物聯網在工程自動化診斷之應用研究

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(1)國立臺灣師範大學工業教育學系碩士論文指導教授：周明博士. 物聯網在工程自動化診斷之應用研究 A Study on Applying the IoT to Engineering Diagnosis. 研究生：王尹廷. 中華民國 108 年 08 月.

(2) 摘要論文名稱：物聯網在工程自動化診斷之應用研究. 頁. 數：64 頁. 畢業時間：107 學年度第 2 學期. 學. 位：碩士. 畢業生：王尹廷. 指導教授：周明. 校. 名：國立臺灣師範大學. 系所名：工業教育學系碩士班–電機電子組. 關鍵詞：工業 4.0、物聯網、無線感測網路、行動裝置本研究目的在於可利用感測器進行預防性診斷，偵測物體有無受到異常外力施壓或是受力不均的情況，並透過 Arduino、HX711、ESP8266 與網頁語法的結合應用將感測器數據即時上傳雲端，發送警訊給使用者。本研究屬於一種實驗性之研究，分為硬體與軟體兩個部分，硬體實作亦能劃分成 Arduino 控制模組、Load-Cell 搭配 HX711 的重量感測模組、ESP8266 無線網路傳輸模組與行動裝置等四個部分的結合應用；軟體則是先使用 MIT App Inventor 2 來設計行動裝置 App 介面與功能，利用 JavaScript、 HTML 等來設計及撰寫網頁，利用 PHP 與 MySQL 做為後端平台，架設可以顯示即時數據的動態網頁平台，並運用網頁或行動裝置 App 等來傳遞相關通知或警訊，達到一個結合物聯網的預防性診斷系統。本研究結果亦發現，若將預防性偵測系統用於長時間偵測所測得之數據會比短時間偵測時更加穩定，系統誤動作現象也相對較低，亦符合本研究之預期目標，即達到長時間預防性偵測之效果。. i.

(3) Abstract Title：. A Study on Applying the IoT to Engineering Diagnosis. School：. National Taiwan Normal University. Department：. Industrial Education. Time：. July, 2019. Degree： Master. Researcher：. Yin-Ting, Wang. Advisor： Min Jou. Keywords：. Industry 4.0, Internet of Things, Wireless sensor network, Mobile App. The purpose of this study was to use a sensor for preventive diagnosis, to detect whether an object has been subjected to abnormal external pressure or uneven force, and to use the combination of Arduino, HX711, ESP8266 and webpage syntax to apply the sensor data and instantly upload real-time data to the cloud and send a warning to the user. This experiment can be divided into two parts: hardware and software. Hardware implementation can also be divided into four parts which will be used harmoniously with each other : Arduino control module, Load-Cell with HX711 weight sensing module, ESP8266 wireless network transmission module and mobile devices. The software will first use MIT App Inventor 2 to design the mobile device App interface and functions, then will use JavaScript and HTML to design and write webpages and use PHP and MySQL as a back-end platform – setting up dynamic web pages that can display use a real-time data Platform, and use web pages or mobile device apps to deliver relevant notifications or alerts to achieve a preventive diagnostic system that combines the Internet of Things.. ii.

(4) 目次摘要………………………………………………………………………........i Abstract……………………………………………………………………….. ii 目次…………………………………………………………………….......... iii 圖次…………………………………………………………………….......... vii 表次……………………………………………………………………........... ix 第一章導論………………………………………………………..................1 1.1 研究背景………………………………………………………..........1 1.2 研究動機與目的……………………………………………...….......3 1.3 研究方法………………………………………………………..........3 第二章文獻探討………………………………………………………..........5 2.1 工業 4.0………………………………………………………............5 2.1.1 工業 4.0 的發展起源…………………………………………..5 2.1.2 工業 4.0 的發展歷程…………………………………………..5 2.1.3 工業 4.0 的技術發展與機會…………………………………..6 2.2 重量感測模組………………………………………………………..7 2.2.1 應變規……………………………………………………….....7 2.2.1.1 應變規原理……………………………………………...7 2.2.1.2 應變規應用實例………………………………………...9 2.2.2 HX711…………………………………………………………10 2.3 動態網頁顯示技術………………………………………………….13 2.3.1 網頁語法………………………………………………………13 2.3.1.1 HTML…………………………………………………..13 2.3.1.2 PHP……………………………………………………..13 iii.

(5) 2.3.1.3 CSS……………………………………………………. 14 2.3.1.4 JavaScript…………………………………………… 15 2.3.1.5 jQuery……………………………………………….. 16 2.3.2 動態網頁顯示………………………………………………....17 2.3.2.1 AJAX ………………………......................................... 17 2.3.3 資料儲存之種類………………………………………………19 2.3.3.1 XML………………………………………………… 19 2.3.3.2 JSON……………………………………………………19 2.3.3.3 CSV…………………………………………………..20 2.3.4 通訊傳輸方式之比較…………………………………………21 2.3.4.1 Bluetooth……………………………………………..21 2.3.4.2 WiFi…………………………………………………. 21 2.3.4.3 ZigBee………………………………………………. 22 2.3.5 網路資料傳輸方法……………………………………………22 2.3.5.1 HTTP 通訊協定………………………………………...22 2.3.5.2 URL…………………………………………………. 23 2.3.5.3 GET 與 POST 之比較………………………………….24 2.4 行動裝置 App 結合物聯網之應用…………………………………25 2.4.1 物聯網概述……………………………………………………25 2.4.2 行動裝置 App 與物聯網之結合應用…………………………26 2.4.2.1 安全監控系統應用……………………………………..26 2.4.2.2 教學應用………………………………………………..27 2.4.2.3 醫療照護應用…………………………………………..28 第三章研究方法…………………………………………………………….29 3.1 研究架構…………………………………………………………….29 iv.

(6) 3.2 研究流程…………………………………………………………….30 3.3 使用器材…………………………………………………………….31 3.3.1 無線重量感測模組……………………………………………31 3.3.1.1 Arduino…………………………………………………31 3.3.1.2 ESP8266 UART 轉 WiFi 模組（ESP-01 封裝）………33 3.3.1.3 HX711…………………………………………………..35 3.3.1.4 Load-Cell……………………………………………….36 3.3.2 網頁顯示技術…………………………………………………37 3.3.3 行動裝置 App 開發……………………………………………38 第四章實驗結果與討論…………………………………………………….43 4.1 Arduino 傳值實驗……………………………………………………43 4.1.1 設定 ESP8266 之連線…………………………………………43 4.1.2 設定 ESP8266 之模式…………………………………………44 4.1.3 HX711 重量感測器模組測試………………………………45 4.2 網頁顯示畫面……………………………………………………….47 4.3 行動裝置顯示畫面………………………………………………….49 4.4 整體實測結果……………………………………………………….52 4.5 實驗小結.…………………………………...…………………….....55 4.5.1 硬體部分………………………………………………………56 4.5.2 軟體部分………………………………………………………57 第五章結論與未來展望…………………………………………………….59 5.1 結論與探討………………………………………………………….59 5.2 研究限制…………………………………………………………….61 5.2.1 硬體部分………………………………………………………61 5.2.2 軟體部分………………………………………………………61 v.

(7) 5.3 未來展望 ……………………………...…………………………... 62 參考文獻……………………………………………………………………..63. vi.

