ใช้ Finite state-machine บน Arduino เพื่อเขียนโปรแกรมอย่างเป็นระบบ

บทความนี้จะสาธิตการสร้าง state machine อย่างง่ายแต่ใช้งานได้จริงบน Arduino กันครับ

State machine คืออะไร ?

     State machine ในความเข้าใจของผมคือ การที่เรามี สถานะของเหตุการณ์บางอย่างที่เราต้องการเปลี่ยนไปเป็นอีกอย่าง มีความสัมพันธ์กับสถานะก่อนหน้า, ระหว่างเปลี่ยน และหลังเปลี่ยนอย่างไร จากเงื่อนไขอะไร รายละเอียดสามารถอ่านได้ในเว็ปไซต์ด้านล่างนี้ ซึ่งเขียนไว้ดีอยู่แล้วครับ

https://www.glurgeek.com/education/state-machine-diagram/

ในบทความนี้จะสาธิตการเขียนโปรแกรมแบบ finite State machine บน Arduinoโดยใช้อุปกรณ์ดังนี้

SKU-00360		หน้าจอพร้อมปุ่มกด สำหรับ Arduino LCD Keypad shied 1602 for Arduino
SKU-00960		UNO R3 development board improved version enhanced version ATmega328P microcontroller Micro USB port พร้อมสาย (Arduino-Compatible Board)
รหัสสินค้า		สินค้า

โดย Library ที่ต้องติดตั้งมีดังนี้ (คลิ๊กเพื่อดูวิธีการติดตั้ง Library)

1.        Arduino-fsm (Jon Black)

2.        LiquidCrystal (F Malpartida)

ทดลองใช้ Shield LCD พร้อมปุ่มกด

     เริ่มแรกจะอธิบายส่วนประกอบของ shield หน้าจอพร้อมปุ่มกดที่เราจะเอามาใช้เป็น Input และ Output ของบทความนี้กันก่อน shield นี้ประกอบไปด้วย หน้าจอ LCD 1602 แบบ parallel และปุ่มกดจำนวน 6 ปุ่มต่อกันแบบ  parallel คล้ายวงจรดังรูป เพื่อลดจำนวน input จาก 6 ตัวเหลือแค่ analog 1 ตัว จะเห็นว่าระดับแรงดันเมื่อกดแต่ละสวิตซ์จะไม่เท่ากันตามจำนวนตัวต้านทานที่กระแสไหลผ่าน

โดยขาสัญญาณของหน้าจอทั้งหมดถูก define ไว้ดังนี้

จากนั้นให้เราลองมาสร้าง Sketch ตัวอย่างของการใช้จอกันก่อน โดยใช้ Code ด้านล่างนี้

เมื่ออัพโหลดแล้วอาจจะเห็นจอมืดไปหรือสว่างไป ให้เราหมุนปรับ potentiometer ด้านบนซ้ายมือหลายๆรอบเพื่อหาความสว่างของตัวอักษรที่พอดี จากนั้นให้ลองกดสวิทซ์ต่างๆจะได้ผลลัพธ์ประมาณนี้

ในโค้ดการทดสอบเบื้องต้นนี้จะตั้งค่าจอ และอ่านค่า analog จากขาA0 เพื่อระบุว่าปุ่มไหนกำลังถูกกดอยู่ และแสดงออกทางหน้าจอ เมื่อวัตถุดิบและการทดสอบเบื้องต้นผ่านแล้ว ต่อไปจะเป็นตัวอย่างการใช้ Library Arduino-fsm ครับ

ตัวอย่างการใช้ Arduino-fsm เบื้องต้น

     ตัวอย่างการเปิดปิด LED โดยหากเรากดปุ่ม ไฟก็จะติดเป็นระยะเวลา 3 วินาที หลังจากนั้นกลับไปดับเหมือนเดิม เราสามารถเขียนผังสถานะและการเปลี่ยนผ่านได้ดังรูป

เราจะเห็นว่าสถานะมี 2 สถานะ คือ state_led_off และ state_led_on ซึ่งหมายถึงสถานะที่ led ดับหรือติด ตามลำดับ ซึ่งการจะเปลี่ยนสถานะจาก off เป็น on จะเรียกว่า transition โดยเป็นการ transition ที่ถูกจากการกระทำ (Action) ชื่อว่า BUTTON_EVENT เมื่อสถานะมีการเปลี่ยนเป็น state_led_on แล้วจะถูกเปลี่ยนสถานะอีกรอบหลังจาก 3 วินาทีตามเส้นทางด้านบน

ด้วยความช่วยเหลือของไลบรารี่ Arduino-fsm เราจะสามารถเขียนให้อยู่ในรูปแบบ Code ได้ดังนี้

