Moving Average Filter

Lab 4: Moving Average Filter

วัตถุประสงค์

• เพิ่ม Circular Buffer สำหรับเก็บข้อมูล

• เพิ่มฟังก์ชัน Moving Average Filter

• ลด noise ของข้อมูล sensor gพื่อ “ทำให้ข้อมูลจาก sensor นิ่งขึ้น” โดยลด noise แบบสุ่ม

4.1 Concept: Moving Average Filter

Moving Average = ค่าเฉลี่ยของ N samples ล่าสุด

สูตรหลักของ Moving Average (ค่าเฉลี่ยของ N ตัวล่าสุด)

ให้ x[k] คือ sample ล่าสุด ณ เวลา k และใช้หน้าต่างยาว N

$$y[k]  =   \frac{1}{N}\sum_{i=0}^{N-1} x[k-i]$$

ตัวอย่าง (N=5):

samples = [9.8, 9.9, 10.1, 9.7, 9.8]

average = (9.8 + 9.9 + 10.1 + 9.7 + 9.8) / 5 = 9.86

ข้อดี:

• ลด noise แบบสุ่ม

• ข้อมูลราบเรียบขึ้น

ข้อเสีย:

• มี delay (latency)

• ตอบสนองช้าลง

4.2 เพิ่มโค้ดใน sensor_hub_daq_task.c

อันนี้คือ “ความหมาย” ของ moving average แบบตรงตัว (เหมือนที่เขียนในหัวข้อ concept)

---

4.2.1 สูตรแบบ “ทำเร็ว” ด้วยตัวแปร sum (ดังแสดงในโค้ด)

โค้ดของคุณทำแนวนี้:

• ถ้า buffer เต็มแล้ว: ลบค่าที่จะถูกเขียนทับออกจาก sum

• ใส่ค่าใหม่ แล้วบวกเข้า sum

• ค่าเฉลี่ย = sum / count

เขียนเป็น LaTeX ได้แบบนี้ (เมื่อ buffer เต็มแล้ว count=N):

$$S[k]  =  S[k−1]  −  x[k−N]  +  x[k]$$

$$y[k]  =  \frac{S[k]}{N}$$

กรณีช่วงเริ่มต้นที่ยังไม่ครบ N ตัว (เหมือน count++ ในโค้ด):

$$y[k]  =  \frac{S[k]}{\text{count}}, \quad \text{โดยที่ } \text{count}=\min(k+1,\,N)$$

4.2.2 สูตร “Circular Buffer index” (head ที่วนด้วย modulo)

ในโค้ดมีประมาณ:

$$head←(head+1) mod N$$

(ใช้สื่อว่า index วนกลับไป 0 เมื่อครบหน้าต่าง)

/* เพิ่ม Macro */
#define FILTER_WINDOW_SIZE      (10)    /* 10 samples = 1 second at 10Hz */

/* เพิ่ม Circular Buffer Structure */
typedef struct {
    float buffer[FILTER_WINDOW_SIZE];
    uint32_t head;
    uint32_t count;
    float sum;
} moving_avg_filter_t;

/* Global filter objects */
static moving_avg_filter_t mag_filter = {0};

/*******************************************************************************
 * Function Name: filter_init
 *******************************************************************************
 * Summary:
 *   Initialize the moving average filter
 ******************************************************************************/
static void filter_init(moving_avg_filter_t *filter)
{
    memset(filter, 0, sizeof(moving_avg_filter_t));
}

/*******************************************************************************
 * Function Name: filter_update
 *******************************************************************************
 * Summary:
 *   เพิ่มค่าใหม่เข้า filter และคืนค่าเฉลี่ย
 *
 * Parameters:
 *   filter: pointer to filter object
 *   new_value: ค่าใหม่ที่จะเพิ่ม
 *
 * Return:
 *   float: ค่าเฉลี่ยปัจจุบัน
 *
 * Algorithm:
 *   1. ลบค่าเก่าที่กำลังจะถูกแทนที่ออกจาก sum
 *   2. เพิ่มค่าใหม่เข้า buffer และ sum
 *   3. อัพเดท head pointer (circular)
 *   4. คืนค่า sum / count
 ******************************************************************************/
static float filter_update(moving_avg_filter_t *filter, float new_value)
{
    /* ลบค่าเก่าออกจาก sum (ถ้า buffer เต็มแล้ว) */
    if (filter->count >= FILTER_WINDOW_SIZE)
    {
        filter->sum -= filter->buffer[filter->head];
    }
    else
    {
        filter->count++;
    }

    /* เพิ่มค่าใหม่ */
    filter->buffer[filter->head] = new_value;
    filter->sum += new_value;

    /* เลื่อน head pointer */
    filter->head = (filter->head + 1) % FILTER_WINDOW_SIZE;

    /* คืนค่าเฉลี่ย */
    return filter->sum / (float)filter->count;
}

/*******************************************************************************
 * Function Name: filter_get_average
 *******************************************************************************
 * Summary:
 *   อ่านค่าเฉลี่ยปัจจุบันโดยไม่เพิ่มค่าใหม่
 ******************************************************************************/
static float filter_get_average(const moving_avg_filter_t *filter)
{
    if (filter->count == 0) return 0.0f;
    return filter->sum / (float)filter->count;
}

4.3 เพิ่มการเรียกใช้ใน Main Loop

/* เพิ่มตัวแปร */
float filtered_magnitude = 0.0f;

/* ใน initialization (ก่อน for loop) */
filter_init(&mag_filter);

/* ใน for(;;) loop หลังจาก calculate_magnitude() */
filtered_magnitude = filter_update(&mag_filter, magnitude);

printf("Magnitude: Raw=%6.3f, Filtered=%6.3f m/s²\n",
       (double)magnitude, (double)filtered_magnitude);

/* ใช้ filtered_magnitude สำหรับ motion detection */
motion_state = detect_motion(filtered_magnitude);

4.4 Output ที่คาดหวัง

Magnitude: Raw= 9.856, Filtered= 9.812 m/s²
Motion: STATIONARY   (dev: 0.00 g)

[เมื่อเขย่า - สังเกตว่า Filtered เปลี่ยนช้ากว่า Raw]
Magnitude: Raw=12.345, Filtered=10.456 m/s²
Motion: LIGHT MOTION (dev: 0.07 g)

---

จบ Session 2 | ต่อไป: Session 3: LVGL Display