物聯網

物聯網技術，Internet of Things(IoT)，為一種無線網路技術，透過網際網路或是電 信網路等資訊載體，將各種資訊感測設備，如藍牙與紅外線等感測器、無線射頻辨識 裝置(RFID)、WiFi、全球定位系統等種種裝置，與網際網路結合起來所形成的一個巨 大網路，使他們達成聯網以及溝通等目的。IoT 技術的應用範圍十分廣泛，例如各個 裝置在經過連結過後，可透過此技術查詢裝置之具體位置、接收回傳數據等資料，由 伺服端電腦進行蒐集，並儲存整合為巨量資料，可再利用這些大數據資訊進行分析，

達成早期人力無法取得大量且精確資料的進步 (周碩彥, 2015)。

GS1/EPC global 的前身，麻省理工學院 AutoID 實驗室（MIT AutoID Lab）在 1999 年時提出被稱為 EPC 系統架構的 IoT 技術構想。EPC(Electronic Product Code)被提出 以 RFID 為基礎的 IoT 應用服務，由許多 RFID Reader 與 RFID tag 連結後端系統和網 際網路組成，傳送掃描之 RFID 資訊給後端，儲存資料後再透過網路加密傳送，完成 共享資料，使物品資訊可被標準化。以全球性 RFID 為基礎的物品識別系統 EPC Global Network 其全名為”Electronic Product Code Global Network”，取代原本的 UPC

第二章 蒐集之資料、文獻分析 (Universal Product Code)統一商品條碼，減少不同物流間資料的不流通，免去大量的人 力成本 (Biswas & Giaffreda, 2014)。

歐洲電信標準協會 European Telecommunications Standards Institute (ETSI)將 IoT 劃 分為感知層、網路層與應用層共三層架構，其分類整理圖如圖 2- 4，感知層為技術發 展的基礎，包括 RFID、無線傳感網路(Wireless Sensor Network, WSN)、嵌入式技術 (Embedded Intelligence)，可針對環境的物理或者狀況進行監控，並可接受遠端操作、

設定、管理或控制，與大量支援網路節點等特性。網路層分為無線的電信與數據網路，

以及使裝置與裝置間得以互相溝通的網路協定，由於各個設備都有各自的網路協定，

會造成頻段被佔用或無法溝通等問題而無法使用；再加上雲端計算(Cloud Computing)，

把各個端點設備串聯起來，讓雲端電腦查詢、儲存、運算各裝置使用的數據，減少各 個裝置的硬體設置成本。應用層則是物聯網與各專業技術的整合，針對不同狀態與蒐 集到的不同資訊進行有效性分析與評估，或收集來自每一個裝置或設備之感測器的數 據資料，進行業務邏輯分類與分析判斷，並且提供相關的服務，並依照感知設備的數 據，變化各種使用方式，結合不同功能達成使用者的需求 (Hada & Mitsugi, 2011)。

圖 2- 4 物聯網三層架構 (資料來源：本研究自行繪製)

機器對機器通訊 (M2M, Machine to Machine)旨在裝置與裝置間能直接透過網路 進行通訊交流，不需透過人為干涉的一種系統模式，為物聯網主要應用方式之一，應 用於無線通信網路，使一個集中器(Concentrator)作為數據的轉發器，透過智能電表 (Smart meter)蒐集、儲存數據封包，再由 M2M 閘道(Gateway)開始發送數據封包至基地 台(Base station)。

感測器(sensor)應用於偵測場域環境中的變化，將數據訊息藉由網路等媒介傳送至

其他裝置；物聯網在硬體方面大致可為前端節點(node)、閘道(gateway)、以及後端雲 端(cloud)，微機電系統(Microelectromechanical Systems, MEMS)在此扮演蒐集訊號數值 給智慧型裝置(smart device)的感測器，再將大量蒐集得來的資料透過閘道傳往雲端儲 存運算；物聯網可利用 MEMS 有效滿足低功耗、精簡小巧、合乎成本效益等訴求 (Czurak, Maj, Szermer, & Zabierowski, 2018)。

當室內發生火災時，最需要關切的問題是要如何落實災害早期的避難動作，使傷 亡人數降到最低。物聯網感知層之設備，可使用來進行早期監測動作，因此需要使用 煙霧、溫度、火點、氣體濃度等等感測器終端設備，感測取得之數據結果，經由閘道 傳送訊息，觸發控制器開始後續動作。

為精進智慧型避難引導系統，沿用本所先前研究成果，運用無線感測網路技術，

蒐集場域中的溫度、氣體濃度與火點感測等等相關環境資訊，並且加入藍牙 5.0 技術，

利用室內定位節點提供室內環境精準定位，提升所內研發之 RFID 室內定位輔助技術，

回傳至中央監控系統，提供機器人位置引導及人員位置引導，即時回傳數據交由系統 演算，隨時更動智慧型避難引導系統的輸出結果。

利用物聯網平台整合具多元感知設備，使其通訊協定皆可溝通，建置一具有溫度、

濕度、照度以及煙霧等環境感測系統，使不同裝置間具有節、溝通的管道提供最佳化 室內人員定位，提供室內移動設備及人員引導，使物聯網設備，統一結合此平台完成 即時資料訊息交流。

