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國立虎尾科技大學電機系專題精簡報告 題目：嵌入式智慧型無線感測居家監控系統

執行期限：101 年 11 月 30 日至 101 年 12 月 02 日 指導老師：鄭佳炘

專題參與人員：鍾季軒、林彥兆

班級：四電四甲

一、 摘要

在科技快速的進步下，卻也造成了地

球暖化、氣候變遷，人們對於節能減碳的

環保意識日漸抬頭，環保運動已成為了地

球公民的共同責任。智慧家庭生活是一種

趨勢，不僅是年輕一代，在中年老年人間

也愈來愈受歡迎。隨著今日科技的進步，

提高許多的居家科技的可行性，隨著人們

在不同環境中的需求，提供不同的功能，

與生活環境緊密地結合在一起，透過選用

合適的智慧系統，可以讓生活和家庭更有

效率而且更有智慧。為了達成節能減碳與

智慧家庭的目的，我們打算以現今最具有

潛力的 ZigBee 技術來解決。 Android 作業系統自2008年發佈以來

受到各大廠商關切，相較於其它作業系

統，Android 在網路上公布該平台原始程式碼和開放套件讓開發者免費存取，使得

該平台的相關研究及資訊迅速拓展。

由以上等敘述，我們專題將使用

照度感測模組、溫度感測模組、LED 調光模組與 ZigBee 作結合應用在監控系統上，以 Android 作業系統為嵌入式發展平台的進行設計，來達到嵌入式智慧型無線感測

居家監控的目的。 關鍵字: 照度感測模組、溫度感測模組、

LED調光模組、ZigBee、Android作業系統。。

二、 動機與目的

在現今科技社會中有許多電器設備，

而這些設備通常使用時不需要用到他的最

大效能，但卻總是用到最大效能，例如早

上時電燈不需要那麼的亮，太亮而消耗的

電力就多，久而久之就會浪費許多的金錢

與能源，而如果有一個可以控制電燈的亮

度甚至可以自己感測周圍亮度而使電燈亮

多少亮度的監控系統，就可以節省許多能

源，也提供生活上的便利性，達到節能減

碳與智慧生活的雙重目的。[4]

三、原理及應用

3-1系統目標 我們將使用照度感測模組、溫度感測模組、LED調光模組與ZigBee作結合應用在監控系統上，以Android作業系統為嵌入式發展平台的進行設計，來達到嵌入式智

慧型無線感測居家監控的目的。 以下為系統優點：

（1）智慧居家監控系統，讓它方便我們的生活、節省我們的能源！

現在大多的家俱都必須要親自用手

開，有了智慧居家系統，在外可以隨時用

手機監控居家環境，並控制家俱，以不要

浪費太多的能源。 （2）最新通訊方式，『ZigBee 無線網路通訊』

ZigBee 無線網路通訊有別於傳統監控系統，需要冗長線路且繁雜配線方式，

ZigBee 是一種短距離無線通訊標準，具有低成本、低耗電、雙向傳輸、高可靠度及

感應網路功能等特性，容易整合個人無線

數位環境並應用於多樣的產品，其「監控」

角色高於「通訊」功能，朝著開放的方向

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發展制訂標準規範。[2、3] （3）觸控式面板

觸控式面板是個可接收觸頭（無論是

手指或膠筆尖等）等輸入訊號的感應式液

晶顯示裝置，當接觸了螢幕上的圖形按鈕

時，螢幕上的觸覺反饋系統可根據預先編

程的程式驅動各種連結裝置，可用以取代

機械式的按鈕面板，並藉由液晶顯示畫面

來處理突發狀況。

圖 1 系統架構圖

3-2系統概況

此專題將嵌入式平台裝置與感測器基

座佈置在空曠的房間內，並將感測器主板

與嵌入式平台裝置做連結，如圖 2 系統情境圖。

圖 2 系統情境圖

當我們把ZigBee接收端的主板連接至嵌入式平台裝置並開啟居家監測系統，會

有溫度和照度的感測資料顯是在嵌入式平

台裝置畫面上，同時也能利用上面的按鈕

調整 LED 的亮度。

四、開發環境介紹

4-1 Android平台介紹 Android早期由「Android之父」之稱的Andy Rubin創辦，以Linux為基礎開放原始碼的作業系統，主要使用於便攜裝置。最

初主要支援手機。2005年由Google收購注資，並拉攏多家製造商組成開放手機聯盟

（Open Handset Alliance）開發改良，逐漸擴充功能到平板電腦及其他領域上。 Android基於Linux的通用平台進入了開發，使用Java作為程式語言，利用介面透過簡訊、手機檢索、定位等功能有層出不

窮的變化。[5] 4-2 Zigbee平台介紹

ZigBee為新一代的無線傳輸標準，主要是針對短距離、低成本、低耗電量與架

構簡單作為發展核心。在ZigBee網路中的裝置端點可設定進行閒置多久後傳送或接

收一次資料，對於電池的使用壽命可以有

效的延長。另外節點可擴充到65535個裝置端點，而裝置端點的加入會由協調者來做

掃描偵測的動作，讓這些裝置形成一個區

域網路。[2、3] IEEE 802.15.4標準與ZigBee無線網路

技術十分適合使用於低成本、低功率損

耗。圖3為IEEE 802.15.4與ZigBee通訊協定堆疊之示意圖。

圖3 IEEE 802.15.4與ZigBee通訊協定堆疊 在ZigBee網路層中定義了三種角色，

分別為協調(Coordinator)、路由器(Router)

