ไพทอนบนเครื่องคิดเลข

ช่วงนี้ผมมีโอกาสทำงานใกล้ชิดกับภาคสนาม ทำให้มีโอกาสได้จับและใช้เครื่องคิดเลขมากกว่าปกติ ในเวลาที่ผ่านมาไม่ถึงเดือนผมได้ซื้อเครื่องคิดเลข Casio fx-CG50 Prizm เคสสีขาว ที่ซื้อมาเพราะทราบว่าถ้า update OS เป็นรุ่น 3.20 จะสามารถใช้ ไพทอน (Python) ได้ ก็ขอหมายเหตุสักนิดว่าเป็นไมโครไพทอน (Micropython) ที่ทางทีมงาน Micropython ได้พอร์ตออกมาให้มีขนาดเล็กเพื่อเอาไปรันในบอร์ด iOT ได้ หรือบอร์ดที่เป็นไมโครคอนโทรลเลอร์ทั้งหลาย เน้นขนาดเล็ก หน่วยความจำต่ำ กินไฟน้อย ต่ออินเทอร์เน็ตได้ในตัว ผมจะไม่มุ่งไปทางนี้หรอกครับ ในบทความนี้ แต่จะพูดถึงเครื่องคิดเลขคาสิโอ ที่นำเอาไมโครไพทอนมาลงเครื่องคิดเลขรุ่นนี้ เพราะว่าไมโครไพทอนกินหน่วยความจำต่ำ ก็เลยเหมาะสมที่จะเอามารันในเครื่องคิดเลขที่มีทรัพยากรต่ำอยู่แล้ว ให้เกิดประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นไป

เป็นที่ทราบกันว่าไพทอนในปัจจุบันมีความนิยมมากยิ่งขึ้น เนื่องจากเรียนรู้ได้ง่าย เขียนง่าย อ่านง่าย ทรงพลัง แต่สำหรับไมโครไพทอน เนื่องจากออกแบบให้มีขนาดเล็ก ดังนั้นไลบรารีต่างๆที่ใช้ได้ในไพทอนรุ่นใหญ่ จะสามารถนำมาใช้กับไมโครไพทอนได้ต้องมีการพอร์ตใหม่ อาจจะลดฟังก์ชั่นหรือลดสิ่งไม่จำเป็นออก ทำให้มีขนาดเล็กลง ดังนั้นผมทำใจในจุดนี้อยู่แล้ว ว่าไม่สามารถเอาไลบรารีรุ่นใหญ่มารันได้แน่นอนเช่น pyproj, mathplotlib

สำหรับเครื่องคิดเลขที่ใช้ในแวดวงวิศวกรรม โปรแกรมที่เขียนด้วยไมโครไพทอนที่มีไลบรารี math หรืออาจจะเสริมด้วยไลบรารีพวกเมตริก (matrix) น่าจะพอนำมาเขียนใช้งานกันได้

 การพัฒนาโปรแกรมด้วยชุดพัฒนาโปรแกรมภาษาซี (Software Development Kit)

นี่เป็นความข้องใจของผมในฐานะแฟนเครื่องคิดเลขคาสิโอ รุ่น fx-9860G ทางคาสิโอจัดทำ SDK ให้สามารถเขียนโปรแกรมด้วยภาษาซี ที่ผมเขียนโปรแกรมมาแจกใช้ในแวดวงงานสำรวจแล้วหลายโปรแกรม แต่รุ่นนี้กลับไม่ทำมาให้  (ที่จริงไม่ทำมาให้ตั้งแต่ fx-CG10/fx-CG20)ไม่ทราบว่าเพราะเหตุใด เครื่องคิดเลขรุ่นนี้ไม่มี SD Card แต่ทดแทนด้วยการใส่ Flash memory มา 16 MB  ซึ่งก็พอจะใส่โปรแกรมใช้งานได้มากโขอยู่ หรือคิดว่ามีไมโครไพทอน มาให้แล้วน่าจะตอบโจทย์ได้หมด แต่ผมก็ไม่คิดอย่างนั้น ยังมีโปรแกรมเมอร์ภาษาซีอีกพอสมควร และในสภาพแวดล้อมของเครื่องคิดเลขจริงๆ โปรแกรมที่เขียนด้วยภาษาซีจะเร็วกว่าไพทอนอยู่แล้ว แต่ไพทอนได้เปรียบในด้านความง่าย