壹、 感測器開發板套件

一、Arduino UNO R3

圖 2- 5 Arduino UNO R3

第二章 蒐集之資料、文獻分析 ArduinoUNO R3(圖 2- 5)為一種單晶片微控制器，使用 Atmel AVR 的 8 位元晶片，

建構於簡易輸入、輸出的介面板，採用開放式原始碼的軟硬體平台，使用類似 C 語言 的開發環境。可由 USB 連接埠、電源輸入插座、Vin 腳位三種方式提供電源。具備類 比以及數位接腳，類比腳位可輸出高電位 5V 與低電位 0V 的訊號，也可進行訊號輸入；

類比訊號有 A0 至 A5 六個腳位，可用來接收類比電壓輸入，但無法輸出類比電壓，需 透過其他腳位進行 PWM 模擬。

二、Raspberry pi(樹莓派)

圖 2- 6 Raspberry pi(樹莓派) (資料來源：台灣樹莓派)

Raspberry Pi(圖 2- 6)是一款由 Linux 作業系統為基底的單晶片電腦，由英國樹莓派 基金會所開發，以低價硬體開發為目的，並分 A、B 兩種型號，Python 程式為第一個 移植到樹莓派上執行的程式類別。基本配備一枚博通半導體公司（Broadcom）出產的 ARM 架構 700MHz BCM2835 處理器、256MB 記憶體（B 型為 512MB 記憶體），使用 SD 卡方式作為儲存媒體，且擁有一個 Ethernet、兩個 USB 介面、以及支援聲音輸出 的 HDMI 和 RCA 端子輸出支援。

三、AppsBee ZigBee 2.4G RO、CO

圖 2- 7 AppsBee ZigBee 2.4G(CO) (資料來源：Appsduino)

AppsBee 系列 ZigBee 擴充板是一個專為 Arduino 打造的 ZigBee 的擴充板(圖 2- 7)，

可將擴充板直接插入 Arduino 的接腳插槽內，不需再透過其他轉接板。模組基於 TI 高 性能低功耗的 2.4G 射頻收發晶片 CC2530 及大功率低雜訊射頻前端晶片 CC2591，體 積小，信號好，具有性能穩定、低功耗、遠距離、大量 ZigBee 無線傳感器組網的能力。

開發過程簡化為 UART 與 IO 腳位控制的簡單操作，而 AppsBee 擴充板也能藉由開放 硬體 Arduino，連結眾多感測器與程式庫(Libraries)，讓使用者易於操作。

貳、 終端設備

一、PT100 溫度感測器+溫度轉換器

(A) PT100 溫度感測器 (B)溫度轉換器(0~5V@0 ~ 300°C)/24V 圖 2- 8 溫度感測器

(資料來源：賀利氏材料科技)

測量環境溫度，使用 PT100 電阻型高溫探頭，提供 24V 電源，利用電位差異進行 測量資訊傳遞，為提供數據採集便利性，本研究使用溫度轉換器連接高溫探頭以及主 板(圖 2- 8)，主要為測量 0 至 300 度的溫度變化，讓測量環境溫度之數值產生線性特性，

使數據更加純化且正確可採信。

二、MQ136 H2S Sensor

第二章 蒐集之資料、文獻分析 (資料來源：漢威電子)

MQ136 H2S Sensor(圖 2- 9)利用氣體感測特性來驅動金屬特性，而產生微小的電 阻變化，透過雙路信號輸出，具有信號輸出指示，模擬量輸出 0~5V 電壓，回傳之電 壓越高代表濃度越高。對硫化氫、天然氣、煤氣、煙霧有較好的靈敏度。此感測器使 用上需提供 5V 直流電，通電後燠熱經過 20 秒左右，即可測量穩定數據。

三、Multichannel Gas Sensor

圖 2- 10 Multichannel Gas 感測器 (資料來源：Seeedstudio)

多通道有害氣體感測器(圖 2- 10)內建 MiCS-6814 單晶片，可以偵測多種對人體有 害的氣體，傳感器可以針對一氧化碳、二氧化氮、乙醇、氫氣、氨氣、甲烷、丙烷、

異丁烷七種不同氣體進行採集，可同時針對三種不同氣體做接收動作，但為了讓感測 器能夠確實且精準抓取環境數據，本研究僅選擇 NO2 與 NH3 數據進行採集。

四、CO Sensor

圖 2- 11 NAP-505M 感測器 (資料來源：艾格倫科技)

一氧化碳感測器 NAP-505M(圖 2- 11)是日本最平民化的環境中的一氧化碳氣體蒐 集的感測器。在智慧環境的建築中，NAP-505M 是在價位與精準兩者之間的最佳選擇，

其工作原理是利用電化學式檢測電極的氧化還原方式進行檢測空氣中 1,000ppm 以內

的 CO 含量，且完全不受濕度影響。

五、CO2 Sensor

圖 2- 12 MH-Z19B 感測器 (資料來源：煒盛科技)

二氧化碳感測器 MH-Z19B(圖 2- 12)，為 NDIR 非色散式紅外線氣體感測器，利用 氣體對紅外線特殊波長的吸收特性與氣體濃度與吸收量呈正比之特性，測量氣體濃度 由 0 至 5000ppm，其氣室採用鍍金處理，具有防水以及防腐蝕性，並同時有數字輸出、

模擬輸出及 PWM 輸出，方便使用者同時接收。二氧化碳對 4.3µm 波長之紅外線的吸 收性最強，因而得以使用涵蓋此範圍的元件進行氣體濃度偵測。