(8) 圖次圖 2.1 應變示意圖……………………………………………………………...8 圖 2.2 應變規之惠斯登電橋電路……………………………………………...9 圖 2.3 HX711 內部電路圖……………………………………………………10 圖 2.4 HX711 封包圖………………………………………………………….10 圖 3.1 系統架構圖…………………………………………………………….29 圖 3.2 系統流程圖…………………………………………………………….30 圖 3.3 Arduino Uno……………………………………………………………31 圖 3.4 ESP8266 模組外觀…………………………………………………….33 圖 3.5 ESP8266 模組接腳…………………………………………………….34 圖 3.6 HX711 外觀……………………………………………………………35 圖 3.7 Load-Cell 外觀…………………………………………………………36 圖 3.8 應變規………………………………………………………………….36 圖 3.9 Load-Cell 構造圖………………………………………………………37 圖 3.10 網頁運作流程………………………………………………………...38 圖 3.11 MIT APP Inventor 2 網站頁面……………………………………….38 圖 3.12 前置作業一…………………………………………………………...39 圖 3.13 前置作業二…………………………………………………………...39 圖 3.14 前置作業三…………………………………………………………...40 圖 3.15 MIT APP Inventor 2 設計介面………………………………………..40 圖 3.16 Block Editor 畫面…………………………………………………….41 圖 3.17 App 介面………………………………………………………………41 圖 4.1 連接家用 WiFi………………………………………………………….43 圖 4.2 設定 ESP8266 模式……………………………………………………44 圖 4.3 Arduino 空載之執行畫面……………………………………………...46 vii.

(9) 圖 4.4 Arduino 滿載之執行畫面……………………………………………...46 圖 4.5 Arduino 超載之執行畫面……………………………………………...47 圖 4.6 連結資料庫 IP…………………………………………………………47 圖 4.7 空載之網頁畫面……………………………………………………….48 圖 4.8 滿載之網頁畫面……………………………………………………….48 圖 4.9 超載之網頁畫面……………………………………………………….49 圖 4.10 行動裝置與模擬器配對選擇………………………………………...50 圖 4.11 AI Companion 配對畫面……………………………………………..50 圖 4.12 行動裝置空載之畫面………………………………………………...50 圖 4.13 行動裝置滿載之畫面………………………………………………...51 圖 4.14 行動裝置超載之畫面………………………………………………...51 圖 4.15 整體系統硬體圖……………………………………………………...52 圖 4.16 整體系統執行畫面…………………………………………………...52 圖 4.17 空載曲線圖…………………………………………………………...53 圖 4.18 半載曲線圖…………………………………………………………...53 圖 4.19 滿載與超載曲線圖之比較…………………………………………...54. viii.

(10) 表次表 1.1 台灣智慧型手機使用率………………………………………………...1 表 2.1 HX711 內部接腳介紹………………………………………………….11 表 2.2 通訊傳輸比較表……………………………………………………….22 表 2.3 GET 與 POST 之比較………………………………………………….24 表 3.1 Arduino Uno 標準規格…..…………………….………………………32 表 3.2 數位 I/O 接腳…………………………………………………………..32 表 3.3 類比輸入接腳………………………………………………………….33 表 3.4 ESP8266 模組接腳介紹……………………………………………….34 表 3.5 HX711 標準規格………………………………………………………35 表 4.1 AT 指令之四大用途……………………………………………………45. ix.

(11) 第一章. 導論. 1.1 研究背景近些年，科技因時代趨勢而進步，產品因技術精進而提升，使智慧型行動裝置的功能為人們帶來更為方便的生活，根據 eMarket 之調查，智慧型行動裝置使用率最高之地區為亞太區，與新加坡的 71.8%和南韓 70.4% 的使用率相比，於 2016 年的台灣使用智慧型行動裝置的人口佔總人口數的 73.4%，高居全球第一。表 1.1 台灣智慧型手機使用率 2015. 2016. 2017. 2018. 2019. 2020. 使用率. 84.1%. 84.5%. 84.8%. 85.0%. 85.3%. 85.5%. 成長率. 1.0%. 0.7%. 0.5%. 0.4%. 0.5%. 0.3%. 行動裝置. 智慧型行動裝置使用率. 69.9%. 73.4%. 75.8%. 77.6%. 78.9%. 79.9%. 成長率. 8.3%. 5.2%. 3.4%. 2.6%. 1.8%. 1.4%. 89.3%. 91.3%. 92.5%. 93.4%. 行動裝置（含智慧型行動裝置）總使用率. 83.1%. 86.8%. 另外根據 Google Consumer Barometer 的調查，在台灣使用智慧型行動裝置的人口大約有 39%，結果顯示與桌上型電腦或平板等 3C 智慧型產品相比，台灣人更常使用智慧型手機進行上網。從上述可以得知，在台灣地區行動裝置的普及率相當高，甚至直接堪稱台灣人的日常必需品，同時人們也習慣如何應用智慧型行動裝置來進行網頁瀏覽、資料傳輸或應用學習等用途，此現象對未來的工業 4.0 與物聯網發展具有相當程度上的正面影響。 1.

(12) 從 1941 年的第一部使用電子開關操作的貝瑞電腦到接下來的數十年間的改良及電腦性能擴充，運算速度與資料處理量的需求急遽上升，該時期電腦的體積、造價並非單一使用者可以負擔，故利用終端機連線是唯一的資料儲存辦法，也是早期整合資料的「雲」概念；隨後發展到 1977 年賈伯斯的 Apple 個人電腦、甚至是 1982 年大量進入公司與家庭的 Intel 286 電腦，這兩個世代的使用者們通常會利用磁片或光碟等的方式保存資料，也就是分散儲存的「端」概念。如今隨著網路與行動裝置的興起，五花八門的物聯網應用、線上資料儲存等技術，讓使用者體會到把資料上傳到「雲」比單純的「端」還要便於共享及使用，於是「雲端整合」這詞也隨之盛行 [1]。物聯網(Internet of Thing，IoT)其定義為一個以網路為主軸，並結合感測器、行動裝置與雲端平台進行多元應用的體系，展現其由「點」發展到「面」的全面性，意即將物聯網的每一個「端」點設施，連接到網際網路，隨後上傳即時數據至網頁資料庫或雲端平台上與行動裝置分享數據或傳遞資訊[2]。藉由現今無線感測傳輸技術的普及，感測器所取得之數據可即時上傳至網路平台，讓物件與數據連結而產生更高的附加價值，還能透過有規劃性的整合使其發展出更高效益的應用。若此技術運用得當，將可實現人對人、人對物與物對物之間的訊息整合，故可作為未來發展先進技術所需資料收集、通訊與決策的基礎建設。而無線資訊傳輸具有低製作成本、低耗電量、單一網路具備數萬個可擴充的節點等優點，亦是扮演實踐物聯網的關鍵角色[3]。. 2.

(13) 1.2 研究動機與目的我們常於電視或網路報導看見運輸、升降及吊掛類等載重系統的相關工安意外，其造成不少人員傷亡及財產損失的狀況，或因台灣位於活動頻繁之地震帶上，故許多老舊住宅於主震或餘震後即會出現倒塌的現象，若能在興建新的建築或是製造載重系統時，導入本系統可替住戶、用戶或相關人員提供更充裕的時間進行檢查或避難，同時也保障人民生命及財產。現今社會對於電子設備的要求很高，如：零件體積小巧、價格低廉及可結合網路進行多元開發應用等各種條件下，本研究選擇了符合上述幾點特徵的 ESP8266 作為物件連接上網路的橋樑，目前 ESP8266 應用的資訊大部分仍著重在溫溼度、馬達及電力控制與檢測等技術層面的應用，在這當中也有針對重量及壓力感測的部分，仍稍嫌不足，故本研究針對重量與壓力感測這部分進行改良，使其可藉由即時數據的監控，來提醒使用者對於器材的使用方法是否正確或是物件受力是否平均等情況，透過動態網頁顯示警訊或行動裝置 App 送出警告，研發出結合物聯網並且具有預防性診斷的偵測系統。. 1.3 研究方法本研究利用 Arduino 單晶片控制器作為硬體實作端及軟體控制端的樞紐，並且將 ESP8266 WiFi 模組連接到家中的無線網路，統一感測器所擷取到的資料格式後，以 JSON 的形式傳遞資料到雲端平台，隨後利用 MIT App Inventor 2 製作行動裝置 App 以及使用 ESP8266 內建的 Webserver 架設雲端平台，使感測器數據可以透過此平台將數據或警訊傳送到使用者的手機畫面或以網頁方式顯示，達到本研究自動化監控的目的，而詳細描述會在本研究的第三章呈現。. 3.