 เครื่องมือพัฒนาโปรแกรมของชุมชน

ยังมีชุมชนของนักพัฒนาที่สร้าง SDK  ขึ้นมาใช้งานเอง มีประมาณ 2-3 กลุ่มแต่สุดท้ายดูเหมือนไม่มีความเคลื่อนไหวกันมาหลายปีแล้ว เครื่องมือที่มีชื่อเสียงมากที่สุดคือ PrizmSDK และอีกอันคือ mini-SDK ผมเองใช้ไลบรารี MyLib แต่เผอิญผู้พัฒนาได้ทำไว้สำหรับเครื่อง fx-9860G เท่านั้น ไม่เป็นไรขอมุ่งลองไพทอนบนเครื่องคิดเลขรุ่น fx-CG50 นี้ก่อน ถ้าพัฒนาโปรแกรมด้วยภาษาซี ผมก็ยังมุ่งไปที่เครื่องคิดเลข fx-9860G เหมือนเดิม 

ผมลองเขียนโปรแกรมทดสอบเล็กๆลองดูด้วยเครื่องมือ PrizmSDK ก็ได้ดังรูปข้างล่าง (โปรแกรมไม่มีอะไรมีแต่เมนู) เทียบกับโปรแกรม System Manager ที่มากับเครื่อง

คุณสมบัติของเครื่องคิดเลข

โดยรวมรวมแล้วเครื่องคิดเลขนั้นเหมาะสำหรับนักศึกษามาก เพราะมีฟังก์ชั่นคณิตศาสตร์ การเงิน สถิติ มีกราฟมากมายให้ใช้ แต่สำหรับผมแล้วไม่มีอะไรต้องใช้เลย ยกเว้นเรื่องโปรแกรมบนเครื่องคิดเลขอย่างเดียว ถ้าไม่มีสิ่งนี้ก็ใช้เป็นที่ทับกระดาษได้เลย เครื่องรุ่นนี้ใช้โปรเซสเซอร์ตระกูล SH4 ขนาดหน้าจอ 384 x 216 จอ LCD จำนวนสี 65000 สี มีความสว่างพอสมควรและปรับได้ ความกว้างหน้าจอแบบทะแยง 3.17 นิ้ว หน่วยความจำของเครื่อง 60 KB มี Flash memory ที่สามารถเขียนอ่านได้ 16  MB ซึ่งจะเป็นที่เอาไว้เก็บโปรแกรมหรือข้อมูล ใช้ถ่าน AAA 4 ก้อน  เท่าที่ผมเปิดเครื่องใช้บ้างในแต่ละวันมาประมาณสองสัปดาห์ พบว่าแบตเตอรี่ลดลงมานิดหนึ่ง อนาคตอาจจะหาถ่านชาร์จมาใช้ ตอนนี้ใส่อัลคาไลน์ไปก่อน

ประเดิมโปรแกรมด้วยไพทอน

จะลองโปรแกรมทั้งทีผมพยายามให้โปรแกรมมีขนาดซับซ้อนมานิดหนึ่ง  และเรียกใช้โมดูลด้วย คิดไปคิดมาก็เลยจะลองโปรแกรมแปลงค่าพิกัดระหว่างค่าพิกัดภูมิศาสตร์กับค่าพิกัดยูทีเอ็ม เนื่องจากไม่ค่อยมีเวลาเขียน เลยลองหาไลบรารีที่ท่านอื่นได้ทำไว้ ผมเคยเกริ่นไปแล้วข้างต้นว่าไลบรารีรุ่นใหญ่เช่น pyproj ไม่สามารถเอามาใช้ได้ ลองค้นดูพบว่ามีไลบรารีไพทอนเล็กๆ ชื่อ utm มีสัญญาอนุญาตเป็น MIT-License ผมเอาโค้ดมาดัดแปลงนิดหน่อยให้เหมาะสมกับเครื่องคิดเลข แล้วเขียนไปอยู่ในไฟล์ utm.py เพื่อให้สะดวกเวลาเรียกใช้

