嵌入式Wi-Fi技術在物聯網應用中之研究與實現｜國立臺灣科技大學博碩士論文系統

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研究生：	陳宗耀 Chung-Yao Chen
論文名稱：	嵌入式Wi-Fi技術在物聯網應用中之研究與實現 Research & Implementation of the Embedded Wi-Fi Technologies for IoT Applications
指導教授：	邱炳樟 Bin-Chang Chieu
口試委員:	王秀仁 Show-Ran Wang 黃忠偉 Allen Jong-Woei Whang
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	電資學院 - 電子工程系 Department of Electronic and Computer Engineering
論文出版年：	2018
畢業學年度：	106
語文別：	中文
論文頁數：	80
中文關鍵詞：	網際網路、物聯網、無線區城網路、嵌入式裝置、Wi-Fi 、MQTT 、Pub/Sub
外文關鍵詞：	Embedded Device, Pub/Sub
相關次數：	點閱：189 下載：0
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網際網路的蓬勃發展，提供各項推陳出新的服務，使得網路已是生活的一部分。基於網際網路的技術基礎，物聯網因應而生，並且快速成長，2020年超過500億台設備連線上網的市場規模，十分吸引人投入研究。

海量的裝置上網互聯，要維持正常的運作，須要有健強的網路協定。大部分的IoT應用領域，裝置以輕巧、小型化、低功耗為訴求。

因此，設定研究程序為：了解網路原理，協定分層運作；探討WLAN架構，布建無線區城網路；研究IoT應用層協定MQTT標準。研究目標為：整合嵌入式Wi-Fi發展模組，組成無所不在的智能裝置，建立連接網路的載具，以Pub/Sub的應用模式，連接到雲端伺服器取得服務，達成應用。

在實作時，以C++為程式語言。在研究Server端與Client端的API及Protocol之後，實現了以Wi-Fi為實體層，MQTT為應用層的IoT雲端連線。最後，在兩個實作案例中驗證成功，確實達成發佈/訂閱的訊息交換。

The Internet has thrived and offers a variety of innovative services that make the Internet a part of life. Based on the technical foundation of the Internet, the Internet of Things is born and grows rapidly. In 2020, it is very attractive that the market scale of more than 50 billion devices connected to the Internet.

A large number of devices are connected to the Internet. To maintain normal operations, a robust network protocol is required. In most IoT applications, devices are demanding in terms of light weight, miniaturization, and low power consumption.

Therefore, the research procedure is set up to: understand the network principle and the hierarchical operation of protocol; explore the WLAN architecture, build the wireless LAN; study MQTT protocol standard of the IoT application layer. The research goal is to integrate embedded Wi-Fi development modules to form a ubiquitous smart device, establish a message carrier connected to the network, connect to the cloud server to obtain services and achieve application through the Pub/Sub model.

In the implementation, C++ is the programming language. After studying the API and protocol of the server and the client, it realized the IoT cloud connection with Wi-Fi as the physical layer and MQTT as the application layer. Finally, the verification is successful in the two implementation cases, and the message exchange through the publish/subscribe model is indeed achieved.

