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物聯網科技與實作 Iot technology and projects
- 2. 大綱大綱大綱大綱 • 物聯網概要 • 自造者運動與物聯網設備需求 • Wifi 模組與開發板 • 讓MCU具備Wifi連線能力 – Mediatek (聯發科)Linkit 7697 – Espressif Systems (樂鑫) ESP32S – Realtek (瑞昱) Ameba RTL8195 – Rasberry Pi 3 – Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 – STM32(意法)+Wifi – Holtek(盛群)+Wifi • 物聯網相關專題實作
- 3. 物聯網概要物聯網概要物聯網概要物聯網概要 • Internet on Things (IOT)，物聯網 (ref:http://www.ctimes.com.tw/DispCols/tw/物聯網/Intel-Edison)
- 4. 物聯網概要物聯網概要物聯網概要物聯網概要 Cont. • 物聯網的興起 – 比爾蓋茲在1995年《未來之路》一書已提出。 – 國際電信聯盟於2005年正式提出物聯網概念。 – 日本:2003年便開始進行無所不在網路 (Ubiquitous Network, UN) 的 研究計畫。 – 美國:2008年，美國總統歐巴馬提倡物聯網振興經濟戰略。 – 中國:將「感知中國」設定為目標，並完整制定物聯網相關科技統 一規格。 (ref:http://weekhk.com)
- 5. 物聯網概要物聯網概要物聯網概要物聯網概要 Cont. • Internet 至 IOT 演變 (ref:從網際網路到物聯網, http://epaper.gotop.com.tw/pdf/AEN002900.pdf)
- 6. 物聯網概要物聯網概要物聯網概要物聯網概要 Cont. • 物聯網三層架構 (ref:從網際網路到物聯網, http://epaper.gotop.com.tw/pdf/AEN002900.pdf)
- 7. 物聯網概要物聯網概要物聯網概要物聯網概要 Cont. • 感知層 – 包含許多具有感知、辨識及通訊能力的設備 – 例如 RFID 標籤及讀寫器、二維條碼標籤及讀取器、GPS、影像處 理器以及如紅外線、溫度、濕度、光度、亮度、速度、特殊氣體、 音量、壓力等各式感測器
- 8. 物聯網概要物聯網概要物聯網概要物聯網概要 Cont. • 感知層實例 – 陀螺儀(Gyroscope) – 三軸加速度計(Triple axis accelerometer) – 運動偵測器(motion detector)
- 9. 物聯網概要物聯網概要物聯網概要物聯網概要 Cont. • 網路層 – 網路層的基礎是構築於大家所熟知的網路上,網路的結構又分成了 內網及外網 – 內網即一般所說的區域網路,像是公司或者是學校都會擁有屬於自 己的區域網路,在區域網路中,每台主機可以相互交換資訊,但是彼此 所使用的 IP 位址是不可重複的 – 外網即為網際網路,是區域網路經由路由器對外連接的大型網路 (ref:從網際網路到物聯網, http://epaper.gotop.com.tw/pdf/AEN002900.pdf)
- 10. 物聯網概要物聯網概要物聯網概要物聯網概要 Cont. • 應用層 – 應用層是物聯網與行業間進行的專業技術融合,是依照行業或是用 戶的需求，對網路層中的感知數據進行分析處理,以提供特定的服 務
- 12. 自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求 • 在十八世紀，透過蒸汽引擎推動的工廠機械，開始取代人 工勞力，是為第一次工業革命。隨著電力與內燃引擎的普 及，引燃第二次工業革命。 • 時至今日，透過開放原始碼的軟硬體，配合廉價自造工具 （如3D 印表機）的普及，強調自己動手做與高度客製化 的『自造者運動』，儼然已經成為改變世界的『第三次工 業革命』。在這場改變世界的運動中，你我都可能成為其 中的要角：Maker自造者！
- 13. 自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求 Cont. • 顧名思義，自造者運動的核心觀念就是『自己動手做』， 異於傳統產品的生產流程（需由專業人士設計、並透過工 廠大量生產），自造者可依自己的需求打造客製化程度高 或產量少的產品。透過日益普及的加工工具（如3D 印表 機、雷射切割機、簡易型CNC機台等）與廉價且易於使用 的微控制器，自造者無需經歷繁瑣的開模、打樣、試產與 量產等程序，便能自行製造出完全符合自己需求的產品。。
- 15. 自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求 Cont. • 在傳統電器產品中，微控制器Micro Controller Unit（MCU） 扮演非常重要的角色，身邊常見的電器用品，諸如冷氣機、 洗衣機、微波爐甚至家用電話等，均包含各種功能不同的 微控制器，賦予電器用品各種不同的功能。 (ref:http://www.holtek.com.tw/)
