臺灣博碩士論文加值系統

為提升經濟成長率，各國無不致力於進行工業技術革新與轉型，使得現今智慧工廠的概念被廣泛討論。欲使工廠內各設備由自動化提升為智動化，需整合硬體與智慧化軟體技術，藉由取得設備各項資訊，如感測、動作控制、作動流程等，偕同生產線的各項資訊，並加以分析與運算。為此工廠將導入工業物聯網(IIoT)架構，下至感測器、致動器，上至機台控制器、雲端運算伺服器等，各設備間皆需要進行資訊傳輸並應用至大數據分析，使得統一的資訊格式與通訊協定更顯重要。
為此本研究開發一廠區製造資訊雙向互動系統，系統著重於通訊架構的設計，藉由於廠區內設備導入物聯網開放式通訊協定－MQTT，搭配以嵌入式系統開發之IIoT閘道器，並裝設於廠區機台周邊進行感測資訊之收集與過濾，以及機台控制資訊彙整之功能，達到機台與物聯網設備、機台與機台之間的聯網通訊，並以Android系統開發一行動化應用平台，使廠區內的人員能更加便利與快速得獲取所需的機台相關資訊，該平台採用MQTT的發佈(Publish)/訂閱(Subscribe)模式，進行應用功能設計，可達到資訊派送服務。
本系統可應用於資訊派送、輕型控制、警報通知等層面，實現機器與機器、人與機器之間的雙向資訊交流。

Countries are committed to innovation and transformation of industrial technology for improving the economic growth rate, hence smart factory is widely discussed. For upgrading equipments in a factory from automation to intelligent automation, it is necessary to integrate hardware and intelligent software technology by obtaining various information of the equipment, such as sensing, motion, and actuation, and then analyzing and computing them with the information of production line.
The architecture of Industrial Internet of Things (IIoT) will be imported into the device including sensor, actuator, machine controller, cloud computing server in a factory. Each device needs to exchange information with other device and apply to big data analysis. Therefore, the unified information format and communication protocol are more important.
A bi-direction manufacturing Information interactive system for factory developed in this thesis lays emphasis on the design of communication architecture. It achieves the communication of machine to IoT device and machine to machine by importing the open protocol－MQTT into the factory and equipping IIoT gateway developed through the embedded system with the machine to collect and filter sensing data and control information. An Android platform offer personnel in the factory to get the necessary information of the machine conveniently and quickly. The mode of publish/subscribe from MQTT is adopted in this platform to realize information delivery service.
The system can apply to information delivery, lightweight control, alarm notification, and so on. It can achieve bi-direction information exchange between machine to machine and human to machine.

摘 要 I
誌 謝 X
目 錄 XII
表 目 錄 XIV
圖 目 錄 XV
縮 寫 表 XVIII
第一章 緒 論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 3
1.3 章節敘述 4
第二章 文獻探討 5
2.1 工業物聯網通訊技術應用趨勢 5
2.2 MQTT通訊協定原理與發展概況介紹 7
2.2.1 MQTT通訊原理介紹 7
2.2.2 MQTT相關發展與應用 9
2.3 廠區無線化環境之應用探討 10
2.4 行動化技術應用於製造業之探討 12
第三章 基於MQTT通訊協定之聯網架構 16
3.1 工業物聯網閘道器功能模組設計 18
3.2 感知層-感測模組功能規劃 20
3.2.1 MQTT通訊機制應用於感測資訊之傳輸規劃 22
3.2.2 感測資料之傳輸資訊封包設計 24
3.3 控制層-資訊傳輸與控制功能規劃 27
3.4 管理層-管理系統架構與資料庫建置規劃 28
3.5 應用層-行動化平台規劃 29
3.6 通訊協定開發工具與函式庫評估與選用 31
第四章 廠區製造資訊雙向互動系統開發 32
4.1 IIoT閘道器功能模組開發 32
4.2 單機系統之整合介面開發 34
4.3 行動化裝置之應用程式功能模組開發 36
第五章 系統實作與測試分析 38
5.1 系統實作相關工具介紹 38
5.2 各層級資料傳輸實作與連線測試 42
5.2.1 感知層資料傳輸實作與測試 42
5.2.2 控制層資料傳輸實作與測試 44
5.2.3 應用層資料傳輸實作與測試 45
5.3 系統導入之應用情境測試 52
第六章 MQTT聯網架構應用於廠區之分析與討論 54
6.1 以樹莓派建置MQTT Broker之聯網架構 54
6.2 以廠區管理伺服器建置MQTT Broker之聯網架構 56
6.3 聯網架構之分析與討論 57
第七章 討 論 58
第八章 結 論 59
參考文獻 60