ตัวโค้ดจะประกอบไปด้วย 3 ส่วนหลักๆ คือ

1.        1. กำหนดสถานะทั้งหมด

2.        2. กำหนดฟังก์ชันที่จะถูกเรียกแต่ละสถานะ

3.        3. กำหนดเส้นทางจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง โดยการกระทำอย่างหนึ่ง

เราลองมาดูทีละส่วน ส่วนแรกเป็นการสร้างสถานะ State ขึ้นมา ซึ่งประกอบไปด้วย state_led_off และ state_led_on โดยแต่ละสถานะประกอบไปด้วยฟังก์ชันที่จะถูกเรียกเมื่อมีการ   
     1. เข้าสถานะนั้น
     2. อยู่ในสถานะนั้น
     3. กำลังออกจากสถานะนั้น
ดังรูป

เมื่อดูตามโค้ดด้านบนจะเห็นว่า state_led_off ตอนเริ่มเข้าสถานะจะเรียกฟังก์ชัน led_off

และเมื่อเข้าสถานะแล้วจะเรียกฟังก์ชัน check_button จนกว่าจะมีการออกจากสถานะ จะเรียกฟังก์ชัน NULL ( ไม่กำหนดฟังก์ชัน )  

จากนั้นสร้าง class สำหรับจัดการ State machine ชื่อ fsm โดยกำหนดสถานะเริ่มต้นเป็น state_led_off

Fsm fsm(&state_led_off);

เมื่อเราได้สถานะและกำหนดฟังก์ชันสำหรับการใช้ในสถานะแล้ว เราต้องสร้างเส้นทาง จากสถานะแต่ละสถานะให้ครบ โดยฟังก์ชันสำหรับการใช้สร้างสถานะมีสองแบบคือ add_transition และ add_timed_transition  ในโค้ดเราจะเห็นว่าจะถูกกำหนดในฟังก์ชัน setup คือ

เมื่อดูจากโค้ดด้านบนจะได้ว่า

1.        ตั้ง transition จากสถานะ state_led_off เป็น state_led_on เมื่อมีการเรียก Action BUTTON_EVENT

2.        ตั้ง timed transition จากสถานะ state_led_on เป็น state_led_off เมื่อระยะเวลาผ่านไป 3000 ms (3 วินาที)

โดย BUTTON_EVENT จะถูกเรียกผ่านการสั่งคำสั่ง trigger เช่นปรากฏในฟังก์ชัน check_button() ดังโค้ดด้านล่าง

หลังจากพอเห็นภาพองค์ประกอบรวมๆแล้ว ลองมาดูการใช้งานกับจอ LCD พร้อมปุ่มกดกันครับ

ทำหน้าต่าง LCD เลื่อนไปกลับด้วย Arduino-fsm

     การทำหน้าต่างเลื่อนไปมา สมมติเราออกแบบให้เมื่อกดปุ่มซ้ายขวา จะเป็นการเลื่อนหน้า lcd ไปซ้ายหรือขวา จะสามารถเขียนออกเป็น state-machine ได้ดังรูป

เราจะเห็นว่าในตัวอย่างนี้การเปลี่ยนสถานะจะมีสองการกระทำคือ BUTTON_LEFT และ BUTTON_RIGHT ซึ่งหากแปลงเป็นโค้ดจะได้ดังนี้

อัพโหลดโค้ดลงบอร์ดจะได้ผลตามวิดิโอด้านล่าง

ยังไม่สะใจ ลองสร้างสถานะเพิ่มขึ้นอีกหน่อยเพื่อให้เห็นภาพมากขึ้น เช่น ถ้าเป็นไปที่ page2 ให้เลือกระยะเวลา count down และกด select เพื่อเริ่มจับเวลา เมื่อครบตามเวลาให้แสดงข้อความ finished จากนั้น 3 วินาที ให้กลับไปที่หน้า page2  เราสามารถเขียนเพิ่มสถานะได้ดังรูป

โดยมีสถานะ Countdown และ Countdown Finish เพิ่มเข้ามา และมี transition  เพิ่มเข้ามาอีก เพิ่มเข้ามาอีก  3 เส้น สามารถเขียนโค้ดได้เป็น



เมื่อลองอัพโหลดโค้ดจะได้ผลลัพธ์ดังนี้

เท่านี้เราก็จะได้ระบบการทำงานแบบ State-machine  โดยที่โค้ดไม่ดูยุ่งเหยิงแล้วล่ะครับลองไปปรับใช้กันดู

ธนบดี บุหลันศรีชาติ

ผู้เขียน