- 17. 自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求 Cont. • 而隨著積體電路技術的演進與開源軟硬體的推廣，MCU 的單位售價與開發難度都有顯著的降低，另一方面， MCU的易於取得性與性能卻日益提高，這樣的趨勢，讓 自造者能更輕易的開發透過MCU控制的產品。現今，自 造者常用的MCU舉例如下： Arduino UNO Arduino Mega Arduino Nano 新唐 NUC140 系列 盛群 HT32 系列 STM32F103C8T6
- 18. 自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求 Cont. • 這些MCU均是以Atmel AVR或ARM微處理器為基礎，配合 電路版拉出控制腳位，均具有易於購買與單價便宜的特色， 在拍賣網站上（如露天拍賣）都能輕易購買得到。以 Arduino系列而言，單價均為於300元新台幣左右。Arduino 所使用的開發語言類似C/C++，簡單而易於上手。 (ref:http://apcmag.com)
- 20. 自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求 Cont. • 透過MCU，自造者可以透過各種常見的通訊協定（UART、 SPI、I2C等）輕易的連接各種感測器（例如重力感測器、 電子羅盤、氣體感測器、超音波感測器、溫度/濕度感測 器等），取得外界資料並進行判斷。 • 同時，MCU也能輸出控制訊號至許多外部裝置，諸如LED、 LCD、直流馬達或步進馬達等設備。若能善用MCU，自 造者的產品便有無限發展的可能。 (ref:http://apcmag.com)
- 21. 自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求 Cont. • 常用感測器 (ref:UNO R3 Ultimate Starter Kit on eBay)
- 22. 自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求 Cont. • MCU 與無線連線能力 • 自造者在運用MCU設計產品時，在相當程度上，自造者 都會有讓產品與外部通訊的需求，不論是由產品本身送出 感測器資料（例如將空氣中污染粉塵數值傳送到網頁伺服 器上），或是從外界取得資訊（例如從使用者處取得遙控 訊號），自造者要讓產品有傳送/接收資訊的能力，就必 須讓MCU具備連線的功能。 (ref:http://www.mouser.com/)
- 24. 自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求 Cont. • 目前MCU使用上，常見的無線傳輸協定主要有以下三種 (ref: Wireless design& development Mag.)
- 25. 自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求 Cont. • 在這三種常見種協定中，ZigBee通訊協定相對較偏向工業 與工程應用，其特點在於低功耗與低成本，具有多種網路 拓樸形式，但傳輸速率為三者最低 • 且因預載ZigBee通訊模組的裝置較少（目前行動裝置或筆 記型電腦大多僅預載Wifi與Bluetooth模組，極少預載 ZigBee模組），由於基礎設施較不普及，因此相對於Wifi 與Bluetooth，ZigBee協定較少被運用在自造者產品中。 (ref: http://www.thecontrolsfreak.com)
- 26. 自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求 Cont. • 而在另外常見的兩種協定中，IEEE 802.11b/g/n（也就是一 般通稱的 WiFi 通訊協定）與藍芽（Bluetooth）通訊協定 較廣為人知。因目前絕大多數的行動裝置均內建Wifi與 Bluetooth模組，且Wifi的基礎設施均已相當普及，因此在 自造者的產品中，運用這兩種協定的適用性極高。 (ref: http://mcl.usc.edu)
- 27. 自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求 Cont. • 值的注意的是，相較於Wifi通訊協定，藍芽（Bluetooth） 通訊協定雖具有功耗低、成本低的特色，但其亦有傳輸距 離較短、無法一對多或多對一連接設備（這點在BuleTooth 4.0 BLE已有加強）等缺點，相較於藍芽通訊協定Wifi通訊 協定具備傳輸速度快、可一對多或多對一建立連線等特色。 (ref: http://innovazionnext.wordpress.com)
