國立高雄大學電機工程學系研究所
碩士論文
智慧辦公室監控系統
Mobile Monitoring System of Smart Office
研究生：楊銘泰 撰
指導教授：鄧卜華 博士
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致謝
在碩士過程中，感謝鄧卜華教授在碩士班修課期間，不論是人生或是專業知 識都給予我們相當大的幫助，教授耐心指導我們研究方向及方法，經自己確認研 究論文方向後，在口試前教授給予指正與建議，使得論文得以更加完善最後能夠 順利完成論文，謝謝鄧卜華教授指導。 感謝碩士班同學百洲、軒中、承諭、昭霖、連祥及朋友建仲、智詠、Peter、 志忠、沈榮裕、淵豪、欣權、益樺、君邦等人，在學過程中鼓勵過我及分享各自 專業經驗，在討論過程中讓我獲益良多。 最後感謝我的家人，在學過程的支持與照顧，讓我能無後顧之憂，順利完成 兩年碩士學業，謝謝你們與大家。iii
智慧辦公室監控系統
指導教授：鄧卜華 博士 國立高雄大學電機工程學系 學生：楊銘泰 國立高雄大學電機工程學系摘要
本論文提出智慧辦公室監控系統，開發者使用 Arduino UNO R3 平台為主架 構，使用者硬體設計利用超音波感測器外掛在螢幕上來量測距離，測量使用者與 使用螢幕的距離，在系統中也有比流器可以測量電器用電狀況以及溫溼度感測器 可以測量環境溫度與溼度之數據，以上三種感測器可以將數位訊號傳至 Arduino UNO R3 平台，再透過無線網路通訊模組（Wifi），將收集到資料傳輸至雲端，使 用者手機透過無線網路可取得資料來調整辦公室環境之溫度、濕度與電的使用。 關鍵字：雲端、濕度、物聯網、感測器、溫度iv
Mobile Monitoring System of Smart Office
Advisor: Dr. Pu-Hua Deng Institute of Electrical Engineering National University of Kaohsiung
Student: MING TAI YANG Institute of Electrical Engineering National University of Kaohsiung
ABSTRACT
This study presents the intelligent office monitoring system using the Arduino UNO R3 platform as the main structure. The users can hang the ultrasonic sensor on the screen to measure the distance between the user and the screen. The system also includes the current transformers and temperature/humidity sensors which can be used to measure the electrical status of electrical appliances and the temperature/humidity data ， respectively. The above sensors and transformers can transfer the digital data to the Arduino UNO R3 platform，and then they can upload the data to the cloud by wireless network communication module. The users use mobile phone and wireless network to get the information to modify the temperature，humidity，and electrical usage of the office.
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目 錄
口試委員會審定書 ... i 致謝 ... ii ABSTRACT ... iv 目 錄 ... v 圖目錄 ... vii 表目錄 ... ix 第一章 緒論 ... 1 1-1 研究動機與目標... 1 1-2 文獻回顧... 2 1-3 章節概要... 2 第二章 智慧辦公室監控系統-物聯網架構 ... 3 2-1 章節介紹... 3 2-2 智慧辦公室監控系統規劃... 4 2-3 ARDUINO UNO R3 開發板介紹 ... 5 2-3.1 ARDUINO UNO R3 開發板 ... 5 2-3.2 ARDUINO UNO R3 開發板連結電腦 ... 6 2-4 感測器介紹... 8 2-4.1 比流器 DE-15MCT ... 8 2-4.2 溫濕度感測器 ( DHT22 ) ... 10 2-4.3 超音波感測器 HC-SR04 ... 11 2-5 無線網路通訊模組(WIFI) ESP8266 介紹 ... 13 2-5.1 無線網路通訊模組 ESP8266 序列埠設定傳輸驗證 ... 15 第三章 智慧辦公室監控系統架構與測試 ... 16 3-1 章節介紹... 16vi
