系統組成 系統組成 系統組成 系統組成

本研究使用之無線傳輸模組、數據計錄模組、即時時間模組、感 測器以及微控制器，以可插拔方式配置於客製化電路板上，以便於維 護，並連同電源供應模組放置於防水耐候之電子盒中，其下方可連結 分佈式土壤水分計。透過客戶端與伺服器端建構之區域無線網路，以 及感測器擷取之數據，可進行即時邊坡監測，其系統運作示意圖如圖 3.12 所示，無線土層監測系統之部分包括: (1)微控制器、(2)無線傳輸模

組、(3)時鐘與數據儲存模組及(4)感測器等，除感測器外各部分說明如 下。

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圖 3.12 系統運作系統運作系統運作系統運作示意圖示意圖示意圖示意圖 3.3.1 微處理器微處理器微處理器微處理器

微控制器(MCU)，又稱單晶片微電腦(Single-chip Microcomputer)，

是把中央處理器、記憶體、定時/計數器（timer/counter）、各種輸入輸 出介面等都整合在一塊積體電路晶片上的微型電腦。基於開放原始碼 之開發平台，允許使用者發展符合特殊需求的模組，整合 SPI、UART、

I²C 及 GPIO 等通訊界面，建構易於輸入/輸出之開發板。

微控制器可將程式邏輯帶入監測架構中，藉由簡易之迴圈、布林 參數可將監測架構升級為智慧化感測，使用者可自行設定擷取頻率或 寫入特定觸發條件讓微控制器進行特定動作，作為智慧型無線感測模 組之基礎，MCU 之選擇可基於接腳數量、省電、系統穩定性與開發程 式撰寫的難易程度進行抉擇，於智慧型無線模組中可比喻為大腦，進 行所有電子元件之連接、監測數值之取得、傳送與邏輯判斷等工作。

透 過 Arduino 開 發 之 整 合 開 發 環 境 (Integrated Development Environment, IDE)可進行韌體撰寫，IDE 為一整合文字編譯器(Editor)、

編譯器(Compiler)、連結器(Linker)及除錯器(Debugger)之軟體，使用與

C 語言和 C++相仿的程式語言，可與開發板透過電腦以 USB 介面連 結，即可編寫及燒錄韌體以設定執行程序，降低開發門檻，同時增加 監測模組功能客製化的彈性。

坊間開發版產品眾多，為符合無線土層監測系統之需求，本研究 採用 Wemos lolin32 開發板(圖 3.13)，其搭載 ESP32 晶片，240MHz 雙 核微控制器，運算數度高達 600 DMIPS，內建 16MB 程式設計空間，

且具 34 支 GPIO 接腳，其中包含一組 SPI (Serial Peripheral Interface Bus) 介面、一組 I²C 介面，I²C 支援單一匯流排，最多可與 112 個結點通訊，

足以應付多組模組間數位資料傳輸，以及 12 支接腳可做為類比訊號接 腳，可滿足基本監測模組的功能需求。

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圖 3.13 Wemos Lolin32 開發板開發板開發板開發板 3.3.2 無線傳輸模組無線傳輸模組無線傳輸模組無線傳輸模組

無線傳輸模組包括區域網路(Local network) 及廣域網路(Global network)，本計畫以 LoRa 數位無線電形成區域網路，將監測資料傳遞 至現地之伺服器(server)或無線閘道(gateway)，再以以 WCDMA(3G)技 術將資料上傳至雲端平台。

為將感測網路蒐集到之現地數據上傳至雲端平台，伺服器端之土 層監測模組搭載 WCDMA(3G)模組—SIM5320E(圖 3.14)，以連結場址 資訊與後台人員形成廣域網路。SIM5320E 近似現今的手持裝置，具有 簡訊、語音發送以及基本通話功能，且同樣以 SIM (Subscriber Identity Module)卡作為用戶身分識別。SIM5320E 由一組 TTL 邏輯電壓準位與 微控制器進行序列埠資料傳遞，相容於 3.3V 與 5V 之工作環境。其連 網程序係由微控制器對其下達 AT command 操作。

