบอร์ด IPST-WiFi / OpenKB ก็สามารถใช้ได้
2. เซ็นเซอร์ต่าง ๆ โดยแนะนำให้มีเซ็นเซอร์วัดฝุ่น PM2.5 / PM10 เป็นอย่างน้อย เนื่องจากนำไปคำนวณเป็นดัชนีคุณภาพอากาศ (Air Quality Index : AQI) ได้ หากไม่สามารถจัดหาได้ สามารถใช้เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ และเซ็นเซอร์แสงที่มีอยู่แล้วบนบอร์ด KidBright ส่งค่าขึ้นบนระบบแอร์ริ เพื่อให้ได้แนวคิดเบื้องต้นได้
3. สายเชื่อมต่อ ประกอบด้วยสาย USB สำหรับอัพโหลดโปรแกรม สายจั้มเซ็นเซอร์ต่าง ๆ

ผู้สอนยังต้องจัดเตรียมคอมพิวเตอร์ และติดตั้งโปรแกรม microBlock IDE รวมทั้งจัดเตรียม WiFi (หรือให้ผู้เรียนเปิด WiFi Hotspot ที่โทรศัพท์มือถือของตนเอง) โดยแนะนำให้จัดการเรียนเป็นกลุ่ม แบ่งหน้าที่เป็น ฝ่ายต่อวงจร และฝ่ายเขียนโปรแกรม เพื่อจำลองสภาพการทำงานจริง ที่โดยปกติการพัฒนาสินค้าอิเล็กทรอนิกส์จะแบ่งเป็นฝ่ายพัฒนาฮาร์ดแวร์ และฝ่ายพัฒนาซอฟแวร์

3) การต่อยอด

หลังจากเครื่องวัดคุณภาพอากาศใช้งานได้แล้ว ผู้สอนสามารถนำโครงงานไปต่อยอดโดยให้ผู้เรียนสร้างสรรค์เคส หรือกล่องใส่เครื่อง เพื่อให้เครื่อน่าใช้งาน และสามารถนำไปติดตั้งใช้งานจริงได้ สำหรับโรงเรียนที่มี FAB LAB ผู้สอนอาจให้ผู้เรียนออกแบบเคสโดยใช้ 3D Printer และเครื่องตัดเลเซอร์ได้ โดยสอนใช้โปรแกรม 3D เช่น TinkerCad ออกแบบเคส แล้วปริ้นออกมาได้ หรือสอนใช้ซอฟแวร์ออกแบบชิ้นงานเพื่อตัดเลเซอร์ ทำเคสอย่างง่ายได้

4) รายวิชา

รูปแบบการจัดการเรียนการสอนที่นำเสนอ ส่วนใหญ่ตรงกับวิชา วิทยาการคำนวณ โดยสามารถนำไปใช้สอนได้ทั้งมัธยมต้นและมัธยมปลาย

ข้อมูลคุณภาพอากาศในระบบแอร์ริ เปิดเป็นสาธาณะ

ข้อมูลที่ส่งขึ้นบนระบบแอร์ริจากฝ่ายผู้สอนและฝ่ายผู้เรียน จะถูกนำไปแจกจ่ายให้กับฝ่ายสังคม ดังนี้

1) เปิดให้สาธาณะดูข้อมูลที่ส่งขึ้นบนแผนที่โลก

ประชาชนทั่วไปสามารถเข้าดูค่าคุณภาพอากาศและสภาพอากาศที่ส่งขึ้นระบบแอร์ริบนแผนที่โลกได้ที่หน้า ข้อมูลคุณภาพอากาศและสภาพอากาศประเทศไทย

2) สรุปข้อมูลขึ้นบน GitHub

ข้อมูลที่ส่งขึ้นระบบแอร์ริในแต่ละวัน ถูกนำไปอัพโหลดขึ้นบน GitHub ในรูปแบบไฟล์ CSV เปิดโอกาศให้นักวิจัย ผู้สนใจข้อมูล นำข้อมูลไปวิเคราห์ต่อได้ โดยข้อมูลถูกอัพโหลดไว้ที่ Airri-daily-data

หลักการทำงานระบบแอร์ริ

ระบบแอร์ริ (Airri) ประกอบด้วย 3 ฝั่ง คือ 1) ฝั่งอุปกรณ์เซ็นเซอร์/สมองกล 2) ฝั่งเซิร์ฟเวอร์ และ 3) ฝั่งผู้ใช้ โดยข้อมูลจะเริ่มต้นจากฝั่งอุปกรณ์ วิ่งผ่านอินเตอร์เน็ตด้วยโปรโตคอลต่าง ๆ จนไปถึงผู้ใช้งานที่กดเข้ามาดูข้อมูลในเว็บ

1) ฝั่งอุปกรณ์เซ็นเซอร์/สมองกล

บอร์ด KidBright เชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ต่าง ๆ เพื่อวัดค่าสภาพแวดล้อมผ่าน I2C และ UART ตัวอย่างรูปไดอะแกรมด้านล่างใช้เซ็นเซอร์วัดฝุ่น PMS7003 เชื่อมต่อผ่าน UART, เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิและความชื้น ความดันอากาศ แสง เชื่อมต่อผ่าน I2C, ใช้แหล่งจ่ายไฟจาก USB, เชื่อมต่ออินเตอร์เน็ตผ่าน WiFi

2) ฝั่งเซิร์ฟเวอร์

ฝั่งเซิร์ฟเวอร์แบ่งเป็น 2 ส่วน คือ

1. ฝั่ง Front-End หรือหน้าเว็บ microblock.app/airri เป็นหน้าแผนที่โลกที่ให้ผู้ใช้เข้ามาดูข้อมูลที่อุปกรณ์ส่งเข้าระบบ โดยดึงข้อมูลมาจากฝั่ง Back-end ผ่าน HTTP RESTful API ภายในใช้ next.js ในการพัฒนา เปิด Source code ไว้ที่ micro-web
2. ฝั่ง Back-end หรือหน้าเว็บ airri.microblock.app ใช้จัดการอุปกรณ์ในระบบแอร์ริ และมี HTTP RESTful API ให้อุปกรณ์ยิงข้อมูลข้อมูลเข้ามา รวมทั้งให้ฝั่ง Front-End เข้ามาดึงข้อมูล ภายในใช้ next.js ในการพัฒนา ใช้ฐานข้อมูล PostgreSQL และ InfluxDB ในการเก็บข้อมูล

3) ฝั่งผู้ใช้

ผู้ใช้เข้าเว็บไซต์ https://microblock.app/airri เพื่อดูข้อมูล

บทความสอนใช้งาน

อ่านได้ที่ ทำเครื่องวัดคุณภาพอากาศ IoT ส่งค่าขึ้นเว็บ คนดูได้ทั่วโลกผ่านระบบ แอร์ริ (Airri)