- 28. 自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求 Cont. • 而Wifi相關基礎設施如無線基地台均已廣泛建設，能夠直 接連上傳統個人電腦或伺服器，如此便能直接使用許多伺 服器端的服務（如用twitter發送推文、Instagram發送照片 等）。 • 另一方面，Wifi所使用的通訊協定（TCP/IP）淺顯易懂， 相關函式庫亦已廣泛支援，在實作上，的確是自造者為自 己的產品加上無線通訊功能時的極佳選擇。 (ref: http://ithacadwi2.blogspot.com)
- 29. 自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求 Cont. • 在三種通訊模組中，Wifi模組也是購置成本最高的一種， 例如一個Arduino WiFi Shield模組就要3000餘元台幣，幾 乎為Arduino MCU購置成本的十倍。因此雖然Wifi好處甚 多，但在早期的自造者產品中，卻較少見到相關的應用 （反而是運用藍芽通訊的產品居多，因藍芽模組單價較 低）。 (ref: http://plan2succeedconsulting.com)
- 30. 自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求自造者運動與物聯網設備需求 Cont. • 常見Wifi模組性能/售價比較表 (ref: 43oh.com, Comparing IoT Wi-Fi Modules.)
- 31. 整合型整合型整合型整合型 MCU (直接內建直接內建直接內建直接內建 Wifi 模組模組模組模組) Mediatek (聯發科)Linkit 7697 Espressif Systems (樂鑫) ESP32S Realtek (瑞昱) Ameba RTL8195 Rasberry Pi 3
- 32. 自行將一般自行將一般自行將一般自行將一般 MCU 整合整合整合整合 Wifi 模組模組模組模組 • 在2014年底，市場上開始出現一種稱為ESP8266的Wifi 無 線通訊模組，他是一種透過UART轉WiFi的SoC（System on Chip）模組。 • 憑藉著極低的購置成本（新台幣200元以下），讓自造者 可以用很低的成本為其產品加上Wifi 無線通訊能力。在這 個強調物物相連的物聯網時代裡，此一廉價可靠的Wifi通 訊模組不啻為增強自造產品的優良選擇。 (ref: http://www.seeedstudio.com)
- 33. Wifi 模組模組模組模組：：：：ESP8266 Cont. • ESP8266 Wifi 通訊模組 – 體積小、價格便宜(約100~200台幣) – 可以連線到無線網路，也可以自己成為AP(無線網路基地台) – 支援 TCP和UDP連線 – 可在無線區域網路中扮演伺服器(Server)等候連入，或扮演客戶端 (Client)與Server連線。
- 34. Wifi 模組模組模組模組：：：：ESP8266 • 因其價格優勢，及取得的便利性，ESP8266 wifi 模組正快 速成為物聯網的主要平臺之一。其價格便宜且操作簡單、 也可以很容易在電子材料行或拍賣上取得。尤其是相容於 目前常見的 MCU
- 35. Wifi 模組模組模組模組：：：：ESP8266 Cont. • ESP8266的各種封裝（ESP-01最為常見） (ref: http://randomnerdtutorials.com/)
- 36. Wifi 模組模組模組模組：：：：ESP8266 Cont. • ESP8266的接腳腳位 接腳介紹： CH_PD：晶片致能，需要接VCC才能夠使用 VCC ：高電位（3.3V ，若接5V會燒壞） GND：低電位 (ref: http://mcuoneclipse.com/)
- 37. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Wifi • 自造者最常見的MCU：Arduino，結合ESP8266模組，賦 予MCU無線連結的能力。我們所要使用的Arduino MCU， 是在2005年由一義大利團隊所打造，主要微處理器為低價 的 Atmel AVR，其軟硬體平台與電路板均屬開放原始碼， 使用類似Processing / Wiring開發環境（類似C語言）。可 利用ICSP燒錄器直接將Bootloader燒寫入MCU中。
- 38. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • 透過共通的協定（SPI/I2C/UART等），Arduino可以很簡 單的與各式各樣的電子元件與感測器相連接，並存取相關 資訊。 (ref: http://www.aliexpress.com/)
- 39. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • 自造者要使用ESP8266模組時，必須將ESP8266模組與 MCU透過線材或自製PCB電路板/轉接座連接，在此我們 使用單芯線與杜邦接頭的組合以便操作，因MCU板與 ESP8266 ESP-01的針腳均為公頭，故可選用雙母頭的線材， 樣式如下：
