第二章 智慧辦公室監控系統-物聯網架構
2-1 章節介紹
本論文智慧辦公室監控系統，開發者使用 ARDUINO UNO R3 主開發板為架 構，在 ARDUINO 開發板有整合容易、操作方便及導入快速等特性，本論文選擇 三種感測器，如溫度及溼度感測器、比流器、超音波感測器等，感測器分別用來 監控辦公室溫度與溼度之環境數據量測，比流器測量電腦用電狀況，超音波感測 器是測量使用者與使用螢幕距離，以上三種感測器能將環境資料轉成數位訊號至 ARDUINO UNO R3 開發板，在 ARDUINO UNO R3 可透過無線網路通訊模組(WIFI) ESP8266，將感測器收集到的資料傳輸至雲端，使用者透過手機無線網路取得雲端 數據，如溫度及濕度資料、距離、耗電等資料。
圖 2.2 物聯網三大架構
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2-2 智慧辦公室監控系統規劃
物聯網算是一個生態系統，生態系統( Ecosystem) 指在一個特定環境內，相互 作用的統稱[5]，物聯網(Internet of Things，IoT) 架構主要分為三層：感知層 (Device)、網路層(Connect)、應用層 (Manage) [6]，在感知層開發者使用感測器量 測環境數據，將資料傳輸至網路層雲端，應用層使用者透過智慧型手機等設備，
取得網路層雲端數據如圖 2.3。
感知層 (Device) 可分為接觸式或非接觸感測器，如溫度、濕度、光度、陀螺 儀、三軸加速器等，此感知層感測器要低功耗、低成本、小體積、更俱備長無線 傳輸距離功能。
網路層 (Connect) 主要討論利用無線網路，有效傳送數據及收集數據。
應用層 (Manage) 主要討論各種應用領域，如大數據分析、遠端控制或監控等。
圖 2.3 智慧辦公室監控系統架構 [6] (https://cacoo.com 網站製圖)
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2-3 ARDUINO UNO R3 開發板介紹
2-3.1 ARDUINO UNO R3 開發板
ARDUINO 是一種開放原始碼的單晶片微控制器，建構於簡易輸出/輸入
（simple I/O）介面板，開發環境類似 Java 與 C 語言 [7]。
ARDUINO UNO R3 可與不同類型感測器元件連結，如超音波感測器、紅外線 感測器、伺服馬達 Servo、LCD 螢幕等。
開發者僅使用 USB 介面連接電腦， 利用 ARDUINO 官方軟體針對開發板燒 錄韌體。
ARDUINO UNO R3 開發板運作電源供應有兩種方式，一種 USB 直接供電，
另一種可接外部電源。
ARDUINO UNO R3 編譯軟體介面如圖2.4，開發環境語法與 C 語言相似。
圖 2.4 ARDUINO UNO R3 編譯介面
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2-3.2 ARDUINO UNO R3 開發板連結電腦
開發者在電腦控制台的裝置管理員內，如 ARDUINO UNO R3 開發板與電腦 硬體驅動連接成功如圖 2.5，開發者在編譯 ARDUINO 開發板前，ARDUINO 編譯 介面需選定正確序列埠，開發板與編譯軟體序列埠相同，才能讓程式運行中正常 如圖 2.6。
圖 2.5 電腦裝置管理員連接埠
圖 2.6 程式開發者電腦端-序列埠選擇連結
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本論文硬體選定無線網路通訊模組(WIFI) ESP8266 板子是使用黑色板子，編 譯程式中 #define baudrate 鮑率要改成 115200 如圖 2.7；若是藍色板子，鮑率則 是 #define baudrate 鮑率要改成 9600，注意在程式運行監控畫面，鮑率選擇對應的 數值如圖 2.8。
圖 2.7 ARDUINO UNO R3 鮑率 115200 設定
圖 2.8 ARDUINO UNO R3 鮑率 115200 顯示
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2-4 感測器介紹
在 ARDUINO UNO R3 開發板可支援搭配不同種感測器，硬體設計規劃可依 產品需求選擇感應器，例如壓力、影像、氣體、光源、溫溼度、比流器、超音波 感測器等，感測器與開發板搭配使用。
2-4.1 比流器 DE-15MCT
電流有兩種基本量測方法[9]，其一種基本電學為歐姆定律如圖 2.9；另一種以 電磁作為量測方法如圖 2.11，本論文使用比流器(Current Transformer，CT) 量測電 流，又稱作電流互感器如圖 2.10。
圖 2.9 歐姆定律電學-基本電學線路圖