การเขียนโปรแกรมไพทอน ถ้าไปเขียนบนเครื่องคิดเลข จะชักช้าเสียเวลาครับ เนื่องจากไมโครไพทอน พอร์ตไลบรารีเช่น math แล้ว ดังนั้นถ้าโปรแกรมของเราไม่ได้ใช้อะไรพิศดารมาก ก็สามารถมาเขียนโค้ดบน PyCharm หรือ Idle ได้ ผมเลือก PyCharm เมื่อทดสอบโปรแกรมเสร็จสามารถ โอนโปรแกรมเข้าไปไว้ในเครื่องด้วยการต่อเครื่องคิดเลขด้วยสาย USB เข้ากับคอมพิวเตอร์ที่รันวินโดส์ตามผังด้านล่าง

เมื่อรันโปรแกรมได้ตามความต้องการแล้วจากนั้นก็เอาเครื่องคิดเลขมาต่อกับคอมพิวเตอร์ วินโดส์จะมองเห็นเป็นไดรว์ สามารถใช้ File Explorer ก๊อปปี้โปรแกรมจากคอมพิวเตอร์ไปยังเครื่องคิดเลขได้ ตัวโค้ดโปรแกรมไลบรารีดูได้ด้านล่างครับ

import math
#from utm.error import OutOfRangeError

__all__ = ['to_latlon', 'from_latlon']

K0 = 0.9996

E = 0.00669438
E2 = E * E
E3 = E2 * E
E_P2 = E / (1.0 - E)

SQRT_E = math.sqrt(1 - E)
_E = (1 - SQRT_E) / (1 + SQRT_E)
_E2 = _E * _E
_E3 = _E2 * _E
_E4 = _E3 * _E
_E5 = _E4 * _E

M1 = (1 - E / 4 - 3 * E2 / 64 - 5 * E3 / 256)
M2 = (3 * E / 8 + 3 * E2 / 32 + 45 * E3 / 1024)
M3 = (15 * E2 / 256 + 45 * E3 / 1024)
M4 = (35 * E3 / 3072)

P2 = (3. / 2 * _E - 27. / 32 * _E3 + 269. / 512 * _E5)
P3 = (21. / 16 * _E2 - 55. / 32 * _E4)
P4 = (151. / 96 * _E3 - 417. / 128 * _E5)
P5 = (1097. / 512 * _E4)

R = 6378137

ZONE_LETTERS = "CDEFGHJKLMNPQRSTUVWXX"

class OutOfRangeError(ValueError):
    pass

def to_latlon(easting, northing, zone_number, hemi):

    northern = (hemi == 'N')

    x = easting - 500000
    y = northing

    if not northern:
        y -= 10000000

    m = y / K0
    mu = m / (R * M1)

    p_rad = (mu +
             P2 * math.sin(2 * mu) +
             P3 * math.sin(4 * mu) +
             P4 * math.sin(6 * mu) +
             P5 * math.sin(8 * mu))

    p_sin = math.sin(p_rad)
    p_sin2 = p_sin * p_sin

    p_cos = math.cos(p_rad)

    p_tan = p_sin / p_cos
    p_tan2 = p_tan * p_tan
    p_tan4 = p_tan2 * p_tan2

    ep_sin = 1 - E * p_sin2
    ep_sin_sqrt = math.sqrt(1 - E * p_sin2)

    n = R / ep_sin_sqrt
    r = (1 - E) / ep_sin

    c = _E * p_cos**2
    c2 = c * c

    d = x / (n * K0)
    d2 = d * d
    d3 = d2 * d
    d4 = d3 * d
    d5 = d4 * d
    d6 = d5 * d

    latitude = (p_rad - (p_tan / r) *
                (d2 / 2 -
                 d4 / 24 * (5 + 3 * p_tan2 + 10 * c - 4 * c2 - 9 * E_P2)) +
                 d6 / 720 * (61 + 90 * p_tan2 + 298 * c + 45 * p_tan4 - 252 * E_P2 - 3 * c2))

    longitude = (d -
                 d3 / 6 * (1 + 2 * p_tan2 + c) +
                 d5 / 120 * (5 - 2 * c + 28 * p_tan2 - 3 * c2 + 8 * E_P2 + 24 * p_tan4)) / p_cos

    return (180/math.pi*(latitude),
            180/math.pi*(longitude) + zone_number_to_central_longitude(zone_number))


def from_latlon(latitude, longitude, force_zone_number=None):
    if not -80.0 <= latitude <= 84.0:
        raise OutOfRangeError('latitude out of range (must be between 80 deg S and 84 deg N)')
    if not -180.0 <= longitude <= 180.0:
        raise OutOfRangeError('longitude out of range (must be between 180 deg W and 180 deg E)')

    lat_rad = math.pi/180*(latitude)
    lat_sin = math.sin(lat_rad)
    lat_cos = math.cos(lat_rad)

    lat_tan = lat_sin / lat_cos
    lat_tan2 = lat_tan * lat_tan
    lat_tan4 = lat_tan2 * lat_tan2

    if force_zone_number is None:
        zone_number = latlon_to_zone_number(latitude, longitude)
    else:
        zone_number = force_zone_number

