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研究生： 李宗豫
Tsung-Yu Li
論文名稱： 應用於智慧農場之網狀網路設計(II) - 藍牙低功耗網路
Design of a Mesh Network for Smart Farm Systems (II) - BLE Network
指導教授： 吳傳嘉
Chwan-Chia Wu
口試委員: 張俊明
Chun-Ming Chang
黎碧煌
Bih-Hwang Lee
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 電資學院 - 電機工程系
Department of Electrical Engineering
論文出版年： 2019
畢業學年度： 107
語文別： 中文
論文頁數： 100
中文關鍵詞： 無線區域網路 、物聯網 、智慧農場 、藍牙低功耗 、網狀拓樸
外文關鍵詞： Wireless LAN, IoT, Smart Farm, BLE, Wi-Fi, Mesh Topology
相關次數： 點閱：197  下載：2 
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    • 近年來，物聯網的應用如雨後春筍般蓬勃發展。在我們周遭隨處可見的各種穿戴式裝置、智慧家電，運用各式傳感器蒐集資訊，將數據存放於雲端，供使用者運用網頁或者APP觀察調閱。更進一步地，許多企業已經正在利用大數據做產品的使用者習性分析。

    如今，物聯網將擴及更廣大的區域。舉凡百貨公司、大賣場、校園等大型場域，涵蓋範圍極為廣泛，並且有各式環境因素在嵌入式系統的設計上需要被克服。要有效率地蒐集各種感測資訊，自動或者遠端對多個裝置下達命令，是物聯網領域中一個值得探討的議題。

    本論文植基於網狀網路拓樸，運用Wi-Fi連結範圍大的優點、結合藍牙低功耗的特性，設計Combo node、BLE node兩種節點裝置傳送感測器資訊、使用者命令，並在雲端彙整管理。在廣大的場域中可包含無數個這兩種節點，但使用者在網頁上觀測資訊或下達命令可以完全忽略其中的繁瑣網路細節。

    系統中含有自組建功能，只要節點正確供電開啟便能使所有節點自動連接，節點之間有三向握手技術，能確保裝置準確無誤收到感測器資料，也能確保使用者命令正確發出。

    本論文所開發的系統將能提供各式大型場域蒐集感測資訊、正確下達命令，並且以智慧農場為目標作為初始的設計藍圖。

    In recent years, the applications of the Internet of Things have been flourishing. In all kinds of wearable devices and smart home appliances that we can see everywhere, we use various sensors to collect information and store the data in the cloud for users to search on web pages or APPs. Furthermore, many companies are already using big data to do user habit analysis of products.

    Nowadays, the Internet of Things will be extended to all kinds of wider area. Large-scale fields such as department stores, hypermarkets, and campuses are widely covered, and various environmental factors need to be overcome in the design of embedded systems. Efficiently collecting various sensing information, automatically or remotely issuing commands to the device, is a topic worth discussing in the field of Internet of Things.

    This thesis is based on the mesh topology system, taking advantages of Wi-Fi wider connection range, combined with the low power consumption of Bluetooth, designing Combo node, BLE Node two node devices to transmit sensor information, user commands, and recorded on the Cloud. There are countless of these two nodes in a large field, but users can ignore the cumbersome network details by observing information or issuing commands on a web page.

    The system has a self-organizing function. As long as the node is powered correctly, all nodes can be automatically connected. There is a three-way handshake between the nodes to ensure that the device receives the sensor data accurately and correctly, and also ensures that the user commands are correctly issued.

    The system developed in this paper will be able to provide a variety of large-scale field to collect sensing information, correctly issue orders, and use the smart farm as the initial design blueprint.

    摘要 I ABSTRACT II 致謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 IX 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.1.1 物聯網 1 1.1.2 近端服務 3 1.1.3 智慧農場 4 1.2 研究動機 6 1.2.1 大數據 － 物聯網傳感資料蒐集 6 1.2.2 商業化 － 物聯網智慧農場 7 1.3 研究內容 8 1.4 章節架構 9 第二章 相關技術與工具 10 2.1 網路拓樸 10 2.1.1 常見拓樸介紹 10 2.1.2 網狀網路拓樸 12 2.2 無線傳輸技術比較 13 2.3 WI-FI 技術 14 2.3.1 IEEE802.11 15 2.3.2 傳輸方式 15 2.3.3 ESP8266 Wi-Fi模組 16 2.4 藍牙技術 20 2.4.1 IEEE 802.15 20 2.4.2 網狀網路實踐方法I － 主從切換 21 2.4.3 網狀網路實踐方法II － 洪泛法 22 2.5 微控制器選擇 23 2.5.1 Arduino整合開發環境 23 2.5.2 開發模組選擇 24 2.5.3 資料傳輸介面比較 25 2.6 藍牙模組研究與選擇 26 2.6.1 HC-05 vs. HC-06 module 26 2.6.2 JDY-10M module 28 2.7 MQTT 32 2.7.1 MQTT簡介 32 2.7.2 MQTT v.s. HTTP 比較 32 2.7.3 MQTT運作機制 33 2.8 三向握手 34 第三章 系統架構設計 35 3.1 系統功能需求說明 35 3.1.1 小範圍數據傳輸 35 3.1.2 大範圍數據傳輸 35 3.1.3 資料庫儲存 36 3.1.4 人機介面 36 3.2 系統技術功能流程 37 3.2.1 二類節點硬體架構 38 3.2.2 藍牙節點功能流程 39 3.2.3 組合節點功能流程 43 3.2.4 節點握手流程詳述 47 3.3 系統應用架構規劃 49 3.3.1 網狀網路組建過程 49 3.3.2 網狀網路斷線重連 50 3.3.3 網狀網路資料上傳 50 3.3.4 網狀網路命令下達 51 3.3.5 節點尋找替代路徑 51 3.3.6 通訊模組協定轉換 52 第四章 系統架構實踐與成果 53 4.1 終端機監測序列埠 53 4.1.1 除錯要點紀錄 53 4.1.2 指令輸出結果 55 4.2 模組指令定義 56 4.3 藍牙模組函式庫規劃 59 4.3.1 韌體設置函式 60 4.3.2 命令下達函式 63 4.3.3 命令接收函式 64 4.3.4 輸入輸出驅動程式 65 4.3.5 藍牙節點傳訊函式 66 4.3.6 組合節點傳訊函式 69 4.4 實務困難列舉及問題解決 71 4.4.1 主從切換實踐問題 71 4.4.2 模組資料型別問題 72 4.4.3 開發板序列埠問題 73 4.4.4 多節點序列埠問題 74 4.5 節點硬體成品 76 4.6 網狀網路作動說明 78 第五章 結論與未來展望 82 5.1 結論 82 5.2 未來展望 83 5.2.1 系統可用性 － 友善人機介面 83 5.2.2 系統安全性 － 資安升級 85 5.2.3 系統穩定性 － 串列埠問題 85 5.2.4 系統擴展性 － 更多節點 86 5.2.5 藍牙升級 － BLE 5.0 86 參考文獻 88

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