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圖 3.14 WCDMA(3G)模組模組模組 SIM5320E 模組

本計畫以 LoRa 無線傳輸模組作為伺服器端與客戶端之間互相傳 輸資訊之區域網路模組， LoRa 為英文 Long Range 的縮寫，為低功耗 廣域網路(Low Power Wide Area Network，LPWAN)通信技術的一種，

在 LPWAN 產生之前，使用者只能在遠距離以及低功耗兩者之間做取 捨，而 LoRa 無線技術的出現，改變了關於傳輸距離與功耗的折衷考慮 方式，不僅可以實現遠距離傳輸，並且同時兼具低功耗、低成本的優 點。LoRa 屬於專有技術，由 Semtech Corporration 所有並申請專利，在 ISM 頻段中操作。ISM 頻率的分配和法規要求隨區域而有所不同。兩 個最常見的頻率分別為歐洲採用的 868 MHz，以及北美的 915 MHz。

其他區域，則有不同的要求。LoRa 網路包含四個要件 (圖 3.15 )：

1. 終端: 會採集感測器數據、向上游發送，並且從下游接收來自應用 伺服器的通訊。端點裝置 - 採用單中繼無線通訊與一或多個閘道 器溝通

2. 匯集器/閘道器: 作為透通橋接器並在終端節點和上游伺服器之間 轉送雙向數據。

3. 雲端伺服器: 透過安全的 TCP/IP 連線以有線或無線方式連接到 多個閘道器；排除重複訊息；決定要回應終端節點訊息的閘道器；

用調適性數據傳輸率 (ADR) 機制管理終端節點數據傳輸率，發揮 最大網路容量並延長終端節點的電池續航力。

4. 應用伺服器: 收集並分析來自終端節點的數據，再決定終端節點的 行動。

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圖 3.15 LoRa 網路網路網路網路

LoRa 擴頻技術使數據傳輸距離加長，且具有功率密度集中，抗干 擾能力強的優勢。模組具有軟體前向糾錯演算法，其編碼效率較高，

糾錯能力強，在突發干擾的情況下，能主動糾正被干擾的資料封包，

大大提高可靠性和傳輸距離。模組具有資料加密和壓縮功能，模組在 空中傳輸的資料，具有隨機性，通過嚴密的加解密演算法，使得資料 截獲失去意義。而資料壓縮功能有概率減小傳輸時間，減小受干擾的 概率，提高可靠性和傳輸效率，綜合上述各項特點，故選擇該模組作 為本次計劃資料無線傳輸之工具。

本研究採用一款基於 SEMTECH 公司 SX1276 射頻晶片的無線串 口模組（圖 3.16），採用透明傳輸方式，工作頻段介於 900 至 931MHz 之間，可選擇與他人不同之頻段進行資料傳輸，以減少干擾。使用 LoRa 擴頻技術，TTL 邏輯電壓準位資料傳輸，相容 3.3V 與 5V 的電壓。此 外，該模組可藉由控制腳位 M0 及 M1 之高低電位變化使其進入省電模 式，如此便可減少無線感測模組之耗電量。

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圖 3.16 LoRa 無線傳輸模組無線傳輸模組無線傳輸模組無線傳輸模組 3.3.3 時鐘與數據儲存模組時鐘與數據儲存模組時鐘與數據儲存模組時鐘與數據儲存模組

為提供監測資料儲存安全以提供數據分析的完整性，本研究使用 Deek Robot 設計生產之 SD 卡數據紀錄模組(Data logger)(圖 3.17)備份土 層監測資料。當無線傳輸模組因故斷訊時，仍可藉由 SD 卡備份檔案得 知現地量測資訊。輸出檔案以純文字檔作紀錄，包括監測站即時時間、

節點編號、土層分層溫度、含水量、傾斜角度與地下水位高程，皆可 依照所需格式進行編排後輸出，大幅簡化日後數據處理的流程。數據 紀錄模組與 MCU 之間透過 SPI 進行資料傳遞。