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(15) 第二章. 文獻探討. 本研究主要分為四個部分進行討論，分別為工業 4.0、HX711 重量感測模組、網頁顯示技術以及行動裝置 APP 結合物聯網之應用。. 2.1 工業 4.0 2.1.1 工業 4.0 的發展起源工業 4.0 在 2011 年於德國漢諾威工業博覽會上第一次提出，並且由德國 Bosch 公司裡的 Siegfried Dais 博士與來自德國科學院的 Henning Kagermann 博士組成工業 4.0 工作團隊，於 2012 年 10 月向德國政府提出實施方面上的建議，隨後在隔年 4 月正式於德國漢諾威工業博覽會提出工業 4.0 完整報告，而在 2015 年經由德國總理梅克爾提出工業 4.0 標準之推動後，此議題於全世界逐漸成為炙手可熱的焦點 [4]。. 2.1.2 工業 4.0 的發展歷程工業 4.0 是經由四次的工業革命所演進而來，第一次工業革命於 1782 年發起，主要科技為蒸汽引擎，並導入水力與蒸汽為主的機械製造設備，其組成為「機械作動」，功能是產生動力以利於建構機械操作的自動化，達到省力之效益，並以改善生活及工作品質為主軸。第二次工業革命於 1913 年發起，主要科技為輸送帶，並導入電力系統，其組成為「電力供應+機械作動」，功能是將物品或工件傳送到不同的工作區域達到以工業化為架構的目標，達到電力驅動之大量式生產，使以移動化為主軸的生產線佈置更具便利性。第三次工業革命於 1954 年發起，主要科技為電腦、電腦數值控制及可程式邏輯控制器，並導入 5.

(16) 資訊科技，其組成為「程式化控制+電力供應+機械作動」，功能是以微電子為主軸的電子自動化達到具有彈性的製造系統，亦即使其具有可程式軟體的彈性化生產，達到讓生產流程彈性化的效益。第四次革命於 2015 年發起，主要科技為網宇實體系統（Cyber-physical system），並導入 ICT 及 CPS 技術，其組成為「ICT/CPS+程式化控制+電力供應 +機械作動」，功能是智慧自動化，以資訊與通訊科技為主軸，達到能即時線上調整之高度智慧與互連的製造系統之效益。. 2.1.3 工業 4.0 的技術發展與機會工業 4.0 目前主要所涵蓋的技術有網宇實體系統(CPS)為主的自動化、智慧型自動化系統、物聯網技術、雲端計算及巨量資料技術等。 M. Brettle et al.[5]提出將來在智慧工廠的環境下，會是一個可以讓人、設備、產品之間經由 CPS 互相溝通的平台。而吳碧娥[6]表示德國的智慧工廠在未來的環境下，將會以嶄新的製造流程來運行，間接達到與企業管理的垂直整合。J. Lee et al.[7]指出使用先進之資訊分析與計算，能更加有效率的執行、協同合作以及彈性，而此現象則會改變製造業，即為工業 4.0。熊治民[8]指出為了實現工業 4.0 以及智慧製造，需要依賴智慧化機械、智慧機器人及智慧生產系統等，並將傳統的機械設備與感測器、物聯網、雲端運算、巨量資料、人工智慧、數位設計及模擬等技術深度整合成各種智慧機械與生產設備。此外，工業 4.0 之運用不只在製造業，比如將工業 4.0 的設計原則應用在醫療領域，調查其適用於哮喘診斷和治療的適用性，此研究結果在醫療領域得到非常適合的結論，尤其在精密醫學與智慧藥物在慢性非傳染疾病中的迅速拓展。 6.

(17) 2.2 重量感測模組 2.2.1 應變規 2.2.1.1 應變規原理何謂應變規？簡易來說可將其視為電阻使用，假設我們將一段導線拿來量測其電阻值得到其原本數值，隨後再將其拉長，由於導線線徑變小以至於電阻值會增大，亦即導線電阻會受到長度與截面積之影響而產生變化，公式如下所示：. ℓ 𝑅 =  … … … … … … … … … (2.1) 𝐴. R：導線之電阻 ：電阻係數 A：導線之截面積 ℓ：導線之長度. 將上述公式再進行運算之後並簡化又可以得到另一公式如下：. ∆𝑅 = 𝐾𝜀 … … … … … … … … … (2.2) 𝑅. K：Gage Factor ε：應變上述公式即為阻抗與應變之關係。. 7.

(18) 舉一實例說明如下：. 圖 2.1 應變示意圖如圖所示，將某材料取得一段進行量測，而材料不限於金屬，亦可為木頭、混凝土等其他材料，隨後可以得到初始長度 L₀，當施加外力 F 之後，材料即被拉長，長度之改變量為∆L，將改變量 ∆L 除以初始長度 L₀後，即為應變 ε，可得公式如下：. 𝜀=. ∆𝐿 … … … … … … … … … (2.3) 𝐿₀. L₀：初始長度 ∆L：伸長量根據上述公式可以得知應變就是單位長度之變化量，亦即該數值僅是比值而並無單位。一般常用應變規之規格為電阻值 120 Ω、Gage Factor 為 2、應變量為 1με，帶入公式可以算出∆R = 0.00024 Ω，但如此微小之變化難以使用一般電表進行量測，因此必須將應變規組成如下圖所示之惠斯登電橋電路，再透過濾波、放大等電路之應用後，方可得到較為精確的數值[9]。. 8.

(19) 圖 2.2 應變規之惠斯登電橋電路如上圖所示，若 R1~R4 為相同規格之應變規，在 K 值 (Gage Factor)相同且利用上述公式進行轉換後，亦可得到另一公式如下： 𝑒=. 1 (𝜀₁ − 𝜀₂ + 𝜀₃ − 𝜀₄)𝐾𝐸 … (2.4) 4. e：輸出電壓 E：輸入電壓此公式即為將應變規以惠斯登電橋之形式組成後，應變與電壓之間的關係。. 2.2.1.2 應變規應用實例目前應變規之應用可細分為兩種方式，第一種是直接將應變規黏至待測結構上並測得其應變，再計算其應力變化或其他物理變化量，例如：建築物之鋼筋骨架應力檢測、軌道應力檢測、混凝土應力檢測等。第二種則是先使用應變規為元件製成感測器，再以該感測器量測目標物的物理現象，例如：荷重元、壓力計、加速規等根據應變規原理所衍生的產品。. 9.

(20) 2.2.2 HX711 HX711 是一個專為重量磅秤和工業控制的應用而設計的 24 位元 A/D 轉換器，可直接與橋式傳感器連接。與其他類別之晶片相比，該 IC 包括穩壓電源、片內時鐘振盪器等其它相同類型 IC 所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點，其晶片降低製作電子秤的成本，同時使整個傳感器模組提高性能和可靠性。. 圖 2.3 HX711 內部電路圖. 圖 2.4 HX711 封包圖. 10.

(21) 表 2.1 HX711 內部接腳介紹位置. 名稱. 接腳用途. 功能描述. 1. VSUP. 連接電源. 穩壓電路供電電源：2.6~5.5V. 2. BASE. 類比輸出. 穩壓電路控制輸出（不使用穩壓電路時需空接）. 3. AVDD. 連接電源. 類比電源：2.6~5.5V. 4. VFB. 類比輸入. 穩壓電路控制端輸入（不使用穩壓電路時需接地）. 5. AGND. 接地. 6. VBG. 類比輸入. 參考電源輸出. 7. INNA. 類比輸入. A 通道負輸入端. 8. INPA. 類比輸入. A 通道正輸入端. 9. INNB. 類比輸入. B 通道負輸入端. 10. INPB. 類比輸入. B 通道正輸入端. 11. PD_SCK. 數位輸入. 斷電控制與串口時序輸入. 12. DOUT. 數位輸出. 串口數據輸入. 13. XO. 數位輸入/. 晶片振盪輸入（不使用晶片振盪輸入時. 輸出 14. XI. 數位輸入. 類比接地. 需空接）外部時序或晶片振盪輸入，若連接低電位則代表使用晶片內建振盪器. 15. 16. RATE. DVDD. 數位輸入. 電源. 輸出數據之頻率控制 1.. 低電位為 10Hz. 2.. 高電位為 80Hz. 數位電源：2.6~5.5V. 11.