3-2 ARDUINO UNO R3 LAYOUT 電路接線圖 ... 17
3-3 環境監控 APP 介面介紹 ... 20 3-4 智慧辦公室監控系統-無線網連線通訊功能測試 ... 21 3-4.1 ARDUINO UNO R3 序列埠監控視窗測試 ... 21 3-4.2 Thingspeak 雲端平台數據 ... 23 3-5 比流器量測電器負載電流數值驗證... 25 第四章 結論與未來展望 ... 27 參考文獻 ... 28
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圖目錄
圖 1.1 論文章節概要 圖 2.2 物聯網三大架構 圖 2.3 智慧辦公室監控系統架構 [6] (https://cacoo.com 網站製圖) 圖 2.4 ARDUINO UNO R3 編譯介面 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 圖 2.7 ARDUINO UNO R3 鮑率 115200 設定 圖 2.8 ARDUINO UNO R3 鮑率 115200 顯示 圖 2.9 歐姆定律電學-基本電學線路圖 圖 2.10 比流器 DE-15MCT 圖 2.11 比流器-量測電流 圖 2.12 溫濕度感測器 DHT22 圖 2.13 超音波感測器高位準脈波 圖 2.14 超音波感測器 HC-SR04 圖 2.15 無線網路通訊模組(WIFI) ESP8266 接線圖 圖 2.16 USB 轉 TTL 轉接器與連接 ESP8266 模組接線圖 圖 2.17 電腦中裝置管理員查看連接埠 圖 2.18 無線網路通訊模組(WIFI)序列埠設定傳輸驗證 圖 3.19 電路接線規劃圖 圖 3.20 電路實際狀況 圖 3.21 電路實際線路狀況 圖 3.22 插座式比流器 圖 3.23 超音波螢幕放置位置viii 圖 3.24 智慧型手機 APP 畫面 圖 3.25 智慧型手機 APP 讀取雲端資料畫面 圖 3.26 AT 訊號及連接無線網路 圖 3.27 DHT22 溫溼度感測器- ARDUINO UNO R3 序列埠監控視窗 圖 3.28 比流器 ARDUINO UNO R3 序列埠監控視窗 圖 3.29 超音波 ARDUINO UNO R3 序列埠監控視窗 圖 3.30 DHT22 濕度-雲端 Thingspeak 畫面 圖 3.31 DHT22 溫度-雲端 Thingspeak 畫面 圖 3.32 比流器量測電流值-雲端 Thingspeak 畫面 (電腦耗電量) 圖 3.33 超音波量測-雲端 Thingspeak 畫面 圖 3.34 比流器量測電流值-雲端 Thingspeak 畫面 (使用吹風機耗電量) 圖 3.35 比流器 ARDUINO UNO R3 序列埠監控視窗(使用吹風機耗電量) 圖 3.36 電錶量測電流狀況 圖 3.37 電錶量測數值狀況
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表目錄
表 2-3.1 比流器 DE-15MCT 腳位 表 2-3.2 溫濕度感測器腳位[12] 表 2-3.3 超音波距離計算公式[13] 表 2-3.4 超音波感測器腳位[13] 表 2-3.5 無線網路通訊模組(WIFI) ESP8266 腳位[14]1
第一章 緒論
1-1 研究動機與目標
研究方向以人為基礎，智慧型手機與無線網路普及化，多數人普遍有使用智 慧型設備習慣，使用者會選擇適合個人智慧生活系統，這樣能夠讓生活及工作環 境更有智慧及效率，開發者需設計智慧硬體裝置相互結合溝通。智慧設備平台等， 可應用於在智慧照明控制、媒體設備、居家安全設備、廚房電器設備等，目前開 發者可選擇使用不同種類感測器互相連接，經由無線網路模組或藍芽( Bluetooth ) 協定，透過無線通訊模組，硬體就能相互溝通，本論文採用 ARDUINO UNO R3 開發板搭配無線網路通訊模組，可讓使用者在安卓( Android )智慧型手機監控環境 數據，以利開發者實現智慧辦公室監控系統應用。 在實務應用上，可建立智慧辦公室監控系統，監控企業辦公室用電狀況及環 境工作溫度，如在暖季偏高、冷季偏低人體感的特性[1]，如密閉環境隨著上班時 間逐漸累加，研究顯示溼度較高，因而會使人感到煩躁，故影響工作環境舒適度， 另外在視力保健眼睛和螢幕之間的距離，螢幕對角線長度的 3～5 倍為主，所以螢 幕尺寸愈大，距離要拉得愈遠，至少需要一個手臂伸直的距離（大約 70 公分）， 使用者可透過雲端監控數據參考，提醒自己打電腦時背向後靠，而不要離螢幕越 來越靠近[2]。 