[1] 李茂誠(2014)。製造資訊系統配雲端 打造新型智慧工廠。取自: https://www.digitimes.com.tw/iot/article.asp?cat=130＆cat1=50＆cat2=10＆id=0000368149_ieg2mvn137abl1lm39em1。檢索日期：2017.11。
[2] 廖專崇(2015)。從自動化邁向智動化 智慧工控發展全速前進。新通訊，11月號177期。取自:http://www.2cm.com.tw/coverstory_content.asp?sn=1510230005。檢索日期：2018.05。
[3] 行政院(2015)。行政院生產力 4.0 發展方案。取自: https://www.nchu.edu.tw/~class/bulletin/MOE/105_MoE_re_allr.pdf。檢索日期：2017.11。
[4] 經濟部國際貿易局(2018)。AI結合產業以提升我國智慧機械量能。取自: http://iknow.stpi.narl.org.tw/Post/Read.aspx?PostID=14170。檢索日期：2018.07。
[5] Iglesias-Urkia, Markel, et al. Towards a lightweight protocol for Industry 4.0: An implementation based benchmark. Electronics, Control, Measurement, Signals and their Application to Mechatronics (ECMSM), 2017 IEEE International Workshop of. IEEE, 2017.
[6] Al-Fuqaha, Ala, et al. Internet of things: A survey on enabling technologies, protocols, and applications. IEEE Communications Surveys ＆ Tutorials, vol. 17, no. 4, pp. 2347−2376, 2015.
[7] Locke, Dave. MQTT V3.1 Protocol Specification. International Business Machines Corporation (IBM) and Eurotech, pp. 42, 2010.
[8] HIVEMQ MQTT Essentials。取自: https://www.hivemq.com/mqtt-essentials/。檢索日期：2017.10。
[9] D. C. Yacchirema Vargas and C. E. Palau Salvador, Smart IoT Gateway For Heterogeneous Devices Interoperability, IEEE Latin America Transactions, vol. 14, no. 8, pp. 3900−3906, 2016.
[10] 顏御軒(2017)。無人搬運車之物聯網功能實現。國立中央大學電機工程學系碩士論文，台灣桃園。
[11] 陳響亮、王欣如、陳韻堯(2013)。基於Wi-Fi之無線化廠區雲端機台遠端監控平台設計。臺灣網際網路研討會(TANET 2013)，台灣台中。
[12] 陳明皇(2013)。基於Wi-Fi無線網路技術之工具機廠區監控系統建置。國立成功大學製造資訊與系統研究所碩士論文，台灣台南。
[13] Accenture(2012). Mobile web watch survey.
[14] D. Mourtzis, M. Doukas, and C. Vandera. Mobile apps for product customisation and design of manufacturing networks. Manufacturing Letters, vol. 2, no. 2, pp. 30−34, 2014.
[15] J. Wan, et al. Mobile services for customization manufacturing systems: an example of industry 4.0. IEEE Access, vol. 4, pp. 8977−8986, 2016.
[16] 陸品丞(2018)。EtherCAT工具機行動化運動控制及無線監控系統研究。國立成功大學製造資訊與系統研究所碩士論文，台灣台南。
[17] Cabe Atwell (2017). Top 10 Single Board Computers Introduced in 2017. EE Times. 取自: https://www.eettaiwan.com/news/article/20171225NT01-Top10-Single-Board-Computers-2017。檢索日期：2018.05。
[18] 王國禎、煬烽正、余文俊(2004)。視窗介面微電腦控制實務(第1章 感測器與致動器)，全華。¬
[19] MQTT server support 。取自: https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/server-support#capabilities。檢索日期：2017.11。
[20] R. A. Light, Mosquitto: server and client implementation of the MQTT protocol, The Journal of Open Source Software, vol. 2, no. 13, May 2017.
[21] Eclipse Paho. 取自: http://www.eclipse.org/paho/downloads.php
[22] paho-mqtt 1.3.1(Last released: Oct 9, 2017). 取自: https://pypi.org/project/paho-mqtt/
[23] 財團法人工業技術研究院(2015)。EtherCAT 運動控制平台(EMP)。取自: https://www.epcio.com.tw/product/EtherCAT-EMP.aspx
[24] M2Mqtt 4.3.0. 取自:https://www.nuget.org/packages/M2Mqtt/
[25] paho.android.service:1.0.2. 取自: https://www.eclipse.org/paho/clients/android/
[26] SQL Server JDBC driver－JTDS. 取自: https://sourceforge.net/projects/jtds/files/jtds/
[27] MPAndroidChart. 取自: https://github.com/PhilJay/MPAndroidChart
[28] MQTTLens. 取自: https://chrome.google.com/webstore/detail/mqttlens/hemojaaeigabkbcookmlgmdigohjobjm
[29] IoT MQTT Dashboard. 取自: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.thn.iotmqttdashboard＆hl=zh_TW
[30] GrovePi+. 取自: http://wiki.seeedstudio.com/GrovePi_Plus/
[31] Grove - Piezo Vibration Sensor. 取自: http://wiki.seeedstudio.com/Grove-Piezo_Vibration_Sensor/
[32] Grove - Loudness Sensor. 取自: http://wiki.seeedstudio.com/Grove-Loudness_Sensor/
[33] Digital relative humidity ＆ temperature sensor AM2302/DHT22. 取自: https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/Digital+humidity+and+temperature+sensor+AM2302.pdf
[34] ThingsBoard. 取自: https://thingsboard.io/
[35] ThingSpeak. 取自: https://thingspeak.com/
[36] Google Cloud IoT. 取自: https://cloud.google.com/solutions/iot/
[37] Microsoft Azure IoT Suite. 取自: https://azure.microsoft.com/zh-tw/services/iot-hub/