    #zone_letter = latitude_to_zone_letter(latitude)
    if (latitude >= 0):
      hemi = 'N'
    else:
      hemi = 'S'

    lon_rad = math.pi/180*(longitude)
    central_lon = zone_number_to_central_longitude(zone_number)
    central_lon_rad = math.pi/180*(central_lon)

    n = R / math.sqrt(1 - E * lat_sin**2)
    c = E_P2 * lat_cos**2

    a = lat_cos * (lon_rad - central_lon_rad)
    a2 = a * a
    a3 = a2 * a
    a4 = a3 * a
    a5 = a4 * a
    a6 = a5 * a

    m = R * (M1 * lat_rad -
             M2 * math.sin(2 * lat_rad) +
             M3 * math.sin(4 * lat_rad) -
             M4 * math.sin(6 * lat_rad))

    easting = K0 * n * (a +
                        a3 / 6 * (1 - lat_tan2 + c) +
                        a5 / 120 * (5 - 18 * lat_tan2 + lat_tan4 + 72 * c - 58 * E_P2)) + 500000

    northing = K0 * (m + n * lat_tan * (a2 / 2 +
                                        a4 / 24 * (5 - lat_tan2 + 9 * c + 4 * c**2) +
                                        a6 / 720 * (61 - 58 * lat_tan2 + lat_tan4 + 600 * c - 330 * E_P2)))

    if latitude < 0:
        northing += 10000000

    return easting, northing, zone_number, hemi


def latitude_to_zone_letter(latitude):
    if -80 <= latitude <= 84:
        return ZONE_LETTERS[int(latitude + 80) >> 3]
    else:
        return None


def latlon_to_zone_number(latitude, longitude):
    if 56 <= latitude < 64 and 3 <= longitude < 12:
        return 32

    if 72 <= latitude <= 84 and longitude >= 0:
        if longitude <= 9:
            return 31
        elif longitude <= 21:
            return 33
        elif longitude <= 33:
            return 35
        elif longitude <= 42:
            return 37

    return int((longitude + 180) / 6) + 1


def zone_number_to_central_longitude(zone_number):
    return (zone_number - 1) * 6 - 180 + 3

โปรแกรมแปลงพิกัดภูมิศาสตร์ในภาคไพทอน

ผมเขียนไพทอนเป็นโมดูลอีกโมดูลเพื่อเรียกใช้ไลบรารี ตั้งชื่อว่า UTM2GEO.py โดยที่เขียนเมนูติดต่อการใช้งานง่ายๆ

from utm import *
   
def print_menu():
  print(5*'-',"MENU",5*'-')
  print('1: UTM to GEO')
  print('2: GEO to UTM')
  print('0: Exit')
  
def geo2utm(lon,lat):
  east,north,zn,hem=from_latlon(lat,lon)
  print("North={0:11.3f}".format(north))
  print("East={0:10.3f}".format(east))  
  print("UTM Zone No={0:0d}{1}".format(zn,hem))
    
def utm2geo(e,n,zoneno,hemi):
  lat,lon=to_latlon(e,n,zoneno,hemi)
  print("Latitude={0:11.7f}".format(lat))
  print("Longitude={0:10.7f}".format(lon))   
      
loop=True
while loop:      
  print_menu()
  choice=int(input('Selection[0-2]'))
  if (choice==0):
    loop=False
  elif (choice==1):
    loop=True
    y=float(input("Northing="))
    x=float(input("Easting="))
    zn=int(input("Zone No="))
    hem=input("Hemi (N/S)=")
    utm2geo(x,y,zn,hem)
  elif (choice==2):
    loop=True
    y=float(input("Latitude="))
    x=float(input("Longitude="))
    geo2utm(x,y)   
 

