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研究生: 洪偉倫
Wei-Lun Hong
論文名稱: 基於Modbus TCP之無線室內空氣品質感測器研究
Study of wireless indoor air quality sensor based on Modbus TCP
指導教授: 蔡明忠
Ming-Jong Tsai
口試委員: 林淵翔
Yuan-Hsiang Lin
阮張榮
Zhang-Rong Ruan
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 自動化及控制研究所
Graduate Institute of Automation and Control
論文出版年: 2015
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 90
中文關鍵詞: Wi-Fi資料擷取Modbus通訊協定無線傳輸室內品質感測器
外文關鍵詞: Wi-Fi, Data acquisition, Modbus protocol, Wireless transmission, Indoor air quality sensor
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  • 現代人每天花許多時間在室內,室內空氣品質的好壞直接影響工作品質與效率,又或者引發相關疾病,因此室內空氣汙染物對人體健康有必要受到重視,若能了解目前處在室內環境影響人體氣體之濃度,即能解決此問題。由於工業4.0與物聯網(IoT)蓬勃發展,近年來利用無線傳輸技術開發出的產品也越來越多,本研究將室內品質監視器與Wi-Fi模組結合,除了能排除佈線困擾,也能落實物聯網概念。
    一般室內品質監視器可透過RS-485或類比傳輸介面傳收資料,而通訊協定使用工業通訊標準的Modbus RTU,由於本研究目的在於無線傳輸之應用,因此室內品質監視器之韌體端透過IAR開發環境,使用開放原始碼的Free Modbus進行開發,通訊協定則使用Modbus TCP方式通訊,Wi-Fi模組選擇意法半導體公司(STMicroelectronic)的SPWF01SC,透過UART介面進行溝通,並以AT指令的方式整合室內品質監視器與Wi-Fi模組。應用軟體部份利用微軟.NET平台下的C#語言開發人機介面,本研究實現Wi-Fi無線六合一室內品質監視器,可量測溫度、濕度、二氧化碳、一氧化碳、揮發性有機化合物(VOC)以及甲醛(HCHO),經由人機介面可清楚知道室內品質監視器所量測的感測值, 透過Data log功能蒐集資料進行資料分析。


    In modern society, people spend most of time indoor. This leads to the importance of indoor living quality. Low living quality may cause different kinds of diseases and affect working efficiency. This study, reacts to the Industry 4.0 and the IoT developing concept, focuses on the integration of 6-in-1 indoor gas quality monitoring device and Wi-fi module, in order to supervise the concentration of noxious gases wirelessly, and implement an application of wireless transmission.
    Basically in common with other indoor gas quality monitoring devices in market, the device used in this study is available to detect temperature, humidity, CO, CO2, Volatile Organic Compounds (VOC), and formaldehyde (HCHO). However, most of other devices transfer their data via RS-485 or analog communication interface; and use Modbus RTU as communication protocol. Different from common approaches, this study develops a wireless technique using IAR evaluating environment on the firmware part of the monitoring device. This study, on the other hand, uses Free Modbus, which has public source code. In terms of communication protocol, Modbus TCP is chosen and applied. In back-end applications respect, this study provides a HMI (Human Machine Interface) programmed by C#. Via data logging and analyzing, values detected by monitoring machine can be clearly seen on the HMI.

    摘要 III Abstract IV 誌謝 V 目錄 VI 圖目錄 IX 表目錄 XIII 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究動機與目的 5 1.3 研究方法 7 1.4 本文架構 9 第二章 文獻回顧與相關技術探討 11 2.1 物聯網簡介 11 2.2 無線通訊協定IEEE802.11原理說明 15 2.2.1 IEEE802.11無線通訊協定簡介 16 2.2.2 IEEE802.11無線通訊協定相關術語 18 2.2.3 IEEE802.11無線通訊協定網路類型 20 2.3 Modbus通訊協定原理 22 2.4 Modbus/TCP通訊協定 24 2.5 二進位浮點數算數標準(IEEE754) 27 2.6 文獻探討 30 2.6.1 Modbus TCP相關應用 30 2.6.2 Wi-Fi使用於無線感測器相關應用 31 第三章 STM32微控制器與開發環境介紹 33 3.1 STM32微控制器介紹 33 3.2 STM32微控制器之外設說明 34 3.2.1 通用同步/非同步收發傳輸器(USART) 34 3.2.2 通用型輸入輸出(GPIO) 44 3.3 Wi-Fi模組SPWF01SC介紹 48 第四章 系統架構與實驗方法 52 4.1 實驗方法 52 4.2 實驗系統架構 54 4.3 韌體開發方法 57 4.3.1 Wi-Fi無線傳輸 57 4.3.2 Modbus TCP通訊協定 61 4.4 人機介面 67 4.5 實驗結果 70 4.5.1 GTH53W功能測試 71 4.5.2 GTH53W完整測試 77 第五章 結論與未來發展方向 85 5.1 結論 85 5.2 未來發展方向 86 參考文獻 87

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