(22) 輸入選擇開關之部分可自由選取 A 通道或 B 通道，並與其內部的低雜訊可程式放大器相互連接。A 通道之可程式增益為 64 或 128，其對應之滿額度差分輸入信號幅值亦分為 ± 40mV 或 ± 20mV。B 通道則為固定之 32 增益，應用於系統參數檢測。 IC 內提供之穩壓電源可直接向外部傳感器和 IC 內的 A/D 轉換器提供固定電壓，故面板上不需再外接其他類比電源。此外，IC 內之時鐘振盪器亦不需任何外接元件，並且其上電自動復歸功能簡化了系統開機運作的初始化過程。在 HX711 眾多相關研究中發現，其共通點在於重量感測後利用不同形式達成給予使用者提醒或示警之目的。陳榮靜、陳明家[10]在其研究中指出可利用 HX711 設計一智慧水杯墊，每日提醒人們注意其飲水量及長者之飲水概況，並透過 Bluetooth 進行無線通訊，達到 HX711 結合物聯網達到智慧生活與醫療照護之相關應用。林育誠等人[11]在其研究中指出可利用 HX711 設計一具有行動電源功能之智慧秤重器，結合行動裝置 App 透過 Bluetooth 進行無線通訊，將傳統市場不肖業者之秤重機與行動裝置 App 所測得之重量進行比較，防止業者在秤重機上使用不當手段謀取暴利，達到保護消費者及預防賣家詐騙手法之目的。陳信介等人[12]在其研究中指出可利用 HX711 設計一照顧嬰幼兒之遠端監控系統之中的重量感測部分，偵測奶瓶重量並記錄嬰幼兒每天之食奶量並以文字檔儲存，達到 HX711 結合物聯網與遠端居家監控之相關應用。於上述之相關研究中亦啟發自己若干個可以從中進行延伸探討的想法，例如：將無線通訊由 Bluetooth 改為 ESP8266 之 WiFi 功能，也可將重量偵測從被動轉為主動，亦即本研究所提出的預防性診斷，在數據方面則由原本的文字檔轉為可在雲端資料庫進行儲存並於網頁前端及行動裝置 App 上顯示。. 12.

(23) 2.3 動態網頁顯示技術 2.3.1 網頁語法 2.3.1.1 HTML HTML 即為 HyperText Markup Language 之縮寫，中文翻譯為超文本標記語言，是一種用於建立網頁的標準標記語言。它通常與 CSS、JavaScript 一同使用在設計賞心悅目的網頁、網頁應用程式以及行動裝置 App 使用者介面上的基礎技術。網頁瀏覽器可以讀取 HTML 檔案，並將其以視覺化網頁的方式呈現，換句話說，它是以描述一個網站的語意結構並隨著線索的呈現為主軸，使其成為一種非程式語言的標記語言。HTML 可接受圖像與物件的嵌入，亦可建立互動式表單，例如標題、段落和列表等項目，另外，網頁瀏覽器雖然使用 HTML 標籤和指令碼來呈現網頁之內容，卻不會將其顯示在網頁上，亦可根據階層式樣式表(CSS)來定義文字和其它元素的外觀與頁面之佈局[13]。 2.3.1.2 PHP PHP 即為 Hypertext Preprocessor 之縮寫，中文翻譯為超文字預處理器，是一種作為開源用途的電腦手稿語言，尤其適用於網頁開發並可嵌入 HTML 中一同使用。PHP 語法適用在 C 語言、 Java 和 Perl 等常用之撰寫程式語言的特點，便於大部分的程式設計師進行學習，並結合現今流行的 Apache 伺服器之應用，甚至能超越 CGI 與 Perl 的執行效率，其主要目標是能讓網頁開發人員快速編寫網頁。. 13.

(24) 根據現況統計資料調查，PHP 已經被安裝在超過 2 億 5000 萬個網站和 250 萬台伺服器上。此外，目前 PHP 在 Windows 上亦有專門的官方編譯專案，並且細分成多個 VC 編譯器的版本和可安全執行的特性來提供不同的版本支援[13]。 2.3.1.3 CSS CSS 即為 Cascading Style Sheets 之縮寫，中文翻譯為層疊樣式表，亦可稱作級聯樣式表、串接樣式表、階層式樣式表，是一種用於替 HTML 文件或 XML 應用語言等結構化文件增添字型、間距和顏色等樣式的電腦程式語言，並由全球資訊網協會(W3C)定義和維護。雖然 CSS 無法進行獨立應用，必須和 HTML 或 XML 併用，但兩者功能是相輔相成的，亦即 HTML 負責確定網頁中有哪些內容，CSS 則是確認以何種外觀（如：大小、粗細、顏色、位置等）展現這些元素，換句話說，CSS 可用於設定網頁畫面的佈局、頁面元素的樣式，甚至適用於所有網頁的全域樣式，並直接增添在需要應用樣式的網頁元素上，亦可進行集中化並內建於網頁、連結式引入網頁以及匯入式引入網頁，而網頁瀏覽者與作者皆可利用 CSS 來決定檔案的顏色、字型、排版等外觀之呈現[13]。 CSS 主要目的即在於將檔案的內容與呈現方式進行區分，其優點敘述如下： 1. 檔案的可讀性增加。 2. 檔案的結構靈活度增加。 3. 檔案的結構簡化。 4. 作者和瀏覽者可以自己決定檔案的呈現方式。. 14.

(25) 另外，在 CSS 輔助下的 HTML 或 XML 文件可以變得更加客製化，舉例說明如下： 1. 由於某個網站或是某部分網頁的顯示資訊能夠集中並呈現在同一處，故要將其進行改寫或另作其他編輯變的更加容易。 2. 瀏覽者可以根據自己的需求進行網頁樣式的調整，例如有的瀏覽者需要的字型比較大、喜歡特定的字體、偏愛特殊的排版等。 3. 由於 HTML 檔案本身的範圍變小，影響其結構簡化，甚至不需要包含顯示的資訊。除了上列敘述外，目前如瀏覽有聲書時或視障者使用的穿戴式儀器，亦能夠利用 CSS 控制聲音達到客製化的目的，替人們帶來更便利的機能。 2.3.1.4 JavaScript JavaScript 通常可縮寫為 JS，是一種用於物件導向及動態型別的直譯編碼語言，可支援物件導向編程，指令式程式設計，以及函式語言程式設計。目前 JS 已經由歐洲電腦製造商協會(ECMA) 透過 ECMAScript 實作語言的標準化，亦被使用在世界上大部分之網站，故目前主流的瀏覽器（如：Chrome、IE、Safari 等）皆有支援 JavaScript[13]。一般而言，一個完整的 JavaScript 具有若干部分簡述如下： 1.ECMAScript：用於描述該語言的語法及基本物件。 2.文件物件模型(DOM)：用於處理網頁內容的介面。 3.瀏覽器物件模型(BOM)：在瀏覽器中處理網頁互動的介面。. 15.