雲端平台運用、大數據產業蓬勃發展及 IC 製程快速的進步，大幅縮小晶片的 體積，相同的晶片能夠載入更多電晶體，達到更快速的處理效能。關於智慧手機 系統軟體開發，開發者可使用安卓( Android )系統，谷歌( Google )釋出安卓免費原 始碼移植至嵌入式系統，開發者可使用安卓作業系統，作為手機軟體開發基礎， 能夠大幅減少系統開發過程時間與成本。近年智慧手機普遍及無線網路的興起， 物聯網概念相關的產品，傳統產品是點對點單一功能的設計。物聯網架構系統可2 中央電腦對機器、裝置、進行集中管理、控制及搜尋位置等，讓使用者搭配智慧 型手機，對於消費者來說，多工的產品帶給使用者便利性，關於感測器模組也能 依照開發者或使用者需求功能不同變更。
1-2 文獻回顧
本論文為智慧辦公室監控系統，何謂智慧型監控系統，智慧型監控系統算是 結合影像處理、海量數據計算、模式判別、人工智慧(AI)等技術[3]，監控系統算是 一種遠端控制，自動化機器設備發展，而開發者可遠端得知設備實際狀況叫做監 視；當取得硬體設備資訊，並且依照不同狀況給予設備輸出指令，完成系統要求 叫做控制[4]。1-3 章節概要
本論文共四個章節，第一章緒論主要是研究動機及研究目的，第二章討論物 聯網概念監控設備介紹，ARDUINO UNO R3 系統規劃，感測器介紹，無線網路通 訊模組(WIFI)，第三章則是智慧辦公室監控系統架構與測試，最後第四章全論文結 論與未來展望。 圖 1.1 論文章節概要3
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。4
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)5
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。
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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7 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-15MCT9 文獻中歸納比流器有三種安裝方式[8]，可分為插座式、嵌入式、配電盤式， 插座式比流器是將感測器安裝於插座間或延長線之間，嵌入式比流器是將感測器 嵌入於電器中，配電盤比流器則是安置配電盤中。 本論文採用插座式比流器，開發者量測使用者電器，插座式比流器外觀如圖 2.11。 圖 2.11 比流器-量測電流 DE-15MCT 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 表 2-3.1 比流器 DE-15MCT 腳位
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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11
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 號的 Pin 腳，透過超音波模組 Echo 接收計算 TTL 高電位訊號 pulse 時間長度，高 位準脈衝寬度，超音波往返總時間如圖 2.13[13]。
圖 2.13 超音波感測器高位準脈波
在 ARDUINO UNO R3 程式撰寫中可使用，此程式物件 pulseIn ( )中能夠讀取 一個針腳的脈衝時間（HIGH 或 LOW），超音波硬體限制量測物體要大於 0.5 平 方公尺，而訊號每次 trigger 時間最好大於 60ms，避免 trig 與 echo 干擾。
HC-SR04 腳位名稱
ARDUINO UNO R3 開發板接腳
功能說明
Trig pin 12 TRIGGER_PIN
Echo pin 11 ECHO_PIN
VCC pin +5V +5V 接點
GND pin GND 共地接點
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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
腳位名稱 開發板接腳
VCC pin 3.3V Supply Voltage
GND pin GND Ground
TXD pin 5 Transmit Data (3.3V)
RXD pin 4 Receive Data (3.3V)
CH_PD pin 3.3V Chip Power down
GPI00 X General Purpose I/O
GPI02 X General Purpose I/O