วิธีก๊อปปี้โปรแกรม

จากนั้นผมก๊อปปี้สองไฟล์คือ utm.py  และ UTM2GEO.py ลงบนไดรว์เครื่องคิดเลขดังนี้

ผมเก็บไว้ที่ไดเรคทอรี \SAVE-F\PROGRAM เวลาจะถอดสาย USB เพื่อเลิกการเชื่อมต่อต้อง Safely removal โดยการคลิกเมาส์ขวา “Eject” ที่ File Explorer จากนั้นมาที่เครื่องคิดเลขจากให้กดคีย์ “EXE” และ “EXIT” ตามลำดับ ถ้าไม่ทำไฟล์อาจจะไม่ได้ซิงค์กันอาจจะหายหรือไม่สมบูรณ์ได้ ที่เครื่องคิดเลขกดคีย์ “MENU” เลือก “Python“

แปลงพิกัดจากค่าพิกัดภูมิศาสตร์เป็นค่าพิกัดยูทีเอ็ม

จากรูปด้านบนกดคีย์ F1-Run จะเห็นหน้าจอขึ้นเมนูติดต่อมาง่ายๆ

เราจะเลือกแปลงพิกัดจากค่าพิกัดภูมิศาสตร์ไปเป็นค่าพิกัดยูทีเอ็มเลือกกดคีย์ “2” ที่เครื่องคิดเลขแล้วกดคีย์ “EXE” ป้อนค่าพิกัด Latitude = 39.95259668 Longitude  = -75.15132081 (ป้อนเป็นหน่วยดีกรี ในตอนนี้ยังไม่รับค่าแบบอื่น) จะได้ผลการคำนวณออกมา เนื่องจากในตอนนี้ไม่มีคำสั่งเบรคการแสดงผลเมื่อเขียนด้วยไพทอน (เอาละจะมาบ่นทีหลัง ว่าใส่ไพทอนมาแล้วทางคาสิโอไม่ให้เครื่องมืออะไรมาเลย) การจะดูผลลัพธ์ ผู้ใช้ต้องกดคีย์ “0” เพื่อออกจากโปรแกรมและใช้ลูกศรกดขึ้นไปทางด้านบนเพื่อไปดูผลลัพธ์

จะได้ค่า Northing = 4422506.896 Easting = 487074.371 อยู่ในโซน 18N

แปลงพิกัดจากค่าพิกัดยูทีเอ็มเป็นค่าพิกัดภูมิศาสตร์

ทำการรันโปรแกรมใหม่อีกครั้ง ที่เมนูเลือกกดเลข “1” ป้อนค่าพิกัด Northing = 2642783.110 Easting =232030.949 UTM Zone No = 46 Hemi = N

ดูค่าผลลัพธ์ได้ (กดคีย์ “0” ออกจากเมนูก่อนแล้วเลื่อนขึ้นไปดู)

สรุปการใช้งาน

ตอนแรกผมคาดหวังจากที่ทางคาสิโอเอาไมโครไพทอนมาลงเครื่องคิดเลขรุ่นนี้ ยังไงการเขียนโปรแกรมใช้งานยังไงๆผลลัพธ์ที่ออกมาก็ต้องระดับเทพ เพราะไพทอนมันทรงพลังด้วยตัวของมัน แต่เมื่อลองแล้วผิดหวังมาก จนบัดนี้คาสิโอ้ยังไม่ได้ออกคู่มือแสดงฟังก์ชั่นที่ไพทอนสามารถเรียกมาใช้ได้ มีฟังก์ชั่น input กับ print สองฟังก์ชั่นนี้เท่านั้น เพียงแค่ผมค้นหาฟังก์ชั่น clear screen หน้าจอยังทำไม่ได้ ฟังก์ชั่นที่ต้องการสนับสนุนได้แก่การเขียนเมนูที่เรียกใช้ด้วยคีย์ F1 ถึง F6 การปริ๊นท์แสดงสีต่างๆ การเรียกใช้ฟังก์ชั่นกราฟต่างๆหรือพล็อทกราฟ หรือใช้งานเมตริก เป็นต้น

เอาละตอนนี้ไพทอนที่ปรากฎบน OS รุ่น 3.20 เพิ่งออกมาเตือนตุลาคม 2018 (ขณะที่เขียนบทความนี้เดือนพฤศจิกายน 2018) คงต้องให้เวลาสักพักว่าจะเป็นอย่างไร บอกตามตรงว่าคงต้องเอาเครื่องคิดเลขรุ่นนี้มาทับกระดาษอีกสักพักใหญ่ๆ