- 40. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • 因為Arduino MCU共分三種版本（Mega、UNO、Nano）， 在軟體部分，程式均相同，但在硬體接線部分有相當的差 異。在本章節中將逐一介紹，首先由Arduino Mega開始說 明，Arduino Mega MCU的外觀、接腳與I/O協定如下圖：
- 41. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • 而要將Arduino Mega MCU與ESP8266連接，腳位與連接方 式說明如下：
- 42. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • 實際Arduino Mega MCU與ESP8266連線狀況如下（實際連 線時，透過小型麵包板接線會較容易處理）：
- 43. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • Arduino UNO MCU的外觀、接腳與I/O協定如下圖所示：
- 44. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • 而要將Arduino UNO MCU與ESP8266連接，腳位與連接方 式說明如下： (ref: http://www.arduinoecia.com.br/2015/03/arduino-modulo-wireless-esp8266.html)
- 45. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • 實際Arduino UNO MCU與ESP8266連線狀況如下（實際連 線時，透過小型麵包板接線會較容易處理）
- 46. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • Arduino Nano MCU的外觀、接腳與I/O協定如下圖所示：
- 47. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • 要將Arduino Nano MCU與ESP8266連接，腳位與連接方式 說明如下 (ref: http://www.martyncurrey.com)
- 48. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • 實際Arduino Nano MCU與ESP8266連線狀況如下（實際連 線時，透過小型麵包板接線會較容易處理）
- 49. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • 在完成硬體線路後，我們將以 這三種Arduino MCU進行一實作。 在 此 實 作 中 ， 我 們 將 透 過 Arduino與ESP8266連接到Wifi基 地台，並透過基地台取得IP，再 連 線 到 區 域 網 路 中 的 一 台 TCP/IP Socker Server，再完成連 接後，隨時偵測是否斷線，該 流程圖如圖所示：
- 50. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • 為避免ESP8266一執行就 異常，我們在程式開始 之前就先下達AT+RST指 令重設模組。而模組在 重設完成後會回傳字串 “Ready”，所附的程式 碼便是設定工作模式的 部分。
- 51. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • 接下來進入AP連結階段 ，先設定CWMODE為 Client模式，設定正確的 SSID及PASS後即可連接 AP。
- 52. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • 若已成功連上AP後則開 始 連 接 TCP/IP Socket Server，若連接port及目 標 IP(DST_IP) 設 定 正 確 則 可 正 確 連 上 TCP/IP Socket Server。
- 53. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • 當MCU正確連上TCP/IP Socket Server後，預設欲 傳出之字串內容，透過 ”.length”的方式抓取字 串長度，下達AT command後待”>”符號 回傳後則可傳出字串。
- 54. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • 程式執行結果可透過Arduino的終端機視窗得知MCU運作 狀況與ESP8266連線狀況，其流程如下圖所示：
- 55. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • 同時，也可在Linux的終端機畫面，看到Arduino MCU透過 ESP8266上傳至Socket Server的訊息，在此例中，我們使 用基本的Multithreaded Socket Server程式，該程式範例可 在此下載（http://goo.gl/oggYnY）。