(26) 在用戶端方面，JavaScript 在傳統意義上被實作為一種解釋的語言，但在目前已經可以執行即時編譯(JIT)。隨著 HTML5 和 CSS3 規定的語言標準走向，JS 甚至還可應用在遊戲、桌面、行動裝置 App 的開發與於網路伺服器端之環境下執行，如 Node.js。總而言之，JavaScript 主要目的是與 HTML 頁面進行互動並且直接將程式碼嵌入 HTML 之頁面中，而獨立的 JS 檔有利於結構與操作的區分。根據上述內容可以得到 JavaScript 的主要功能簡述如下： 1. 可以讀寫 HTML 元素。 2. 在 HTML 頁面嵌入動態文字。 3. 根據瀏覽器所發生的事件做出相對的反應。 4. 當資料傳送到伺服器之前可事先進行驗證。 5. 監控瀏覽者之瀏覽器資訊。 6. 對 cookies 進行建立與修改等控制項目。. 2.3.1.5 jQuery jQuery 是一套具有跨瀏覽器特性的 JavaScript 函式庫，其功能即為簡化 HTML 與 JavaScript 之間操作上的流程，同時亦是一開源軟體。jQuery 的語法設計成功簡化了多種操作，如操作文件 (document)、選擇文件物件模型(DOM)元素、建立動畫效果、處理事件、以及開發 Ajax 程式，快速選取元素之功能更可以讓程式設計者一次選取單一或多個元素，提高研發效率[13]。 jQuery 之程式亦加強非同步傳輸 (AJAX) 以及事件 (Event) 等功能，明顯是針對 JavaScript 不足之處進行改良，而其特色敘述如下： 16.

(27) 1. 基於 CSS 選擇器的 DOM 操作，使用元素的名稱和屬性作為選擇 DOM 中節點的條件 2. 支援特效和動畫 3. 支援 AJAX 4. 控制異步處理 5. 解析 JSON 6. 通過外掛模組進行功能擴充 7. 多瀏覽器支援. 2.3.2 動態網頁顯示 2.3.2.1 AJAX AJAX 即為 Asynchronous JavaScript and XML 之縮寫，中文翻譯為非同步的 JavaScript 與 XML 技術，是一套結合多項技術的網頁前端之開發技術，其核心概念是使用非同步呼叫，並結合 XML 方式傳輸資料與大量使用 Client Script。在傳統的網頁應用方面，網頁接受用戶端以填寫表單的形式，向網頁伺服器傳送一個請求，隨後伺服器接收並處理該表單，再傳送一個新的網頁給用戶端，由於每次應用都需要向伺服器傳送請求，加上反應時間取決於伺服器的回應時間，這也是導致使用者介面的回應通常比本機應用速度慢的原因所在。相較之下，AJAX 應用可以僅向伺服器傳送並取回所需的資料，且在用戶端採用 JavaScript 的方式處理伺服器端的回應，因此伺服器和瀏覽器之間交換的資料數據大量減少，伺服器回應時間縮短。另外，許多資料處理作業亦可於發出請求的用戶端設備上完成，因此網頁伺服器的負荷亦隨之減少。. 17.

(28) 針對傳統網頁應用缺點所提出的解決方案，AJAX 使用 JavaScript 並搭配數種用戶端類型的技術如下： 1. 文件物件模型(DOM)：將該元素呈現在 HTML 網頁中成為標準的物件組（如 document、windows 等等），且透過程式化的方式來進行操作。 2. 動態 HTML(DHTML)：當使用者在頁面中輸入請求時， DHTML 透過用戶端 Script 的方式改善與 HTML 互動的反應能力，並且使其流程簡化，亦不需要往返的資料傳輸需求。 3. 行為(Behaviors)：是一種以程式化的方式包裝在使用者介面的動作，並能與網頁元素產生連結。 4. 元件(Component)：是一種能夠提供擴充用戶端使用者介面功能特性的 JavaScript 客製化物件。. JavaScript 結合上述之用戶端技術後，可以使程式開發者建立出與桌上型應用程式的使用者介面相似甚至是一樣的功能，實例敘述如下： 1. 微軟 Virtual Earth 網站：一個提供電子地圖的網站。 2. 微軟 Outlook Web Access：一種透過網頁瀏覽器收發 E-mail 的用戶端使用者介面。上述二例皆可呈現出以 AJAX 技術所建立的使用者介面與高效能之應用程式典範[14]。. 18.

(29) 2.3.3 資料儲存之種類 2.3.3.1 XML XML 即為 Extensible Markup Language 之縮寫，中文翻譯為可延伸標記式語言，所謂標記即是電腦所能理解並可進行判讀的資訊符號，電腦之間可以透過標記的方式處理各種資訊的文章，亦即於純文字間加入詮釋資料的標籤，此種標籤語言與 HTML 十分雷同，但 HTML 之標籤指令需參照 W3C 協會或瀏覽器廠商之規定來下達，反觀 XML 之標籤名稱可由使用者自己決定即可，這就是標記語言的可延伸性[13]。HTML 之設計目的為呈現或展示資料，XML 則是用來攜帶及傳送資料，其主要功能簡述如下： 1. 豐富檔案(Rich Documents)：自訂檔案描述並且使其豐富，屬於以檔案為主的 XML 技術應用，其標記是用來定義應該如何一份呈現資料。 2. 元資料(Metadata)：描述其它檔案或網路資訊，屬於以資料為主的 XML 技術應用，其標記是用來說明一份資料的意義。 3. 組態文件(Configuration Files)：描述設定軟體的參數。 2.3.3.2 JSON JSON 即為 JavaScript Object Notation 之縮寫，由 JavaScript 延伸而來，中文翻譯為 JavaScript 物件表示法，是一種輕量級的資料交換語言，屬於具有自我描述特性與層級結構的文字格式，並且採用了類似於 C 語言的模式進行撰寫，目前很多程式語言都支援 JSON 格式資料的撰寫與解析[13]。. 19.

(30) JSON 以純文字之格式為基底進行存取及傳送簡易的資料結構，可透過特定之格式存取資料（如：數字、字串、陣列或物件等），亦可透過物件或陣列來傳送較複雜的資料，其優點列舉如下: 1. 相容性高。 2. 格式易於瞭解、閱讀及方便進行修改或撰寫。 3. 許多程式都支援函式庫之讀取或改寫 JSON 資料。另外，亦可以透過下列規則來建立 JSON 字串： 1.JSON 字串包含陣列(Array)資料或是物件(Object)資料。 2.陣列在寫入資料時會使用 [ ]。 3.物件在寫入資料時會使用 { }。 4.name / value 是成對的，中間透過 (:) 來區隔。舉例如下所示： { “array” : [{ “object” : “object”}]}→{ “name” : value, “name” : value} JSON 最常使用於網頁程式，並從伺服器端傳送資料給瀏覽器，其中最典型的範例就是透過 AJAX 進行 JSON 資料交換。 2.3.3.3 CSV CSV 即為 Comma-Separated Values 之縮寫，中文翻譯為逗號分隔值，由於分隔字元不僅限於逗號，故其又可稱為字元分隔值，其檔案以純文字形式儲存表格資料（如：文字與數字）。純文字意味著該檔案是一個字元序列，其特色是佔用的資料空間小，加上易於解析，而 Arduino 進行傳輸之資料即為此類型之檔案，故最常運用在資料轉移[13]。然而，CSV 並不是單一的、定義明確的格式，具有以下特徵的任何檔案皆可為 CSV 之範疇：. 20.

(31) 1. 純文字或使用某個字元集，比如 ASCII、Unicode、EBCDIC 或簡體中文環境(GB2312)等。 2. 由若干記錄所組成，而典型的格式是每行一條記錄。 3. 每條記錄被分隔字元區分成欄位，而典型的分隔字元有逗號、分號或制表符，在某些情況下亦包括可選的空格。 4. 每條記錄都有同樣的欄位序列。. 2.3.4 通訊傳輸方式之比較現今最流行的通訊傳輸方式有藍芽(Bluetooth)、WiFi 及 ZigBee，以下將分別論述三者間之優劣。 2.3.4.1 Bluetooth Bluetooth 是目前被大眾視為最適合與居家物聯網資料傳輸之方式進行結合的方式，其主要優點是耗電量少、安全度高加上良好的穩定性；其缺點是當傳輸資料量變大時，連結埠本身較少的 Bluetooth 傳輸效率將會降低，在頻段 2.4GHz 時易受其它電子產品干擾，但對於當前的 IoT 相關產品設備之需求，大部分的使用者認為 Bluetooth 已足以應付多數 IoT 設備。 2.3.4.2 WiFi WiFi 之主要優點是傳輸距離長，與 Bluetooth 僅 10 多公尺的傳輸距離相比，分佈範圍甚廣，而其傳輸量亦是三者中最大的；而缺點在於 WiFi 之耗電量是三者中最高的，意即不適合使用在獨立配置電池之裝置，但有別於上述限制，目前智慧型手機、平板甚至是筆記型電腦等 3C 產品皆將 WiFi 作為標準配置，因此相較於其它兩者更具有實上的優勢。. 21.