此 SD 卡數據計錄模組附含一即時時鐘(Real-time clock，RTC)，晶 片為 DS1307，低功耗且提供年、月、日、時、分、秒資訊，與微控制 器透過 I²C 序列傳輸位址與時間資訊。DS1307 內含電源檢測電路並備 有外接電池的獨立輸入端，即使系統斷電能切換至備用電源以確保時 間正常計讀。

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圖 3.17 時鐘與數據儲存模組時鐘與數據儲存模組時鐘與數據儲存模組 時鐘與數據儲存模組 3.3.4 資料擷取模組資料擷取模組資料擷取模組資料擷取模組

由於微控板之 ADC 解析度為 10bit，不足以應付本研究之精度需 求，故以外接之 ADC 模組整合感測器，本研究使用基於 ADS1115 晶 片之資料擷取卡(圖 3.18)，使用 I²C 介面與微控板通訊，每秒最高可處 理 860 個資料點，解析度達 16-bit，符合本研究之需求。

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圖 3.18 ADS1115 3.3.5 電源系統電源系統電源系統電源系統

由於邊坡滑移多發生於長歷時、高強度之降雨期間，為使監測系 統獨立運作達到現地長期監控的成果，本研究使用太陽能控制統搭配 18650 鋰電池組作為土層監測系統之電源系統。

系統組成是由太陽能電源控制器(圖 3.19)，搭配太陽能板，並依模 組功能選擇 10W 與 20W 之太陽能板(圖 3.20)，其上三組接口分別作為 太陽能板電源輸入端、鋰電池電源輸入端、鋰電池電源輸出端。當日 光充足使太陽能板輸入電壓高過鋰電池組輸入電壓時，將直接對鋰電

池組進行充電，充電電流最高可達 0.55A，反之則停止充電。土層監測 模組則連接鋰電池電源輸出端，直接由鋰電池組供電。

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圖 3.19 太陽能電源控制器太陽能電源控制器太陽能電源控制器太陽能電源控制器

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圖圖 3.20 太陽能板太陽能板太陽能板太陽能板 (左左左 10W，左 ，，，右右右右 20W)

本研究使用含保護板之 18650 鋰電池(圖 3.21)，保護板為一塊電路 板，串聯在電池上，對電池充電及放電過程做保護。18650 鋰電池容量 最高達 3400mAh，額定電壓 3.7V，為目前市面上能量密度最高之循環 鋰電池。土層監測模組依照現場系統空間配置可搭載 12 至 18 顆 18650 鋰電池，高電容量使土層監測模組於颱風、梅雨季時仍得以維持系統 運作至少 7 日。

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圖 3.21 18650 鋰電池鋰電池鋰電池 鋰電池 3.3.6 定時斷電模組定時斷電模組定時斷電模組定時斷電模組

由於監測系屬於長時間運作，模組長時間放至於室外，環境較室 內惡劣許多，可能造成模組的不穩定，而導致當機或運算失常，本研 究使用繼電器使模組斷電後重新供電，以達到模組重啟，減低因模組 失常而無法正確監測的時間與可能性。

模組使用 Wemos D1 mini Pro(圖 3.22)做為微控制板，搭載 ESP8266 晶片，16MB 快閃記憶體，且具 11 支 GPIO 接腳，其中包含一組 SPI 介面與一組 I²C 介面，D1 mini Pro 亦包含睡眠模式，其方式為連接微 控板 D0 與 RST 腳位，以程式控制微控板進入睡眠，再以微控板內部 計時器於預定時間從 D0 發送一脈波至 RST，使微控板重啟，變數重啟 後會消失，故亦可利用 ESP8266 的 FS.h 檔案系統，將變數存入快閃記 憶體的 SPIFFS 區域，以便日後讀取。

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圖 3.22 Wemos D1 mini Pro

本研究使用之繼電器如圖 3.23，為單刀雙擲型，其運作原理為輸

本研究使用之繼電器如圖 3.23，為單刀雙擲型，其運作原理為輸