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與末端裝置 (End Device)。網路協調者(WPAN Coordinator)為協調者之一種型式，主要工作為負責無線網路之建立、網

路節點裝置之管理以及網路裝置位址

(Network address)的分配；路由器(Router)主要負責網路中節點與節點間資料封包之

傳送(Routing)，並負責找尋、建立，以及修復資料封包、路由器路徑 (Routing path)；而末端裝置(End Device)只能選擇加入別人已經形成的無線網路(WPAN)，能傳送接收資料，但不具備轉送封包之功能。 在網路層中支援三種拓樸:星狀、網狀、樹狀。

圖4網路層中三種拓樸:星狀、樹狀、網狀

星狀結構是最常用和最簡單，由若干節

點連接到一個中心節點如圖 4(a)。

樹狀結構是星狀結構和網狀結構的一

種結合如圖 4(b)。

網狀結構能夠提供更高程度的可靠

性，由許多各種各樣的節點組成複雜的網

狀結構。節點間可以互相通信，資訊可以

通過不同的路徑達到指定節點，當某條路

徑被干擾時資訊可以通過其他可用的路徑

進行傳輸如圖 4(c)。 [2、3]

ZigBee 優點介紹 (1) 彈性的傳輸距離:可依需求決定傳輸距

離(數公尺~數百公尺)。 (2) 多節點傳輸：多節點與快速系統化。 (3) 長效電源：使用一對AA1.5v電池可以

工作數年的時間。 (4) 低成本：以前每個無線成本過高造成

無法普及。 (5) 優秀的抗干擾能力：融合Wireless LAN

的CSMA/CA及CDMA的DSSS抗干擾技術。

(6) 網路有自我修復功能：使用於Mesh網路。

(7) 低的資料傳輸速率：主要應用於監控&控制。

(8) 世界通用標準：所有產品可以互相溝通。[2、3]

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五、開發工具與流程

表 1 軟硬體工具清單

5-1 連結嵌入式平台裝置與 ZigBee 無線感

測器裝置。

圖 5 嵌入式平台與 ZigBee 感測裝置

(1) 燒入所需程式碼至 ZigBee 感測器裝置(主板為燒入接收資料與 LED 調光模組的程式，GUI 感測器主板為燒入溫度、照亮度模組)。

(2) 開啟 ZigBee 感測器裝置，並同時自動連結建立 ZigBee 區網。

(3) 再利用 USB 把嵌入式平台裝置與ZigBee 感測器裝置做連結。

5-2 開啟 Android 作業系統平台下的居家監

控系統

(1) 執行 Android 平台作業系統上的居家監控系統。

(2) 按下 Open 按鈕進入開起監控系統。

圖 6 居家監控系統的主畫面

(3) 開啟監控系統後點選亮度選擇鈕，開啟LED。。

圖 7 led開啟後畫面圖

(4) Led 可選擇 100%、75%、50%、25%、0%、自動亮度。

(5) 當溫度小於 30 度時，電扇狀態顯示「30度以下，電扇未開」。

硬體設備 軟體設備 (1) 包含Android2.1

作業系統的嵌

入式系統一台。 (2) ZigBee 無線感

測器主板一台 (3) GUI 感測器主

板二台。 (4) 溫度、照亮度及

RFID 感測器模組各一組。

(1) Java 原始碼編寫 工 具 使 用

eclipse 來撰寫Java 程式碼。

(2) Android 開發平台由 Google 公司所開發的開

放式手持設備

作業系統。 (3) C 語言原始碼

編寫工具使用

IAR 開發環境來撰寫 C 程式碼。

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圖 8 溫度感測器把偵測的資料，回傳

至系統的畫面

(6) 當溫度大於 30 度時，電扇狀態顯示「30度以下，電扇開啟」。

(7) 點選 Exit 鍵，即退出程式。

六、結論與未來展望

本專題利用 ZigBee 區網使溫度感測

器、照度感測器、LED 調光模組做連結，

接著利用 Coordinator與Android平台設備

相連，達成本專題的系統架構。此專題的

主要功能在於監控家庭環境，以及控制家

俱的時候，不會因為距離而受到限制，並

且可以達到節能的目的。

此嵌入式智慧型無線感測居家監控系統，我們希望不只用在家庭監控之下，在

未來可以用於工廠或者是一整個社區作為

大規模管理，像工廠、倉庫之類的場所，

因為堆積貨物與機器等雜物且無人看管，

環境較於複雜，如果加上有監控系統可以

管理起整個工廠更加便利，社區方面，可

以藉由此監控系統調整路燈或其他公共設

施達到節能，讓社會大眾可以享受到科技

所帶來的安全與便利。

七、參考文獻 [1] 作者:胡繼陽、蔡郁彬、柯力群，嵌入式系統導

論 4e，出版社：學貫行銷股份有限公司，出版

日期：2009/5。

[2] 作者：鄭立，ZigBee 開發手冊，全華出版，出

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[3] 作者：許永和，ZigBee 無線感測網路設計與應

用實務，台灣優奎士出版，出版日期：2009/9。

[4] 作者：章任竣，應用於數位家庭之嵌入式無線

感測網路平台。

[5] 作者：蓋索林，Android 手機應用程式設計入

門，松崗資訊出版，出版日期：2010/12 第三

版。

[6] 作者：洪維恩，Java 2 教學手冊，旗標出版，

出版日期：2009/7。