(32) 2.3.4.3 ZigBee ZigBee 主要優點在於耗電量為三者間最低的、具有安全性及具有大量連結埠；而缺點在於傳輸距離較近，資料傳輸量偏小，但本身成本低廉加上技術不受限於專利，故十分適合進行物聯網的開發。下表為目前三種通訊傳輸方式之比較，由於 Bluetooth 4.0 特別針對訊號干擾進行大幅度改善，故抗干擾能力相較於 3.0 以前之版本明顯提升。表 2.2 通訊傳輸比較表 Bluetooth 4.0. WiFi. ZigBee. 國際標準. IEEE 802.15.1. IEEE 802.11n. IEEE 802.15.4. 傳輸速率. 3~24 Mbps. 11~150 Mbps. 20~250kbps. 傳輸距離. 約 100 m. 約 250 m. 約 120 m. ISM 頻段. 2.4 GHz. 2.4/5 GHz. 2.45GHz. 8. 32. 65534. Star. Star. Mesh. 抗干擾能力. 高. 低. 中. 安全性. 高. 低. 中. 功率消耗. 低. 高. 極低. 連結埠網路架構. 2.3.5 網路資料傳輸方法 2.3.5.1 HTTP 通訊協定 HTTP 即為 HyperText Transfer Protocol 之縮寫，中文翻譯為超文本傳輸協定，是一個用戶端和伺服器端之間請求和回應的標準，通常使用 TCP 協定，而其最初設立之目的為提供一種接收和傳送 22.

(33) HTML 頁面的方法，透過利用網頁瀏覽器從用戶端傳送一個 HTTP 請求到伺服器端上的指定埠（預設埠為 80），隨後再由伺服器端回傳資料給用戶端的網頁瀏覽器，比如“HTTP/1.1 200 OK”及回傳的資料內容，如：請求的檔案、錯誤訊息或者其它訊息[13]。在 HTTP/1.1 之協定中總共定義了八種請求方法，亦可稱為動作，每個方法皆有不同方式進行操作，而八個方法簡述如下： 1.GET：向伺服器端傳送請求以便於展示指定資源，而此方法僅用於讀取資料。 2.HEAD：向伺服器端發出展示指定資源的請求，與 GET 用法相同，但伺服器不回傳資源主體。 3. POST：向伺服器端之指定資源傳送資料（如：提交表單或者上傳檔案），此請求將會使伺服器端建立新的資源或修改現有資源，甚至兩者皆有。 4.PUT：向伺服器端之指定資源位置傳送最新資料內容。 5.DELETE：請求伺服器刪除指定資源。 6.TRACE：測試或診斷從伺服器端之間接收到的請求。 7.OPTIONS：能讓伺服器端回傳指定資源所支援的 HTTP 所有請求方法。 8.CONNECT：在指定資源所標示的伺服器端之間建立連結通道。但除了上述方法，特定的 HTTP 伺服器端還能夠擴充自訂的方法。例如：PATCH，其可用於修改局部之指定資源。 2.3.5.2 URL URL 即為 Uniform Resource Locator 之縮寫，中文翻譯為統一資源定位符，亦可稱為統一資源定位器、統一資源定位位址或 URL 位址等，俗稱網址[13]。其標準格式如下所示： 23.

(34) 協定類型:[//[存取資源需要的憑證資訊@]伺服器位址[:埠號]][/資源層級 UNIX 檔案路徑]檔名[?查詢][#片段 ID]。舉例說明如下：http://zh.wikipedia.org:80/w/index.php ?title=Special:%E9%9A%8F%E6%9C%BA%E9%A1%B5%E9%9D %A2，我們可以將該網址利用上述格式分解成下列幾個部分： 1. http：是協定類型。 2. zh.wikipedia.org：是伺服器位址。 3. 80：是伺服器上的網路連結埠號。 4. /w/index.php：是路徑。 5. ?title=Special:%E9%9A%8F%E6%9C%BA%E9%A1%B5% E9%9D%A2：是詢問。 2.3.5.3 GET 與 POST 之比較以 HTTP 代表人們在現實生活中寄送郵件的機制，而 HTTP 請求方法就是寄信規則，URL 就是寄送地址。GET 猶如明信片，將資料以 QueryString 方式增加至 URL 位址之後，然後傳送之；POST 則是將資料以信封內容物的方式裝入一寫上 URL 位址之信封內，再傳送之。前者傳送速度較快，但資料內容一覽無遺，而後者雖然送速度較慢，但較具安全性，二者比較如下表所示：表 2.3 GET 與 POST 之比較 GET. POST. 資料傳輸限制. URL 長度有限. URL 長度不限. 資料傳輸方式. QuerySring. POST Data. 執行速度. 較快. 較慢. 安全性. 較低. 較高. 24.

(35) 2.4 行動裝置 App 結合物聯網之應用 2.4.1 物聯網概述過去 20 多年來，人類的生活與溝通方式深受網路技術的影響，尤其近些年來，物聯網(Internet of Things，簡稱 IoT)一詞成為熱門話題。物聯網是一個可藉由人、物件、生物、機器相連而構成的巨大網路，以供感測、控制、偵測、識別，並進行資訊的交流，進而提供更高價值的應用服務，亦可稱之為大數據時代的來臨。IoT 將會是一種新型態的網路革命，具跨產業融合概念，也代表一種趨勢，充滿想像與機會。由物件的感知、運算、傳送所建構的網路是未來必須面對的生活型態。IoT 便是建構此生活型態的概念之一，透過最底層的實體感測元件，取得電子訊號後，經過確認信號、過程比對，再加以運算這三個步驟之後即可獲得相應之資訊。若配合有線或無線傳輸技術，能進一步達到預期檢測(detection) 、感知(sensing)、認證(certification)、保護(protection)、預防(precaution)等之多種用途[15][16]。此外，網際網路(internet)正在改變我們人類的生活型態，換句話說，其正在締造無數的創新與創意，故知道如何運用物聯網之使用者與開發者便可以創造出無數的商機及帶動多元產業發展。無論 IoT 未來應用於工業、商業或農業生產的機制中，皆是全面性的變革，其講求的是資料傳輸的即時性、網路通訊的安全性、實際應用的全面性與使用成本的低價性。 Google 執行董事長施密特於 2015 年在世界經濟論壇(WEF)表示，網際網路將在短期內從有線網路及無線網路轉變成無所不在的形式，意即網際網路之後續發展就是進入由 IoT 概念所形成的網路世界。. 25.

(36) 2.4.2 行動裝置 App 與物聯網之結合應用 2.4.2.1 安全監控系統應用如今父母皆為上班族的家庭占絕大多數，而家中廚房的家電用品四處隱藏著危機，孩童誤觸電源開關，或家中長輩對某電器長時間使用卻因人為疏忽，使得廚具空燒、瓦斯外洩、電線走火等情況發生。安全與衛生的疏忽，都可能造成遺憾，這些意外往往引發不可挽回的家庭悲劇，根據上述情境引起該研究者的動機，設計整合該項創新作品。基於上述容易扼殺生活樂趣的事件，該項創意結合高科技知無線傳輸功能，將各項器具的誤判由感測器進行感應，再將此微信號放大之後，經由具不同傳輸協定功能知無線發射與接收，由路由器與閘道進行控制及監視，達到預防家庭悲劇之最終目標[15]。基於上述案例之探討，可使用下列項目進行改善，例如： 1. 將工業設計之概念融入家庭生活，達到遠端監控的目的。 2. 可彈性更換通訊協定，依家中電器所使用瓦數之規格需求進行調整，提升節能效果。 3. 使用 RFID 技術進行家電控管，降低使用者操作或使用電器時的危險性。 4. 整合 WiFi 與 ZigBee 的複合式協定，讓網路訊號的分布能夠無所不在。 5. 結合物聯網(Inter of thing)之技術，實際應用於家中用電安全。. 26.