圖 2.10 比流器 DE-15MCT
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ARDUINO UNO R3 開發板接腳
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2-4.2 溫濕度感測器 ( DHT22 )
溫濕度感測器( DHT22 )如圖 2.12，DHT22 俱有極高可靠性、穩定性及高性能 8 bit 連接速度，更俱備電容式感測濕度和高精度測溫功能[12]，硬體可應用範圍除 濕機、家電、醫療、空調等。關於 ARDUINO UNO R3 程式撰寫，開發者需透過 兩個程式物件 readTemperature()及 readHumidity()宣告，經以上兩個程式物件獲得 環境溫度及濕度，DHT22 感測器提供 ARDUINO 開發板數位訊號。
圖 2.12 溫濕度感測器 DHT22
表 2-3.2 溫濕度感測器腳位[12]
DHT22 腳位名稱
ARDUINO UNO R3 開發板接腳
功能說明
OUT pin 3 輸出腳位
VCC pin +5V +5V 接點
GND pin GND 共地接點
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2-4.3 超音波感測器 HC-SR04
超音波感測器如圖 2.14，經感測器發出超音波穿透空氣中介質至物體反射回 感測器，計算後可獲得距離，聲波每秒可達距離 340 公尺，物理計算如聲音傳播 1 公分所需時間為 29 百萬分之一秒 (microseconds)，程式撰寫，超音波換算距離公 式如表 2-3.3，在感測器模組，探測距離為 2cm 至 400cm，精度為 0.3 cm，量測角 度為 15 度，超音波感測器可應用在機器人、自走車迴避障礙物或物體測距等相 關應用。
圖 2.14 超音波感測器 HC-SR04
測試距離(Test distance) =高電平時間(high level time) ×聲速 (340M/S) / 2 表 2-3.3 超音波距離計算公式[13]
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超音波感測器接線圖如表 2-3.4，超音波感測器硬體連接 ARDUINO UNO R3 後，在啟用超音波感測器 Trig 腳會先持續發送 10 us TTL (Transistor-Transistor Logic) 脈波( pulse )，並觸發超音波模組發送 8 個連續 40k Hz 聲波，另外 Echo 腳連接訊
ARDUINO UNO R3 開發板接腳
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2-5 無線網路通訊模組(WIFI) ESP8266 介紹
關於無線網路通訊模組(WIFI) ESP8266 完成接線後，第一步 ESP8266 模組連 結電腦燒入韌體參數，開發者請注意使用 ESP8266 板子的顏色，選錯鮑率會導致 無法運作，本論文選 ESP8266 板子是使用黑色板子，程式中的 #define baudrate 鮑 率參數要改成 115200，燒錄參數後，開發者需透過指令(AT Command)確認模組正 常運作。
圖 2.15 無線網路通訊模組(WIFI) ESP8266 接線圖
表 2-3.5 無線網路通訊模組(WIFI) ESP8266 腳位[14]
ESP8266 ARDUINO UNO R3
功能說明
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開發者需使用轉接器模組( PL2303HX )與無線網路通訊模組( Wifi )連接如圖 2.16，完成接線後，此 PL2303HX 轉接器模組連接電腦如圖 2.17，經上述流程後，
開發者使用電腦針對無線網路通訊模組，燒入韌體設定值作業。
圖 2.16 USB 轉 TTL 轉接器與連接 ESP8266 模組接線圖
驅動程式安裝好之後，就可以在「裝置管理員」中看到此模組
圖 2.17 電腦中裝置管理員查看連接埠
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2-5.1 無線網路通訊模組 ESP8266 序列埠設定傳輸驗證
透過無線網路通訊模組 ESP8266，將參數設定值燒入 ESP8266 燒入模組內過 程完成燒錄後，開發者透過指令( AT Command )，驗證 ESP8266 模組與 ARDUINO UNO R3 開發板連結燒錄成功如圖 2.18
圖 2.18 無線網路通訊模組(WIFI)序列埠設定傳輸驗證
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