14 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
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第三章 智慧辦公室監控系統架構與測試
3-1 章節介紹
本論文以智慧辦公室監控系統作為論文主題，透過 ARDUINO UNO R3 開發 平台與感測器收集環境數據，溫溼度感測器收集辦公室溫濕度、比流器量測電腦 耗電量數據及超音波感測器是測量使用者與使用螢幕距離，最後感測器數據透過 無線網路通訊模組(WIFI) ESP8266，將感測器收集數據上傳至雲端，使用者使用安 卓( Android )手機作業系統讀取雲端數據，使用者可利用感測器獲得的資料，進行 資料分析數據。Android studio 軟體可撰寫安卓( Android )人機介面，本論文感知層感測器的環境資 料，透過無線通訊模組上傳至雲端，將環境數據資料存在網路層 Thingspeak 雲端 平台內，應用層部分使用者透過安卓( Android )手機上讀取雲端資料，物聯網概 念，設計達到開發者能夠在現實中、更俱節能及更智慧的生活環境。
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3-2 ARDUINO UNO R3 LAYOUT 電路接線圖
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圖 3.20 電路實際狀況
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圖 3.22 插座式比流器
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3-3 環境監控 APP 介面介紹
圖 3.24 智慧型手機 APP 畫面
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3-4 智慧辦公室監控系統-無線網連線通訊功能測試
3-4.1 ARDUINO UNO R3 序列埠監控視窗測試
ARDUINO UNO R3 程式語言中，第一行 SEND : AT 功能，傳送測試訊號，第二 行取得通訊回應 OK，如發送 AT 指令且得到 OK 回應，則是 ARDUINO UNO R3 與無線通訊模組正常連線。
圖 3.26 AT 訊號及連接無線網路
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圖 3.28 比流器 ARDUINO UNO R3 序列埠監控視窗
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3-4.2 Thingspeak 雲端平台數據
當 ARDUINO UNO R3 連接無線網路通訊模組(WIFI) ESP8266 後，ARDUINO UNO R3 程式語言中需宣告伺服器位址，而每一個 Thingspeak 雲端都視為獨立專案，並 擁有獨立 API key。
圖 3.30 DHT22 濕度-雲端 Thingspeak 畫面
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圖 3.32 比流器量測電流值-雲端 Thingspeak 畫面 (電腦耗電量)
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3-5 比流器量測電器負載電流數值驗證
感知層比流器感測器量測電流值，上傳至網路層雲端空間 Thingspeak 如圖 3.34， 當電器關閉後，在電腦序列埠監控視窗，可以發現電流值瞬間驟降。 圖 3.34 比流器量測電流值-雲端 Thingspeak 畫面 (使用吹風機耗電量) 圖 3.35 比流器 ARDUINO UNO R3 序列埠監控視窗(使用吹風機耗電量)26
此頁說明實際比流器感測器，量測電流實際情況，電表量測數值驗證，證明 電表實際狀況與雲端數值符合如圖 3.36 及圖 3.37。
圖 3.36 電錶量測電流狀況
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第四章 結論與未來展望
本論文在智慧辦公室系統上有無線傳輸的機制，期許未來生活中能量產更多 產品及實際應用，使生活日常及公司企業管理更為智慧便捷，如在生活中導入智 慧型系統，能夠節省社會人力與時間成本，透過智慧無線網路功能，雲端智能運 算，將能夠減少社會資源成本浪費。 目前本智慧辦公室監控系統雛形架構已初步完成，但為了使系統更完善，並滿足 未來智慧生活上延伸功能上，可以考慮下列幾點 (1) 硬體及軟體端開發，可增加更多層感測器 (2) 加入更多運算邏輯，導入更多智慧排程，利用電腦微調環境變數 (3) 成立數據整合媒體中心，有效掌握整體電力狀況及環境舒適度，提高工作舒 適度。28