(37) 2.4.2.2 教學應用如果將物件自動化管理的觀念使用於教育行政中是十分新穎與先進的觀念，且將教育管理視為工廠中的物件生產自動化亦是十分適切的。舉例來說，將學生視為管理或待處理的物件，家庭、學校與社會則視為處理或監控物件的平台，而學生在這些平台學習與生長的歷程，和工業、商業與農業產品的製程非常雷同，但是學生與產品不一樣，他們是可以進行自動化管理的。將 IoT 之架構應用在教育行政或教育行為自動化上，仍需以四大層次進行由下而上建構。從最基本的實體層(physical)，近距離無線通訊(near field communication)條碼等等感知元件，它們雖然將一般物理量之數值轉變為電子訊號，但仍符合實體層之技術需求，緊接著就是擷取訊號的特徵或樣式，該訊號之大小、頻率或相位在電子訊號處理過程中扮演相當重要的角色[17]。 IoT 應用在教育行政管理之實例，是對照 2010 年資策會所提之 IoT 的層級架構並進行研究與分析。從網路發展所對應之層級觀念來看，IoT 之教育行政管理應用系統、自感知層（或軟實體層）所涵蓋的感知元件與裝置，包含各種實體的感測物件，其可以產生該系統所需的電子訊號，換句話說，即是從感測元件之物理量轉換成電子訊號的過程。一般而言，將物理量轉換成電壓或電流的訊號是取決於感測物件之種類，其中 RFID 是最廣為大眾所用的技術，該技術包括 Tag 與 Reader，便於進行無線傳輸作業。再者，該系統較針對於行動中之人、事、物，故基於方便穿載之原因，必須符合體積小、重量輕與耗能低等之條件[15]。. 27.

(38) 2.4.2.3 醫療照護應用由於醫學發展與醫療設備的進步，人口結構逐漸邁向高齡化的社會，針對老年人的醫療照護變得更為重要。隨著社會結構的改變，醫療保健亦成為新興的市場，其注重病人的醫療照護品質，特別是偏遠地區的老年醫療照護，並盡可能地降低醫療成本。遠程醫療可藉由醫療設備的自動化連接到醫院網路，達到遠端監控的目的，例如：醫療設備儀器和醫院之間數據交換的情況。加上遠程醫療的首要目的就是病人的病情監控和醫療照護，例如：某一位病人所配戴的生物傳感器能記錄其體溫、血壓、心跳速率、體重或體脂肪等數值。生物傳感器可透過其 M2M 設備，如病人的智慧手錶、行動裝置或其他智慧型配件，將上述若干訊息傳送並轉發感測數據到相對應的 M2M 伺服器，並利用雲端系統進行管理作業。M2M 設備在特殊的狀況下，如在救護車上，可於第一時間提供病人之生理數據，並透過 M2M 伺服器發送緊急警報和設備數據，同時整合到醫院的醫療設備或雲端資料庫，使醫生可針對病人之症狀預先做好準備，節省病人到院治療之等候時間[15]。以實例描述如下，將用於數據量測的感測器與藍芽進行結合，利用行動裝置作為終端機，當行動裝置擷取到臨界值時將會傳送警訊告知身邊重要他人及院方醫療系統，以達到第一時間的求救預警，而平時則可作為例行性之健康檢查。該系統是讓病人或被觀察者配戴胸帶式心跳錶、手腕式血壓計與振動感測器進行觀測，感測器會自動傳送資料給行動裝置進行資料數據的監控與紀錄，當病人或被觀察者心跳速率、血壓或脈搏過高時，行動裝置可自動發出緊急通知給予醫院與聯絡人作為第一時間的求救訊號，而感測器平常之例行性數據亦可做為醫療團隊之參考資料[18]。 28.

(39) 第三章. 研究方法. 本研究方法分為三個部分，分別對研究架構、研究流程及研究工具進行重點描述，而本研究設計理念是以製作行動裝置 App，然後結合 Arduino 之數據呈現在智慧型行動裝置上與即時數據在網頁上進行動態顯示。. 3.1 研究架構. 本研究可分為兩大部分，即為硬體和軟體。硬體實作亦能劃分成 Arduino Uno 控制模組、Load-Cell 搭配 HX711 的重量感測模組與 ESP8266 無線傳輸模組等三個部分的結合應用，如下圖所示：. 圖 3.1 系統架構圖. 29.

(40) 3.2 研究流程. 根據下面的系統流程圖顯示，Load-Cell 提供 HX711 輸入端訊號，藉由 HX711 將訊號轉換成數據傳送給 Arduino Uno 控制板，經過 Arduino 內部的程式碼處理後，使用 ESP8266 的 WiFi 功能將處理完畢的資料傳至雲端作為網頁或行動裝置 App 的資料來源，隨後比較數據的數值並執行與程式相對應的程序，數據正常即繼續執行偵測，異常則立刻送出警訊給使用者。. 圖 3.2 系統流程圖. 30.

(41) 3.3 使用器材. 在此節將會介紹本研究重要的使用器材，並且詳述其原理、功能及應用方式。. 3.3.1 無線重量感測模組 3.3.1.1 Arduino. 圖 3.3 Arduino Uno. Arduino Uno 用於可以感測和控制的實體設備，具有 14 個輸入/輸出引腳（其中 6 個可用作 PWM 輸出）、6 個模擬輸入、16 MHz 石英晶體、USB 連接孔，電源插孔，ICSP 接頭和 Reset 按鈕，加上其僅需使用 USB 將其連接到電腦，或使用 AC-DC 轉換器或電池來啟動，其數位 I/O 接腳可以當作 Input 使用，亦可作為 Output 使用，詳細規格如下：. 31.

(42) 表 3.1 Arduino Uno 標準規格名稱. 規格. 微控制器. ATMEGA328. 工作電壓. 5V. 輸入電壓（推薦）. 7~12 V. 輸入電壓（限制）. 6~20 V. 數字 I/O 接腳. 14 支（其中 6 支供 PWM 輸出）. 模擬輸入接腳. 6支. EEPROM. 1 KB(ATMEGA328). 震盪速度. 16 MHz. 表 3.2 數位 I/O 接腳接腳. 功能介紹. Serial 通訊. 0 (RX)和 1 (TX)。用來接收(RX)與傳輸(TX) 之 TTL 訊號的序列資料。該二接腳也連接到 USB Converter 晶片中。. 外部中斷. 2 和 3。該二接腳可以利用外部事件觸發中斷。詳細內容請參考 attachInterrupt() 函式。. PWM. 3、5、6、9、10 和 11 共六支腳。透過 analogWrite() 函式可以提供 8-bit 的 PWM 輸出。. SPI. 10 (SS)、11 (MOSI)、12 (MISO)和 13 (SCK)。該四接腳搭配 SPI Library 可提供 SPI 序列通訊。. LED. 13。內建一顆 LED，當 pin 腳為 HIGH 時 LED 亮，當 pin 腳為 LOW 時 LED 滅。. 32.

(43) 類比輸入接腳共六支，其標記為 A0 到 A5，每支接腳皆能提供 10 位元的解析度，共 1024 個不同數值。接腳之參考電壓範圍為 0~5 V，不過亦可透過 AREF 接腳和 analogReference() 函式進行更改。接腳說明及用途詳述如下：. 表 3.3 類比輸入接腳接腳 I2C. 功能介紹 4 (SDA)和 5 (SCL)。透過 Wire library 可以提供 I2C 通訊。. AREF 類比輸入的參考電壓，搭配 analogReference() 函式一起使用。 Reset. 當 Reset 腳為 LOW 時，微控制器會重置。. 3.3.1.2 ESP8266 UART 轉 WiFi 模組（ESP-01 封裝）. 圖 3.4 ESP8266 模組外觀 ESP8266 是一個獨立集成 TCP / IP 協議的 WiFi 轉序列通訊模組，也具備與 WiFi 連結的 32 位元微控制板。ESP8266 能夠管理應用程序或從其他應用程序處理器卸載所有 WiFi 網路功能。每個. 33.