- 56. Arduino (Mega,UNO,Nano)+ESP8266 Cont. • 透過以上的實作說明，原來讓MCU具有Wifi連線能力並非 難事，且總成本約僅在新台幣500元上下。透過此一低成 本IOT模組（MCU+ESP8266），可發想出無限的可能，並 實作出來。 • 諸如有大量佈建需求的空氣品質感測器、水質污染感測器， 溪水水位監測等應用。同時，更可運用隨處可見的行動裝 置，獲取或提供給使用者無處不在的行動資訊存取能力， 讓IOT的概念可透過MCU+ESP8266的硬體組合實際呈現並 更加普及。
- 58. STM32(意法意法意法意法)+Wifi Cont. • 實體連接圖 STM32F103C8T6 ESP8266
- 59. STM32(意法意法意法意法)+Wifi Cont. • 我們將透過STM32與ESP8266連 接到Wifi基地台，並透過基地台 取得IP，再連線到區域網路中的 一台 TCP/IP Socker Server，再 完成連接後，隨時偵測是否斷 線，該流程圖如圖所示：
- 60. STM32(意法意法意法意法)+Wifi Cont. • case0 主 要 在 做 下 達 指 令”AT”確保ESP8266功能 正常，而case1判斷回傳 字串，若為“OK”即為正 常運作，則繼續case2運 作，錯誤則傳回case0。
- 61. STM32(意法意法意法意法)+Wifi Cont. • ESP8266本身有三種運 作模式，而case2為確認 ESP8266模式是否正確， case3則為驗證，若錯誤 則重新設定 CWMODE 說明說明說明說明 1 Client 模式 2 AP 模式 3 AP、client並存模式
- 62. STM32(意法意法意法意法)+Wifi Cont. • 若設定正確則開始 連 接 Wi-Fi AP ， case5則一直重複判 斷是否連上。
- 64. STM32(意法意法意法意法)+Wifi Cont. • 最後連上Server，而 程式最後也加入了重 新連結機制，若超過 20 次 無 回 應 則 由 STM32下達reset指令 給esp8266。
- 65. STM32(意法意法意法意法)+Wifi Cont. • 由於ESP8266需要利用下 AT command的方式做資料 傳輸，而在此製作一副函 式，利用strlen的方式計算 待 輸 出 之 字 串 長 度 並 用 sprintf 方 式 串 接 進 入 command字串後送出。 指令指令指令指令 說明說明說明說明 AT+CIPSEND=<length> 發送指定長度數據，收到此命令後 先換行回傳 “>”，然後進入透傳模 式，每包數據以20ms間隔區分， 每次最大2048Bytes。
- 66. STM32(意法意法意法意法)+Wifi Cont. • STM32與server溝通操作 確認cwmode為client模式 連接AP 連接TCP SERVER Server回傳字串
- 67. STM32(意法意法意法意法)+Wifi Cont. • STM32與socket server間做資料傳接 傳送字串給SERVER 傳送完成 SERVER echo回來的字串
- 70. Holtek(盛群盛群盛群盛群)+Wifi Cont. • 以手機端的 TCP/IP 通訊工具操作 建立TCP SERVER 設定埠口並按下active 得到目前SERVER資訊 (cont.)
- 71. 實做專題實做專題實做專題實做專題：：：：ESP8266 遙控車遙控車遙控車遙控車 Cont. • 透過此專案的實作，可得知ESP8266模組效能與實用性。 • 同理可知，此一低成本的IOT（ESP8266+MCU）可以做到 更多應用（諸如在遙控車上加裝鏡頭、超音波感測器，雷 射測距儀、循線感測器或機械手臂等）。 • 其擴展性極高，能夠讓自造者自由自在的實現心中的想法 ，並加以實現，這正是自造者運動的核心，強調DIY自製 與發揮創意的精神。
- 72. 物聯網實作專題物聯網實作專題物聯網實作專題物聯網實作專題 無線工具機感測系統 STM32 GPIO Object ESP8266 Wifi Module STM32 GPIO Object ESP8266 Wifi Module Cloud Cloud Data Base Wi-fi Socket connection Wi-fi Socket connection STM32 GPIO (協定 1.2) Object ESP8266 Wifi Module STM32 GPIO Object ESP8266 Wifi Module Wi-fi Socket connection Wi-fi Socket connection user Machine tools Machine tools Machine tools Mobile App
- 73. 物聯網實作物聯網實作物聯網實作物聯網實作專題專題專題專題 Cont. 自製 PM 2.5 空氣感測器 Support LASS 專案
- 84. 物聯網實作物聯網實作物聯網實作物聯網實作專題專題專題專題 Cont. 工業 4.0 生產線設計與實作
- 85. 物聯網實作物聯網實作物聯網實作物聯網實作專題專題專題專題 Cont. 工業 4.0 生產線設計與實作
- 86. Thanks！！！！