摘  要    I
ABSTRACT    II
誌  謝    III
目錄    IV
圖目錄    IX
表目錄    XI
第1章    序論    1
1    前言    1
2    研究動機    3
3    研究目標    3
4    論文架構    4
第2章    網路概論    5
1    通信模式    5
2    網路連結的傳輸技術    6
2.1    單播（Unicasting）    6
2.2    廣播（Broadcasting）    7
2.3    多播（Multicasting）    7
3    網路分類    7
3.1    個人區域網路（PAN，Personal Area Networks）    8
3.2    區域網路（LAN，Local Area Networks）    8
3.3    都會區域網路（MAN，Metropolitan Area Networks）    8
3.4    廣域網路（WAN，Wide Area Networks）    8
3.5    網際網路/互聯網路（Internetworks）    9
4    分層模型    9
4.1    協議模型和參考模型    9
4.2    TCP / IP模型    10
4.3    OSI模型    10
4.4    實用的混合模型    12
4.5    協定數據單元（PDU，Protocol Data Units）    13
4.6    網路定址    13
5    網路裝置:    14
6    服務類型    15
第3章    物聯網應用層協定    17
1    IoT應用協定的運作模式    17
1.1    發佈/訂閱（Pub/Sub，Publish/Subscribe）模式    17
1.2    請求/回應（Request/Response）模式    18
2    MQTT協定    19
2.1    MQTT的訊息格式    19
2.2    MQTT訊息指令    20
3    MQTT訊息傳遞的品質等級QoS    21
3.1    QoS = 0 最多收到一次訊息（At most once delivery）    21
3.2    QoS = 1 至少收到一次訊息（At least once delivery）    21
3.3    QoS = 2 只會收到一次訊息（Exactly once delivery）    23
4    MQTT協定功能    25
4.1    發佈訊息（PUBLISH）    25
4.2    訂閱訊息（SUBSCRIBE）    25
4.3    取消訂閱（UNSUBSCRIBE）    25
4.4    建立連線（CONNECT）    26
4.5    結束連線（DISCONNECT）    26
4.6    維持連線（Keep Alive）    26
4.7    異常通知機制    27
5    狀態流程 MQTT State Machine    28
5.1    狀態定義與轉移    29
第4章    Wi-Fi無線區域網路    31
1    IEEE 802.11標準    31
1.1    LLC Sublayer共用    31
1.2    MAC Sublayer不同    32
1.3    IEEE 802.11 PHY    32
1.4    IEEE 802.11技術摘要    33
2    WLAN網路架構    33
2.1    基礎架構型的無線區域網路（Infrastructure Wireless LAN）    34
2.2    獨立型的無線區域網路（Independent Wireless LAN）    35
2.3    WLAN之主要裝置    35
3    多功能Wi-Fi產品的WLAN佈署    36
3.1    網路存取點（AP）    36
3.2    IP分享器（IP Router）    37
3.3    中繼器（Repeater）    38
3.4    橋接器（Bridge）    38
3.5    用戶模式（Client Mode）/無線網卡（WNIC）    39
第5章    Wi-Fi系統與發展環境    40
1    Wi-Fi SoC解決方案    40
1.1    應用領域    40
1.2    晶片規格    41
1.3    Wi-Fi協定功能    42
2    CPU、SRAM和Flash    43
2.1    CPU    43
2.2    Memory    44
2.3    外掛Flash    44
3    發展模組    44
4    AT Command    46
5    系統發展平台    48
5.1    ESPplorer IDE    48
5.2    Arduino IDE    49
第6章    ＭQTT物聯網    50
1    MQTT伺服器的網路協定與程式界面    50
2    REST API and MQTT API    51
2.1    REST    51
2.2    MQTT    51
3    ThingSpeak API Key    51
3.1    MQTT連線    52
3.2    MQTT發佈    52
3.3    MQTT訂閱    52
4    Server Application Protocol    54
4.1    一次發佈一個頻道    54
4.2    一次發佈一個欄位    55
4.3    一次訂閱整個頻道    55
4.4    一次訂閱特定/單一欄位    56
5    Client端的應用程式界面    58
6    程式流程圖    61
7    圖形化觀察及統計分析    64
8    aREST網站平台上建立Dashboard    65
第7章    結論與未來展期    67
1    結論    67
2    未來展望    67
參考文獻    69


                                

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[14] OASIS, MQTT version 3.1.1 oasis standard, http://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/os/mqtt-v3.1.1-os.pdf
[15] OMG, Data distribution service DDS, http://www.omg.org/spec/DDS/1.4/
[16] XSF, Extensible messaging and presence protocol (XMPP), https://xmpp.org/extensions/index.html

全文公開日期 2023/08/30 (校內網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (校外網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (國家圖書館：臺灣博碩士論文系統)

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