(44) ESP8266 模組都預先編制了一個 AT 命令 Setfirmware，意即我們可以簡單地將其連接到自己的 Arduino 設備，並獲得與 WiFi Shield 所提供的網路功能一樣多。該模組接腳圖及接腳功能敘述如下所示：. 圖 3.5 ESP8266 模組接腳表 3.4 ESP8266 模組接腳介紹位置. 名稱. 功能. 1. GND. 2. GPIO2. 數位 I/O 腳位與 PWM 輸出，內部預設高電位. 3. GPIO0. 工作模式選擇：. 接地. 1. 空接為工作模式(Flash Boot) 2. 接地為燒錄模式(UART Download) 數據接收端. 4. RX. 5. VCC. 連接正電壓 3.3V，提供模組工作電壓. 6. RST. 此接腳之功能有二種： 1. 外部重設接腳，低電位復歸 2. 可以空接亦或是連接外部 MCU. 7. CH_PD. 8. TX. 晶片制能，接高電位運作數據發送端. 34.

(45) 3.3.1.3 HX711. 圖 3.6 HX711 外觀. 表 3.5 HX711 標準規格名稱體積典型工作電流斷電電流工作電壓範圍工作溫度範圍. 規格長 2.9cm * 寬 1.7cm * 高 0.4cm < 1.7mA < 1mA 2.6 ~ 5.5V -20 ~ +85℃. HX711 特色敘述如下： 1. 帶金屬遮罩，強抗干擾，預留單晶片(STC15F104)位置，可自行升級。 2. 低雜訊、可以撰寫程式選擇放大器，可選增益為 32、64 和 128。 3. 穩壓電路可直接向外部感測器和晶片內 A/D 轉換器提供電源。 4. 內部含時鐘振盪器無需外接器件，亦可外接振盪器。 5. 數位控制和 TX/RX 通訊由接腳輸入控制，晶片暫存器免撰寫程式。 6. 同步抑制 50Hz 和 60Hz 的電源干擾。 35.

(46) 3.3.1.4 Load-Cell. 圖 3.7 Load-Cell 外觀. Load-Cell 是由若干應變片組成的稱重傳感器，也可稱作荷重元，其在現代被廣泛採用的原因不外乎是具有與其他類型的稱重傳感器相比尺寸小、缺少活動部件或任何產生摩擦的部件，使用壽命長加上組件數量少，易於生產等多項優點。材料受力後會產生變形，所引起的大小或形狀的改變量，即所謂的應變，而荷重元上有 4 個應變片來檢測材料變形。. 圖 3.8 應變規 36.

(47) 將應變規貼在鋁合金製的彈性體上以組成荷重元，施力後彈性體變形會牽動應變規伸長或縮短，其原理為：一般金屬導線的電阻值和長度成正比，和截面積成反比，應變片就是以金屬導線電阻改變來檢測應變。. 圖 3.9 Load-Cell 構造圖. 由 Load-Cell 與 HX711 所組成的稱重傳感器可將所施加的重力轉換為電力的訊號，因此它們也被稱為「負載傳感器」。. 3.3.2 網頁顯示技術本實驗藉由 ESP8266 連至家用 WiFi，將感測器數據傳至雲端資料庫上，使其擔任從網路前端上傳資料的角色，而實驗之設定是將 ESP8266 所傳送之資料匯入 MySQL，故於後端 PHP 設置一 GET DATA 的後端頁面，亦即有兩個 PHP 後端頁面，在感測器與雲端資料庫之間搭起重要的橋梁，如下圖所示：. 37.

(48) 圖 3.10 網頁運作流程資料數據藉由 ESP8266 傳送至 MySQL 資料庫時會由 PHP 後端進行處理，而另一 PHP 後端則加入 GET 函式，負責擷取 MySQL 資料庫中之即時數據回傳至網頁，並將資料統一轉成 JSON 之格式，配合 AJAX 技術進行動態網頁顯示。. 3.3.3 行動裝置 App 開發. 圖 3.11 MIT APP Inventor 2 網站頁面 38.

(49) 本實驗也利用了 MIT APP Inventor 2 製作了可於 Android 上執行的感測器應用程式，該網站提供許多教學資源，引領使用者進入 App 開發的大門，當使用者完成 App 開發後可以上傳至 Google Play 商店便於讓大眾下載安裝於 Android 作業系統的裝置上，如：智慧型手機、平板電腦或桌上型 Android 系統模擬器等[19]。利用 MIT App Inventor 2 開發應用程式前，必須完成開發環境之設置，意即需進行三項必要的前置作業，分別是： 1. 申請 Gmail 帳號。. 圖 3.12 前置作業一 2. 安裝並測試 Java 作業環境。. 圖 3.13 前置作業二 39.

(50) 3. 安裝 MIT App Inventor 2 軟體。. 圖 3.14 前置作業三. 當所有前置作業完成後，就能著手進行 App 的開發，使用 MIT App Inventor 2 進行 Android 裝置上的 App 時，其整體設計步驟可分為三階段，分別說明如下：. 1. 使用 Design 畫面來設計 Android 裝置的使用者介面。. 圖 3.15 MIT APP Inventor 2 設計介面. 40.

(51) 2. 使用 Block Editor 畫面來設計程式的邏輯控制。. 圖 3.16 Block Editor 畫面. 3. 使用 Android 系統的行動裝置或桌上型模擬器測試與執行 App。. 圖 3.17 App 介面. 由於執行步驟及程序其相關網站皆有教學，故不再於此處多做說明，以上皆是在瀏覽器上設計、編輯與執行之即時畫面，而手機 App 之實際測試結果將呈現於第四章。. 41.

(52)

(53) 第四章. 實驗結果與討論. 4.1 Arduino 傳值實驗. 4.1.1 設定 ESP8266 之連線本實驗是藉由 EP8266 無線網路晶片連接至家用 WiFi 的方式進行資料傳遞，所以必須先將 ESP8266 連接上家用網路數據機，因此在程式開頭必須也定義(define)WiFi 的帳號及密碼，也就是 SSID 及 PASS。. 圖 4.1 連接家用 WiFi. 接著就是設定連線所需的資料庫 IP，在進行實際系統測試中，電腦之伺服器端與重量感測器是連接相同的家用數據機 WiFi，故該數據機將會隨機分配一組區域網路的 IP 位置給予電腦，該位址即為資料庫位址。. 43.

(54) 4.1.2 設定 ESP8266 之模式設定 ESP8266 模組的無線網路工作模式、取得模組的 IP 位址與回應訊息給用戶端等作業，皆是透過下達 AT 指令進行設置。值得注意的是，AT 指令版本亦有所不同，早期 AT 指令韌體需求之鮑率(Baud Rate)為 9600，而新版鮑率則為 115200，故需將 ESP8266 之韌體藉由其燒錄模式預先由 9600 更改成 115200 後再接回工作模式進行其它用途設定，由於坊間及網路上皆有 ESP8266 之韌體燒錄教學，故在此不再進行贅述。. 圖 4.2 設定 ESP8266 模式如上圖所示，可以透過 Arduino 執行 ESP8266 之 AT 指令對其 WiFi 模式進行更改，本研究是透過 ESP8266 的 AT 指令建立 HTTP 伺服器，IP 位址亦可藉由對 ESP8266 下達 AT 指令取得之，為了避免資料因過於頻繁的傳送而導致顯示或計算誤差，通常會利用時間延遲進行有效間隔。. 44.